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在軟體無線電領域實現波形可攜性


( 2005年10月1日)
Alex Rodriguez

縮寫術語表

802.11——IEEE 針對無線局域網技術的規範，適用於無線用戶端和基地台之間，或者兩個無線用戶端之間的空中介面。

CF——核心框架

DSP——數位信號處理器

FPGA——現場可編程閘陣列

GPP——通用處理器

GSM——全球移動通訊系統

HDL——分級設計語言

IIM——與實現無關的模型

ISM——針對特定實現的模型

JPO——聯合計畫辦公室

JTRS——聯合作戰無線電系統

SCA——軟體通訊體系結構

SDR——軟體無線電



雖然 SDR 的指導原則是“一次開發，各處運行”，但是，當硬體發生變化時，經常必須重新開始開發工作。傳統做法是依據以文本為基礎的規範進行開發，這與 SDR 硬體和軟體可攜性不相容。下一代通訊無線電設計新方法依靠的是利用模組設計達到高水準的效能，其核心是基於 IIM 和 ISM 的可執行規範。JTRS JPO 提供了方向，以便利用這些可執行的規格來實現 SDR 的全部潛力。



下一代 SDR 的概念

可執行的與實現無關的模型是通訊系統的抽象、高級別的行為表示。 SDR 提供的無線電能被動態編程，以便支援不同波形，提供新特性、新型服務，改善性能。SDR 開發工作目前正受到美國軍方推動，它計畫把 SDR 作為其下一代通訊系統——JTRS——的基礎。它將使士兵能在多種通訊系統上通訊，並簡單地透過增加軟體來類比任何無線電的能力。同時，SCA 規定的開放式可互操作框架有望明顯降低設計、建置和維護未來無線電的成本。另外，商用無線產品製造商受到 SDR 體系結構節省成本等好處的吸引，正在緩慢而穩定地採用它們。



SCA 是 JTRS 計畫的一個重要分支，提供一個定義了硬體和軟體如何互操作的開放體系結構框架。SCA 在各波形之間放置了一個提供互操作性的 CF（這些波形相當於商業應用中使用的 GSM 和 802.11 等標準，它作為一種應用軟體可被下載到支援 SCA 規範的無線電組）。



可執行的規範消除了設計的含糊性，並實現了不同開發團隊之間的溝通。




開發工作的複雜性和規模

通訊能力的幾乎每一次可觀提高都對硬體和軟體發展人員提出了很多要求，SDR 也不例外。主要的國防承包商、電子元件供應商和系統集成商目前都在開發下一代 SDR，它使各類無線設備都能共同工作，並使新特性可透過軟體下載而被添加，因此有望改變無線通訊。



透過運行在靈活性大得多的硬體上的軟體程式來使無線系統能借助任何波形通訊，這造成了一個重大的設計難題。在目前的軍用和商用無線平台中，硬體是為波形而最佳化的，尤其是射頻部分，是為狹窄的微波工作頻帶而最佳化的。從特殊性轉向普遍性，這會牽涉到各種折衷，可能對即時性能、功耗、尺寸產生不利影響。



傳統設計方法的缺點

直到現在，多數 SDR 開發人員還使用傳統的設計方法，由系統設計師確立概念的規範被記錄成文本文檔，並被用來指導從事信號處理和射頻工程等領域的專案團隊。這些團隊規定硬體，設計電路，編寫軟體，運行模擬，執行測試，並產生大量資料，這些資料可用來檢查實現結果是否與規範匹配。



這種方法的一個關鍵問題是，錯誤經常未被檢測到，直到所有模組能在原型階段被一起測試。如果原型結果與規範不匹配，那麼工程師就需要明確問題是否在於要求、模擬模型、介面或目標處理器。由於問題解決成本會隨著設計的進展而增加一個數量級，因此目標處理器的問題可能會迅速推高開發成本。



波形可攜性帶來的關鍵難題

上述這些難題不論有多難，與“為多個目標而開發”這一需要相比就黯然失色了。每個主要的開發計畫必須考慮多種硬體選項，包括 GPP、DSP、FPGA 等，並且硬體選擇直到開發流程進行到很深階段才會被最終確定。甚至在硬體選定之後，開發人員還必須為硬體升級和衍生的尺寸外型做準備，以便採取完全不同的方向，比如從 DSP 轉向 FPGA。傳統的開發方法是與特定硬體體系結構聯繫在一起的，使得必須再次從規範開始，才能移植到新的硬體平台。

JTRS JPO 認識到了傳統設計方法的局限性，已經建議了一種方法，波形規範被定義在一個可執行的 IIM（它獨立於硬體規範）以及一個或多個可執行的 ISM 中（它們針對硬體實現）。這項建議有 3 個優點：

•IIM 和 ISM 成為了某種波形（可在各團隊、部門、承包商之間被共用）的單一、明確、可執行的規範。

•它們提供了對設計的高度觀察，以便探索系統級分析和各種折衷，並檢測潛在的設計錯誤和實現錯誤。

•它們降低了從一個無線電組移植到另一個組的成本，同時還支持分析的執行、要求分析可追溯性、高性能波形設計。



設計師可以使用相同模型來評估不同的比特寬度和分析量子化效應。




IIM 和 ISM 的特性

利用基於模型的設計，設計師們可以為 GPP、DSP、FPGA 等不同目標自動生成代碼。IIM 包含的資訊被用於定義波形的行為方式，描述它們的特徵，並驗證它們，可按照波形要求文檔來核實和追蹤這些資訊。波形的信號流、控制流、聯網方面的定義利用了各種資訊，比如波形子系統邊界、子系統抖動、等待時間和定時要求、子系統處理要求、信號埠採樣次數。可執行的 IIM 提供一個測試台，以便針對系統要求來核實波形功能塊或系統，並驗證它們的性能。



