3、軟件無(wú)線電的開(kāi)發(fā)工具

軟件無(wú)線工作者希望基于一款通用的平臺(tái)將功能軟件化，并可以通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)完成系統(tǒng)的升級(jí)。考慮到軟件無(wú)線電的軟件功能離不開(kāi)硬件設(shè)備，所以關(guān)于軟件無(wú)線電的開(kāi)發(fā)工具，可以分為3 類：

· 底層硬件的程序設(shè)計(jì)軟件。該軟件可以用于例如現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）開(kāi)發(fā)Xilinx ISE 設(shè)計(jì)套件軟件、用于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）開(kāi)發(fā)的TI CCS 軟件以及Matlab/Simulink 等。
· 基于特定通用平臺(tái)的開(kāi)發(fā)軟件。這類工具開(kāi)始具備軟件無(wú)線電的性質(zhì)，例如第2 期中提到的基于通用軟件無(wú)線電外設(shè)（USRP）的開(kāi)源軟件定義無(wú)線電（GNU Radio）等。
· 基于軟件通信體系架構(gòu)（SCA）的軟件無(wú)線電（SDR）開(kāi)發(fā)工具。這是最接近軟件無(wú)線電思想的開(kāi)發(fā)工具，例如開(kāi)源軟件通信體系框架嵌入式解決方案（OSSIE）。

文章主要討論后兩種開(kāi)發(fā)工具以及具有代表性的軟件，3.1 節(jié)將詳細(xì)介紹一種第3 類的SCA SDR 開(kāi)發(fā)工具，而3.2 和3.3 介紹了兩種第2 類開(kāi)發(fā)工具，希望能給相關(guān)工程應(yīng)用帶來(lái)一定的指導(dǎo)意義。

3.1 SDR 工具Spectra 與SCA

3.1.1 SCA SDR 的應(yīng)用前景

隨著通信設(shè)備一體化和通用化的發(fā)展，人們對(duì)SDR 軟件波形開(kāi)發(fā)提出了要求，例如多種功能波形應(yīng)用，支持不同平臺(tái)的移植、模塊化等。因此，SCA SDR 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，PrismTech 公司的Spectra 工具包括了模型開(kāi)發(fā)工具、自動(dòng)代碼生成、測(cè)試框架和操作環(huán)境（OE）4 個(gè)部分，支持SCA 2.2 和SCA 2.2.2標(biāo)準(zhǔn)的波形組件（也稱為波形的邏輯代碼的實(shí)現(xiàn)）和平臺(tái)組件的開(kāi)發(fā)。基于SCA 的SDR 將無(wú)線通信相關(guān)的算法（或設(shè)計(jì)者的其他算法）封裝成波形組件，而各種物理應(yīng)用平臺(tái)也被封裝成平臺(tái)組件，直接體現(xiàn)為Spectra CX 軟件中的一個(gè)組件；可裝配多種波形，每個(gè)波形應(yīng)用實(shí)現(xiàn)一組特定的功能，在硬件平臺(tái)具備的基礎(chǔ)上，各個(gè)波形應(yīng)用以組件的方式部署到系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)中。

3.1.2 Spectra CX 波形開(kāi)發(fā)環(huán)境

基于Spectra SCA波形的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括Spectra CX 波形開(kāi)發(fā)工具和針對(duì)SDR 硬件平臺(tái)的Specta OE，包含以下工具：

（1）建模工具。它為SDR 開(kāi)發(fā)人員提供高層抽象、易使用和圖形化的建模工具，用于動(dòng)態(tài)地設(shè)計(jì)波形和平臺(tái)開(kāi)發(fā)。幫助波形設(shè)計(jì)人員高效地建立平臺(tái)獨(dú)立、可移植的波形模型，并可以映射到不同的平臺(tái)上。這些工具也能支持可插入地第三方工具，以支持完全的SDR 工具鏈集成。

