陳運(yùn)財(cái)

(廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520)

0 引言

科技的發(fā)展使人們的通信設(shè)備逐漸多樣化，常見(jiàn)的設(shè)備一般是通過(guò)硬件設(shè)施完成信息傳導(dǎo)，雖然信息傳遞速度較快，但系統(tǒng)單一化導(dǎo)致其功能較為簡(jiǎn)單，無(wú)法滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。軟件無(wú)線電的產(chǎn)生就是對(duì)系統(tǒng)軟件的優(yōu)化編程，并依據(jù)人們的需求設(shè)置功能，軟件無(wú)線電適用范圍更廣，無(wú)論是電視廣播，還是電子通信和雷達(dá)檢測(cè)都可以使用。實(shí)際上，軟件無(wú)線電是一種無(wú)線電廣播通信技術(shù)，在應(yīng)用時(shí)不需要更換硬件，只要改變其中的程序即可達(dá)到使用要求，其工作原理在于依托硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jī)制

1.1 消息傳遞方式

軟件無(wú)線電試圖在無(wú)線電系統(tǒng)中使用軟件來(lái)代替硬件處理方式，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的提升，計(jì)算機(jī)性能不斷完善，基于計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)建立軟件無(wú)線電平臺(tái)，系統(tǒng)的優(yōu)越性也會(huì)更加突出。計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)日益普遍，接入平臺(tái)更加方便，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸成熟，通用性更強(qiáng)，軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展為移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合提供了支持，無(wú)線網(wǎng)能夠更好地與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)充分結(jié)合。以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為平臺(tái)，依靠計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合軟件無(wú)線電的數(shù)據(jù)處理特征，以消息傳遞作為主要方式，實(shí)現(xiàn)消息的傳遞與處理。

計(jì)算機(jī)通信常見(jiàn)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(jìn)程都可以達(dá)到調(diào)用點(diǎn)，消息發(fā)出與接收后，發(fā)送和接收進(jìn)程才能返回，消息緩沖區(qū)可以被其他進(jìn)程繼續(xù)使用。接收進(jìn)程返回之后，其他進(jìn)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(gè)進(jìn)程來(lái)到發(fā)送點(diǎn)后就會(huì)被執(zhí)行發(fā)送，無(wú)需等待接收完成。消息送出之后，發(fā)送進(jìn)程會(huì)返回，說(shuō)明傳送的消息已經(jīng)被安全快速地送出，發(fā)送進(jìn)程返回的時(shí)候，信息接收進(jìn)程無(wú)需結(jié)束。消息被發(fā)出后，有可能被接收，有可能被緩存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。信息的接收要達(dá)到某一進(jìn)程才能被執(zhí)行，無(wú)需與發(fā)送進(jìn)程保持同步，但會(huì)在收到消息后返回，這時(shí)用戶可再次使用或調(diào)用資源，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也能夠?yàn)橄⒌膫鬟f提供適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)。(3)非阻塞消息傳遞的方式，進(jìn)程到達(dá)發(fā)送點(diǎn)之后就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行發(fā)送，無(wú)需等待接收，通知系統(tǒng)消息需要發(fā)送之后，發(fā)送進(jìn)程將會(huì)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(gè)進(jìn)程，到達(dá)后被執(zhí)行，無(wú)需等待發(fā)送。接收進(jìn)程通知系統(tǒng)后立即返回，消息可能到達(dá)，也可能被緩存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，或者并沒(méi)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(shí)間比較短，發(fā)送時(shí)消息有可能被覆蓋甚至丟失。接收端接收進(jìn)程有可能在消息到達(dá)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(huì)提供狀態(tài)檢查，確保強(qiáng)制進(jìn)程安全后再執(zhí)行下一步工作，實(shí)現(xiàn)通信和計(jì)算步驟的重疊，消息傳遞時(shí)，進(jìn)程可以執(zhí)行后續(xù)計(jì)算，且不會(huì)對(duì)消息傳遞造成干擾影響[1]。

