基于計算機和網(wǎng)絡的軟件無線電結構分析

陳運財

(廣東工程職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510520)

0 引言

科技的發(fā)展使人們的通信設備逐漸多樣化，常見的設備一般是通過硬件設施完成信息傳導，雖然信息傳遞速度較快，但系統(tǒng)單一化導致其功能較為簡單，無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。軟件無線電的產(chǎn)生就是對系統(tǒng)軟件的優(yōu)化編程，并依據(jù)人們的需求設置功能，軟件無線電適用范圍更廣，無論是電視廣播，還是電子通信和雷達檢測都可以使用。實際上，軟件無線電是一種無線電廣播通信技術，在應用時不需要更換硬件，只要改變其中的程序即可達到使用要求，其工作原理在于依托硬件平臺，通過軟件編程實現(xiàn)無線電信息的有效傳遞，提高信息傳遞速率，方便人們的生活。

1 消息傳遞與處理機制

1.1 消息傳遞方式

軟件無線電試圖在無線電系統(tǒng)中使用軟件來代替硬件處理方式，隨著計算機網(wǎng)絡傳輸速率的提升，計算機性能不斷完善，基于計算機與網(wǎng)絡建立軟件無線電平臺，系統(tǒng)的優(yōu)越性也會更加突出。計算機與網(wǎng)絡日益普遍，接入平臺更加方便，計算機網(wǎng)絡技術逐漸成熟，通用性更強，軟件無線電技術的發(fā)展為移動通信與互聯(lián)網(wǎng)的結合提供了支持，無線網(wǎng)能夠更好地與計算機網(wǎng)絡充分結合。以計算機網(wǎng)絡作為平臺，依靠計算機的數(shù)據(jù)處理能力，結合軟件無線電的數(shù)據(jù)處理特征，以消息傳遞作為主要方式，實現(xiàn)消息的傳遞與處理。

計算機通信常見的傳遞方式主要有以下幾種：(1)同步消息傳遞方式，信息發(fā)送接收要求發(fā)送和接收進程都可以達到調用點，消息發(fā)出與接收后，發(fā)送和接收進程才能返回，消息緩沖區(qū)可以被其他進程繼續(xù)使用。接收進程返回之后，其他進程能夠從緩沖區(qū)讀取剛剛接收到的信息。(2)阻塞消息發(fā)送，一個進程來到發(fā)送點后就會被執(zhí)行發(fā)送，無需等待接收完成。消息送出之后，發(fā)送進程會返回，說明傳送的消息已經(jīng)被安全快速地送出，發(fā)送進程返回的時候，信息接收進程無需結束。消息被發(fā)出后，有可能被接收，有可能被緩存在網(wǎng)絡節(jié)點中。信息的接收要達到某一進程才能被執(zhí)行，無需與發(fā)送進程保持同步，但會在收到消息后返回，這時用戶可再次使用或調用資源，計算機網(wǎng)絡也能夠為消息的傳遞提供適當?shù)木彌_區(qū)。(3)非阻塞消息傳遞的方式，進程到達發(fā)送點之后就會開始執(zhí)行發(fā)送，無需等待接收，通知系統(tǒng)消息需要發(fā)送之后，發(fā)送進程將會立即返回，消息數(shù)據(jù)不需要從存放消息的變量送出。信息接收也是一個進程，到達后被執(zhí)行，無需等待發(fā)送。接收進程通知系統(tǒng)后立即返回，消息可能到達，也可能被緩存在網(wǎng)絡節(jié)點，或者并沒有被發(fā)出。與阻塞消息傳遞方式相比，非阻塞消息傳遞方式等待時間比較短，發(fā)送時消息有可能被覆蓋甚至丟失。接收端接收進程有可能在消息到達前被讀取，所讀取的消息有可能是舊消息。為了防止這種情況發(fā)生，非阻塞消息傳遞系統(tǒng)會提供狀態(tài)檢查，確保強制進程安全后再執(zhí)行下一步工作，實現(xiàn)通信和計算步驟的重疊，消息傳遞時，進程可以執(zhí)行后續(xù)計算，且不會對消息傳遞造成干擾影響[1]。

1.2 異步消息接收處理機制

軟件無線電體系結構下，同步消息傳遞接收簡單，處理方式固定，但處理效率偏低，所以需要用到異步消息接收處理機制，其處理方式主要包含以下幾種：(1)中斷方式，即接收消息時原系統(tǒng)執(zhí)行進程終端狀態(tài)保存之后，系統(tǒng)執(zhí)行接收進程，完成后等待進程返回，原進程才能繼續(xù)被執(zhí)行。(2)守護進程方式，即接收消息的時候，系統(tǒng)喚醒守護進程，該進程負責完成消息的接收，原進程不會被打斷，無需中斷保護進程，但對于消息的接收來說，守護進程方式只是單任務處理，如果進程沒有返回，系統(tǒng)將不能響應下次消息的接收請求。(3)多發(fā)進程方式，接收消息的時候，消息接收由系統(tǒng)生成新進程，進程處理接收后再終止，此時系統(tǒng)可同時對不同接收請求統(tǒng)一處理，但系統(tǒng)并發(fā)進程過多的話，進程管理開銷表達、系統(tǒng)運行效率將有可能受影響[2]。

