软件无线电体系结构.ppt
软件无线电基础,任课老师：杜青松,信息科学与工程学院,第四章软件无线电体系结构,3,本章学习的主要内容,体系结构综述,1,软件无线电的系统模型,2,软件无线电的基本结构,3,软件无线电的软件体系结构,5,软件无线电的硬件体系结构,4,4,什么是体系结构？,4.1 体系结构综述,所谓体系结构，是指一个全面、一致的功能、组件、设计原则的集合，依靠它可以组织、设计、构建一个系统。一个特定系统的体系结构对系统功能和组成进行了区分，并将这些系统功能分配给相应的组件和接口。随着系统复杂性增加，系统体系结构的作用越来越重要。,5,软件无线电体系结构,软件无线电体系结构是实现软件无线电概念的具体设计结构，包括硬件体系结构、软件体系结构和接口协议等部分。软件无线电体系结构是软件无线电技术的核心，其设计必须综合考虑无线通信的技术现状和长远发展，具有融合各个通信标准的能力。,4.1 体系结构综述,6,软件无线电体系结构,广义上讲，软件无线电的专门技术和相关技术都属于软件无线电体系结构的研究范围：如：宽带天线和多频段射频模块技术、电磁兼容技术、材料技术、高速宽带模/数和数/模变换技术、抗干扰和保密技术、软件设计方法和设计技术、软硬件之间的接口通信协议等,4.1 体系结构综述,7,通信系统模型,4.2 SDR的系统模型,传统无线通信模型,软件无线电的多频带、多模式、多线程、多个性化的特点需要从这个简单的通信模型上进行扩展。,8,通信系统模型,4.2 SDR的系统模型,RF信道扩展为信道集,信源扩展为信源集,基本函数模型,9,通信系统模型,4.2 SDR的系统模型,可编程的射频及信道接入：对多个射频段和其他可能的 信道接入方式进行自动接入,中频处理：进行滤波、频率变换、波束形成等处理,调制解调：包含多种调制技术，实现多模式无线电所要 求的多种调制方式,10,通信系统模型,4.2 SDR的系统模型,信源阶段：信源编码算法、远程信息输入,软件无线电节点对计算的需求：,信道阶段：波束形成算法、频段选择、调制方式选择 数据格式选择,联合控制：管理和协调整个系统的正常工作,用户选择不同的配置，系统对运算的需求有很大不同。,11,通信系统模型,4.2 SDR的系统模型,一个软件无线电节点,个性化配置,软件无线电节点个性化配置,12,SDR系统等效软件模型,4.2 SDR的系统模型,软件无线电系统硬件的等效软件模型,13,SDR系统等效软件模型,4.2 SDR的系统模型,优点,明确系统顶层的即插即用接口；可以预测和控制系统的性能；为建立标准定义一个参考模型；为产品演化提供体系结构；,特点,拓扑结构中的节点和有向线段可带有有关的任何重要特性。这些重要特性构成拓扑空间的维数。,14,软件无线电系统的基本结构,4.3 SDR系统的基本结构,一个实际的软件无线电系统基本结构如下图,15,软件无线电系统的基本结构,软件无线电系统基本结构主要包括：宽带天线、射频前端、变频、高速ADC和DAC、数字信号处理，另外还有系统的控制部分。软件无线电系统的工作是通过软件硬件的协调共同完成的。软件无线电系统体系结构包括硬件体系结构和软件体系结构。,4.3 SDR系统的基本结构,16,无线电体系结构的演变,4.4 SDR系统硬件体系结构,17,无线电体系结构的演变,4.4 SDR系统硬件体系结构,18,硬件体系结构的划分方法,一是按照构成硬件平台的物理介质划分；二是按照系统中各功能模块的连接方式划分，即各功能模块如何互联，从而组成一个开放的、可扩展的、标准的，同时具有较高数据吞吐率的硬件平台。,4.4 SDR系统硬件体系结构,19,按物理介质区分的硬件体系结构,按照物理介质划分的SDR硬件体系结构主要分三种：是以通用处理器GPP为基础的体系结构，该结构直接采用PC机和工作站进行数字信号处理；是以DSP为基础进行数字信号处理的体系结构；是以FPGA为基础进行数字信号处理的体系结构；,4.4 SDR系统硬件体系结构,20,按物理介质区分的硬件体系结构,GPP：即通用处理器(General Perpose Processor)，一般指的是服务器和桌面计算机用的CPU芯片，如Intel系列CPU；DSP：是指专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有特殊结构的微处理器；FPGA：即现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)。