軟件無線電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)——軟件無線電的架構(gòu)

隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，智能無線電技術(shù)逐漸成為通信領(lǐng)域關(guān)注的熱點，并給無線通信帶來新的發(fā)展空間。講座將分為3 期對智能無線電技術(shù)技術(shù)進行介紹：第1 期講述軟件無線電技術(shù)的背景及發(fā)展現(xiàn)狀；第2 期詳細介紹軟件無線電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)——軟件無線電的架構(gòu)，并從其應(yīng)用及通用平臺設(shè)計角度分析各類平臺的優(yōu)缺點；第3 期介紹了軟件無線應(yīng)用中的多種開發(fā)工具。

軟件無線電架構(gòu)

軟件無線電（SDR）最初的概念是一種通信技術(shù)或者體系結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在SDR，確切地說是軟件定義無線電，更接近一種設(shè)計方法或者設(shè)計理念。軟件無線電在理論上有著良好的應(yīng)用前景，實際應(yīng)用中卻受到軟、硬件工藝或者處理能力的限制，但是基于軟件無線電概念基礎(chǔ)上的軟件定義無線電技術(shù)卻越來越受到人們的重視。在2001 年10 月份舉行的ITU－8F 會議上，軟件定義無線電被推薦為未來無線通信極有可能的發(fā)展方向。

軟件定義無線電的功能需求包括重新編程及重新設(shè)定的能力、提供并改變業(yè)務(wù)的能力、支持多標準的能力以及智能化頻譜利用的能力等?？梢?，SDR 是可為所有技術(shù)使用的公共平臺，例如認知無線電。下面我們將從一個相對完整的SDR 平臺角度來闡述SDR 平臺的架構(gòu)，主要包括以軟件為中心的SDR 架構(gòu)和SDR 硬件結(jié)構(gòu)兩個方面。

1、以軟件為中心SDR 架構(gòu)

軟件無線電，其重點在于基于一款通用平臺來進行功能的軟件化處理。在SDR 探討中，開發(fā)人員往往注重平臺的硬件開發(fā)，偏重于搭建平臺時使用器件的處理性能，以使得通用平臺盡可能的接近理想軟件無線電的設(shè)計要求。這使得一部分人忽略了SDR 中軟件平臺的設(shè)計。這里提出的SDR 軟件平臺，是指在利用通用硬件平臺實現(xiàn)SDR 功能時的一種用戶算法處理框架（或簡單認為信號處理框架），甚至是一種操作環(huán)境（如滿足軟件通信體系架構(gòu)規(guī)范用戶接口環(huán)境）。SDR 軟件平臺（也稱作SDR架構(gòu)）負責的功能一般包括：

·提供用戶接口，用戶通過該接口添加、刪除功能模塊。
·算法封裝，將算法包裝與外界隔離，算法包括通信算法、信號處理算法、C/C++等其他算法。
·互聯(lián)接口，以完成模塊間互聯(lián)。
·中間信號的測試調(diào)試接口。
·調(diào)度器或者適配器，用來管理模塊。

SDR 架構(gòu)中，最受歡迎的兩類開源平臺分別是開源軟件定義無線電（GNU Radio）和開源軟件通信體系框架嵌入式解決方案（OSSIE）。二者都是著手于標準化和可移植化的代碼開發(fā)，GNU Radio 的出發(fā)點是提供一種信號處理框架，而OSSIE 的目標是提供一種軟件通信體系架構(gòu)（SCA）操作環(huán)境。

1.1 GNU Radio 平臺

GNU Radio 是一種設(shè)計SDRs 的開源架構(gòu)，其主要組件包括6 個部分：通用框架、調(diào)度器、C++ 和Python 工具、數(shù)字信號處理（DSP）模塊、用戶接口界面、硬件前端的接口。這6 個部分詳細功能說明如下：

·一個為信號處理模塊準備的通用框架，并且其可以連接到一個或多個其他模塊。
·一個調(diào)度器，用于激活每個處理模塊并且管理模塊之間的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。
·C++和Python 工具，用于建立多個模塊間的流圖，并將該流圖連接到調(diào)度器上。
·一組足夠多的用于濾波器、跟蹤環(huán)等的常用DSP 模塊。
·用戶接口界面，允許用戶拖拽模塊、模塊連線來實現(xiàn)GNU Radio 的設(shè)計。
·一個與商用硬件前端的接口。前端硬件包括數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC/ADC）和上下變頻器，來提供了通用處理器（GPP）和無線物理環(huán)境的接口。

