基于模型的設(shè)計(jì)有助于發(fā)揮軟件無線電的潛能

盡管軟件無線電(SDR)的指導(dǎo)原則是“開發(fā)一次，隨處運(yùn)行”，但是每當(dāng)硬件發(fā)生變化時(shí)，所有開發(fā)經(jīng)常要重新開始。業(yè)界已經(jīng)認(rèn)識到，基于文本規(guī)范的傳統(tǒng)開發(fā)模式已無法滿足SDR硬件和軟件的可移植性要求。這種認(rèn)識促使下一代通信無線電的一個(gè)新設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)生。該方法基于更高層次抽象描述，采用“基于模型的設(shè)計(jì)”思想，其核心為基于“與實(shí)現(xiàn)無關(guān)的模型(IIM)”和“特定實(shí)現(xiàn)的模型(ISM)”的可操作性規(guī)范。聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)的聯(lián)合項(xiàng)目辦公室(JPO)已經(jīng)提出這些可操作規(guī)范的使用指導(dǎo)方針，以便能充分發(fā)揮SDR的潛能。

SDR所提供的無線電可被動態(tài)地編程，以支持不同的波形標(biāo)準(zhǔn)、提供新特性、改善系統(tǒng)性能，以及支持新的業(yè)務(wù)。目前SDR發(fā)展的推動者主要是美國軍方，他們希望在SDR上實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的JTRS(下一代通信系統(tǒng))。SDR將讓士兵能在各種通信系統(tǒng)上進(jìn)行通訊，并僅需通過增加軟件就可模仿任何無線電的功能。與此同時(shí)，一個(gè)開放和可互操作的框架，特別是由軟件通信架構(gòu)(SCA)定義的框架，可顯著減少設(shè)計(jì)、部署和維護(hù)將來無線電的費(fèi)用。從目前來看，由于SDR的低成本優(yōu)勢，許多商用無線設(shè)備廠商也逐步開始采納SDR架構(gòu)。

作為JTRS項(xiàng)目的一個(gè)重要分支，SCA提供了一個(gè)定義在各種軟、硬件之間如何實(shí)現(xiàn)互操作性的開放架構(gòu)框架。SCA還提出一個(gè)被設(shè)計(jì)用來提供不同波形(與GSM和 802.11等標(biāo)準(zhǔn)類似)之間互操作性的核心框架(CF)，這些波形作為軟件應(yīng)用用在商業(yè)用途中，可被下載到任何支持SCA規(guī)范的無線電設(shè)備上。

開發(fā)復(fù)雜度增加

幾乎每次通信技術(shù)的重大進(jìn)步都會給軟件和硬件設(shè)計(jì)工程師帶來巨大挑戰(zhàn)，SDR也不例外。領(lǐng)先的武器承包商、電子元件供應(yīng)商以及系統(tǒng)集成商目前都在開發(fā)下一代SDR，并承諾新的SDR將使無線通信改頭換面，各種無線設(shè)備將可以相互操作，新功能的添加也將可通過軟件下載來實(shí)現(xiàn)。

通過運(yùn)行在更靈活的硬件上的軟件程序來實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)與任何波形之間的通信，將是一個(gè)很大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在當(dāng)今的軍用或商用無線平臺中，硬件都是針對波形進(jìn)行優(yōu)化，特別是射頻部分更是針對無線電所工作的狹窄頻段進(jìn)行優(yōu)化。從專用設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向通用設(shè)計(jì)必然會對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能、電源消耗和尺寸大小等方面帶來不利影響。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)

到目前為止，大多數(shù)SDR設(shè)計(jì)工程師一直使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：將系統(tǒng)架構(gòu)師定義的規(guī)范細(xì)化為文檔，用這些文檔指導(dǎo)專注于信號處理或射頻工程領(lǐng)域的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，然后由這些團(tuán)隊(duì)定義硬件、設(shè)計(jì)電路、編寫軟件、運(yùn)行仿真、測試并生成大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被用來驗(yàn)證最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果是否滿足規(guī)范要求。