（2）源代碼生成器。Spectra CX集成了特定語(yǔ)言組件源代碼生成器、單元測(cè)試生成器等，為波形應(yīng)用提供了一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)和測(cè)試環(huán)境。Spectra 源代碼生成器為SDR 組件的針對(duì)特定語(yǔ)言代碼、描述器和測(cè)試代碼生成提供了高性能的無(wú)錯(cuò)工具。通過(guò)將域特定的SDR 模型映射為一系列可執(zhí)行的、語(yǔ)言特定的文件，這些文件包含了在Spectra OE 上運(yùn)行的所需要的所有功能。多語(yǔ)言、高效率的自動(dòng)代碼生，從圖形化模型生成源代碼、描述器和測(cè)試代碼。與手寫(xiě)代碼相比，提高開(kāi)發(fā)效率高達(dá)50 倍（幾個(gè)月的工作縮短到1 天或更少的時(shí)間內(nèi)完成），也使代碼具有固有的標(biāo)準(zhǔn)兼容。

（3）測(cè)試與驗(yàn)證。提供模型的SCA 兼容性驗(yàn)證，能對(duì)對(duì)組件或子系統(tǒng)進(jìn)行SCA 兼容性、功能進(jìn)行測(cè)試，并能提供部署后的實(shí)時(shí)測(cè)試。驗(yàn)證包括應(yīng)用、平臺(tái)、部署的驗(yàn)證：模型語(yǔ)法、語(yǔ)義驗(yàn)證；組件、應(yīng)用、設(shè)備和節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證；完整SCA 部署的驗(yàn)證等。

（4）Spectra OE。Spectra OE 是一種高性能、低負(fù)載SDR 實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，它支持SCA OE 的要求。它能超過(guò)典型的SCA 通用處理器（GPP）邊界，為DSP/FPGA 提供一致結(jié)構(gòu)。Spectra OE 是先進(jìn)和優(yōu)化的實(shí)時(shí)運(yùn)行平臺(tái)，將應(yīng)用軟件和硬件分離，使應(yīng)用可以移植，同時(shí)也具有最小的可能尺寸、重量和功耗。它為開(kāi)發(fā)人員大幅度減少了實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜程度，提供了單一的應(yīng)用程序編程接口（API）。Spectra OE 結(jié)合了PrismTech的核心框架（CF）和先進(jìn)的中間件（e*ORB 與ICO），并根據(jù)完全的實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)構(gòu)（CF、中間件和用戶傳輸）從尺寸、重量和性能進(jìn)行優(yōu)化。

（5）波形部署監(jiān)視器。該監(jiān)視器用于將波形部署到硬件平臺(tái)上，并能在波形實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，對(duì)波形組件參數(shù)進(jìn)行查詢、設(shè)置等，并能監(jiān)視系統(tǒng)事件。Spectra CX 的Monitor 可以鏈接到任何SCA 兼容的操作環(huán)境，比如可以運(yùn)行在裝備了PC 兼容的中間件的PC開(kāi)發(fā)主機(jī)上。通過(guò)這個(gè)特點(diǎn)，部署的測(cè)試可以在開(kāi)發(fā)周期中大大提前。這個(gè)運(yùn)行時(shí)監(jiān)控器能跟嵌入式目標(biāo)OE 通信，以便在真實(shí)目標(biāo)上測(cè)試。監(jiān)視器可以通過(guò)點(diǎn)擊按鈕的方式啟動(dòng)或終止多種應(yīng)用。這樣可在SCA平臺(tái)上加載多種應(yīng)用，以盡可能的描述域要發(fā)生的情況（如組件屬性的預(yù)設(shè)值可以隨時(shí)修改）。Spectra CX 還能捕獲CF 產(chǎn)生的日志，并在SpectraCX 的用戶界面中顯示出來(lái)。

3.1.3 基于Spectra CX 的SDR 開(kāi)發(fā)

SCA SDR 能裝配多種波形應(yīng)用，每個(gè)波形應(yīng)用實(shí)現(xiàn)一組特定的功能。在硬件平臺(tái)具備的基礎(chǔ)上，各個(gè)波形應(yīng)用以組件的方式部署到系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)中。由于不同的波形應(yīng)用有不同功能和特性，需要分別對(duì)每個(gè)波形應(yīng)用依照SCA 規(guī)范進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