GNU Radio 運行在Linux 系統(tǒng)上。圖1 給出了GNU Radio 圖形用戶接口界面，每一個小模塊封裝了不同的信號處理功能，而且這些算法功能都是開源的。大部分算法或者信號處理模塊是基于C++語言開發(fā)的，可讀性強，同時也便于用戶開發(fā)。模塊間的通信是利用數(shù)據(jù)通道完成的，信息采用的是消息隊列形式。GNU Radio 結(jié)合通用軟件無線電外設(shè)（USRP）開發(fā)板，可以認為是一種SDR 平臺，相關(guān)人員可以利用這種平臺進行一些算法的快速開發(fā)和SDR 研究。

圖1、GNU Radio 圖形用戶接口界面

1.2、OSSIE 平臺

OSSIE 是一種開發(fā)SCA 兼容無線電的開源平臺，提供了一種SCA 操作環(huán)境。OSSIE 分配包括以下部分：

·用來選擇模塊和互聯(lián)模塊的用戶接口。
·定義新模塊的用戶接口，可以創(chuàng)建C++程序框架，用戶根據(jù)應(yīng)用需要可以增減框架內(nèi)所需要的信號處理代碼。
·用來檢查和調(diào)試波形的用戶接口，該接口允許開發(fā)人員監(jiān)視中間模塊中的信號。監(jiān)控器可以在運行中添加，便于觀察中間波形，進行模塊調(diào)試。
·基于開源對象請求代理（ORB）的SCA 兼容公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）。
·一系列學習指南和實驗課程。Windows 用戶可以直接下載相關(guān)組件并運行，不需要安裝Linux，相對GNU Radio 上手容易。

從圖2 和圖3 以及OSSIE 分配上看出，用戶接口軟件OSSIE 提供了SDR 架構(gòu)設(shè)計、信號處理代碼封裝、接口調(diào)試、中間模塊波形調(diào)試等功能，在OSSIE 上開發(fā)完整的無線電是相當可行的。基于OSSIE 架構(gòu)，Prismtech 公司的著名Spectra 系統(tǒng)提供了一個完整的用來開發(fā)SCA 兼容波形的操作環(huán)境。

圖2、OSSIE 用來定義波形的用戶接口界面

圖3、OSSIE 用來測試和調(diào)試用戶接口界面

1.3、不同開源SDR 平臺間對比

GNU Radio 由專門的業(yè)余愛好者創(chuàng)立，以節(jié)省開支和臨時應(yīng)急驗證為目的的一種快速開發(fā)工具；而OSSIE符合軍方開發(fā)標準。二者都是著手于標準化和可移植化的代碼開發(fā)。

GNU Radio 的出發(fā)點是提供一種信號處理框架，與之不同的是OSSIE的目標是提供一種SCA 操作環(huán)境。GNU Radio 運行在Linux 平臺上，且直接訪問文件系統(tǒng)和硬件；SCA 波形運行在OSSIE 提供的一個良好的操作環(huán)境下，應(yīng)用程序界面抽象描述了文件系統(tǒng)和硬件。在GNU Radio 上的模塊之間通過Python 或者C++指令來互相連接，采樣數(shù)據(jù)是通過用戶自定義的循環(huán)緩沖來傳輸。OSSIE 采用可擴展標記語言（XML）文件定義模塊連接，而實際是通過CORBA 服務(wù)完成了連接。最重要的是OSSIE 基于ORB 結(jié)構(gòu)，采用了傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）傳輸采樣數(shù)據(jù)。特別說明，ORB 允許不同的模塊運行在不同的機器上，而GNU Radio平臺上的流圖只能在同一臺機器上運行。通過比較發(fā)現(xiàn)，GNU Radio 更像是OSSIE 中一種功能組件，完成的是OSSIE 的信號處理功能。

基于GNU Radio 和OSSIE 兩類平臺出現(xiàn)一系列SDR 軟件架構(gòu)，例如PrismTech 公司的Spectra CX 環(huán)境。這些SDR 架構(gòu)與專用處理器（現(xiàn)場可編程門陣列/DSP）相連接或者將專用處理器抽象成封裝組件，將無線電波形集中管理，根據(jù)需要進行裝配組件形成波形應(yīng)用，靈活調(diào)用。這樣就完成了軟件無線電平臺開發(fā)雛形。

2、用于SDR 信號處理的硬件結(jié)構(gòu)

SDR 要求硬件系統(tǒng)具有功能可重構(gòu)、較高的實時處理能力，要求適應(yīng)性廣、升級換代簡便。在一般情況下要求SDR 硬件系統(tǒng)具備如下特點：支持多處理器系統(tǒng)，具有寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸I/O 接口，結(jié)構(gòu)模塊化、標準化、規(guī)范化等。常見的SDR 平臺就是CPU+DSP+FPGA 這種形式。即便我們不具備全部硬件，但仍然可以進行SDR 開發(fā)，因為SDR 更像是一種設(shè)計理念，重在軟件和算法處理，其組件（不管是硬件平臺，還是軟件算法）滿足同一種規(guī)范，則具備SDR 可重構(gòu)的靈活性。目前，存在3 種主流SDR 硬件平臺結(jié)構(gòu)：基于GPP 的SDR 結(jié)構(gòu)、基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的SDR（Non- GPP）結(jié)構(gòu)、基于GPP +FPGA/SDP 的混合SDR 結(jié)構(gòu)。