這種方法的一個(gè)重要問題是，許多錯(cuò)誤常常要在原型階段上所有模塊可以一起測試的時(shí)候才能被檢測出來。如果產(chǎn)品原型不滿足規(guī)范，設(shè)計(jì)工程師必須確定問題是出自于系統(tǒng)需求、仿真模型、接口，還是目標(biāo)處理器。因?yàn)榻鉀Q問題的成本隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的增大而不斷增加，所以目標(biāo)處理器出現(xiàn)問題將快速增加開發(fā)成本。

波形可移植性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

雖然這些挑戰(zhàn)不易解決，但與多目標(biāo)開發(fā)的要求相比，其難度則遜色多了。每一個(gè)主要的開發(fā)項(xiàng)目都必須考慮各種硬件選項(xiàng)，包括通用處理器(GPP)、DSP、FPGA，而且硬件的選擇常常要到開發(fā)過程進(jìn)入到一定階段時(shí)才能確定下來。即使硬件已經(jīng)選定，設(shè)計(jì)工程師也必須對硬件升級和外形因子改變有所準(zhǔn)備，以便能完全改變開發(fā)方向，比如從DSP轉(zhuǎn)換到FPGA。傳統(tǒng)的開發(fā)方法與特定硬件架構(gòu)相關(guān)聯(lián)，因此為了實(shí)現(xiàn)一種新的硬件平臺，必須從技術(shù)規(guī)范重新開始。

意識到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，JTRS聯(lián)合項(xiàng)目辦公室提出了一種新的設(shè)計(jì)方法。在該方法中，波形規(guī)范在一個(gè)可執(zhí)行的IIM(與硬件規(guī)范無關(guān))以及一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行的ISM(與硬件規(guī)范有關(guān))中定義。這種方法有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，IIM和ISM是單個(gè)、明確、可執(zhí)行的波形規(guī)范，可以在團(tuán)隊(duì)、部門和承包商之間共享；其次，它們提供了一個(gè)高層次的設(shè)計(jì)視角，以進(jìn)行系統(tǒng)級的分析和折衷，并發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤；最后，它們可降低將波形從一個(gè)無線電裝置移植到另一個(gè)無線電裝置的成本，而同時(shí)還支持性能分析、需求分析跟蹤以及高性能波形設(shè)計(jì)。

IIM包含可用來定義、表征和驗(yàn)證波形行為的信息，波形行為可以被驗(yàn)證和跟蹤是否滿足波形需求文檔中的要求。波形的信號流、控制流和聯(lián)網(wǎng)方式可以利用波形子系統(tǒng)邊界、子系統(tǒng)抖動、延時(shí)和定時(shí)要求、子系統(tǒng)處理要求以及信號端口采樣次數(shù)等信息來定義?？蓤?zhí)行的IIM提供一個(gè)測試臺來驗(yàn)證波形功能模塊或者系統(tǒng)是否滿足系統(tǒng)要求，并驗(yàn)證它們的性能。

另一方面，ISM反映了預(yù)期實(shí)現(xiàn)被移植到特定無線電裝置架構(gòu)時(shí)的詳情。該模型包含更多將處理元件分配到各種處理器資源的信息，這可讓設(shè)計(jì)工程師詳細(xì)了解此實(shí)現(xiàn)。它還包括目標(biāo)處理器的執(zhí)行時(shí)間、延遲時(shí)間、存儲器和隊(duì)列大小的模型，這允許波形設(shè)計(jì)工程師以及后續(xù)移植工作能在系統(tǒng)級層次上理解資源變化帶來的影響，例如：吞吐量、抖動、延時(shí)、存儲器消耗、DC功率和實(shí)時(shí)性能。

基于模型的設(shè)計(jì)使IIM 和ISM成為現(xiàn)實(shí)

經(jīng)過驗(yàn)證的基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)包含了IIM 和ISM概念。不同于基于文本的方法(依賴于對不斷改變的設(shè)計(jì)規(guī)范文件的解釋)，基于模型的設(shè)計(jì)以方框圖可執(zhí)行規(guī)范的創(chuàng)建為基礎(chǔ)?？蓤?zhí)行規(guī)范可以消除設(shè)計(jì)的不確定性，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)組織和客戶、承包商、供應(yīng)商之間的通訊。利用基于模型的設(shè)計(jì)，算法工程師、RF設(shè)計(jì)工程師、軟件和硬件設(shè)計(jì)工程師以及其它開發(fā)團(tuán)隊(duì)都可以進(jìn)行合作，做出設(shè)計(jì)折衷以及評估方案，從而提高系統(tǒng)性能并降低成本。