2 軟件無線電體系結構

2.1 功能模型與功能接口

軟件無線電體系結構作為無線電技術的核心，其結構包含軟硬件與接口協(xié)議等部分，在當前技術條件下，如何滿足軟件無線電發(fā)展的靈活性，是其體系結構優(yōu)化的關鍵。軟件無線電結構中的功能模型一般根據(jù)功能來劃分，主要有信息集和信息安全等部分。軟件無線電的應用旨在滿足人們對信息的整合與利用需求，系統(tǒng)更新速度很快，有著靈活性的特點，信息集有不同信息運輸模式，比如同時性多波段的傳播模式，人們按照自身需求進行編程的改寫，使軟件形式發(fā)生改變，可在同一平臺內(nèi)執(zhí)行多次操作。

軟件無線電的功能接口可連接不同模型，保護信息源與信息道中所有信息不受干擾，常見的類型主要有Rf波浪型接口與IF型接口兩種，需要根據(jù)不同信號的運輸需求選擇接口，比如想要對信息加以保密，建議選擇帶有加密比特功能的接口，且信息傳輸必須符合網(wǎng)絡相關規(guī)定[3]。

2.2 軟件分層結構

正常情況下，軟件主要有3層結構，即處理層、配置層以及接口層，不同結構的用處有所差別。軟件無線電軟件的接口層需要接收不同外界信息，類似于外界資源與硬件內(nèi)部連接的橋梁，使信息可以通過無線電傳播；軟件無線電的配置層可以對接口層的信息存儲與配置管理，將不同信息傳遞到相應處理層，使信息準確性得到保障；處理層就是對信息加以分析，改造模塊，便于人們執(zhí)行操作?，F(xiàn)代化通信離不開軟件無線電分層結構的應用，5G網(wǎng)絡的發(fā)展正面臨著數(shù)據(jù)通信兼容問題，如果改造硬件設備將會導致成本增加，后續(xù)升級也會面臨諸多問題，采用軟件無線電使其更加靈活，在軟件分層結構的應用下只需對軟件系統(tǒng)升級即可。

2.3 硬件平臺

軟件無線電以硬件平臺作為基礎形成條件，包含不同功能類型模塊，以此更好地適應軟件的發(fā)展和變化。模塊的類型有很多，按照功能劃分可分為數(shù)據(jù)分析、模仿信號與數(shù)字變化、平臺掌控模塊等，模塊不同，所構成的硬件平臺也會有所不同，常見的有總線式和流水式結構。硬件平臺選擇時，應按照信息傳遞需求，要求硬件平臺兼顧靈活性與操作性，確保軟件的及時更新，提高信息傳遞過程的安全性。

3 基于計算機與網(wǎng)絡的軟件無線電軟硬件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 中頻采樣與輸出

軟件無線電的宗旨在于應用數(shù)字信號處理技術代替模擬信號處理方式，應用智能天線、寬帶數(shù)模轉換器和RF設備，在可編程處理器的應用下實現(xiàn)基帶和IF處理。軟件無線電系統(tǒng)應用期間，系統(tǒng)信道數(shù)字信號處理速度快，需要經(jīng)過高密度計算，同時實現(xiàn)并行多信道同步處理。確立以MTCA計算機與網(wǎng)絡體系架構的軟件無線電的硬件平臺，依據(jù)數(shù)字信號處理裝置和模擬器技術水平，采取中頻采樣結構，將天線接收與發(fā)射的信號通過射頻的前端轉到中頻。經(jīng)過射頻前端之后，軟件無線電平臺的IPMI縱向包含中頻版、信號處理板、安全保密板、電源板以及交換板等部分。

對于硬件設計部分的中頻采樣和輸出，軟件無線電結構可以將中頻數(shù)字化處理，使其成為合適的DSP與PC機數(shù)字信號，A/D靠近射頻的前端部分，兼顧采樣效率與貸款，使用14 bit并行模數(shù)轉換芯片完成信號的采樣處理，采樣速率在10 MSPS以上，數(shù)字信號經(jīng)過采樣之后完成下變頻處理，再送至芯片完成基帶處理。上變頻與轉換電路使用AD9957芯片，具有高速DDS和14 bitD/A轉換功能，基帶信號可以在FPGA下傳輸，最終成功輸出中頻信號[4]。

3.1.2 高速信號處理電路

為了更好地滿足數(shù)字信號的高速處理需求，軟件無線電硬件平臺使用GPP和DSP信號處理器，聯(lián)合可編程邏輯器件的信號處理電路。GPP信號處理器使用雙核處理器，時鐘頻率可以達到1.2 GHz，集成外部高速接口，比如以太網(wǎng)接口。DSP信號處理器使用并行處理方式，時鐘頻率在1.2 GHz左右，具有較高性能。FPGA使用了可編程邏輯芯片，支持16串行單口，最高速率可以達到6.25 Gbps，使信號處理結構得到優(yōu)化。