2.1 基于GPP 的SDR 結(jié)構(gòu)

基于GPP 的SDR 結(jié)構(gòu)提供了最大的靈活性和最簡單的開發(fā)。GPPs最適合用于實驗室環(huán)境的研究和開發(fā)，研究者能夠快速嘗試一系列算法和波形。一款高配PC 在運行相當復(fù)雜的波形情況下，數(shù)據(jù)率≥1 Mbit/s，并且通過以太網(wǎng)、USB、PCI 等標準接口可以直接處理數(shù)字基帶或者低中頻采樣數(shù)據(jù)。并且可以通過多核處理來提高數(shù)據(jù)的吞吐量。但是，對于這種結(jié)構(gòu)來說更適合處理數(shù)據(jù)塊，并不擅長處理實時采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)延時和抖動是其面臨的主要問題。操作系統(tǒng)會引進延時和抖動，windows 系統(tǒng)抖動可能超過10 ms，而像VxWorks這種實時操作系統(tǒng)抖動可以限制在1 ms 內(nèi)。

基于GPP 的SDR 結(jié)構(gòu)比較簡單，其結(jié)構(gòu)一般如圖4 所示，只包括天線、ADC/DAC、數(shù)據(jù)緩沖模塊（FIFO）和GPP。這種架構(gòu)對于開發(fā)人員來說，相當方便和靈活，直接接入個人PC 就可以進行算法開發(fā)和測試，但它也存在缺點，如上述所述，延時和數(shù)據(jù)處理的方式等。

圖4、基于GPP 的SDR

2.2 基于FPGA 的SDR（Non-GPP）結(jié)構(gòu)

基于FPGA 的SDR 結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較困難。FPGA 適合于高數(shù)據(jù)速率和寬帶寬信號波形應(yīng)用，并且可以用于靈活實現(xiàn)無線電和多種多樣的波形設(shè)計，但是在結(jié)構(gòu)上與GPP 存在本質(zhì)區(qū)別。GPP 在內(nèi)存中執(zhí)行指令且很容易從一個指令功能轉(zhuǎn)換到另一種功能，而FPGA 上的功能直接映射成了硬件電路，一個新功能需要更多的FPGA 資源。同時，F(xiàn)PGA 的高度并行結(jié)構(gòu)十分適合數(shù)據(jù)流處理，但是不適合密集型控制處理。另一方面，F(xiàn)PGA 的配置文件高達40 MB，配置時間長達100 ms，而且重新配置是容易丟失芯片中的數(shù)據(jù)。這些問題直接造成了多波形設(shè)計中重新加載的時間太長的問題。雖然一部分FPGA 支持局部重配置的功能，但是這項技術(shù)相當困難并且嚴重受到開發(fā)工具的限制。讓人興奮的是，F(xiàn)PGA 實現(xiàn)了2011 年提出的3 項建議：

·專用GPP 與FPGA 一同使用。
·通過使用可用的邏輯資源在FPGA 上嵌入一個全功能的單片機。
·將FPGA 和GPP 結(jié)合制作成單一器件（如Xilinx ZYNQ 系列）。

將FPGA 和GPP 結(jié)合制作成單一器件，并不是像嵌入了單片機模塊，這種片上單片機上電可用，并且不需要FPGA 就可以進行編程設(shè)計。由此可知，基于FPGA 的SDR 架構(gòu)時代已經(jīng)到來，新一代SDR 將在新技術(shù)下越來越有意義。

2.3 基于GPP+FPGA/DSP 的混合SDR結(jié)構(gòu)

基于GPP+FPGA/DSP 的混合SDR結(jié)構(gòu)，分為GPP+FPGA、GPP+DSP+FPGA 兩種主要架構(gòu)形式。這種組合結(jié)構(gòu)融合不同器件的優(yōu)點，取長補短，在功耗要求比較寬松的實驗室環(huán)境下，能夠給開發(fā)人員提供一種快速驗證各類算法高性能平臺。