1.2 異步消息接收處理機(jī)制

軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)下，同步消息傳遞接收簡(jiǎn)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(jī)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(shí)原系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)程終端狀態(tài)保存之后，系統(tǒng)執(zhí)行接收進(jìn)程，完成后等待進(jìn)程返回，原進(jìn)程才能繼續(xù)被執(zhí)行。(2)守護(hù)進(jìn)程方式，即接收消息的時(shí)候，系統(tǒng)喚醒守護(hù)進(jìn)程，該進(jìn)程負(fù)責(zé)完成消息的接收，原進(jìn)程不會(huì)被打斷，無(wú)需中斷保護(hù)進(jìn)程，但對(duì)于消息的接收來(lái)說(shuō)，守護(hù)進(jìn)程方式只是單任務(wù)處理，如果進(jìn)程沒(méi)有返回，系統(tǒng)將不能響應(yīng)下次消息的接收請(qǐng)求。(3)多發(fā)進(jìn)程方式，接收消息的時(shí)候，消息接收由系統(tǒng)生成新進(jìn)程，進(jìn)程處理接收后再終止，此時(shí)系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)不同接收請(qǐng)求統(tǒng)一處理，但系統(tǒng)并發(fā)進(jìn)程過(guò)多的話，進(jìn)程管理開(kāi)銷表達(dá)、系統(tǒng)運(yùn)行效率將有可能受影響[2]。

2 軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)

2.1 功能模型與功能接口

軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)作為無(wú)線電技術(shù)的核心，其結(jié)構(gòu)包含軟硬件與接口協(xié)議等部分，在當(dāng)前技術(shù)條件下，如何滿足軟件無(wú)線電發(fā)展的靈活性，是其體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)中的功能模型一般根據(jù)功能來(lái)劃分，主要有信息集和信息安全等部分。軟件無(wú)線電的應(yīng)用旨在滿足人們對(duì)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(diǎn)，信息集有不同信息運(yùn)輸模式，比如同時(shí)性多波段的傳播模式，人們按照自身需求進(jìn)行編程的改寫(xiě)，使軟件形式發(fā)生改變，可在同一平臺(tái)內(nèi)執(zhí)行多次操作。

軟件無(wú)線電的功能接口可連接不同模型，保護(hù)信息源與信息道中所有信息不受干擾，常見(jiàn)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(hào)的運(yùn)輸需求選擇接口，比如想要對(duì)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(luò)相關(guān)規(guī)定[3]。

2.2 軟件分層結(jié)構(gòu)

正常情況下，軟件主要有3層結(jié)構(gòu)，即處理層、配置層以及接口層，不同結(jié)構(gòu)的用處有所差別。軟件無(wú)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(guò)無(wú)線電傳播；軟件無(wú)線電的配置層可以對(duì)接口層的信息存儲(chǔ)與配置管理，將不同信息傳遞到相應(yīng)處理層，使信息準(zhǔn)確性得到保障；處理層就是對(duì)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(kāi)軟件無(wú)線電分層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正面臨著數(shù)據(jù)通信兼容問(wèn)題，如果改造硬件設(shè)備將會(huì)導(dǎo)致成本增加，后續(xù)升級(jí)也會(huì)面臨諸多問(wèn)題，采用軟件無(wú)線電使其更加靈活，在軟件分層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用下只需對(duì)軟件系統(tǒng)升級(jí)即可。

2.3 硬件平臺(tái)

軟件無(wú)線電以硬件平臺(tái)作為基礎(chǔ)形成條件，包含不同功能類型模塊，以此更好地適應(yīng)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(hào)與數(shù)字變化、平臺(tái)掌控模塊等，模塊不同，所構(gòu)成的硬件平臺(tái)也會(huì)有所不同，常見(jiàn)的有總線式和流水式結(jié)構(gòu)。硬件平臺(tái)選擇時(shí)，應(yīng)按照信息傳遞需求，要求硬件平臺(tái)兼顧靈活性與操作性，確保軟件的及時(shí)更新，提高信息傳遞過(guò)程的安全性。

3 基于計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的軟件無(wú)線電軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 中頻采樣與輸出

