[科普中国]-PCI夹层卡

简介

软件无线电作为信息技术领域一种新的系统体系结构，其基本思想是构造具有开放性，标准化和模块化的通用硬件平台，通过软件编程实现各种功能。其思想已经在雷达系统中有了广泛的应用，雷达系统的中频数字化接收机就是基于软件无线电思想设计的。

在以开放的局部总线标准和突出的高速传输性能为特色的PCI 总线的基础上衍生出的PCI 夹层卡 (PMC) 在保持PCI 总线性能的同时有着更为出色的物理特性，为数字化接收机与PC 机间数据传输提供了出色的解决方案。1

相关简介PCIPCI是Peripheral Component Interconnect（外设部件互连标准）的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽，可见其应用的广泛性。 PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。 最早提出的PCI 总线工作在33MHz 频率之下，传输带宽达到了133MB/s(33MHz X 32bit/8)，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1993年又提出了64bit 的PCI 总线，后来又提出把PCI 总线的频率提升到66MHz 。目前广泛采用的是32-bit、33MHz 的PCI 总线，64bit的PCI插槽更多是应用于服务器产品。 由于PCI 总线只有133MB/s 的带宽，对声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备显得绰绰有余，但对性能日益强大的显卡则无法满足其需求。目前PCI接口的显卡已经不多见了，只有较老的PC上才有，厂商也很少推出此类接口的产品。

夹层卡夹层卡是一种为嵌入式体系添加以特定效能的有效且普遍应用的方法。因夹层卡是连接在基础卡或载卡上，而不是径直插在背板上，夹层卡可以自在变换。对体系设计人员来说，这意味着既能行灵巧配备，又可以自在晋级。但鉴于连接问题或安装到开拓板上需占用额外的空间，这种灵巧性常常会以舍身效能为代价。2

PMC标准简介PCI 总线作为一种非常高性能的本地总线，已经广泛应用于外设间以及外设与主机间的高速数据传输。该总线允许将PCI 板插入PCI 总线连接器。PCI 具有许多特点，包括132Mbps (32bit/33MHz)的数据传输速率， 支持类似于Multibus II 的互连和3.3V 接口。

PCI 板的波形系数与常规的AT(ISA)板非常类似，这样其能与现有的PC系统保持兼容。在PC 系统中，PCI 板是与主板成90°安装的，这样就占据大约5 个插槽 (Multibus II、VME 或CompactPCI)。但是，通过安装平面平行于Multibus II、VME 或CompactPCI 的PCI 卡并使用不同的薄形连接器，能把PCI 板安装到Multibus II、VME 或CompactPCI 板上，并且只占用一个插槽，该连接系统与PCI 接口合称PMC。

定义PMC 技术规范的公司想尽可能多的使用现有的标准，因而选择了PCI 2.0 版电气和逻辑技术规范以及IEEE 提议的CMC 标准。CMC 定义了从属中间卡的尺寸、使用的连接器类型和主板与从板上连接器的位置，使用了多个64 针薄形连接器。PMC 标准定义每个连接器各针的PCI 信号用途，另外它定义连接器的第64 针用于I/O 信号，该PMC 标准就是众所周知的IEEE Std1386.1-2001。

一个单尺寸PMC 的大小为74mm*149mm。这样，两个具有这种接口的板卡就可以紧靠着安装在Multibus II、VME 或CompactPCI 主板上。作为一个IEEE 标准，PMC 确保了任何符合该标准的主板或者模块能够与其它按照该标准设计的主板或者模块兼容。这样为用户提供了很大的柔性，用户可以任意组合和搭配不同的主卡和模块。1

多通道数字化接收机PMC 模块总体方案基于软件无线电思想设计的数字化接收机平台有很好的通用性，目前软件无线电数字化接收机的方案大致可分为以下四种：单通道窄带数字化接收机、单通道宽带数字化接收机、多通道宽带并行数字化接收机和基于多相滤波的多通道宽带信道化数字化接收机3。单通道接收机方案只能同时接收一路信号而不具备多通道信号处理的能力，实际应用中往往需要同时处理多路信号，所以本设计选用可同时输入四路独立模拟信号的四通道数字化接收机设计方案。数字化接收机接收的中频信号数字化后需要经过下变频处理，在保证不丢失信息的条件下减小数据量，同时利用FPGA 对数据进行初步处理。

PCI 总线作为一种局部总线， 在数据传输速率方面有突出的优势。32bit/33MHz 的PCI 总线，可以实现132Mbps 的数据传输速率，64bit/66MHz的PCI 总线数据传输速率高达528Mbps。它可以有效地实现数据的实时传输和存储，保证了接收机信号处理的实时性。

综合以上论述，接收机的总体方案为：首先对模拟信号中频数字化，然后对数字信号进行下变频及初步的基带数字信号处理，最后数据由PCI 总线输出，接收机的物理接口符合PMC 规范标准。1

具体方案确定数字化接收机的总体设计方案后，采用层次化设计方法将整个数字化接收机的电路设计细化为几个模块并确定各个模块的基本功能，图所示的DSP 部分应包括对中频数字信号进行下变频，基带数据处理，数据缓冲等。设计具体分为以下几个相对独立的模块。

A/D 转换模块：可以对SMA 接头输入的四路模拟信号独立采样，实现模拟信号的中频数字化。

数字下变频模块：主要完成A/D 转换模块输出信号的混频，降采样等，将中频数字信号下变频为低中频或零中频数字信号。

数据处理模块：对数字下变频模块输出数据进行初步处理并构成与后续数据缓冲模块的转换接口。

数据缓冲模块：利用大容量FIFO 实现不同时钟及数据宽度数据的有效传输。

PCI 接口及控制模块：采用FPGA 内置PCI IP 核的方式实现数据的PCI总线传输。同时利用内置PCI IP 核的FPGA 剩余资源实现对接收机各芯片的控制与协调工作。

电源与时钟模块：选用电压转换芯片为各功能芯片提供不同的电压，选用时钟驱动芯片提供时钟驱动能力。

设计为PMC 接口的数字化接收机的PCI 总线物理接口由4 个64 针插头组成，即Pn1~Pn4，如图所示，具有PMC 接口的数字化接收机可以方便地插在具有PMC 插槽的数字信号处理板上。