基于SOPC軟件無線電資源共享自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

隨著IEEE 802.11(WLAN)、IEEE 802.16(WMAN)、IEEE 802.15.4(WPAN)等無線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的建立，傳統(tǒng)的無線通信產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)方式已表現(xiàn)出不少問題，譬如：產(chǎn)品是針對特定的標(biāo)準(zhǔn)中一個版本開發(fā)和制造，當(dāng)新技術(shù)出現(xiàn)或版本升級或提供新業(yè)務(wù)時，只能開發(fā)新的專用芯片，制造新一代設(shè)備。結(jié)果是要么限制了新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的使用，要么給制造商、運(yùn)營商帶來更大的投資風(fēng)險，給用戶帶來諸多不便。面對此類問題，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，大部分專家認(rèn)為，軟件無線電(Software-Defined Radio，簡稱軟件無線電)[1]是一個解決全球無線通信需求的方案，它將成為未來無線通信設(shè)備設(shè)計的核心所在。所謂軟件無線電，就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，用軟件來定義實(shí)現(xiàn)無線電的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等，即整個無線電從高頻、中頻、基帶及控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電的功能盡可能地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)?？傊?，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理設(shè)備，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的軟件無線電結(jié)構(gòu)的功耗大、成本高，而功耗和成本是無線移動便攜設(shè)備的兩個關(guān)鍵參數(shù)，因而制約了軟件無線電的大推廣使用，隨著FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）和模數(shù)數(shù)模變換器技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代SOPC（System on a programmable chip，可編程片上系統(tǒng)）正使軟件無線電從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

1 軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)

軟件無線電統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括了寬帶/多頻段天線、多頻段射頻轉(zhuǎn)換器、寬帶AD（模數(shù)變換器）和DA（數(shù)模變換器）及數(shù)字信號處理部分[1]。由圖1可以看出，數(shù)字信號處理部分是軟件無線電實(shí)用化過程中的核心和關(guān)鍵部分之一。數(shù)字信號處理部分通常包括分立的FPGA、DSP（Digital Signal processor,數(shù)字信號處理器）及GPP(general purpose processor,通用微處理器)，F(xiàn)PGA和DSP在GPP的控制下完成中頻處理、調(diào)制解調(diào)、基帶處理以及信源處理等任務(wù)，GPP一般使用RTOS（real time operation system,實(shí)時操作系統(tǒng)）進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和存儲器管理。當(dāng)前的軟件無線電結(jié)構(gòu)可以稱為專用資源結(jié)構(gòu)，每個無線信道專用一套處理資源，包括AD、DA、FPGA、DSP及GPP。實(shí)現(xiàn)N個信道，需要N套專用設(shè)備。這種專用資源結(jié)構(gòu)對軟件無線電的功耗和成本極其不利，大大制約了軟件無線電的大規(guī)模使用，成為軟件無線電實(shí)用化過程中的一大障礙。

圖1 軟件無線電節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)

2基于新一代SOPC的軟件無線電資源共享自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

上個世紀(jì)90 年代末期到本世紀(jì)初,各個可編程邏輯器件廠商開始提出自己的SOPC的軟件和硬件一體化解決方案,并提供從低端消費(fèi)電子到高端網(wǎng)絡(luò)通信等市場的全系列產(chǎn)品。SOPC 構(gòu)建在現(xiàn)有可編程邏輯基礎(chǔ)之上,除了具有縮短上市時間、設(shè)計靈活等通常可編程邏輯具有的優(yōu)勢外,還增加了系統(tǒng)級的功能如高端處理器等,為現(xiàn)在越來越復(fù)雜的產(chǎn)品所帶來的競爭壓力提供了高效的解決方案。業(yè)界提供SOPC 解決方案的廠商主要有Xilinx 和Altera 。

2．1 新一代SOPC的新特點(diǎn)

新一代SOPC具有以下等特點(diǎn)[2]：

1） 具有豐富的可編程邏輯多。以Xilinx公司為例，2005年發(fā)布的Virtex- II 芯片XC2VP100具有約100K的邏輯單元（logic cells），每一個邏輯單元包含1個4輸入查找表、一個觸發(fā)器及進(jìn)位邏輯。而最近(2006年10月)發(fā)布的Virtex-5系列的XC5VLX330T的可重配置邏輯塊包括約51K 的Virtex-5邏輯單元(每一個Virtex-5邏輯單元包含4個查找表、4個觸發(fā)器) 。

2）支持動態(tài)部分重配置。Xilinx公司的Virtex－II及Virtex－4系列支持基于幀的動態(tài)部分重配置，即每一個邏輯幀可以進(jìn)行動態(tài)重配置而不會影響其他邏輯幀。

3） 內(nèi)嵌GPP內(nèi)核。Xilinx公司的Virtex-II的XC2VP100具有2個內(nèi)嵌PowerPC微處理器硬核。。Altera 公司的高端SOPC 解決方案則在其FPGA 產(chǎn)品中集成了ARM 9 和MIPS 處理器硬核。

4）具有豐富的數(shù)字信號處理資源。Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX330T芯片具有192個數(shù)字信號處理單元DSP48E，每個DSP48E包含一個25x18乘法器、一個加法器和一個累加器。
新一代SOPC的這些特點(diǎn)有助于克服軟件無線電實(shí)用化過程中的功耗及成本障礙，基于這些新特征，提出了軟件無線電的資源共享自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。

2．2 基于新一代SOPC的軟件無線電的資源共享自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

新一代SOPC的動態(tài)部分重配置技術(shù)使資源共享自適應(yīng)結(jié)構(gòu)成為可能。當(dāng)SOPC內(nèi)部的某一部分進(jìn)行重配置時，其他部分正常工作。從宏觀上看，正如GPP的動態(tài)任務(wù)切換一樣，一個SOPC中并行運(yùn)行多個獨(dú)立應(yīng)用。沒有這種能力，不同的應(yīng)用必須對整個SOPC進(jìn)行重新編程。動態(tài)重配置技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)SOPC對信道波形的自適應(yīng)。SOPC自動感知信道環(huán)境，動態(tài)地下載信道波形部分并且在不同的信道波形之間進(jìn)行切換，而無需在運(yùn)行開始時把所有的信道波形部分都下載到SOPC中。以此為核心思想，提出的軟件無線電資源共享自適應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，SOPC的豐富的編程邏輯部分及數(shù)字信號處理單元部分能夠處理重負(fù)荷的數(shù)字信號處理任務(wù)，嵌入式GPP適合輕負(fù)荷數(shù)字信號處理（同步控制及上層協(xié)議如鏈路及網(wǎng)絡(luò)層）以及管理部分動態(tài)重配置邏輯。軟件無線電節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)的N套數(shù)字信號處理部分現(xiàn)由一套SOPC代替，實(shí)現(xiàn)在一套處理資源上完成處理多個信道波形的能力，從而更加有效地使用資源，降低系統(tǒng)功耗及成本。