圖5 給出了這種結(jié)構(gòu)的互聯(lián)示意圖。這種結(jié)構(gòu)一般對異構(gòu)器件間的數(shù)據(jù)交換的性能要求較高，不同器件間通信一般會采用PCIe[12] 接口方式（1.25 Gb/s/1x）和串行高速輸入輸出（SRIO）接口方式（1.5 Gb/s/1x）。PCI Express 主要用于計算機中芯片間、板卡間的數(shù)據(jù)傳輸，也有部分嵌入式市場；RapidIO 主要用于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)芯片間、板間數(shù)據(jù)傳輸，其目標就是嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的高性能互聯(lián)。這種混合SDR 結(jié)構(gòu)，性能上可以充分地利用各種器件的優(yōu)勢，但同時也存在著接口設(shè)計復(fù)雜和能耗大的問題。

圖5、異構(gòu)器件互聯(lián)示意

2.4、多通道SDR 結(jié)構(gòu)

除了上述討論的SDR 基本結(jié)構(gòu)，也存在多通道SDR，如圖6 所示。多通道SDR 旨在多并發(fā)用戶共享相同的帶寬，例如在一種互不兼容無線電模式下的無線電轉(zhuǎn)換，允許不同模式下用戶間對話。這種架構(gòu)最簡單的結(jié)構(gòu)就是整合一組獨立的SDRs，每一個SDR 支持一個或多個信道，一般的這些SDRs 分別是具有低速率、中速率、高速率處理能力。這種結(jié)構(gòu)除了對多種用戶接口、復(fù)雜的算法設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計提出高要求，也對信號處理器（GPP/FPGA/DSP）和射頻模塊（ADC/DAC/放大器）的性能提出了較高的要求。

圖6、多通道SDR

3、實驗室自研平臺

目前，業(yè)界也出現(xiàn)了一系列支持SDR/CR 的高性能開發(fā)平臺，均是基于以上討論的架構(gòu)。例如National Instruments 公司的USRP、BeeCube 公司的BEE3、基于Xilinx ZYNQ 系列的ZingBoard/ ZedBoard 開發(fā)板等。這些現(xiàn)有的具有SDR 開發(fā)能力的開發(fā)板，大多屬于商業(yè)產(chǎn)品，并不是專業(yè)應(yīng)用于SDR 開發(fā)的產(chǎn)品，輔以個人PC（GPP）設(shè)備才能進行一定意義上的SDR 設(shè)計。下面介紹一種自研平臺，該平臺可專門用于軟件無線電和認知無線電的相關(guān)研發(fā)，特別適合實驗室環(huán)境下，開發(fā)人員對新算法的快速實現(xiàn)。

3.1 自研平臺硬件結(jié)構(gòu)

該平臺主要包含了GPP、專用處理器（FPGA/DSP）、射頻前端、天線等主要部件，如圖7 所示。

圖7、平臺架構(gòu)及應(yīng)用

如圖7 所示，這種SDR 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)利用緊湊型外圍組件接口（CPCI）總線將FPGA、DSP、GPP 連接在一起，充分利用了FPGA 高速并行數(shù)據(jù)流處理能力、DSP 高效算法處理能力、上位機靈活的界面操作能力以及現(xiàn)場可編程能力。更有意義的是平臺支持GNU Radio/OSSIE 架構(gòu)，實驗室團隊在平臺上實現(xiàn)了基于Spectra CX 操作環(huán)境的SCA 設(shè)計，可以認為它是一套具有SDR 電臺研發(fā)能力的通用設(shè)備。平臺主要參數(shù)如表1 所示。

表1、自研平臺部分參數(shù)

3.2 單元互聯(lián)

該平臺主要目的是用于SDR 的應(yīng)用研究，必然面臨多用戶、多波形、寬帶寬等問題，此時FPGA、DSP、GPP這些異構(gòu)器件間的通信能力直接決定了系統(tǒng)的整體性能，即涉及不同單元間互聯(lián)方式的選擇。為了能過獲得最大數(shù)據(jù)吞吐能力，專用器件與GPP 間的通信采用了PCIe 接口方式，F(xiàn)PGA 與DSP 之間的通信則采用SRIO，通過提高接口的數(shù)據(jù)交換速度來保證大數(shù)據(jù)吞吐能力，進而充分發(fā)揮各處理器強大的數(shù)據(jù)處理能力。

第2 講對軟件無線電的架構(gòu)做了詳細介紹，包括SDR 的軟件操作環(huán)境（或用戶接口）和硬件平臺，并從其應(yīng)用及通用平臺設(shè)計角度分析各類平臺的優(yōu)缺點。當然，軟件無線電并不只限于上述討論內(nèi)容，上述討論只限于應(yīng)用于SDR 算法開發(fā)范疇，SDR 還包括軟件可調(diào)模擬無線通信組件（如軟件可調(diào)濾波器、軟件可調(diào)上下變頻器、軟件可調(diào)功率放大器等）、天線系統(tǒng)（如多輸入多輸出系統(tǒng)、智能天線與波束成形）、以及一系列軟件無線電理論（帶通采樣、多速率信號處理、高效數(shù)字濾波）等。

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