（1）波形應(yīng)用開(kāi)發(fā)流程：創(chuàng)建組件— 生成端口— 添加端口屬性— 創(chuàng)建應(yīng)用— 建立組件鏈接— 創(chuàng)建裝配控制器。

（2）節(jié)點(diǎn)和平臺(tái)的開(kāi)發(fā)流程：創(chuàng)建設(shè)備— 生成設(shè)備接口— 創(chuàng)建設(shè)備管理器— 創(chuàng)建域管理器— 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)— 將設(shè)備管理器、域管理器、設(shè)備添加到節(jié)點(diǎn)— 創(chuàng)建平臺(tái)— 將節(jié)點(diǎn)添加到平臺(tái)。

平臺(tái)是一些節(jié)點(diǎn)的集合，由域管理器控制，如圖14 所示。設(shè)備管理器駐留在其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。節(jié)點(diǎn)是計(jì)算節(jié)點(diǎn)的抽象，是一些設(shè)備和服務(wù)的集合，由一個(gè)設(shè)備管理器控制。通過(guò)節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)視和控制節(jié)點(diǎn)的資源狀況，實(shí)現(xiàn)OE，執(zhí)行設(shè)備管理器以及安裝OE&CF; 服務(wù)，例如公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）、命名服務(wù)、FileSystem、Log、事件服務(wù)等。

圖14、Spectra SCA SDR 波形開(kāi)發(fā)環(huán)境

波形在Spectra SCA 架構(gòu)上的應(yīng)用的操作步驟如下：

（1）啟動(dòng)硬件平臺(tái)，啟用節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)域管理器、設(shè)備管理器等；
（2）打開(kāi)波形部署監(jiān)視器，添加部署到監(jiān)視器中；
（3）安裝應(yīng)用程序，創(chuàng)建應(yīng)用程序，加載波形應(yīng)用；
（4）停止應(yīng)用程序，釋放應(yīng)用程序，卸載波形應(yīng)用；
（5）可以重復(fù)步驟3、4，加載、卸載其他波形應(yīng)用。

用戶按照步驟操作，可以完成基于Spectra SCA 的波形部署。以FPGA器件為例，通過(guò)上位機(jī)操作軟件配置不同功能的波形組件，可以完成底層FPGA 代碼功能的加載和重新加載，即完成通信功能的設(shè)置或變更，例如由發(fā)射改為接收或者發(fā)射不同的調(diào)制信號(hào)；從操作人員主觀上來(lái)看，我們只是修改了軟件指定的功能，就完成了底層硬件的各種應(yīng)用切換，用戶層和底層得到了較好的隔離，這就體現(xiàn)出SDR 的軟件性質(zhì)。我們通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能，而不必考慮底層的硬件平臺(tái)，工程師從硬件開(kāi)發(fā)集中到了軟件開(kāi)發(fā)，有力地加速了應(yīng)用開(kāi)發(fā)；更有意義的是，這些軟件波形應(yīng)用對(duì)于SDR 硬件平臺(tái)具有完美的可移植性，避免了代碼的重復(fù)開(kāi)發(fā)，節(jié)省了時(shí)間、人力、財(cái)力、物力。

3.2 基于USRP 的LabVIEW 軟件

NI（美國(guó)國(guó)家儀器）公司的USRP是一款價(jià)位合理且靈活的軟件無(wú)線電平臺(tái)。它將一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)變成一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)。結(jié)合NI USRP 射頻收發(fā)器與NI LabVIEW 軟件的優(yōu)勢(shì)，USRP 和LabVIEW 兩者共同提供了一個(gè)可快速上手且功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。以NIUSRP2920 為例，其支持頻帶可以達(dá)到50 MHz～2.2 GHz，中心頻率可調(diào)，覆蓋FM 全球定位系統(tǒng)（GPS）、數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）、雷達(dá)和ISM 頻段；高達(dá)20 MHz 基帶I/Q 帶寬，讀寫(xiě)速率達(dá)25 MSPS。借助NI LabVIEW軟件可進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)、快速開(kāi)發(fā)無(wú)線通信協(xié)議、靈活的多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)等應(yīng)用。

