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SDR走向军用领域

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作者:Nicholas Cravotta,EDN特约技术编辑时间:2006-12-04来源:EDNChina收藏
的出现起源于这样一种认知,即转向可处理多种电技术的单一硬件平台,成本不会高于为达到单个应用最低成本而采用独立的电设计,这是可以预料的结果。人们期望一个多功能平台将能带来显著的规模经济性,增加电功能,并且使军队从专利实现的束缚下解放出来。

的成本效益来自于一个假设,即维持单一的无线电平台的费用低于管理多个平台。当然,ASIC在大批量应用中具备优于FPGA和DSP实现的成本优势。但是,当考虑多个平台时,FPGA和DSP成本的持续降低,以及软件的可重用性,这些优势可抵消多个 ASIC 的开发与维护成本。

规模经济性

背后的军用和商业应用动力是降低成本。军队希望通过降低一个设计必须支持的总无线电数量而实现这一目标。从商业角度看,SDR较少关注于支持多种无线电技术,而是希望减轻设计与开发工作,通过广泛的升级而增加无线电的可靠性,并能在以前实现的基础上使下一代架构做到 IP (知识产权)重用。

当前,军队要支持 30 个以上的协议。这些协议使用了一系列加密和非加密波形。SDR 在军队中推广与发展的推动力是 JTRS(联合战术无线电系统)。JTRS 的 SDR 努力旨在推广现成软、硬件部件的可用性,使单个实施能够处理多种协议的波形,目标也是最优的功耗、性能和成本。

在商业领域,支持多协议的价值低于军事领域。通常情况下,在一个应用领域中只有少量协议在竞争。非军事应用关注 SDR 技术主要是两个方面,即蜂窝式与安全性。在蜂窝方面,支持多种无线电技术(如 GSM 和 CDMA)的基站能够扩展蜂窝的容量,增加潜在的运营收益。对于安全应用(例如警察和消防队员使用不同的无线电),一种通用的无线电会消除每个人携带多种无线电才能通联的麻烦。

这些前景显著改变了行业对 SDR 是如何看待的。例如,一只可以在任何频段上使用的全球电话可用性有限,市场份额也很小。军队希望的是统一,而商界则寻求设计简单和有效。

SDR 的前途

SDR 的终极目标是建立这样一种无线电,其频率、中频、基带、调制、协议、跳频等等都是可以编程的。一个典型的无线电实现是要将这些特性的多数固定下来,因而对其形成了限制。真正 SDR 则努力要能够修改所有这些参数。

当前的 SDR实现距营销经理们想象的理想通用无线电仍然有漫长的路。今天,大多数无线电采用 ASIC 来实现射频部分,而前端则针对特定应用。覆盖多个频段和频率的通用型前端可以用软件作修改,但它还没有出现。此外,操作人员必须将无线电送回厂家重新编制波形,或者采用现场自己更换RF模块的方法。

SDR还能节省其他成本,如动态重新配置无线电资源的能力,以满足当前的系统需求。考虑到军用或商用基站采用单一类型的可重配置电路板,你可以通过软件对该基站作配置,使它支持波形分配。例如,可以将基站中多个电路板的资源分配为处理Waveform A的20个信道,以及处理Waveform B的20个信道。如设备发生故障,例如支持Waveform A的 10个信道无法工作,你可以重新分配剩余的资源,使它们支持20/10、15/15,或其他适合于应用和当前波形使用的混合形式。

除了支持多频段以外,完全动态和可重新配置的无线电还有很多好处。例如,一部无线电可以采用 FEC(前向纠错)技术来匹配该无线电工作的区域。另外,可重配置无线电以立即获取创新的好处,如更高效的波形实现或可靠的安全机制。

SDR 亦有望减少开发时间,因为设计者可以在现场出现问题或要更换协议时重新为无线电编程。例如,虽然协议本身可以保持不变,但算法、波形和调制方式可随时间而不断改进。采用了基于 SDR 的结构,就可以无需重新设计无线电,而获得这些改进与创新的好处。

SCA 框架

在推进军用 SDR 方面,JTRS 指令的关键是 SCA()框架。JTRS 正在开发该框架,以打破软件和硬件之间的连接,从而消除在军队应用中采用专利实现的固疾。该系统实现了使用无线电可用软、硬件资源,不同供应商的这些资源也各不相同。

SCA位于操作系统之上,是软、硬件之间的“粘合剂”(图 1)。其目标是:任何符合 SCA 的波形都可以在任何符合 SCA 的无线电硬件上工作。这种软、硬件之间的互操作性是军事应用的重要考虑内容,更换一架 F-15战斗机上的无线电可不是件简单的事。SCA希望有效地消除现场提供新无线电和升级任何已部署的无线电的困难。