軟件無(wú)線電的宗旨在于應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)代替模擬信號(hào)處理方式，應(yīng)用智能天線、寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器和RF設(shè)備，在可編程處理器的應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)基帶和IF處理。軟件無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)用期間，系統(tǒng)信道數(shù)字信號(hào)處理速度快，需要經(jīng)過(guò)高密度計(jì)算，同時(shí)實(shí)現(xiàn)并行多信道同步處理。確立以MTCA計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的軟件無(wú)線電的硬件平臺(tái)，依據(jù)數(shù)字信號(hào)處理裝置和模擬器技術(shù)水平，采取中頻采樣結(jié)構(gòu)，將天線接收與發(fā)射的信號(hào)通過(guò)射頻的前端轉(zhuǎn)到中頻。經(jīng)過(guò)射頻前端之后，軟件無(wú)線電平臺(tái)的IPMI縱向包含中頻版、信號(hào)處理板、安全保密板、電源板以及交換板等部分。

對(duì)于硬件設(shè)計(jì)部分的中頻采樣和輸出，軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)可以將中頻數(shù)字化處理，使其成為合適的DSP與PC機(jī)數(shù)字信號(hào)，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(zhuǎn)換芯片完成信號(hào)的采樣處理，采樣速率在10 MSPS以上，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)換電路使用AD9957芯片，具有高速DDS和14 bitD/A轉(zhuǎn)換功能，基帶信號(hào)可以在FPGA下傳輸，最終成功輸出中頻信號(hào)[4]。

3.1.2 高速信號(hào)處理電路

為了更好地滿足數(shù)字信號(hào)的高速處理需求，軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)使用GPP和DSP信號(hào)處理器，聯(lián)合可編程邏輯器件的信號(hào)處理電路。GPP信號(hào)處理器使用雙核處理器，時(shí)鐘頻率可以達(dá)到1.2 GHz，集成外部高速接口，比如以太網(wǎng)接口。DSP信號(hào)處理器使用并行處理方式，時(shí)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(dá)到6.25 Gbps，使信號(hào)處理結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

關(guān)于軟件無(wú)線電的背板總線設(shè)計(jì)，基于軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)采取互聯(lián)結(jié)構(gòu)，高速串行總線將電源板、交換板以及信號(hào)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(gè)ID號(hào)，實(shí)現(xiàn)路由與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，以此更好地完成信號(hào)的高速傳輸。

3.1.3 機(jī)箱管理功能

基于計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)MTCA架構(gòu)下的軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)，除了上述功能以外，還擁有機(jī)箱管理功能，即經(jīng)過(guò)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(gè)階段。前者電源可自動(dòng)管理，電源板為MCH交換板上電，不會(huì)受到任何約束；后者電源板屬于自動(dòng)退出管理模式，負(fù)載模塊需要接受MCH控制管理，經(jīng)過(guò)電源板為子板提供負(fù)載電源與管理電源。其中負(fù)載電源可以達(dá)到12 V，管理電源可以達(dá)到3.3 V。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件無(wú)線電中的軟件體系結(jié)構(gòu)，基于通用硬件平臺(tái)建立開(kāi)放式軟件平臺(tái)，使用SCA架構(gòu)模式，其中包含驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層、應(yīng)用層等部分。系統(tǒng)配置和管理可通過(guò)API接口實(shí)現(xiàn)，允許加載不同編碼與調(diào)制對(duì)象，以此實(shí)現(xiàn)各個(gè)通信頻段靈活切換，再應(yīng)用IPMI總線控制完成模塊之間的高效互聯(lián)。在該架構(gòu)之下，可實(shí)現(xiàn)不同通信波形的加載與應(yīng)用。

