基于SCA的無線通信波形的DSP軟件設(shè)計(jì)方法＊

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1 引言

波形軟件具有可移植性是軟件無線電的重要優(yōu)勢［1］，是軟件通信體系結(jié)構(gòu)（SCA）規(guī)范期望達(dá)到的最基本的目的之一，是在SCA 硬件平臺上實(shí)現(xiàn)不同體制之間互連、互通和互操作的技術(shù)前提［2］。

目前主流的無線通信波形都被劃分為物理層、接入層、鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層四個(gè)部分，而SCA 硬件平臺常用的架構(gòu)是DSP＋FPGA＋GPP的模式［3］，一般來說，物理層是部署在DSP和FPGA 上，接入層是部署在DSP 上，鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層則是部署在GPP上。作為無線通信信號處理的核心器件，DSP承載了最重要的一部分算法，而由于它必須兼顧信號處理的實(shí)時(shí)性以及SCA 架構(gòu)的靈活性，因此DSP軟件的可移植性也是SCA 中較為復(fù)雜的一部分工作。

2 基于SCA 的DSP軟件層次

一個(gè)完整的基于SCA 架構(gòu)的DSP 軟件可以分為五個(gè)部分：軟件框架、硬件驅(qū)動庫、硬件抽象層、操作系統(tǒng)、波形組件。它們之間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于SCA 架構(gòu)的DSP軟件組成

操作系統(tǒng)提供了各類線程和信號量支持，為硬件抽象層和波形組件的運(yùn)行提供了必要的軟件環(huán)境。對于Ti的DSP芯片而言，目前可以支持的操作系統(tǒng)是Ti自己開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP／BIOS。一般來說，這一部分是不需要用戶開發(fā)的，Ti公司已經(jīng)提供了完整的DSP／BIOS 軟件包以及常用的API函數(shù)。開發(fā)者可以根據(jù)需要建立各類不同功能的硬中斷、軟中斷、任務(wù)以及后臺線程［4～5］。

硬件驅(qū)動庫的意義在于對于軟件開發(fā)人員屏蔽繁瑣的硬件操作、寄存器配置等工作。針對DSP芯片上的外設(shè)或其它可配置功能的API庫，包括對DMA、定時(shí)器、TCP、VCP、HPI、EMIF、GPIO、PCI、McBSP 等模塊的初始化、參數(shù)配置以及使用［6］。

軟件框架本身不是實(shí)現(xiàn)波形功能所必需的，它的作用是為硬件抽象層和波形組件的集成提供一個(gè)軟件環(huán)境，包括數(shù)據(jù)流、控制流、接口定義以及調(diào)用關(guān)系等。

硬件抽象層通過屏蔽硬件平臺的底層傳輸機(jī)制、封裝標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，實(shí)現(xiàn)波形組件間通信方式與具體硬件平臺的分離，保持波形組件底層通信訪問接口的一致性，從而易于在異構(gòu)硬件平臺間移植波形組件，提高了波形應(yīng)用的跨平臺可移植性［7］。

波形組件是對軟件功能模塊進(jìn)行的面向?qū)ο蟮姆庋b，它具有便于描述、便于集成、便于移植的特點(diǎn)［8］。一般來說，可以根據(jù)無線通信分層上來對組件進(jìn)行劃分，結(jié)合通信設(shè)備實(shí)際的接口功能，可以將一個(gè)完整的無線通信系統(tǒng)劃分為射頻控制設(shè)備、中頻處理設(shè)備、基帶協(xié)處理組件、基帶處理組件、接入層組件、鏈路層組件、網(wǎng)絡(luò)層組件、安全密碼設(shè)備、波形管理設(shè)備以及IO 設(shè)備等。這樣劃分的好處是對每一層而言，都有明確的功能和接口定義，便于對象化和組件化，而且從劃分粒度上來說比較適中。

3 基于SCA 的DSP軟件設(shè)計(jì)

3．1 DSP硬件抽象層的設(shè)計(jì)方法

硬件抽象層采用分層架構(gòu)模式，共分為接口交互層、邏輯層和驅(qū)動層。其中接口交互層提供了與上層組件（如波形組件，波形管理組件等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口和協(xié)議，如MOCB 接口等［9］。邏輯層負(fù)責(zé)使用驅(qū)動層提供的操作，從而實(shí)現(xiàn)硬件抽象層對上層組件提供的服務(wù)。驅(qū)動層負(fù)責(zé)提供對實(shí)體（共享內(nèi)存等）的獨(dú)立的單一功能的操作。

根據(jù)功能將DSP的硬件抽象層劃分為若干模塊，其中外部接口模塊統(tǒng)一提供對上層的服務(wù)接口，如讀數(shù)據(jù)接口、寫數(shù)據(jù)接口。控制管理模塊提供對硬件抽象層的相關(guān)控制服務(wù)。路由表維護(hù)模塊提供了表輸入和表查詢等對注冊有系統(tǒng)和波形相關(guān)參數(shù)的表的操作接口。數(shù)據(jù)傳輸管理模塊提供了數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送的接口，該模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的關(guān)鍵模塊。事件模塊提供了一個(gè)中斷設(shè)置的內(nèi)部接口和一個(gè)中斷響應(yīng)函數(shù)的外部接口。通過事件驅(qū)動可以輔助完成數(shù)據(jù)的傳輸，通過設(shè)置不同的事件可以實(shí)現(xiàn)多種類型的數(shù)據(jù)傳輸。存儲區(qū)管理模塊提供了寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)接口，主要功能在于調(diào)用底層的驅(qū)動進(jìn)行數(shù)據(jù)交互操作。各個(gè)模塊之間的功能以及調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

