第 52卷 第 5期
2012年 5月
电讯技术
Telecommunication Engineering
Vo1．52 No．5
Mav 2012
文章编号：1001—893X(2012)05—0822—05
LTE／GSM多模基站收发信台数字中频模块
故障诊断的新方法
徐婷婷，王小港，郭 亮
(上海贝尔股份有限公司，上海 201206)
摘 要：针对 LTE／GSM多模基站收发信台(BTS)开发 中FPGA数字中频模块故障诊断的需求，开发
了一种基于以太网数据通信接 口，利用MaⅡab软件直接存取 FPGA内部寄存器值，并且可以连续采
集数字中频模块内部关键节点大块数据的软硬件协处理方法，从而快速定位数字中频信号链路的调
测问题并帮助排除故障。这种诊断方法无缝集成在 FPGA设计中，可以在 BTS测试开发的各个阶段
采用，不需要额外设备及接口。在 LTE／GSM MSR(Multi—Standard Radio)项目中利用该诊断技术完成
了数字中频模块上下行信号处理链路频谱异常等故障的诊断与定位。
关键词：多模基站；基站收发信台；数字中频模块；故障诊断；协处理
中图分类号：TN911．72 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1001—893x．2012．05．044
A New Fault Diagnosis M ethod for Digital IF M odule in LTE／GSM
M ulti．standard Radio Base Transceiver Station
XU Ting-ting，WANG Xiao—g锄 ，GUO Liang
(Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co．，Ltd．，Shanghai 201206，China)
Abstract：A new fault diagnosis method is developed based on ethemet CO—simulation protocol by using Matlab
tool。according to the requirement in the l肛 ／GSM Muhi—Standard Radio Base Transceiver Station(BTS)de—
velopment． en t}lis CO—simulation method between hardware and software iS utilized．the Matlab can access
the re西stets in the n)G_A directly and can trace a large block of data of key points refer to tIlC problems．The di．
agnosis module iS integrated into n GA seamlessly．and it Can be used in all the development phases of the B
test and qualification procedure with no other devices and interfaces needed．By using this diagnosis method．
several practical problems have been solved during the FPGA an d BTS development．
Key words：multi—standard radio base；base transceiver station；di tal IF module；fault diagnosis；co—sin~ation
1 引 言
3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动
的最大的新技术研发项目，这种以 OFDM／FDMA为核
心的技术可以被看作“准4G”技术。LTE技术可以提
供高于3G速率几十倍、接续时延更短的无线业务体
验，实现上／下行分别超过50 Mbit／s和100 Mbit／s的传
输速率和更好的端到端质量保障 -¨2]。今天，有超过
49个 LTE网络已经开始商业运营在全球各个国家，
有超过269款 LTE终端由各个厂商发布面市。可以
看到，LTE的全球化发展已是大势所趋。业界各通信
设备厂商都纷纷抓住网络技术更新换代这一大好机
收稿日期：2012—01—04；修回日期 ：2012—03—21