它是作为专用集成电路(ASIC)的一种半定制电路出现的。,4.4 SDR系统硬件体系结构,21,按物理介质区分的硬件体系结构,基于GPP的体系结构完全采用PC机和工作站完成所有的信号处理工作，这样的软件无线电系统也称为虚拟无线电。优点：计算机体系结构的开放性、灵活性、可编程性和人机界面等方面的能力非常强，开发调试容易，最接近理想的软件无线电缺点：通用计算机技术水平还达不到理想处理能力，性能比较差，成本相当高，实用性不强。,4.4 SDR系统硬件体系结构,22,按物理介质区分的硬件体系结构,基于DSP的体系结构基于DSP的结构是目前可实现的一种结构。这种结构的通用性、灵活性比较好，开发调试比较容易，性能比较好。是立足于当前的硬件水平、能够初步实现软件无线电思想的一种体系结构。,4.4 SDR系统硬件体系结构,23,按物理介质区分的硬件体系结构,基于FPGA的体系结构基于FPGA的结构通用性、灵活性好，成本很低，体积和功耗可以很小，性能比较好。在软件无线电系统中，对于一些复杂的、通用DSP不能完成的功能，可采用专用处理器和FPGA来实现。,4.4 SDR系统硬件体系结构,24,按连接方式区分的硬件体系结构,在软件无线电系统中，各功能模块通过一定的连接方式进行互联而组成了一个开放的、可扩展的、标准的、具有较高数据吞吐率的硬件平台。按照系统中各功能模块的连接方式，硬件体系结构可以分为流水式结构、总线式结构、交换式结构、基于计算机和网络式结构等。,4.4 SDR系统硬件体系结构,25,按连接方式区分的硬件体系结构,流水式结构,4.4 SDR系统硬件体系结构,流水式结构以流水线形式进行互联，与无线通信的信号流向一致，因此效率较高。其优点如下：时延短、硬件简单实时性好、处理速率高缺点如下：耦合相当紧密，独立性不高去除或调整某一模块，会导致总体结构的改变,若增加中频带宽或信道数，那么现有的数字下数变频也将改变，牵一发而动全身！在体系结构中各模块之间的接口都是面向特定对象设计的，各模块之间不存在统一和开放性接口标准。导致接口的通用性和伸缩性变差、不利用技术的协同与进步，而且带宽比较窄。,28,按连接方式区分的硬件体系结构,总线式结构,4.4 SDR系统硬件体系结构,各功能通过总线连接、并通过总线交换数据及控制命令。总线易成为系统扩展的瓶颈，特别是实时处理性高的地方。因此总线须具备高速率、能进行复杂控制、便于复杂控制和功能控制。软件无线电的总线结构特点：支持多处理器系统数据运算量大，要求很高的处理速度，如果采用DSP，则目前单片DSP无法胜任，需多DSP并行处理。,具有带宽高速的特性为保证大量的数据传输，软件无线电具有较高的数据传输和I/O口吞吐能力，总线传输速率超过50Mb/s，支持32-64位的数据和总地址线。具有良好的机械和电磁特性总线总能在恶劣的通信环境下工作，保证一定的通信性能。,需要复杂的控制机制，如采用分级总线或多总线方式软件无线电要求通信系统具有较高的通信处理能力，只有采用先进的标准化总线结构，才能发挥适应性，升级换代快的特点。这种结构是软件无线电设计的首先方案。工业化的标准化总线有：ISA、EISA、VESA、PCI、VME、PC/104等,32,按连接方式区分的硬件体系结构,交换式结构,4.4 SDR系统硬件体系结构,该结构采用适配器和交换网为各功能模块提供统一的数据通信能力，各个模块由相同的DSP 组成，模块之间通过数据包来交换数据，即功能模块通过适配器来打包和解包，并通过交换网络交换数据。这种体系结构遵循相同的通信接口和协议，它们之间的耦合性弱。,这种结构具有效率高、带宽高以及通用性好的特点，并具有较好的吞吐量和实时性能。系统结构缺点：时延长、硬件复杂不易实现和成本高由于该结构综合了总线结构和流水线结构的优点，符合软件无线电的特点，因此具有很好的前途。