基于模型的設(shè)計有助于發(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，隨處運行”，但是每當(dāng)硬件發(fā)生變化時，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新設(shè)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(shè)計”思想，其核心為基于“與實現(xiàn)無關(guān)的模型(IIM)”和“特定實現(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，一個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、部署和維護將來無線電的費用。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項目的一個重要分支，SCA提供了一個定義在各種軟、硬件之間如何實現(xiàn)互操作性的開放架構(gòu)框架。SCA還提出一個被設(shè)計用來提供不同波形(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)的重大進步都會給軟件和硬件設(shè)計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現(xiàn)。

通過運行在更靈活的硬件上的軟件程序來實現(xiàn)無線系統(tǒng)與任何波形之間的通信，將是一個很大的設(shè)計挑戰(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行優(yōu)化。從專用設(shè)計轉(zhuǎn)向通用設(shè)計必然會對系統(tǒng)的實時性能、電源消耗和尺寸大小等方面帶來不利影響。

傳統(tǒng)設(shè)計方法的缺點

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

這種方法的一個重要問題是，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候才能被檢測出來。如果產(chǎn)品原型不滿足規(guī)范，設(shè)計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。因為解決問題的成本隨著設(shè)計規(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。每一個主要的開發(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發(fā)過程進入到一定階段時才能確定下來。即使硬件已經(jīng)選定，設(shè)計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)計方法的局限性，JTRS聯(lián)合項目辦公室提出了一種新的設(shè)計方法。在該方法中，波形規(guī)范在一個可執(zhí)行的IIM(與硬件規(guī)范無關(guān))以及一個或多個可執(zhí)行的ISM(與硬件規(guī)范有關(guān))中定義。這種方法有三個優(yōu)點：首先，IIM和ISM是單個、明確、可執(zhí)行的波形規(guī)范，可以在團隊、部門和承包商之間共享；其次，它們提供了一個高層次的設(shè)計視角，以進行系統(tǒng)級的分析和折衷，并發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計和實現(xiàn)錯誤；最后，它們可降低將波形從一個無線電裝置移植到另一個無線電裝置的成本，而同時還支持性能分析、需求分析跟蹤以及高性能波形設(shè)計。

IIM包含可用來定義、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、延時和定時要求、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提供一個測試臺來驗證波形功能模塊或者系統(tǒng)是否滿足系統(tǒng)要求，并驗證它們的性能。

另一方面，ISM反映了預(yù)期實現(xiàn)被移植到特定無線電裝置架構(gòu)時的詳情。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)計工程師詳細了解此實現(xiàn)。它還包括目標(biāo)處理器的執(zhí)行時間、延遲時間、存儲器和隊列大小的模型，這允許波形設(shè)計工程師以及后續(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、存儲器消耗、DC功率和實時性能。

基于模型的設(shè)計使IIM 和ISM成為現(xiàn)實

經(jīng)過驗證的基于模型的設(shè)計技術(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)計規(guī)范文件的解釋)，基于模型的設(shè)計以方框圖可執(zhí)行規(guī)范的創(chuàng)建為基礎(chǔ)。可執(zhí)行規(guī)范可以消除設(shè)計的不確定性，并實現(xiàn)整個組織和客戶、承包商、供應(yīng)商之間的通訊。利用基于模型的設(shè)計，算法工程師、RF設(shè)計工程師、軟件和硬件設(shè)計工程師以及其它開發(fā)團隊都可以進行合作，做出設(shè)計折衷以及評估方案，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)計工程師能很快識別、隔離并修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計問題。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)計工程師可以很快地修改設(shè)計。

通過簡單地改變參數(shù)，設(shè)計工程師能夠評估從浮點模型(通常在設(shè)計的早期使用)到定點模型的影響。定點模型通常用在硬件實現(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，不同元件的實現(xiàn)(無論是硬件還是軟件)一般都是手工重新編碼，這個過程不但費時，而且容易出錯。基于模型的設(shè)計包含了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、實現(xiàn)并進入整體系統(tǒng)的驗證和測試，模型的內(nèi)容也越來越詳細，但它在整個過程中始終是系統(tǒng)單一而明確的代表。

在保護設(shè)計知識產(chǎn)權(quán)的同時，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)，因為同樣的構(gòu)造可用在每一個實現(xiàn)中。這種方法可消除手工編碼的錯誤，并限制仿真代碼和實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(xiàn)在接口或?qū)崟r約束條件下的執(zhí)行當(dāng)中。因為這些模型是獨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。

在整個開發(fā)過程中，將測試功能集成到模型中可確保設(shè)計質(zhì)量。每一種模型都有一組測試向量，并對每個發(fā)行版本都有測試結(jié)果的基線。不斷驗證和確認(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更少?？稍谝院笤O(shè)計過程中使用系統(tǒng)架構(gòu)師開發(fā)的系統(tǒng)級模型，以便結(jié)合實際的仿真或測試數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)的角度對設(shè)計進行驗證。

本文小結(jié)

在實現(xiàn)SDR所需的開發(fā)方法中，基于模型的設(shè)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，并維護原始波形規(guī)范的可跟蹤性、確保在整個開發(fā)過程中不斷驗證，基于模型的設(shè)計方法可以使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)計成本。