基金项目：核高基国家科技重大专项(2009ZX01031—002一(102—002)
Foundation Item：The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China
(2009ZX01031—002—002—002)
· ·
第 52卷 徐婷婷 等：LTE／GSM多模基站收发信台数字中频模块故障诊断的新方法 第 5期
遇，加快技术创新步伐，提高市场开拓能力，力求在
LTE时代占有自己的一席之地。
另一个无线技术发展的热点就是软件无线电
(Software Defined Radio，SDR)。软件无线电就是宽带
模数及数模变换器(A／D及 D／A)、大量专用／通用处
理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)
构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件
平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能
模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。该平
台架构被广泛应用于 BTS的开发中，便于 BTS的升
级和更新换代，特别适用于多种标准共存的情况下。
LTE／GSM多模 BTS正是在这样的背景及基础上，通
过对原来 GSM BTS的升级应运而生的。其中，数字
中频模块是在 FPGA芯片实现的。FPGA以高速复
杂逻辑处理能力见长，同时凭借其超大规模的单芯
片容量和硬件电路的高速并行运算能力，在信号处
理方面也显示出优势。数字中频模块的升级，主要
是由原来支持 6路 GSM载波升级到支持 1路 LTE
载波加 2路 GSM载波。
FPGA的故障诊断在整个 FPGA的开发过程中
是重点和难点。目前，FPGA开发过程中的诊断手段
主要是前期的RTL代码仿真，而上板测试阶段主要
有 3种方法：利用主控 CPU读取 FPGA寄存器的状
态值或修改寄存器的配置值；利用 FPGA厂商提供
的嵌入式逻辑分析仪添加需要观测的信号；利用外
接引脚连接逻辑分析仪观测相应引脚的信号。这 3
种方法要依赖于 CPU软件或外部接 口，在系统测试
阶段都不够灵活，并且不能实现大块数据的采集。
而本文提出的基于以太网接口采用 Matlab软件实现
的软硬件协处理诊 断技术，由于利用 了板上 的
DDR2存储器，因此只需要编写简单的 Matlab脚本
语言，利用一个以太网接口，就可以实现 FPGA内部
寄存器的存取及信号链路各节点大块数据的采集。
相比其他的诊断方法，该方法只需要一个以太网接
口，实现方式简单灵活。
2 FPGA数字中频模块
2．1 模块功能
在 LTE／GSM BTS中，FPGA实现的数字中频模
块支持 GSM和 FDD LTE两种协议，其实现结构如图
1所示，其中既包含两种协议数字中频的独立处理
链路，也包含公共的组合处理链路[3-4]。
图 1 LTE／GSM BTS数字中频功能结构图
Fig．1 Function structure of dig蹦 IF module in LTE／GSM BTS
从图 1中可以看到，GSM下行链路主要包括数
字上变频和2路载波的频率综合，而 LTE主要包括
数字上变频、削峰及数字重采样，两者在相同的采样
频率下合并进入组合处理模块，再进行数字预失真
处理，最后经 DAC接口模块输出到 DAC。其中 GSM
的基带数据来自以太网接 口，LTE的基带数据来 自
CPRI(Common Public Radio Interface)接口。
上行链路的处理则是从模拟端 ADC进入 ADC
接口，经自动增益控制模块，再到组合处理模块，组
合处理根据不同的频点偏移，分别提取出 2路 GSM
载波和 1路 LTE载波。GSM的上行处理主要是数
字下变频、信道滤波及以太网接口部分，LTE的上行
处理主要是数字重采样、数字下变频、信道滤波及
CPRI接口。
数字中频模块包含了大量的数字信号处理，本
文提出的诊断方法是利用 Matlab工具软件来存取寄
存器及采集大块数据，而 Matlab的一大优势就是数
字信号处理，因此，利用该方法采集到的数据可以直
接在 Matlab工具环境里利用 Matlab丰富的信号处理
函数进行分析处理。
2．2 n，GA接口环境
在 LTE／GSM BTS系统 中，FPGA实 际充 当了
DSP的协处理器的角色(即 DSP为主控 cPU)，FPGA
几乎与板上不同接口标准的其他芯片都有接 口，除
