摘要：介紹了軟件無線電系統(tǒng)的開放式軟件通信體系結構，提出在可重新配置的硬件平臺上建主一種分布式處理環(huán)境，運行不同供應商提供的軟件組件以支持各種服務，從而達到系統(tǒng)軟件的可移植性、重用性和伸縮性。

伴隨蜂窩無線個人通信系統(tǒng)服務的快速發(fā)展，產(chǎn)生了很多無線通信標準，如GSM、IS95、IS54/136、PDC等。這些空中接口對不同的應用和服務都有各自約定的波段、調制解調機制、編解碼方式、復合接人技術和協(xié)議。可以預見，在不久的將來，無線電通信系統(tǒng)必將把各種無線接入網(wǎng)集成到一個通用系統(tǒng)結構中，通過一個硬件平臺實現(xiàn)多種標準和服務。二十世紀90年代初開始，無線電的服務正從長期依賴的硬導線連接向軟件無線電演進。

1 基本思想

軟件無線電SDR(Software Defined Radio)為以軟件方式實現(xiàn)各種空中接口，提供靈活的無線通信方式以便于實現(xiàn)靈活的傳輸機制、協(xié)議和應用。圖1所示為多模式(多個性)的SDR系統(tǒng)的功能模塊及標準接口點約定，其中無線電節(jié)點指基站或移動終端。多模式技術要求可在一個以上的信道RF頻帶上接人，在圖1中為信道集。

圖1

    一個軟件定義的個性包括RF頻帶、信道集、空中接口波形及相關功能。RF／信道接人模塊提供多個信號通道及跨越多個RF頻段的RF頻率變換。IF處理模塊包括濾波、進一步頻率變換、空／時分集處理、波束成形及相關功能。多模式無線電產(chǎn)生多個空中接口波形，波形在調制解調器模塊確定。信息安全(INFOSEC)功能在無線應用中越來越重要，該模塊主要實現(xiàn)傳輸安全、身份認證及保護隱私等功能。調制解調器輸出的編碼信道比特流在INFOSEC被稱為黑色(密文)比特流，經(jīng)由INFOSEC變換為紅色(明文)比特流。然后通過協(xié)議棧加以處理，產(chǎn)生網(wǎng)絡比特或源比特。網(wǎng)絡比特依從網(wǎng)絡協(xié)議通過網(wǎng)絡接口接人到遠程源；源比特則通過源解碼器接到本地源。圖1中發(fā)展支持部分的功能是支持軟件目標的下載及新技術插入[1]。

SDR的基本宗旨是利用數(shù)字信號處理技術代替現(xiàn)在主要的模擬信號處理。通過智能天線、寬帶RF器件、寬帶模數(shù)轉換器(ADC)及數(shù)模轉換器(DAC)，利用通用可編程處理器實現(xiàn)IF、基帶及比特流處理。因為用可重新編程的軟件代替了硬件模擬電路，通過動態(tài)分配射頻、中頻、ADC、DPS硬件和算法，并將軟件對象分配到硬件組件中，使得軟件無線電可以在線改變自己的特性。支持軟件無線電可重新配置的技術有：

(1)可通過重載微程序進行重新配置的可編程門陣列(FPGA)；

(2)可通過重載代碼在指令存儲區(qū)進行重新配置的通用處理器。

圖2

    這些軟硬相關的微程序和代碼的倉庫運行在系統(tǒng)某處的通用處理器，它包含帶有文件系統(tǒng)訪問FPGA和處理器的操作系統(tǒng)。這個通用處理器通常也包含與外部信號處理子系統(tǒng)進行通信的接口，例如用戶接口或者臨近的監(jiān)控站。

2 SDR的軟件通信體系結構

軍用聯(lián)合策略無線電系統(tǒng)(JTRS)定義的軟件通信體系結構SCA (Software Communication Architecture)規(guī)范經(jīng)歷了Steps 2A和Steps2B兩期的修正改進。當前版本Version 2．2是2001年11月30日在JTRS網(wǎng)站上發(fā)布的，被軟件無線電論壇(SDR Forum)作為SDR的標準。

