基于计算机和网络的软件无线电结构分析

陈运财

(广东工程职业技术学院，广东 广州 510520)

0 引言

科技的发展使人们的通信设备逐渐多样化，常见的设备一般是通过硬件设施完成信息传导，虽然信息传递速度较快，但系统单一化导致其功能较为简单，无法满足人们日益增长的需求。软件无线电的产生就是对系统软件的优化编程，并依据人们的需求设置功能，软件无线电适用范围更广，无论是电视广播，还是电子通信和雷达检测都可以使用。实际上，软件无线电是一种无线电广播通信技术，在应用时不需要更换硬件，只要改变其中的程序即可达到使用要求，其工作原理在于依托硬件平台，通过软件编程实现无线电信息的有效传递，提高信息传递速率，方便人们的生活。

1 消息传递与处理机制

1.1 消息传递方式

软件无线电试图在无线电系统中使用软件来代替硬件处理方式，随着计算机网络传输速率的提升，计算机性能不断完善，基于计算机与网络建立软件无线电平台，系统的优越性也会更加突出。计算机与网络日益普遍，接入平台更加方便，计算机网络技术逐渐成熟，通用性更强，软件无线电技术的发展为移动通信与互联网的结合提供了支持，无线网能够更好地与计算机网络充分结合。以计算机网络作为平台，依靠计算机的数据处理能力，结合软件无线电的数据处理特征，以消息传递作为主要方式，实现消息的传递与处理。

计算机通信常见的传递方式主要有以下几种：(1)同步消息传递方式，信息发送接收要求发送和接收进程都可以达到调用点，消息发出与接收后，发送和接收进程才能返回，消息缓冲区可以被其他进程继续使用。接收进程返回之后，其他进程能够从缓冲区读取刚刚接收到的信息。(2)阻塞消息发送，一个进程来到发送点后就会被执行发送，无需等待接收完成。消息送出之后，发送进程会返回，说明传送的消息已经被安全快速地送出，发送进程返回的时候，信息接收进程无需结束。消息被发出后，有可能被接收，有可能被缓存在网络节点中。信息的接收要达到某一进程才能被执行，无需与发送进程保持同步，但会在收到消息后返回，这时用户可再次使用或调用资源，计算机网络也能够为消息的传递提供适当的缓冲区。(3)非阻塞消息传递的方式，进程到达发送点之后就会开始执行发送，无需等待接收，通知系统消息需要发送之后，发送进程将会立即返回，消息数据不需要从存放消息的变量送出。信息接收也是一个进程，到达后被执行，无需等待发送。接收进程通知系统后立即返回，消息可能到达，也可能被缓存在网络节点，或者并没有被发出。与阻塞消息传递方式相比，非阻塞消息传递方式等待时间比较短，发送时消息有可能被覆盖甚至丢失。接收端接收进程有可能在消息到达前被读取，所读取的消息有可能是旧消息。为了防止这种情况发生，非阻塞消息传递系统会提供状态检查，确保强制进程安全后再执行下一步工作，实现通信和计算步骤的重叠，消息传递时，进程可以执行后续计算，且不会对消息传递造成干扰影响[1]。

1.2 异步消息接收处理机制

软件无线电体系结构下，同步消息传递接收简单，处理方式固定，但处理效率偏低，所以需要用到异步消息接收处理机制，其处理方式主要包含以下几种：(1)中断方式，即接收消息时原系统执行进程终端状态保存之后，系统执行接收进程，完成后等待进程返回，原进程才能继续被执行。(2)守护进程方式，即接收消息的时候，系统唤醒守护进程，该进程负责完成消息的接收，原进程不会被打断，无需中断保护进程，但对于消息的接收来说，守护进程方式只是单任务处理，如果进程没有返回，系统将不能响应下次消息的接收请求。(3)多发进程方式，接收消息的时候，消息接收由系统生成新进程，进程处理接收后再终止，此时系统可同时对不同接收请求统一处理，但系统并发进程过多的话，进程管理开销表达、系统运行效率将有可能受影响[2]。