了实现数字中频这个主要功能，DSP还通过 FPGA
控制其他芯片。FPGA与 DSP的接 口是通过以太网
交换芯片。DSP要实现各种不同的功能，如控制指
令或基带数据的发送和接收，其与 FPGA之间的通
信交互都是通过以太网包的形式进行的。不同的应
· 823 ·
WWW．teleonline．cn 电讯技术 2012年
用，需要定义不同类型的以太网包。在这样的设计
基础上，本文提出了一种软硬件协处理诊断方法，该
方法基于协处理协议自定义了一种特殊的以太网包
类型，对于这一类型的以太网包，Matlab可以接替
DSP的角色，直接实现与 FPGA的通信交互。
图2 FPGA与板上其他器件的接口
Fig．2 Interfaces between FPGA and other devices
3 协处理的原理与实现
3．1 协处理协议介绍
基于 Ethemet的软硬件协处理协议，简称为 Co
— simulation协议，为点对点通信，Xilinx的 System
generator工具可支持并可集成到 Matlab软件。表 1
所示为一典型的以太网帧结构，对于 Co—simulation
协议，会针对不同的命令和响应对以太网类型字段
和载荷字段进行进一步的自定义L5J。为了将 Co—
simulation协议的数据与其他业务的以太网包相区
分，根据协议，本文定义了0)【3100的以太网包类型。
表 l 以太网帧结构
T e 1 EthemetIIframe
载荷字段的定义包含了 Co—simulation协议标
志符和协议数据两部分，如表 2所示。由于 FPGA
硬件协处理接口的数据位宽为32 b“，因此协议数据
的长度总是4 byte的整数倍。Co—simulation协议标
志符指示了协议数据的类型，本设计中用 0xABCD
指示该 0x3100包为 Co—simulation命令或 Co—simu—
lation响应。主处理器通过硬件协处理接 口发送命
令包给 FPGA，让 FPGA执行一系列相应的命令。同
时 FPGA也可以通过硬件协处理接口回送响应包给
主处理器。
· 824 ·
表 2 以太网载荷的定义
Table 2 Ethemet payload
Co-simulation协议标志符 Co—simulation协议数据
2 byte 4m byte
0xABCD：Co—simulation命令／响应
主处理器根据协议配置好相应的数据，就可以
对 FPGA内相应的地址映射空间发起读写命令进行
存取操作。一个 0x3100命令包可以包含多条读写
指令。FPGA内的硬件协处理接口会按次序顺序执
行接收到的指令。
3．2 Co—simulation协议的FPGA实现
对于协处理的诊断方法，Co—simulation协议的
FPGA实现是重点。在本文的 FPGA设计中，需要在
以太网接口模块完成该功能。以太网接口模块负责
处理 CPU通过以太网包对 FPGA的读写操作，以及
业务数据的发送和接收。该模块的更新设计中，Co
— simulation协议部分采用了Xilinx提供的 IP核，所
有的存取操作都是通过地址映射进行的。对于业务
数据的处理，在模块内部还需经过 FIFO来实现时钟
域的转换。其中，FPGA发送业务数据到 CPU的过
程是由FPGA自主发起的，无需 CPU发起读请求。
以太网接口模块通过 SGMII一1接口与板上的
以太网交换芯片相连，通过 local link接 口与 FPGA
内部的其他模块相连。从图 3中，我们看到有一路
数据经 local link到 Co—simulation Processor，再到地
址映射模块。类型为 0x31oo的包走的就是该数据
路径。在本文所述的协处理诊断方法中，Matlab代
替CPU与地址映射模块交互。在该诊断方法中，
FPGA将为相应的主处理器开放整块的地址映射空
间，供主处理器进行读写操作，此时，Matlab对该映
射空间的操作将没有任何限制。
一 LocaILinkInterhce
I (XILINXint~111alFormat)
图3 以太网接 口模块框图
Fig．3 Ethemet CO—simulation module diagram
第52卷 徐婷婷 等：LTE／GSM多模基站收发信台数字中频模块故障诊断的新方法 第 5期
4 诊断方法所需的其他模块
4．1 Ethemet地址映射模块
从图3中，我们看到所有从 Co—simulation处理
器上传和下发的数据都是通过地址映射模块再到
FPGA内部的各个模块的。在 BTS系统中，DSP与
FPGA的数据交互都是通过以太网包，因此，在 FPGA
设计之初，为 FPGA内部的各个功能模块都定义了