今天的SCA框架支持波形的可移植性,这是开发者正在追求的为数不多的透明互操作能力。这个中间阶段在 SCA 发展中的原因是,SCA 框架主要面向通用处理器,如 Pentium 或 PowerPC。但是,为实现足够高的性能和成本效益,今天的多数设计都采用基于 DSP、FPGA 或同时采用基于 DSP和FPGA的专用硬件(图 2)。SCA 能有效地满足通用处理器的可移植性,但显然它不能达到专用硬件的标准。这种不足是SCA 中最薄弱的一环,原因是,如果你不能在各个平台间轻易地移植软件,就不可能实现所需要的互操作性,或更准确地说,实现接近或充分的互操作性。


JTRS 正在解决专用硬件问题。主要考虑到设计者采用一种线性或顺序方式开发软件,而硬件则在并行处理时才能达到其最高效率。开发者定义各个功能的方法对最终实现的效率有主要的影响。当然,可以将一个打算运行在通用处理器上的波形 C 实现移植到一个 DSP 或 FPGA 上。要做的所有工作只是通过合适工具运行 C 代码,这种工具能将功能转换为 FPGA 实现。但是这个步骤忽略了使用 FPGA 主架构的优点 :广泛的并行性。事实上,利用这种并行性的唯一方法是有效地重作代码,这是将一个简单移植转换为一次广泛的重新设计。在这点上还存有疑问,即 FPGA 实际上是否会增加成本。

这个问题很难解决。最高效的代码要与所用结构相匹配:FPGA、DSP、DSP 和 FPGA混合、通用处理器、等等。虽然几乎不可能要求软件供应商建立这些显然互异的代码版本,但单一的通用实现看来也不会有效。

JTRS 试图在 SCA 规格 Version 3.0 中解决专用硬件问题。期望通过建立抽象的处理资源,将其分配给各种任务。但是,很多开发者认为此方案是面向软件,不足以赶上 DSP 和 FPGA 能力。尤其 SCA 并没有明确地定义抽象等级,迫使供应商用结果去解释规范,而每种实现相差甚大,实际上成为了专有实现。此外,在某些情况下,由于实现抽象需要额外软件,这足以完全削弱 DSP 和 FPGA 的任何性能优势。于是,JTRS 就回复到以前版本的 SCA。

DSP 和 FPGA 是在军用和商业应用中建立高效和高性价比 SCA 实现的基础。通用处理器在实现一般任务时很有效,但在实现有良好定义、密集计算的处理算法时效率远低于专用硬件,从而带来更大功耗和更大的无线电体积,两者都不是想要的结果。JTRS 正寻求利用专用硬件的优点,而无需将软件捆绑到专有硬件实现上。JTRS 经 2005 年的重组后,其领导层决定内部解决这个问题。另一方面,尽管这个方案限制了业界在标准形成过程中的参与程度,但这个决定可防止商业势力迫使变化,这种变化会对业界向军队供应商委托 SCA 造成负面影响。

在 SCA 实现中有效使用专用硬件的工作正在进行中。例如,在 FPGA 或 DSP 上实现 SCA 的一个主要开销源是 CORBA(公共对象请求代理结构)的使用。CORBA 是操作系统和 SCA 框架之间的中间件层。它通过一个软件总线在软件对象之间传送数据。在 DSP 或 FPGA 上实现 CORBA 并非简单的事。但是,几家供应商正在开发一些在专用硬件上实现 CORBA 的方法,它使硬件看起来更象软件,而无需做不合理的性能折衷。

过渡期的 SDR

对军队来说,最高优先级的工作是使 SDR 达到这样一个程度,即无线电不再是专有平台,而 JTRS 用它的指令不断使这个目标在现实中成为可能,即使有些军用无线电供应商并不热衷于将原来狭窄的工作领域扩展到外界竞争中,SCA 是这种现实的基础。

但在商业领域,SCA框架只有有限的支撑点,或许没有什么吸引力。虽然很多商业应用可以从基于SCA的基础上获得好处,但SCA框架也许吞下了过多难以消化的互操作性问题。完全可交换的软、硬件导致了一个只有成本差异的市场。商业领域的开放设计几乎没有好处,只不过会招致降低利润水平的竞争而已。

商业领域在创新上繁荣发展,在无线电应用中,硬件是主要的差异化根源。SCA 框架禁止引入专用硬件。但是,随着 SCA 标准的发展,不采用正式标准而自己作为会有更高的效率。事实上,今天部署的很多商用基站都依靠了某些软件定义基础,相当数量的功能是靠软件实现,如代码的远程升级修补、可编程的基带处理器,以及可以支持多种波形的 DSP 和 FPGA。基站只使用了一些零碎东西,可以说是有最大的意义。

SDR有广泛的采用范围。军队在追求完全互操作性和可互换性的理想境界。商业领域则致力于效率、功能和成本的均衡。由于目标与应用的差异,他们就像在处理两种不同的技术。



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