3.2.1 LabVIEW 軟件

LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了圖形化編程方法和前所未有的硬件集成，旨在幫助工程師和科學(xué)家快速設(shè)計(jì)和部署測(cè)量和控制系統(tǒng)，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。借助這一靈活的平臺(tái)，工程師可以開(kāi)發(fā)大中小型系統(tǒng)，完成從設(shè)計(jì)到測(cè)試等一系列流程，同時(shí)重用IP 和簡(jiǎn)化流程，實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。

LabVIEW 應(yīng)用程序分成前面板和程序框圖兩部分。前面板實(shí)現(xiàn)程序參數(shù)的設(shè)置以及界面可視化功能，它可以對(duì)程序進(jìn)行手動(dòng)控制和對(duì)結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示。在前面板單擊右鍵可以添加需要的控件，實(shí)現(xiàn)程序參數(shù)的設(shè)置或者結(jié)果圖形化顯示，如圖15 所示。

圖15、前面板控件添加過(guò)程

程序框圖是程序的功能實(shí)現(xiàn)部分，它采用圖形語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)編程，如圖16 所示。在程序框圖面板單擊右鍵添加需要的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的功能部分。

圖16、程序框圖函數(shù)添加過(guò)程

另外，LabVIEW 程序運(yùn)行時(shí)是以數(shù)據(jù)流的形式運(yùn)行的，這樣程序的處理流程非常清晰，對(duì)程序編寫(xiě)和調(diào)試非常有用。

3.2.2 LabVIEW 的開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)介

LabVIEW 和USRP 平臺(tái)上手容易，而且提供了漢化窗口，不再做案例介紹。LabVIEW 基于框架式設(shè)計(jì)，根據(jù)發(fā)射和接收程序流程框架配置即可，以下是收發(fā)通信工作流程。

（1）發(fā)射：打開(kāi)設(shè)備發(fā)射會(huì)話—配置參數(shù)— 寫(xiě)入指定通道— 關(guān)閉會(huì)話句柄；
（2）接收：打開(kāi)設(shè)備接收會(huì)話—配置參數(shù)— 接收捕獲— 讀出指定通道數(shù)據(jù)— 分析處理— 停止捕獲— 關(guān)閉句柄。

LabVIEW 和USRP 平臺(tái)，將算法集中到用戶接口界面，常被通信工作人員用來(lái)快速開(kāi)發(fā)驗(yàn)證算法以及自定義信號(hào)測(cè)試源，例如用于軟件無(wú)線電算法驗(yàn)證、頻譜監(jiān)測(cè)、認(rèn)知無(wú)線電算法驗(yàn)證等。

3.3 BPS 系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工具

3.3.1 BPS 軟件簡(jiǎn)介

BPS（BEEcube 平臺(tái)工作室）是基于MathWorks 公司Simulink 上的一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的、軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)的環(huán)境。這個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境可以自動(dòng)生成特定硬件接口和相應(yīng)軟件驅(qū)動(dòng)。對(duì)于Matlab 算法設(shè)計(jì)人員，平臺(tái)中的系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工具可以隱藏所有FPGA 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如：高速I/O 的例化和配置，多時(shí)鐘域的時(shí)序收斂，軟硬件接口和IP 集成，加快了應(yīng)用設(shè)計(jì)。用戶核心算法模塊的外部連接可在BPS 用戶界面中直接訪問(wèn)。對(duì)于復(fù)雜的DSP 算法工程任務(wù)，以往需要數(shù)月才能完成，而現(xiàn)在利用系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工具在幾天內(nèi)就可以完成。

3.3.2 設(shè)計(jì)流程

BPS 軟件是最簡(jiǎn)單、最快速和最可靠的，用于硬件實(shí)現(xiàn)算法，并與實(shí)際應(yīng)用相連接的軟件平臺(tái)。用戶不必是一個(gè)FPGA 專家，只需將用戶的設(shè)計(jì)輸入到Matlab/Simulink，BPS 會(huì)自動(dòng)將其映射到FPGA 內(nèi)，其包含了平臺(tái)上所有的接口IP。