圖2 DSP硬件抽象層分層架構(gòu)

圖3 DSP硬件抽象層內(nèi)部模塊接口調(diào)用關(guān)系圖

通常硬件抽象層會要求波形組件將LD 號與某個(gè)信號量綁定，運(yùn)行過程中硬件抽象層通過該信號量來通知波形組件一個(gè)讀或者寫操作的完成。對于波形組件來說，則需要使用操作系統(tǒng)API建立一個(gè)進(jìn)程來等待讀或者寫操作的通知。在某些特殊條件下，為了提高波形組件的反應(yīng)速度，則需要硬件抽象層通過硬中斷或軟中斷來通知波形組件。在另一種極端情況下，波形組件則可以在后臺線程中去輪詢來自于硬件抽象層的通知。

硬件抽象層最重要的就是實(shí)現(xiàn)DSP內(nèi)部的組件對其它芯片上的組件的讀寫操作，為了對組件屏蔽硬件信息，硬件抽象層以LD 號來映射實(shí)際物理地址并提供給波形使用。根據(jù)組件能夠感知的性能將讀寫分別劃分為阻塞式和非阻塞式兩種類型，以讀操作為例，可分為ReadWait和ReadNoWait兩個(gè)函數(shù)，這兩種操作流程如圖4所示。

圖4 阻塞式讀流程

圖5 非阻塞式讀流程

可以看出，非阻塞式的操作可以實(shí)現(xiàn)DMA 和CPU 的并行工作，能夠提高軟件的運(yùn)行效率，這在嵌入式實(shí)時(shí)處理軟件中是非常有意義的。但是非阻塞的操作要求操作系統(tǒng)提供信號量或中斷等異步機(jī)制，會增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候需要綜合考慮。

3．2 DSP波形組件的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)波形的組件化的首要工作是對波形進(jìn)行組件劃分，一般來說按照分層結(jié)構(gòu)可以將組件劃分為基帶協(xié)處理組件、基帶處理組件、媒體接入組件、邏輯鏈路組件以及無線網(wǎng)絡(luò)組件，如圖5所示，其中射頻中頻設(shè)備和安全密碼設(shè)備一般作為硬件平臺的一部分，不屬于波形的范疇。

圖6 無線通信系統(tǒng)組件劃分

假設(shè)某無線通信系統(tǒng)中，基帶處理組件實(shí)現(xiàn)的功能包括信道編碼、調(diào)制解調(diào)、信道交織和解交織、信號同步、信道估計(jì)、均衡等，則基帶處理組件的端口示意如圖6所示，這里的User一般為相鄰的媒體接入組件和基帶協(xié)處理組件。

圖7 基帶處理組件端口示意圖

其中，BBProcDataConsumer接口繼承自Packet：PayloadStatus接口，同時(shí)自定義了一個(gè)pushPacket函數(shù)，該接口被鏈路控制組件調(diào)用，使基帶處理組件獲得下行數(shù)據(jù)。同時(shí)，在媒體接入組件上也應(yīng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)BBProcDataConsumer接口，用于接收基帶處理組件發(fā)送過來的上行數(shù)據(jù)。pushPacket函數(shù)的原型為pushPacket（in CF：：OctetSequence payload）。

BBProcDataProducer接口繼承自Packet：：PayloadControl接口，與BBProcDataConsumer接口配合使用，為用戶提供設(shè)置傳輸分組長度的功能。圖7列出了基帶處理組件實(shí)現(xiàn)的主要API。

圖8 基帶處理組件API接口定義

4 結(jié)語

SCA作為一種先進(jìn)的通用通信平臺體系架構(gòu)，已成為業(yè)界實(shí)現(xiàn)軟件無線電平臺可重構(gòu)、可移植的重要突破點(diǎn)。其中硬件抽象層則是最核心也最復(fù)雜的一部分，雖然在美軍標(biāo)中對于硬件抽象層有詳細(xì)的定義和說明，但是由于差異性，不可能照搬美軍標(biāo)中的相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)我軍通信需求和現(xiàn)有通信體制，制定適應(yīng)實(shí)際情況的SCA 標(biāo)準(zhǔn)對其實(shí)際應(yīng)用有至關(guān)重要的意義，并最終影響裝備的設(shè)計(jì)和使用模式。目前，這方面的工作仍有待進(jìn)一步探索。

［1］范建華，呂遵明．可移植波形軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究［J］．現(xiàn)代軍事通信，2006（14）：17-20．

［2］SCA 規(guī)范對我軍戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)發(fā)展的影響［J］．現(xiàn)代軍事通信，2006（14）：44-49．

［3］邱永紅，王庭昌，范建華，等．無線通信系統(tǒng)模塊信息化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系的研究［J］．解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（2）：11-16．

［4］德州儀器公司．TMS320的DSP／BIOS用戶指南，2004（4）．

［5］德州儀器公司．TMS320的DSP／BIOS應(yīng)用編程接口參考指南，2004（4）．

［6］德州儀器公司．TMS320C6000 外設(shè)參考指南，2002（2）．

［7］中國人民解放軍總裝備部．GJB 5082-2004．戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)軟件通信體系結(jié)構(gòu)［S］．北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2004-05．

［8］劉獻(xiàn)科，張棟嶺，陳涵生．軟件定義無線電及軟件通信體系結(jié)構(gòu)規(guī)范［J］．計(jì)算機(jī)工程，2004（1）：95-96．

［9］黃耕文，孟堅(jiān)，劉建軍，等．基于SCA 的高速數(shù)據(jù)波形設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．現(xiàn)代軍事通信，2006（14）：37-40．