2 软件无线电体系结构

2.1 功能模型与功能接口

软件无线电体系结构作为无线电技术的核心，其结构包含软硬件与接口协议等部分，在当前技术条件下，如何满足软件无线电发展的灵活性，是其体系结构优化的关键。软件无线电结构中的功能模型一般根据功能来划分，主要有信息集和信息安全等部分。软件无线电的应用旨在满足人们对信息的整合与利用需求，系统更新速度很快，有着灵活性的特点，信息集有不同信息运输模式，比如同时性多波段的传播模式，人们按照自身需求进行编程的改写，使软件形式发生改变，可在同一平台内执行多次操作。

软件无线电的功能接口可连接不同模型，保护信息源与信息道中所有信息不受干扰，常见的类型主要有Rf波浪型接口与IF型接口两种，需要根据不同信号的运输需求选择接口，比如想要对信息加以保密，建议选择带有加密比特功能的接口，且信息传输必须符合网络相关规定[3]。

2.2 软件分层结构

正常情况下，软件主要有3层结构，即处理层、配置层以及接口层，不同结构的用处有所差别。软件无线电软件的接口层需要接收不同外界信息，类似于外界资源与硬件内部连接的桥梁，使信息可以通过无线电传播；软件无线电的配置层可以对接口层的信息存储与配置管理，将不同信息传递到相应处理层，使信息准确性得到保障；处理层就是对信息加以分析，改造模块，便于人们执行操作。现代化通信离不开软件无线电分层结构的应用，5G网络的发展正面临着数据通信兼容问题，如果改造硬件设备将会导致成本增加，后续升级也会面临诸多问题，采用软件无线电使其更加灵活，在软件分层结构的应用下只需对软件系统升级即可。

2.3 硬件平台

软件无线电以硬件平台作为基础形成条件，包含不同功能类型模块，以此更好地适应软件的发展和变化。模块的类型有很多，按照功能划分可分为数据分析、模仿信号与数字变化、平台掌控模块等，模块不同，所构成的硬件平台也会有所不同，常见的有总线式和流水式结构。硬件平台选择时，应按照信息传递需求，要求硬件平台兼顾灵活性与操作性，确保软件的及时更新，提高信息传递过程的安全性。

3 基于计算机与网络的软件无线电软硬件设计

3.1 硬件设计

3.1.1 中频采样与输出

软件无线电的宗旨在于应用数字信号处理技术代替模拟信号处理方式，应用智能天线、宽带数模转换器和RF设备，在可编程处理器的应用下实现基带和IF处理。软件无线电系统应用期间，系统信道数字信号处理速度快，需要经过高密度计算，同时实现并行多信道同步处理。确立以MTCA计算机与网络体系架构的软件无线电的硬件平台，依据数字信号处理装置和模拟器技术水平，采取中频采样结构，将天线接收与发射的信号通过射频的前端转到中频。经过射频前端之后，软件无线电平台的IPMI纵向包含中频版、信号处理板、安全保密板、电源板以及交换板等部分。

对于硬件设计部分的中频采样和输出，软件无线电结构可以将中频数字化处理，使其成为合适的DSP与PC机数字信号，A/D靠近射频的前端部分，兼顾采样效率与贷款，使用14 bit并行模数转换芯片完成信号的采样处理，采样速率在10 MSPS以上，数字信号经过采样之后完成下变频处理，再送至芯片完成基带处理。上变频与转换电路使用AD9957芯片，具有高速DDS和14 bitD/A转换功能，基带信号可以在FPGA下传输，最终成功输出中频信号[4]。

3.1.2 高速信号处理电路

为了更好地满足数字信号的高速处理需求，软件无线电硬件平台使用GPP和DSP信号处理器，联合可编程逻辑器件的信号处理电路。GPP信号处理器使用双核处理器，时钟频率可以达到1.2 GHz，集成外部高速接口，比如以太网接口。DSP信号处理器使用并行处理方式，时钟频率在1.2 GHz左右，具有较高性能。FPGA使用了可编程逻辑芯片，支持16串行单口，最高速率可以达到6.25 Gbps，使信号处理结构得到优化。

