基于模型的SDR開發(fā)設(shè)計與實現(xiàn)

盡管軟件無線電(SDR)的指導(dǎo)原則是“開發(fā)一次，隨處運行”，但是每當硬件發(fā)生變化時，所有開發(fā)經(jīng)常要重新開始。業(yè)界已經(jīng)認識到，基于文本規(guī)范的傳統(tǒng)開發(fā)模式已無法滿足SDR硬件和軟件的可移植性要求。這種認識促使下一代通信無線電的一個新設(shè)計方法的產(chǎn)生。該方法基于更高層次抽象描述，采用“基于模型的設(shè)計”思想，其核心為基于“與實現(xiàn)無關(guān)的模型(IIM)”和“特定實現(xiàn)的模型(ISM)”的可操作性規(guī)范。聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)的聯(lián)合項目辦公室(JPO)已經(jīng)提出這些可操作規(guī)范的使用指導(dǎo)方針，以便能充分發(fā)揮SDR的潛能。

SDR所提供的無線電可被動態(tài)地編程，以支持不同的波形標準、提供新特性、改善系統(tǒng)性能，以及支持新的業(yè)務(wù)。目前SDR發(fā)展的推動者主要是美國軍方，他們希望在SDR上實現(xiàn)基礎(chǔ)的JTRS(下一代通信系統(tǒng))。SDR將讓士兵能在各種通信系統(tǒng)上進行通訊，并僅需通過增加軟件就可模仿任何無線電的功能。與此同時，一個開放和可互操作的框架，特別是由軟件通信架構(gòu)(SCA)定義的框架，可顯著減少設(shè)計、部署和維護將來無線電的費用。從目前來看，由于SDR的低成本優(yōu)勢，許多商用無線設(shè)備廠商也逐步開始采納SDR架構(gòu)。

作為JTRS項目的一個重要分支，SCA提供了一個定義在各種軟、硬件之間如何實現(xiàn)互操作性的開放架構(gòu)框架。SCA還提出一個被設(shè)計用來提供不同波形(與GSM和 802.11等標準類似)之間互操作性的核心框架(CF)，這些波形作為軟件應(yīng)用用在商業(yè)用途中，可被下載到任何支持SCA規(guī)范的無線電設(shè)備上。

開發(fā)復(fù)雜度增加

幾乎每次通信技術(shù)的重大進步都會給軟件和硬件設(shè)計工程師帶來巨大挑戰(zhàn)，SDR也不例外。領(lǐng)先的武器承包商、電子元件供應(yīng)商以及系統(tǒng)集成商目前都在開發(fā)下一代SDR，并承諾新的SDR將使無線通信改頭換面，各種無線設(shè)備將可以相互操作，新功能的添加也將可通過軟件下載來實現(xiàn)。

通過運行在更靈活的硬件上的軟件程序來實現(xiàn)無線系統(tǒng)與任何波形之間的通信，將是一個很大的設(shè)計挑戰(zhàn)。在當今的軍用或商用無線平臺中，硬件都是針對波形進行優(yōu)化，特別是射頻部分更是針對無線電所工作的狹窄頻段進行優(yōu)化。從專用設(shè)計轉(zhuǎn)向通用設(shè)計必然會對系統(tǒng)的實時性能、電源消耗和尺寸大小等方面帶來不利影響。

傳統(tǒng)設(shè)計方法的缺點

到目前為止，大多數(shù)SDR設(shè)計工程師一直使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法：將系統(tǒng)架構(gòu)師定義的規(guī)范細化為文檔，用這些文檔指導(dǎo)專注于信號處理或射頻工程領(lǐng)域的項目團隊，然后由這些團隊定義硬件、設(shè)計電路、編寫軟件、運行仿真、測試并生成大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被用來驗證最終實現(xiàn)結(jié)果是否滿足規(guī)范要求。

這種方法的一個重要問題是，許多錯誤常常要在原型階段上所有模塊可以一起測試的時候才能被檢測出來。如果產(chǎn)品原型不滿足規(guī)范，設(shè)計工程師必須確定問題是出自于系統(tǒng)需求、仿真模型、接口，還是目標處理器。因為解決問題的成本隨著設(shè)計規(guī)模的增大而不斷增加，所以目標處理器出現(xiàn)問題將快速增加開發(fā)成本。

波形可移植性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

雖然這些挑戰(zhàn)不易解決，但與多目標開發(fā)的要求相比，其難度則遜色多了。每一個主要的開發(fā)項目都必須考慮各種硬件選項，包括通用處理器(GPP)、DSP、FPGA，而且硬件的選擇常常要到開發(fā)過程進入到一定階段時才能確定下來。即使硬件已經(jīng)選定，設(shè)計工程師也必須對硬件升級和外形因子改變有所準備，以便能完全改變開發(fā)方向，比如從DSP轉(zhuǎn)換到FPGA。傳統(tǒng)的開發(fā)方法與特定硬件架構(gòu)相關(guān)聯(lián)，因此為了實現(xiàn)一種新的硬件平臺，必須從技術(shù)規(guī)范重新開始。

意識到傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限性，JTRS聯(lián)合項目辦公室提出了一種新的設(shè)計方法。在該方法中，波形規(guī)范在一個可執(zhí)行的IIM(與硬件規(guī)范無關(guān))以及一個或多個可執(zhí)行的ISM(與硬件規(guī)范有關(guān))中定義。這種方法有三個優(yōu)點：首先，IIM和ISM是單個、明確、可執(zhí)行的波形規(guī)范，可以在團隊、部門和承包商之間共享；其次，它們提供了一個高層次的設(shè)計視角，以進行系統(tǒng)級的分析和折衷，并發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計和實現(xiàn)錯誤；最后，它們可降低將波形從一個無線電裝置移植到另一個無線電裝置的成本，而同時還支持性能分析、需求分析跟蹤以及高性能波形設(shè)計。