相应的地址映射空间，为所有需要直接存取访问的
寄存器都分配了相应的地址空间。通过协处理的诊
断方法，我们可以对一个模块的整块地址空间进行
存取操作。
4．2 数据采集模块
协处理诊断方法的另一特点就是大块数据的采
集，这就需要数据采集模块的开发。该模块完成了
对 FPGA实现的中频处理模块内部某些关键节点的
数据进行采集。
RXd|组 InlIoffaco
’ TX_D~bug
’ RxO
’ Potl
Feedback
’
DPD Interface
gSamplerStart
一医 TxdataInterfa~ TX_Chain
Interface
图4 数据采集模块框图
Fig．4 Sampler module diagram
从图4可以看出，数据采集模块包含发送和接
收数据两部分功能。首先，接收功能包括采集 TX—
path、Rx ADC及 FB ADC 3个节点的信号。模块工
作时，节点的选择是通过配置 soul~e—select寄存器，
采集数据的长度再通过配置长度寄存器。采集到的
数据会首先存储到 DDR2一RAM，存储的起始地址会
存放在接收地址寄存器。DDR2一RAM的存储容量
为512 Mbyte，因此可以根据具体的诊断需要来配置
长度寄存器的值。所有需要采集的信号都会有一个
高电平有效的同步信号。由于需要采集的信号可能
处于不同的时钟域，因此，数据采集模块内部会利用
FIFO来进行时钟域的同步。DDR2一RAM中的数据
是通过 Frame—RA M来分块读取的。系统为 Frame
— RA M定义了2 048 byte的数据空间，其中地址空间
为512，数据位宽为32 bit，该 512的地址空间就是接
收数据的地址映射空间，DSP／Matlab就可以通过 C0
一 simulation接口多次存取该空间的整块数据，完成
大块数据的存取。图 4中的 ECI(Ethernet Co—simu—
lation Interface)即为上一小节的地址映射模块，每一
个FPGA功能模块都会包含一个这样的模块。其
次，数据采集模块的另一个功能是通过 DDR2一RAM
发送数据到 TX—chain，该功能的处理流程是主处理
器通过以ECI接口写数据到 Frame—RA M。
5 诊断方法的应用
5．1 项目中应用
该软硬件协处理的 FPGA诊断方法被应用于
LTE／GSM MSR项 目的各个阶段。图 5所示为 MSR
(Multi—Standard Radio)项目的层一系统集成测试验
证平台。可以看到，在该平台上，很难采用常用的
FPGA诊断方法。在项目初期，DSP的程序还未开发
完成时，我们利用该方法，通过 Matlab来配置 FPGA
的控制寄存器，并通过读取状态寄存器来检查 FPGA
的工作状态。通过一个 Matlab脚本，我们可以方便
地完成寄存器的配置和读取。在测试验证阶段，我
们主要利用该方法来诊断 FPGA中频处理模块出现
的问题，进行定位和分析。在下行信号链路的测试
中，当发现频谱仪上的信号异常时，我们会通过该方
法来采集 DAC之前的数字信号，并在 Matlab里分
析，从而快速地对问题是由FPGA的下行数字信号
处理链路引入的还是模拟部分引入的作出判断。如
果问题是由数字部分引入的，就进一步展开更深入
的分析，如算法模型的进一步仿真分析，或是 RTL
仿真分析。在上行信号链路的测试中，当我们发现
接收到的数据异常时，我们会利用该协处理的方法
采集 ADC之后的数字信号，并在 Matlab分析，查看
该节点的信号有无问题，若无问题，该信号则会作为
测试矢量，用于提供给上行信号链路的算法模型或
RTL代码作仿真用；若该节点有问题，则可以判断是
模拟部分的处理出现问题。这种分段定位诊断问题
的方法在项 目开发过程中提高了诊断定位问题的效
率，实践证明非常有效。
图5 L3T_／GSM MSR测试平台
Fig．5 Test platform of LTE／GSM MSR
· 825
WWW．teleonline．cn 电讯技术 2012正
5．2 应用实例
以下用一个 FPGA数字中频诊断的实例做进一
步具体说明。图6所示为利用该诊断方法诊断具体
故障的 Matlab工作环境。图中右侧所示的例子为，
在测试10 MHz带宽的 LTE上行链路时，实际信号发
生仪发出的有用信号的带宽为5 MHz，而在 CPRI接
收侧，分析接收到的数据时，发现有用信号的右侧有
一 个镜像频谱，如图6右上方的波形所示。利用协
处理的诊断方法，在 ADC之后利用数据采集模块采
集数据，发现模拟部分输出的数据频谱如图6右下
方所示，有用信号为5 MHz，没有镜像频谱，说明该