SCA不是一個實現(xiàn)方面的結構，而是要建立一種為JTPS軟件無線電開發(fā)而與實現(xiàn)無關的框架。SCA規(guī)范包括一篇闡述軟件通信體系結構的主要文檔和相關附錄文檔。附錄文檔有JTRS定義的應用環(huán)境描述體(AEP)以及域描述體(Domain Profile)，描述體包含協(xié)議信息。SCA規(guī)范的附錄文檔還包括波形配置的應用程序接口(API)、服務定義API、安全性說明、Rational UML文檔，以及配置管理文檔。

2．1 系統(tǒng)結構

圖2為SDR系統(tǒng)軟件結構和模塊接口示意圖，其中CORBA ORB & Services模塊和Operating System模塊使用現(xiàn)有商用產(chǎn)品。該軟件結構的特點是：最大程度地利用了商用產(chǎn)品和協(xié)議；通過開放式分層結構將核心應用程序和非核心應用程序從底層硬件獨立出來；通過通用對象請求代理結構(CORBA)提供了一種分布式處理環(huán)境，從而達到軟件應用程序的可移植性、重用性和伸縮性。按比特流分段，系統(tǒng)分為黑色總線(密文傳輸)、信息安全(INFOSEC)和紅色總線(明文傳輸)三個子段。這些子段在物理上是相互隔開的，從而保證黑／紅之間的隔離和INFOSEC的完整性。參照OSI的七層模型，系統(tǒng)主要實現(xiàn)物理層、MAC層和部分邏輯鏈路層的任務，然后通過I／O模塊與外界進行數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)由操作環(huán)境(Operating Environment)、應用程序、邏輯設備和通用軟件規(guī)則構成。OE包括核心框架(CF)、中間件(如CORBA的對象請求代理ORB)和操作系統(tǒng)，其中ORB必須支持minimumCORBA(最小CORBA)規(guī)范。CORBA的擴展服務，如命名服務、日志服務、事件服務和標準事件等也作為中間件的一部分。

2．2 核心框架IDL與應用程序接口(APl)

核心框架CF(Core Framework)由一組開放式軟件接口和描述體構成，定義了嵌入式通信系統(tǒng)中的應用程序組件的配置信息、管理機制及相互通信方式。CF接口通過IDL進行定義，分為下面幾類：

(1)基本應用程序接口，包括端口(Port)、生命周期、屬性集、資源工廠和資源等；

(2)框架控制接口，包括應用程序、應用程序工廠、域管理器；設備和設備管理器；

(3)框架服務接口，包括文件、文件系統(tǒng)、文件管理器。

    SCA規(guī)范的附錄C以Rational UML的表達方式詳細描述了各類接口之間的關系。這些以IDL定義的接口以及這些接口的繼承類也就形成了應用程序的接口(API)，被波形應用程序引用。CF利用CORBA結構進行消息傳遞。標準的API對于應用程序的靈活使用和設備的替換使用都很重要，同時也可以保證服務提供者和用戶無需考慮開發(fā)和使用時操作環(huán)境(OE)和編程語言的不同。

2．3 應用程序環(huán)境描述體 (Application EnvironmentProfile)

SCA應用程序環(huán)境描述體(AEP)基于POSIX實時應用程序支持標準(IEEE Std 1003．13—1998)，支持波形的可移植性、結構的伸縮性以及商用服務期限。圖2中的Operating System要求POSIX兼容的實時操作系統(tǒng)(OS)應提供AEP指定的功能和選項。CORBA對象請求代理ORB、CF框架控制接口、框架服務接口和硬件設備驅動在訪問OS提供的AEP服務時不受限制，而應用程序訪問OS的這些服務時受限制，需要通過CF訪問文件系統(tǒng)。SCA規(guī)范附錄B詳細說明了與AEP相關的標準。

2．4 域描述體(Domain Profile)