,35,按连接方式区分的硬件体系结构,PC+LAN结构,4.4 SDR系统硬件体系结构,36,按连接方式区分的硬件体系结构,PC+LAN结构这种结构由可编程前端和计算机组成。可编程前端包括上/下变频、ADC/DAC、外围电路（数据总线和控制器）；后者主要由计算机组成，充分利用计算机的数据处理能力，是该系统的关键部分。,4.4 SDR系统硬件体系结构,此体系结构的优点：计算机技术和网络技术成熟，只需要安装适配器和相关软件即可在现存的计算机上使用，该方案非常经济；该系统是基于网络的，因此可以为最近出现的互联网络和与移动通信结合的趋势提供有力的支持，使无线网络更容易使容易与计算机网络融合；,这种结构的效率高、带宽高和通用性很好；该系统比DSPFPGA方案的软件化程度高、更灵活、更接近理想无线电。目前基于计算机实现软件无线电还比较困难，该技术还不够成熟，所以实现的系统和任务相比代价偏高，器件体积较大，不便利于应用到个人终端中去。,39,几种结构性能比较,4.4 SDR系统硬件体系结构,40,SDR中的数字信号处理器,在顶层结构中，一个软件无线电系统包含四个部分：天线、射频前端、基带数字信号处理器和控制器。其中天线、射频前端为可编程控制的硬件基带数字信号处理器和控制器则由可编程的数字信号处理器件构成，主要包括：GPP、DSP、ASIC和FPGA,4.4 SDR系统硬件体系结构,41,SDR中的数字信号处理器,GPP、DSP、ASIC和FPGA的可重编程性和处理能力对比如下图所示：,4.4 SDR系统硬件体系结构,42,信号处理器处理能力的度量,1、时钟速率一般而言，处理器的时钟速率越快，运算速度就越快。但在比较处理器的运算速率时，除了要比较时钟速率外，还要注意指令速度与时钟速率的倍率关系。（时钟速率可能等于指令速率，也可能是指令速率的两到四倍）,4.4 SDR系统硬件体系结构,43,信号处理器处理能力的度量,2、指令执行速度指令执行速度以一条指令所需的执行时间或每秒钟执行的指令数目来度量，这两者互为倒数，单位分别为ns（纳秒）或MIPS（每秒百万条指令）指令速度并不能表明处理器的真正性能，不同的处理器在单条指令下完成的任务量是不一样的（位宽？并行？）。,4.4 SDR系统硬件体系结构,44,信号处理器处理能力的度量,3、操作执行速度操作执行速度是指每秒钟执行的操作数目。操作可以分为定点和浮点，其单位有MOPS（每秒百万次操作）、MFLOPS（每秒百万次浮点操作）或BOPS（每秒十亿次操作）该指标与MIPS有一定的联系（跟每条指令能完成多少次操作有关）,4.4 SDR系统硬件体系结构,45,信号处理器处理能力的度量,4、乘加运算（MAC）执行速度MAC执行速度是指完成一次乘加运算的时间或每秒钟执行的乘加运算数量，二者互为倒数，单位分别为ns（纳秒）或MMACS（每秒百万次乘加运算）对数字信号处理运算而言，该指标比MIPS更科学一些。,4.4 SDR系统硬件体系结构,46,信号处理器处理能力的度量,5、FFT运算执行速度FFT执行速度是指完成一次N点FFT运算所需的时间。由于FFT涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量数字信号处理器芯片运算能力的一个重要指标（最科学的衡量指标）。,4.4 SDR系统硬件体系结构,47,SDR对信号处理能力的需求,对于软件无线电的来讲，紧张的资源包括I/O带宽、存储器容量和运算处理能力。各个部分由于算法的不同，对于资源的需求有所不同。在设计初期需要对资源的需求进行精确的估计，降低设计成本和提高系统的性能。在软件无线电的通用硬件平台中，选用处理器件的重要指标是信号处理能力。,4.4 SDR系统硬件体系结构,例：移动通信基站的处理能力需求估计,49,SDR对信号处理器的要求,软件无线电中信号处理器的选择通常跟系统中的信号处理算法相关。软件无线电系统中信号处理算法的特点如下：1、信号处理算法通常需要执行大量的乘累加运行，运算量很大，并且算法的实现都必须实时。,4.4 SDR系统硬件体系结构,50,SDR对信号处理器的要求,2、信号处理算法常具有某些特定模式，比较典型的是数字滤波器中的连续移位。3、信号处理算法的大部分处理时间花在执行相对小循环的操作上。