问题为数字中频模块引入。因此，我们利用采集到
的数据作为数字中频模块的仿真激励，对数字中频
模块进行 RTL仿真，发现该问题是由LTE上行信号
链路的数字重采样模块引人的。该子模块主要功能
是实现数字重采样及时钟域的转换。模块输出接口
负责时钟域转换的兀F0，其中1支路和Q支路的兀一
FO处理机制不一致，Q支路的 FIFO会发生溢出，导
致 1支路和 Q支路的数据不对称，从而引起问题。
图6 Matlab工作环境及故障诊断举例
Fig．6 An example and results in Maflab
6 结 论
本文所论述的基于以太网接口采用Matlab软件
对数字 中频 FPGA设计进行故障诊断 的方法在
m ／GSM MSR项 目开发的各个阶段均被采用。在
项目之初，DSP软件没有开发完成时，利用该方法使
用 Matlab软件和以太网接口完成数字中频模块的寄
存器配置及状态寄存器的查询。在集成测试的系统
验证阶段，通过采集和分析关键节点的信号数据，使
中频处理模块上下行链路输出异常的问题能快速定
位，并为仿真提供了真实的激励。受 FPGA内部资
源的限制，该方法用到的数据采集模块中的采集节
点数量相对有限，因此，数字中频设计内部具体子模
块的故障定位还需要结合 RTL仿真分析才能最终
定位。由于该方法易用且不需要额外硬件接口，被
应用于本公司多个 MC(Multi—Carrier)项 目中。对
于该协处理的诊断方法，只要在 FPGA设计中包含
有支持 Co—simulation协议的处理模块，就可以普遍
应用于FPGA数字系统的故障诊断。
参考文献：
l 1 l 3GPP Ts 36．104 v9．5．0，Base Station(BS)radio transmis．
sion and reception(ReJease 9)[SJ．
1 21 3GPP 36．141 v9．5．0，Base Station(BS)conformance
testing(Release 9)[S]．
[3] 3cPP 37．104 v9．3．0，Muki—Standard Radio(MSR)Base
Station(BS)radio transmission and reception(Release 9)[S]．
i 4j 3GPlP 25．104 v9．4．0，Base Station(BS)radio transmis—
sion and reception(f1)D)(Release 7)[s]．
[5] Chan CB，B,ql1％Ma JB，ShiraziN，et a1．Point—to—PointEther-
net hardware CO—simulatinn intefface：US，7，636，653l P／0L1．
009—12—22．http：／／www．google．com／patents／US'／~ 3．
作者简介：
徐婷婷(1982- )，女，江苏人，硕士，工程师，主要研究方
向为无线通信系统中频数字化技术；
XU ng—ting was bom in Jiangsu Province，in 1982．She is
now an engineer with the M．S．degree．Her research coilceil3s the
digital IF technology in wireless eoinmunieation systems．
Emaih tingting．xu@aleatel—sbel1．corn．en
王小港(19r73一)，男，河北人，博士，现为上海贝尔股份
有限公司 ASIC／FPGA设计工程师，主要从事有线／无线通信
系统的 ASIC／FPGA研发；
WANG Xiao—gang was bom in Hebei Province，in 1973．He
is now an engineer with the Ph．D．degree．His research concerns
R&D of ASIC／FPGA and system design experience in wire／wireless
eormnunication system．
郭 亮(197卜 )，男，浙江人，硕士，高级工程师，主要研
究方向为数字集成电路／FPGA设计。
GUO Liang was bom in Zhejiang Province，in 1972．He is
now a senior engineerwith the M．S．degree．His research concerns
digital ASIC／FPGA design ．