SDR設備的目的是建立一個可重新配置的平臺，這個平臺可運行不同供應商提供的軟件組件支持用戶需要的服務，硬件設備和軟件組件構成了一個SCA的系統(tǒng)域。SCA規(guī)范要求可移植的軟件組件提供通用信息，清楚地定義硬件設備和軟件組件的信息和交付格式，包括組件的位置、標識、屬性、性能及相互間的關系，這些信息稱為域描述體。域管理器就是利用域描述體的組件配置信息來啟動、初始化和維護SCA兼容的系統(tǒng)中安裝的應用程序。

對象管理組織OMG(Object Management Group)制定的CORBA組件規(guī)范定義了面向對象的框架中軟件組件的交付配置過程，交付格式采用擴展標記語言XML。SCA規(guī)范關于域描述體的約定遵循CORBA組件模型原理，域描述體使用文檔類型定義(DTD)格式，文檔后綴為“．dtd”。SCA規(guī)范定義的DTD文檔有以下幾類，開發(fā)過程中還可以增加自己的DTD文檔。

(1) Profile Descriptor：為SAD、SPD或DCD實例提供完整的文檔名，通過CF接口的“Profile”屬性進行訪問。

(2)Software Assembly Descriptor(SAD)：描述應用程序／波形的軟件配置特性和組件的連接特性。

(3)Software Package Descriptor(SPD)：確定一個軟件組件的實現(xiàn)情況，如處理器類型、操作系統(tǒng)、執(zhí)行代碼類型和文件名等。

(4)Software Component Descriptor(SCD)：描述CORBA軟件組件及其接口。

(5)Device Package Descriptor(DPD)：用于確定制造商的信息。

(6)Device Configuration Descriptor(DCD)：指明組件如何在最初時啟動一個設備并找到域管理器。

(7)Properties Descriptor File(PRF)：描述軟件包或設備包的屬性。

SCA規(guī)范附錄D詳細說明了有關的DTD文檔。下面以DCD類型文檔為例說明這類文檔的用途和使用方法。DCD類型文檔引用的DTD文件名為“deviceconfiguration．+SCA版本號+．dtd”，如deviceconfiguration．2．1．dtd。根據(jù)它產(chǎn)生的XML文檔實例通常以“_DCD．xml”為擴展名，如NodeI_DCD．xml。XML文檔在第二個有效行指出引用的DTD文檔，XML解析器根據(jù)指定的DTD文檔來驗證XML文檔的有效性。

2．5 安全結構(Seeurity Architecture)

在軍用系統(tǒng)中，有專門的組織定義、維護和研究安全措施方面的問題。隨著工商部門對保守企業(yè)秘密要求的不斷提高，安全性功能不再只是針對JTRS的需求，信息安全(INFOSEC)處理器的重要性也在不斷提高。利用可編程的INFOSEC器件，可實現(xiàn)軟件定義的INFOSEC。SCA的體系結構也采用了可編程的信息安全模塊。

3 參考案例

3．1典型的SDR收發(fā)器子系統(tǒng)

典型的SDR收發(fā)器應包括以下三個組成部分：

(1)RF接口模塊：信號下行傳輸時，RF模擬信號需要經(jīng)過頻率變換和A／D轉換，形成寬帶中頻數(shù)字信號；信號上行傳輸時反之。本模塊負責實現(xiàn)變頻、模數(shù)、數(shù)模轉換，這里不采用可運行OS和ORB的嵌入式處理器。

(2)通道化和預處理模塊：本模塊由多個FPGA和一個控制這些FPGA的處理器構成。信號下行傳輸時，將中頻數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)字下變頻(DDC)得到窄帶基帶信號，上行傳輸時反之，數(shù)字下變頻和上變頻(DUC)均通過FPGA實現(xiàn)。每個FPGA必須有它自己的邏輯設備，代表傳輸模塊的邏輯設備必須放在本模塊的嵌入式處理器上，以便其它SCA設備和應用程序訪問本模塊。設備管理器和設備驅動以及支持軟件也必須運行在這個嵌入式處理器上。需要注意的是，通過CORBA總線，處理器可以運行任何CF組件，不論這些組件在系統(tǒng)何處實例化。

