基于模型的設計有助于發(fā)揮軟件無(wú)線(xiàn)電的潛能

盡管軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)的指導原則是“開(kāi)發(fā)一次，隨處運行”，但是每當硬件發(fā)生變化時(shí)，所有開(kāi)發(fā)經(jīng)常要重新開(kāi)始。業(yè)界已經(jīng)認識到，基于文本規范的傳統開(kāi)發(fā)模式已無(wú)法滿(mǎn)足SDR硬件和軟件的可移植性要求。這種認識促使下一代通信無(wú)線(xiàn)電的一個(gè)新設計方法的產(chǎn)生。該方法基于更高層次抽象描述，采用“基于模型的設計”思想，其核心為基于“與實(shí)現無(wú)關(guān)的模型(IIM)”和“特定實(shí)現的模型(ISM)”的可操作性規范。聯(lián)合戰術(shù)無(wú)線(xiàn)電系統(JTRS)的聯(lián)合項目辦公室(JPO)已經(jīng)提出這些可操作規范的使用指導方針，以便能充分發(fā)揮SDR的潛能。

SDR所提供的無(wú)線(xiàn)電可被動(dòng)態(tài)地編程，以支持不同的波形標準、提供新特性、改善系統性能，以及支持新的業(yè)務(wù)。目前SDR發(fā)展的推動(dòng)者主要是美國軍方，他們希望在SDR上實(shí)現基礎的JTRS(下一代通信系統)。SDR將讓士兵能在各種通信系統上進(jìn)行通訊，并僅需通過(guò)增加軟件就可模仿任何無(wú)線(xiàn)電的功能。與此同時(shí)，一個(gè)開(kāi)放和可互操作的框架，特別是由軟件通信架構(SCA)定義的框架，可顯著(zhù)減少設計、部署和維護將來(lái)無(wú)線(xiàn)電的費用。從目前來(lái)看，由于SDR的低成本優(yōu)勢，許多商用無(wú)線(xiàn)設備廠(chǎng)商也逐步開(kāi)始采納SDR架構。

作為JTRS項目的一個(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)現互操作性的開(kāi)放架構框架。SCA還提出一個(gè)被設計用來(lái)提供不同波形(與GSM和 802.11等標準類(lèi)似)之間互操作性的核心框架(CF)，這些波形作為軟件應用用在商業(yè)用途中，可被下載到任何支持SCA規范的無(wú)線(xiàn)電設備上。

開(kāi)發(fā)復雜度增加

幾乎每次通信技術(shù)的重大進(jìn)步都會(huì )給軟件和硬件設計工程師帶來(lái)巨大挑戰，SDR也不例外。領(lǐng)先的武器承包商、電子元件供應商以及系統集成商目前都在開(kāi)發(fā)下一代SDR，并承諾新的SDR將使無(wú)線(xiàn)通信改頭換面，各種無(wú)線(xiàn)設備將可以相互操作，新功能的添加也將可通過(guò)軟件下載來(lái)實(shí)現。

通過(guò)運行在更靈活的硬件上的軟件程序來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)系統與任何波形之間的通信，將是一個(gè)很大的設計挑戰。在當今的軍用或商用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電所工作的狹窄頻段進(jìn)行優(yōu)化。從專(zhuān)用設計轉向通用設計必然會(huì )對系統的實(shí)時(shí)性能、電源消耗和尺寸大小等方面帶來(lái)不利影響。

傳統設計方法的缺點(diǎn)

到目前為止，大多數SDR設計工程師一直使用傳統的設計方法：將系統架構師定義的規范細化為文檔，用這些文檔指導專(zhuān)注于信號處理或射頻工程領(lǐng)域的項目團隊，然后由這些團隊定義硬件、設計電路、編寫(xiě)軟件、運行仿真、測試并生成大量數據，這些數據被用來(lái)驗證最終實(shí)現結果是否滿(mǎn)足規范要求。

這種方法的一個(gè)重要問(wèn)題是，許多錯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(lái)。如果產(chǎn)品原型不滿(mǎn)足規范，設計工程師必須確定問(wèn)題是出自于系統需求、仿真模型、接口，還是目標處理器。因為解決問(wèn)題的成本隨著(zhù)設計規模的增大而不斷增加，所以目標處理器出現問(wèn)題將快速增加開(kāi)發(fā)成本。

波形可移植性的關(guān)鍵挑戰

雖然這些挑戰不易解決，但與多目標開(kāi)發(fā)的要求相比，其難度則遜色多了。每一個(gè)主要的開(kāi)發(fā)項目都必須考慮各種硬件選項，包括通用處理器(GPP)、DSP、FPGA，而且硬件的選擇常常要到開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)入到一定階段時(shí)才能確定下來(lái)。即使硬件已經(jīng)選定，設計工程師也必須對硬件升級和外形因子改變有所準備，以便能完全改變開(kāi)發(fā)方向，比如從DSP轉換到FPGA。傳統的開(kāi)發(fā)方法與特定硬件架構相關(guān)聯(lián)，因此為了實(shí)現一種新的硬件平臺，必須從技術(shù)規范重新開(kāi)始。