該波形的可執(zhí)行規(guī)范最初在高層次上定義的，它利用預(yù)建的元素和先進(jìn)的算法，并包含了其它一些可編程語言，如C、C++、Fortran、MATLAB或 HDL代碼。然后，執(zhí)行這個(gè)規(guī)范以確定目前模型中的算法或元件所能提供的性能。通過在不同的狀態(tài)、參數(shù)值和輸入情況下執(zhí)行系統(tǒng)行為級的仿真，設(shè)計(jì)工程師能很快識別、隔離并修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。通過增加、減少或者移動模塊，或者改變參數(shù)并立即評估這些變化帶來的影響，設(shè)計(jì)工程師可以很快地修改設(shè)計(jì)。

通過簡單地改變參數(shù)，設(shè)計(jì)工程師能夠評估從浮點(diǎn)模型(通常在設(shè)計(jì)的早期使用)到定點(diǎn)模型的影響。定點(diǎn)模型通常用在硬件實(shí)現(xiàn)階段以減小系統(tǒng)的體積、內(nèi)存和電源消耗。

在基于文本的方法中，不同元件的實(shí)現(xiàn)(無論是硬件還是軟件)一般都是手工重新編碼，這個(gè)過程不但費(fèi)時(shí)，而且容易出錯(cuò)?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)包含了IIM和ISM兩種模型，前者由與硬件無關(guān)的功能模塊組成，后者由針對特定硬件優(yōu)化過的模塊組成。隨著開發(fā)流程從制定規(guī)范階段發(fā)展到設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)并進(jìn)入整體系統(tǒng)的驗(yàn)證和測試，模型的內(nèi)容也越來越詳細(xì)，但它在整個(gè)過程中始終是系統(tǒng)單一而明確的代表。

在保護(hù)設(shè)計(jì)知識產(chǎn)權(quán)的同時(shí)，這種模型可被用來自動生成許多硬件平臺都能使用的代碼，包括用于GPP的C代碼、用于DSP的C代碼和匯編代碼，以及用于FPGA的HDL代碼。自動代碼的生成能為生成的代碼提供編碼標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橥瑯拥臉?gòu)造可用在每一個(gè)實(shí)現(xiàn)中。這種方法可消除手工編碼的錯(cuò)誤，并限制仿真代碼和實(shí)際嵌入式代碼之間的潛在誤差。由于代碼可直接跟蹤仿真，所以錯(cuò)誤必然出現(xiàn)在接口或?qū)崟r(shí)約束條件下的執(zhí)行當(dāng)中。因?yàn)檫@些模型是獨(dú)立于嵌入式硬件而開發(fā)的，所以可以很方便將它移植到其它平臺上，并在以后系統(tǒng)中復(fù)用。

在整個(gè)開發(fā)過程中，將測試功能集成到模型中可確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。每一種模型都有一組測試向量，并對每個(gè)發(fā)行版本都有測試結(jié)果的基線。不斷驗(yàn)證和確認(rèn)有助于較早發(fā)現(xiàn)問題，這樣解決起來也更簡單且花費(fèi)更少?？稍谝院笤O(shè)計(jì)過程中使用系統(tǒng)架構(gòu)師開發(fā)的系統(tǒng)級模型，以便結(jié)合實(shí)際的仿真或測試數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)的角度對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

本文小結(jié)

在實(shí)現(xiàn)SDR所需的開發(fā)方法中，基于模型的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。它可以在不同的硬件、軟件以及SCA核框架平臺上支持自動代碼生成和代碼可移植性。通過建立可執(zhí)行的規(guī)范、IIM和ISM模型，并維護(hù)原始波形規(guī)范的可跟蹤性、確保在整個(gè)開發(fā)過程中不斷驗(yàn)證，基于模型的設(shè)計(jì)方法可以使SDR的開發(fā)過程簡化并更有效率。采用該方法設(shè)計(jì)和部署SDR比傳統(tǒng)的方法更加簡單、更加魯棒，從而提高SDR系統(tǒng)的性能和可靠性，并降低設(shè)計(jì)成本。