4、信号处理要求专门的接口，同时大量的数据交换需要有高速的数据吞吐能力。5、信号处理数值范围较宽，采用的数据格式以浮点形式为佳。,4.4 SDR系统硬件体系结构,51,SDR对信号处理器的要求,因此，软件无线电对信号处理器的要求如下1、实时的大运算量要求必须具有多个可并行执行的功能单元，并对常用的数字信号处理操作提供直接的硬件加速支持。2、强的实时性决定了数字信号处理器不能有太多的动态特征，因此对高速缓存机制、分支预测机制和终端响应机制的选择或采用具有一定的限制。,4.4 SDR系统硬件体系结构,52,SDR对信号处理器的要求,3、处理器应该设置片内存储器、单周期MAC功能单元和硬件“零开销循环”控制机制，以适应大量相对小循环运算的需要。4、处理器应该有高的存储器带宽、专门的地址计算单元和专用的寻址模式，用来对高效、实时的数据访问提供支持。,4.4 SDR系统硬件体系结构,53,三种信号处理器的比较,4.4 SDR系统硬件体系结构,54,三种信号处理器的比较,4.4 SDR系统硬件体系结构,55,SDR中软件的地位和作用,软件无线电以软件方式实现各种空中接口，提供了灵活的无线通信方式，以及灵活的传输机制、协议和应用。因此，软件在SDR中起着核心的作用。SDR的软件设计包括：软件的功能定义、软件硬件之间的相互关系和软件的体系结构。,4.5 SDR系统软件体系结构,56,SDR对软件的要求,计算机互联网时代存在着很多的异构网络（即不同物理层结构的网络），这些异构网络是如何实现互联的呢？TCP/IP协议的出现屏蔽了异构网络的差异，面向上层提供了统一的服务接口，从而真正实现网络的互联。SDR中软件也要求屏蔽硬件部分的差异。,4.5 SDR系统软件体系结构,57,SDR对软件的要求,1、SDR中的软件要求具有良好的开放性，采用模块化结构。这样使通信的高级应用可以利用现有的低层程序模块，避免低水平的技术重复，提高开发效率。2、要求软件可重用。在不同开发环境下开发的软件可以应用于不同的硬件平台，软件具有统一的源代码并能够屏蔽硬件平台和开发环境的差异。理想情况下，软件也可以实现“即插即用”的功能。,4.5 SDR系统软件体系结构,58,主要的软件体系结构,1、硬件特定的软件体系结构,4.5 SDR系统软件体系结构,59,主要的软件体系结构,在这种结构中，系统的软件采用处理器自身的语言开发，软件可以直接调用硬件资源，例如直接操作寄存器和I/O端口。软件的具体功能实现直接与相应的硬件相联系，软件和硬件是紧密联系的。这种结构较为简单、直观，容易实现，与结构化的软件设计方法相联系。非面向对象，不可移植。,4.5 SDR系统软件体系结构,60,主要的软件体系结构,2、开放的软件体系结构,4.5 SDR系统软件体系结构,61,主要的软件体系结构,实现理想的软件无线电要求软件具有相对于硬件平台的独立性。实现软件对硬件独立的方式之一是建立介于硬件和软件之间的中间件，形成硬件、软件和中间插件的层次结构。开放式的软件结构是分层的，硬件与应用软件完全剥离开来，由中间件将硬件单元封装到对象中，并且允许对象通过标准接口互相通信。,4.5 SDR系统软件体系结构,62,主要的软件体系结构,这种结构使得开发出来的应用软件更易于移植，更为快捷，成本更低。应用软件的开发者从对底层硬件的编程中解放出来，可将精力集中在更为复杂和强有力的应用设计中。,4.5 SDR系统软件体系结构,63,软件设计方法,1、面向过程的软件设计方法面向过程的软件设计（又称为结构化程序设计）是从系统的功能入手，按照工程标准和规范将系统分解为若干功能模块，通过函数实现其功能。结构化设计方法首先关心的是功能，强调以模块（即过程）为中心，采用模块化、自顶向下、逐步求精的设计过程。系统是一个实现模块功能的函数和过程的集合。,4.5 SDR系统软件体系结构,64,软件设计方法,2、面向对象的软件设计方法面向对象的软件设计的基本单元是一个个的对象。面向对象的设计方法是对真实世界的建模，即对真实事物的属性和行为进行建模。面向对象设计方法的三个基本特征是：信息隐藏（封装）、继承和多态。对象之间的通信是通过消息传递来完成，可以大大降低对象之间的耦合性。,4.5 SDR系统软件体系结构,