(3)基帶處理模塊：該模塊對基帶數(shù)據(jù)進行調制／解調和位流處理得到用戶數(shù)據(jù)。負載數(shù)據(jù)(Payload)通過Ethernet送出收發(fā)器子系統(tǒng)。

所有的處理器都必須運行一個操作系統(tǒng)(OS)和對象請求代理(ORB)。波形應用程序運行在通用處理器上。

3．2 SDR-3000軟件無線電收發(fā)器

經(jīng)過Step2A和Step2B兩期的研發(fā)，Boeing、Harris、Motorola等公司各自開發(fā)出了自己的SDR產(chǎn)品。SDR-3000是加拿大Spectrum Signal Processing公司FlexComm平臺的最新產(chǎn)品。該產(chǎn)品支持上百個同步收發(fā)的信道，每個信道包含一個獨立的空中接口協(xié)議。FlexCommSDR-3000平臺幾乎支持所有天線接口標準，適合于聯(lián)合戰(zhàn)術無線業(yè)務(JTRS)、機載通信站點(CAN)，以及各種蜂窩標準的軟件無線電系統(tǒng)開發(fā)與使用。其優(yōu)越性在于：在已有硬件的基礎上，可通過無線或網(wǎng)絡安裝新的升級版本、新的應用程序和波形，支持現(xiàn)場更換；已配置系統(tǒng)不需要進行額外的硬件投資即可提供新的業(yè)務和能力，可節(jié)省很大的成本。

    FlexComm SDR-3000是一種模塊化的軟件無線電收發(fā)器結構，由三塊板組成，系統(tǒng)模塊接口如圖3所示。從天線獲得的射頻信號經(jīng)轉換模塊得到中頻數(shù)字信號，并通過基于RapidIO的高速串行總線被送到軟件I／O模塊；在這里執(zhí)行通道化功能、數(shù)字下變頻DDC和其它預處理，然后經(jīng)過串行總線傳送到基帶處理模塊；數(shù)據(jù)收發(fā)器子系統(tǒng)得到的負載數(shù)據(jù)最后經(jīng)嵌入式CompactPCI分組交換背板的Ethernet總線送到外部子系統(tǒng)。

圖4為SDR-3000的軟件結構示意圖。其中VSI／Pro是MPI軟件公司提供的矢量信號圖像處理標準庫。該車兼容VSIPL嵌入式API標準，包括各種通用處理函牧，如FIY、FIR濾波器。quicWave是基于VSI／Pro開發(fā)的車，用于開發(fā)波形組件。quicComm庫用于支持板級功能函數(shù)，如處理器間的通信、可編程的FPGA和PowerPC的啟動及某些I／O操作等。

SDR-3000的硬件和軟件都支持SCA，實際應用中可以選擇是否采用這種系統(tǒng)架構。 目前，F(xiàn)lexComm SDR—3000系列產(chǎn)品并沒有包含SCA核心框架(CF)的服務功能，但收發(fā)器子系統(tǒng)可以通過CORBA總線(通過Ethernet總線傳輸)訪問運行在系統(tǒng)中其它子系統(tǒng)的CF服務。

3．3 PC上的參考實現(xiàn)模型

加拿大通信研究中心(Communications Research Centre Canada)在SDR論壇的支持下開發(fā)出了兼容SCA的軟件無線電系統(tǒng)參考實現(xiàn)模型。該系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)，使用JAVA語言進行開發(fā)。詳細資料可從其網(wǎng)站http：／／www．crc．ca獲得。

可編程的FPGA和DSP等硬件技術與面向對象的分布式處理技術使軟件無線電技術的實現(xiàn)成為可能，但其發(fā)展還要面對很多挑戰(zhàn)，需要硬件開發(fā)商、核心框架開發(fā)者、波形應用程序開發(fā)人員和系統(tǒng)集成開發(fā)商的共同努力。