軟件無(wú)線電的軟件體系架構(gòu)情況大致如下：(1)總線層，每個(gè)單元模塊會(huì)有不同的總線交換，插入AMC子卡后可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，從而擴(kuò)展業(yè)務(wù)。(2)網(wǎng)絡(luò)與串行接口服務(wù)，可提供不同硬件底層接口封裝，比如以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)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(tái)中工作。(3)操作系統(tǒng)，應(yīng)用嵌入式程序，對(duì)不同平臺(tái)間的應(yīng)用差異予以屏蔽，為軟件提供標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口與操作服務(wù)，使上層軟件應(yīng)用存在著設(shè)備無(wú)關(guān)性特征，常見(jiàn)的操作系統(tǒng)有Vx Works實(shí)時(shí)系統(tǒng)。(4)COBBA中間件，該部分處于應(yīng)用層和操作系統(tǒng)之間，將應(yīng)用程序和系統(tǒng)底層相隔，屏蔽不同通信方式和底層平臺(tái)細(xì)節(jié)。COBBA中間件支持應(yīng)用不同編程語(yǔ)言下的組件，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件的無(wú)縫通信，軟件開(kāi)發(fā)者能夠同時(shí)訪問(wèn)不同平臺(tái)內(nèi)的資源。(5)核心框架服務(wù)，這是軟件無(wú)線電體系的核心，能夠?yàn)椴ㄐ螒?yīng)用帶來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，可控制波形應(yīng)用的安裝和卸載，使底層軟硬件更抽象，實(shí)現(xiàn)組件的自動(dòng)裝配與智能管理，提供包含基本應(yīng)用接口與框架服務(wù)接口在內(nèi)的不同接口，可保持組件使用過(guò)程的獨(dú)立性和可移植性。(6)應(yīng)用層，即波形應(yīng)用組件層，在無(wú)線通信完成之后擁有獨(dú)立的處理功能，其中包含多個(gè)Resource接口，經(jīng)過(guò)多個(gè)接口的配置，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可動(dòng)態(tài)加載到硬件模塊。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運(yùn)算軟件設(shè)計(jì)，在軟件無(wú)線電中，系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)多為信號(hào)采樣值，或者無(wú)線采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)之后的數(shù)據(jù)與待調(diào)制的數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔一旦超出一定長(zhǎng)度，不同數(shù)據(jù)的相關(guān)性會(huì)較小，數(shù)據(jù)塊間隔時(shí)間和信息源、數(shù)據(jù)編碼方式存在關(guān)聯(lián)。當(dāng)前，多數(shù)無(wú)線通信的數(shù)據(jù)處理都以幀作為單位，為降低延時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于幀的劃分較小，以便為數(shù)據(jù)時(shí)間解耦帶來(lái)便利。實(shí)際上，軟件無(wú)線電需處理的數(shù)據(jù)流在經(jīng)過(guò)時(shí)間解耦之后，每個(gè)數(shù)據(jù)塊所需的處理相同，這為功能調(diào)用機(jī)制的確立提供了幫助，各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)執(zhí)行操作固定，數(shù)據(jù)傳輸效率顯著提高。設(shè)計(jì)一種以信息傳遞機(jī)制和描述功能調(diào)用機(jī)制為前提的應(yīng)用層協(xié)議，即RTCPP協(xié)議，這是Master/Slaver方式協(xié)議，從計(jì)算機(jī)守護(hù)進(jìn)程與主機(jī)端控制進(jìn)程入手，守護(hù)進(jìn)程空閑時(shí)會(huì)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)端口，出現(xiàn)任務(wù)后從廣播讓計(jì)算機(jī)展開(kāi)注冊(cè)，再通過(guò)應(yīng)答分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的資源，以配置命令的要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行運(yùn)算，要求計(jì)算機(jī)完成指定操作。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，現(xiàn)階段軟件無(wú)線電的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了通信技術(shù)的發(fā)展，也為人們的生活帶來(lái)了便利，憑借著技術(shù)的靈活性與開(kāi)放性，軟件無(wú)線電兼容效果更好。通過(guò)對(duì)軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的分析，了解其硬件平臺(tái)與軟件構(gòu)成情況，提高平臺(tái)抗干擾能力，在滿足不同通信平臺(tái)要求的同時(shí)，提升軟件無(wú)線電的應(yīng)用價(jià)值，為計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供幫助。