另一方面，ISM 反映了預期的實現被移植到特定無線電組體系結構時的細節。它包含了關於各流程元件被分配到各個處理器資源的資訊，使人們能詳細瞭解實現情況。它還包含了關於目標處理器、等待時間、記憶體、佇列大小的執行定時模型，使波形開發者和後續移植工作能瞭解資源能力變化對系統級行為（比如吞吐率、抖動、等待時間、記憶體消耗、直流電功率、即時性能）的影響。



基於模型的設計促成了 IIM 和 ISM

已得到證明的“模組設計”技術包含了 IIM 和 ISM 概念。以文本為基礎的方法（它們依賴於對不斷變化的設計規範文檔的解釋）不同的是，模組的設計是以方塊圖可執行規範的創建為基礎。可執行的規範消除了設計的含糊性，並實現了整個組織的溝通以及與客戶、承包商和供應商的溝通。利用模組設計，演算法開發人員、射頻設計師、軟體和硬體工程師以及其他開發團隊就能合作確定折衷和評估解決方案，從而增強性能並降低成本。



可執行波形規範最初是被定義在高階，利用了預建的基元和先進的演算法，並包含其他編程語言，比如 C、C++、FORTRAN、MATLAB 或 HDL 代碼。規範然後可被執行，以便確定將由目前模型中包含的元件和演算法交付的性能。透過在不同條件、參數值和輸入下執行系統行為的具體模擬，工程師們能迅速查明、隔離並解決系統設計問題。設計師們能透過增加、減少、移動各個模組或改變參數來迅速進行變化，然後立即評估變化效果。



基於模型的設計透過創建可執行規範以及 IIM 和 ISM 模型，簡化了 SDR 開發工作。透過簡單地改變參數，設計師們就能評估從浮點表示（一般是在初期設計階段使用）到定點表示（一般用在硬體實現中，以減少尺寸、記憶體和功耗）的量子化的影響。



在基於文本的方法中，不同元件（不論是硬體還是軟體）的實現一般是由人工重新編碼來完成的。這個過程很耗時，容易出錯。基於模型的設計同時包含了 IIM 和 ISM。IIM 由硬體無關的功能塊組成，而 ISM 由已針對特定硬體實現而最佳化的塊組成。隨著模型從規範階段轉向設計、實現，再進入總體系統驗證和測試，它的細節會增加，但是在整個開發過程期間，始終是對系統的單一明確的表示。



雖然模型保持了設計知識財產，但它能被用來自動為多種硬體平台生成代碼，包括 GPP 的 C 代碼、DSP 的 C 代碼和組合語言代碼、FPGA 的 HDL 代碼。自動代碼生成為生成的代碼提供了編碼標準，這是因為對每次構建都使用了相同的構造。這種方法消除了手工編碼錯誤，並限制了模擬代碼和嵌入式代碼之間的潛在錯誤源。由於代碼可被直接追蹤到模擬階段，因此在即時約束之下，錯誤一定是在介面中或執行過程中。由於模型的開發是獨立於嵌入式硬體目標，因此它很容易以不同平台為新目標，並在未來的系統中被重新使用。



在整個工程過程期間，由於測試被融入模型中，因此品質得到了保證。每個模型都有一套由多個檢查案例組成的測試套件，帶有針對每個已發行版的基準結果。這種連續的核實和驗證有助於在初期查明錯誤，此時更容易解決，解決費用也更低。系統設計師開發的系統級模型可被用在設計過程的較晚階段，以便包含由模擬或測試產生的實際資料，來從系統角度對設計進行驗證。



模組化設計實現 SDR

在實現 SDR 所需的開發方法中，基於模型的設計是一個關鍵。它支援自動代碼生成過程，以及硬體、軟體和 SCA 核心框架平台上的代碼移植。模組設計透過創建可執行規範以及 IIM 和 ISM 模型，簡化了開發工作，從而保持了對原始波形規範的可追溯性，並確保了整個開發過程期間的連續驗證。利用模組設計進行的 SDR 設計和部署比傳統設計過程明顯更簡單、更耐用。在 SDR 系統的成本、性能、可靠性方面的改善反映了這個成果。



作者簡介

Alex Rodriguez 是 The Mathworks 公司通訊產品部產品經理。他加入 The MathWorks 公司是高級通訊工程師，主要貢獻在於 Communications Toolbox 和 Communications Blockset 的開發以及通訊系統應用實例。在加入 The MathWorks 之前，Alex 是美國國家半導體公司的通訊系統工程師，他在該公司設計 GSM、CDMA2000 和 WCDMA 通訊系統的晶片。Alex 擁有加泰羅尼亞理工大學（位於西班牙巴塞羅納）電信學院通訊工程碩士學位和國立巴黎高等電信學院無線通訊碩士學位。
 
 
 
 
 
 
 
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