意識到傳統設計方法的局限性，JTRS聯(lián)合項目辦公室提出了一種新的設計方法。在該方法中，波形規范在一個(gè)可執行的IIM(與硬件規范無(wú)關(guān))以及一個(gè)或多個(gè)可執行的ISM(與硬件規范有關(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、可執行的波形規范，可以在團隊、部門(mén)和承包商之間共享；其次，它們提供了一個(gè)高層次的設計視角，以進(jìn)行系統級的分析和折衷，并發(fā)現潛在的設計和實(shí)現錯誤；最后，它們可降低將波形從一個(gè)無(wú)線(xiàn)電裝置移植到另一個(gè)無(wú)線(xiàn)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計。

IIM包含可用來(lái)定義、表征和驗證波形行為的信息，波形行為可以被驗證和跟蹤是否滿(mǎn)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邊界、子系統抖動(dòng)、延時(shí)和定時(shí)要求、子系統處理要求以及信號端口采樣次數等信息來(lái)定義?？蓤绦械?/span>IIM提供一個(gè)測試臺來(lái)驗證波形功能模塊或者系統是否滿(mǎn)足系統要求，并驗證它們的性能。

另一方面，ISM反映了預期實(shí)現被移植到特定無(wú)線(xiàn)電裝置架構時(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，這可讓設計工程師詳細了解此實(shí)現。它還包括目標處理器的執行時(shí)間、延遲時(shí)間、存儲器和隊列大小的模型，這允許波形設計工程師以及后續移植工作能在系統級層次上理解資源變化帶來(lái)的影響，例如：吞吐量、抖動(dòng)、延時(shí)、存儲器消耗、DC功率和實(shí)時(shí)性能。

基于模型的設計使IIM 和ISM成為現實(shí)

經(jīng)過(guò)驗證的基于模型的設計技術(shù)包含了IIM 和ISM概念。不同于基于文本的方法(依賴(lài)于對不斷改變的設計規范文件的解釋)，基于模型的設計以方框圖可執行規范的創(chuàng )建為基礎?？蓤绦幸幏犊梢韵O計的不確定性，并實(shí)現整個(gè)組織和客戶(hù)、承包商、供應商之間的通訊。利用基于模型的設計，算法工程師、RF設計工程師、軟件和硬件設計工程師以及其它開(kāi)發(fā)團隊都可以進(jìn)行合作，做出設計折衷以及評估方案，從而提高系統性能并降低成本。

該波形的可執行規范最初在高層次上定義的，它利用預建的元素和先進(jìn)的算法，并包含了其它一些可編程語(yǔ)言，如C、C++、Fortran、MATLAB或 HDL代碼。然后，執行這個(gè)規范以確定目前模型中的算法或元件所能提供的性能。通過(guò)在不同的狀態(tài)、參數值和輸入情況下執行系統行為級的仿真，設計工程師能很快識別、隔離并修復系統設計問(wèn)題。通過(guò)增加、減少或者移動(dòng)模塊，或者改變參數并立即評估這些變化帶來(lái)的影響，設計工程師可以很快地修改設計。

通過(guò)簡(jiǎn)單地改變參數，設計工程師能夠評估從浮點(diǎn)模型(通常在設計的早期使用)到定點(diǎn)模型的影響。定點(diǎn)模型通常用在硬件實(shí)現階段以減小系統的體積、內存和電源消耗。

在基于文本的方法中，不同元件的實(shí)現(無(wú)論是硬件還是軟件)一般都是手工重新編碼，這個(gè)過(guò)程不但費時(shí)，而且容易出錯?；谀Ｐ偷脑O計包含了IIM和ISM兩種模型，前者由與硬件無(wú)關(guān)的功能模塊組成，后者由針對特定硬件優(yōu)化過(guò)的模塊組成。隨著(zhù)開(kāi)發(fā)流程從制定規范階段發(fā)展到設計、實(shí)現并進(jìn)入整體系統的驗證和測試，模型的內容也越來(lái)越詳細，但它在整個(gè)過(guò)程中始終是系統單一而明確的代表。

在保護設計知識產(chǎn)權的同時(shí)，這種模型可被用來(lái)自動(dòng)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(dòng)代碼的生成能為生成的代碼提供編碼標準，因為同樣的構造可用在每一個(gè)實(shí)現中。這種方法可消除手工編碼的錯誤，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，所以錯誤必然出現在接口或實(shí)時(shí)約束條件下的執行當中。因為這些模型是獨立于嵌入式硬件而開(kāi)發(fā)的，所以可以很方便將它移植到其它平臺上，并在以后系統中復用。

在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將測試功能集成到模型中可確保設計質(zhì)量。每一種模型都有一組測試向量，并對每個(gè)發(fā)行版本都有測試結果的基線(xiàn)。不斷驗證和確認有助于較早發(fā)現問(wèn)題，這樣解決起來(lái)也更簡(jiǎn)單且花費更少?？稍谝院笤O計過(guò)程中使用系統架構師開(kāi)發(fā)的系統級模型，以便結合實(shí)際的仿真或測試數據，從系統的角度對設計進(jìn)行驗證。

本文小結

在實(shí)現SDR所需的開(kāi)發(fā)方法中，基于模型的設計是關(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(dòng)代碼生成和代碼可移植性。通過(guò)建立可執行的規范、IIM和ISM模型，并維護原始波形規范的可跟蹤性、確保在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷驗證，基于模型的設計方法可以使SDR的開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)化并更有效率。采用該方法設計和部署SDR比傳統的方法更加簡(jiǎn)單、更加魯棒，從而提高SDR系統的性能和可靠性，并降低設計成本。