關于軟件無線電的背板總線設計，基于軟件無線電硬件平臺采取互聯(lián)結構，高速串行總線將電源板、交換板以及信號處理板等部分互聯(lián)，為AMC子卡提供最高21端口數(shù)據(jù)通路，比如SATA端口或者GBE端口。通信芯片可以分配到一個ID號，實現(xiàn)路由與數(shù)據(jù)轉換功能，以此更好地完成信號的高速傳輸。

3.1.3 機箱管理功能

基于計算機與網(wǎng)絡MTCA架構下的軟件無線電硬件平臺，除了上述功能以外，還擁有機箱管理功能，即經(jīng)過MCH交換板，將電源管理劃分為電源初期上電和MCH參與管理兩個階段。前者電源可自動管理，電源板為MCH交換板上電，不會受到任何約束；后者電源板屬于自動退出管理模式，負載模塊需要接受MCH控制管理，經(jīng)過電源板為子板提供負載電源與管理電源。其中負載電源可以達到12 V，管理電源可以達到3.3 V。

3.2 軟件設計

對于軟件無線電中的軟件體系結構，基于通用硬件平臺建立開放式軟件平臺，使用SCA架構模式，其中包含驅動層、協(xié)議層、應用層等部分。系統(tǒng)配置和管理可通過API接口實現(xiàn)，允許加載不同編碼與調制對象，以此實現(xiàn)各個通信頻段靈活切換，再應用IPMI總線控制完成模塊之間的高效互聯(lián)。在該架構之下，可實現(xiàn)不同通信波形的加載與應用。

軟件無線電的軟件體系架構情況大致如下：(1)總線層，每個單元模塊會有不同的總線交換，插入AMC子卡后可實現(xiàn)業(yè)務功能，從而擴展業(yè)務。(2)網(wǎng)絡與串行接口服務，可提供不同硬件底層接口封裝，比如以太網(wǎng)驅動程序與操作軟件，從而更好地支持操作系統(tǒng)，使其在不同平臺中工作。(3)操作系統(tǒng)，應用嵌入式程序，對不同平臺間的應用差異予以屏蔽，為軟件提供標準化硬件接口與操作服務，使上層軟件應用存在著設備無關性特征，常見的操作系統(tǒng)有Vx Works實時系統(tǒng)。(4)COBBA中間件，該部分處于應用層和操作系統(tǒng)之間，將應用程序和系統(tǒng)底層相隔，屏蔽不同通信方式和底層平臺細節(jié)。COBBA中間件支持應用不同編程語言下的組件，可實現(xiàn)各個組件的無縫通信，軟件開發(fā)者能夠同時訪問不同平臺內(nèi)的資源。(5)核心框架服務，這是軟件無線電體系的核心，能夠為波形應用帶來標準化服務，可控制波形應用的安裝和卸載，使底層軟硬件更抽象，實現(xiàn)組件的自動裝配與智能管理，提供包含基本應用接口與框架服務接口在內(nèi)的不同接口，可保持組件使用過程的獨立性和可移植性。(6)應用層，即波形應用組件層，在無線通信完成之后擁有獨立的處理功能，其中包含多個Resource接口，經(jīng)過多個接口的配置，系統(tǒng)運行時可動態(tài)加載到硬件模塊。

關于網(wǎng)絡協(xié)同運算軟件設計，在軟件無線電中，系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)多為信號采樣值，或者無線采樣信號經(jīng)過解調之后的數(shù)據(jù)與待調制的數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)的時間間隔一旦超出一定長度，不同數(shù)據(jù)的相關性會較小，數(shù)據(jù)塊間隔時間和信息源、數(shù)據(jù)編碼方式存在關聯(lián)。當前，多數(shù)無線通信的數(shù)據(jù)處理都以幀作為單位，為降低延時，系統(tǒng)對于幀的劃分較小，以便為數(shù)據(jù)時間解耦帶來便利。實際上，軟件無線電需處理的數(shù)據(jù)流在經(jīng)過時間解耦之后，每個數(shù)據(jù)塊所需的處理相同，這為功能調用機制的確立提供了幫助，各個計算節(jié)點執(zhí)行操作固定，數(shù)據(jù)傳輸效率顯著提高。設計一種以信息傳遞機制和描述功能調用機制為前提的應用層協(xié)議，即RTCPP協(xié)議，這是Master/Slaver方式協(xié)議，從計算機守護進程與主機端控制進程入手，守護進程空閑時會監(jiān)聽網(wǎng)絡端口，出現(xiàn)任務后從廣播讓計算機展開注冊，再通過應答分析網(wǎng)絡內(nèi)的資源，以配置命令的要求計算機執(zhí)行運算，要求計算機完成指定操作。

4 結語

總而言之，現(xiàn)階段軟件無線電的應用實現(xiàn)了通信技術的發(fā)展，也為人們的生活帶來了便利，憑借著技術的靈活性與開放性，軟件無線電兼容效果更好。通過對軟件無線電體系結構的分析，了解其硬件平臺與軟件構成情況，提高平臺抗干擾能力，在滿足不同通信平臺要求的同時，提升軟件無線電的應用價值，為計算機與網(wǎng)絡的發(fā)展提供幫助。