关于软件无线电的背板总线设计，基于软件无线电硬件平台采取互联结构，高速串行总线将电源板、交换板以及信号处理板等部分互联，为AMC子卡提供最高21端口数据通路，比如SATA端口或者GBE端口。通信芯片可以分配到一个ID号，实现路由与数据转换功能，以此更好地完成信号的高速传输。

3.1.3 机箱管理功能

基于计算机与网络MTCA架构下的软件无线电硬件平台，除了上述功能以外，还拥有机箱管理功能，即经过MCH交换板，将电源管理划分为电源初期上电和MCH参与管理两个阶段。前者电源可自动管理，电源板为MCH交换板上电，不会受到任何约束；后者电源板属于自动退出管理模式，负载模块需要接受MCH控制管理，经过电源板为子板提供负载电源与管理电源。其中负载电源可以达到12 V，管理电源可以达到3.3 V。

3.2 软件设计

对于软件无线电中的软件体系结构，基于通用硬件平台建立开放式软件平台，使用SCA架构模式，其中包含驱动层、协议层、应用层等部分。系统配置和管理可通过API接口实现，允许加载不同编码与调制对象，以此实现各个通信频段灵活切换，再应用IPMI总线控制完成模块之间的高效互联。在该架构之下，可实现不同通信波形的加载与应用。

软件无线电的软件体系架构情况大致如下：(1)总线层，每个单元模块会有不同的总线交换，插入AMC子卡后可实现业务功能，从而扩展业务。(2)网络与串行接口服务，可提供不同硬件底层接口封装，比如以太网驱动程序与操作软件，从而更好地支持操作系统，使其在不同平台中工作。(3)操作系统，应用嵌入式程序，对不同平台间的应用差异予以屏蔽，为软件提供标准化硬件接口与操作服务，使上层软件应用存在着设备无关性特征，常见的操作系统有Vx Works实时系统。(4)COBBA中间件，该部分处于应用层和操作系统之间，将应用程序和系统底层相隔，屏蔽不同通信方式和底层平台细节。COBBA中间件支持应用不同编程语言下的组件，可实现各个组件的无缝通信，软件开发者能够同时访问不同平台内的资源。(5)核心框架服务，这是软件无线电体系的核心，能够为波形应用带来标准化服务，可控制波形应用的安装和卸载，使底层软硬件更抽象，实现组件的自动装配与智能管理，提供包含基本应用接口与框架服务接口在内的不同接口，可保持组件使用过程的独立性和可移植性。(6)应用层，即波形应用组件层，在无线通信完成之后拥有独立的处理功能，其中包含多个Resource接口，经过多个接口的配置，系统运行时可动态加载到硬件模块。

关于网络协同运算软件设计，在软件无线电中，系统要处理的数据多为信号采样值，或者无线采样信号经过解调之后的数据与待调制的数据。这类数据的时间间隔一旦超出一定长度，不同数据的相关性会较小，数据块间隔时间和信息源、数据编码方式存在关联。当前，多数无线通信的数据处理都以帧作为单位，为降低延时，系统对于帧的划分较小，以便为数据时间解耦带来便利。实际上，软件无线电需处理的数据流在经过时间解耦之后，每个数据块所需的处理相同，这为功能调用机制的确立提供了帮助，各个计算节点执行操作固定，数据传输效率显著提高。设计一种以信息传递机制和描述功能调用机制为前提的应用层协议，即RTCPP协议，这是Master/Slaver方式协议，从计算机守护进程与主机端控制进程入手，守护进程空闲时会监听网络端口，出现任务后从广播让计算机展开注册，再通过应答分析网络内的资源，以配置命令的要求计算机执行运算，要求计算机完成指定操作。

4 结语

总而言之，现阶段软件无线电的应用实现了通信技术的发展，也为人们的生活带来了便利，凭借着技术的灵活性与开放性，软件无线电兼容效果更好。通过对软件无线电体系结构的分析，了解其硬件平台与软件构成情况，提高平台抗干扰能力，在满足不同通信平台要求的同时，提升软件无线电的应用价值，为计算机与网络的发展提供帮助。