圖17、BPS 基本設(shè)計(jì)流程

圖17 所示為BPS 基本的設(shè)計(jì)流程，其設(shè)計(jì)思路圍繞系統(tǒng)生成器（也稱作實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)工具）展開(kāi)。系統(tǒng)生成器是Xilinx 公司進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理開(kāi)發(fā)的一種設(shè)計(jì)工具，它通過(guò)將Xilinx開(kāi)發(fā)的一些模塊嵌入到Simulink 的庫(kù)中。在BEE 系統(tǒng)中，同時(shí)也需要將硬件接口的IP 和基本的運(yùn)算IP 集成到Simulink 的IP 庫(kù)中，可以在Simulink中進(jìn)行定點(diǎn)仿真，生成HDL 文件（網(wǎng)表），可以在Xilinx FPGA 開(kāi)發(fā)工具（ISE）中進(jìn)行例化使用，也可以直接生成配置文件（.bit 文件）。因此，它能夠加快信號(hào)處理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

在圖17 的設(shè)計(jì)流程中，除了可以利用Xilinx SysGen 本身提供的IP 庫(kù)和BPS 加入的硬件接口IP 庫(kù)之外，還可以將HDL 代碼借助ip_import 工具，將HDL 代碼生成BPS 的IP 庫(kù)添加到設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。從而將BPS 可靠的接口驅(qū)動(dòng)與用于核心算法聯(lián)系起來(lái)。接下來(lái)，只需執(zhí)行BPS 的相關(guān)指令，即可完成最終.bit 文件的生成。在生成.bit 的過(guò)程中，基于Simulink 的工程會(huì)生成嵌入式開(kāi)發(fā)套件（EDK）的工程，系統(tǒng)自動(dòng)地添加MicroBlaze 到系統(tǒng)中，利用該軟核運(yùn)行NectorOS 自定義的操作系統(tǒng)，可以方便的訪問(wèn)預(yù)置在設(shè)計(jì)里的寄存器，完成系統(tǒng)級(jí)控制。整個(gè)過(guò)程運(yùn)行于Matlab 后臺(tái)，如無(wú)特別改動(dòng)之處，不必人為干預(yù)。

3.3.3 軟件配置簡(jiǎn)介

（1）開(kāi)發(fā)環(huán)境：BPS
（2） 需要預(yù)裝軟件：Matlab/Simulink、Xilinx ISE Design Suite
（3）配置步驟見(jiàn)圖18。

圖18、配置步驟

4、結(jié)束語(yǔ)

軟件無(wú)線電是一種智能化無(wú)線通信技術(shù)，它展現(xiàn)了一種全新的波形配置管理模式，并將自身與外部環(huán)境智能匹配，為從根本上解決日益增長(zhǎng)的無(wú)線通信需求與有限的無(wú)線頻譜資源之間的矛盾開(kāi)辟一條行之有效的途徑，并給無(wú)線通信帶來(lái)了新的發(fā)展空間。而基于盲源分離的終極無(wú)線電的概念，是對(duì)軟件無(wú)線電和認(rèn)知無(wú)線電的進(jìn)一步拓展，實(shí)現(xiàn)還面臨許多技術(shù)難題，需要進(jìn)一步深入研究。其概念是否準(zhǔn)確也有待商榷。

從文章對(duì)SDR 應(yīng)用發(fā)展及平臺(tái)架構(gòu)等技術(shù)的綜述中可以看出，軟件無(wú)線電技術(shù)是若干技術(shù)的高度綜合，已越來(lái)越廣泛地被人們接受，其在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用有著巨大的前景。然而，軟件無(wú)線電從概念到應(yīng)用尚面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)還有相當(dāng)一段長(zhǎng)的路要走，這也使其成為了近年來(lái)無(wú)線通信研究的熱點(diǎn)。該領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域的研究人員應(yīng)牢牢把握發(fā)展機(jī)遇，緊密跟蹤其發(fā)展動(dòng)向，努力開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，力爭(zhēng)盡早研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備，為國(guó)家的發(fā)展和富強(qiáng)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

作者：宋騰輝、竇崢、林云，哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，中興通訊技術(shù)