基于SCA的软件无线电在FPGA上设计与实现

摘要：在分析现有基于SCA的软件无线电在FPGA上实现方案优缺点的基础上，提出了一种基于FPGA的CORBA通信系统设计方案，有效克服了原有实现方案的缺点，不但为FPGA上的波形组件提供了良好的可重用性、可移植性和动态部分重配置的支持，而且还有效提高了FPGA硬件资源的使用效率，降低了通用处理器的工作负担。最后，针对该设计方案搭建了硬件平台，并给出了系统的性能测试结果，测试结果表明此设计方案是行之有效的。
关键词：软件通信体系架构；软件无线电；对象请求代理；GIOP；FPGA

0 引言
自1992年Jeo Mitola中提出了软件无线电(Software Defined Radio，SDR)的概念以来，有许多公司和团体致力于SDR的研究和开发，并取得了一定成果。但由于没有统一的标准，各研发单位采用各自不同的解决方案和实现架构，从而导致了不同制造商的SDR波形组件相互不兼容，难以实现互连、互通、互操作，不能进行有效的协同工作，而且也不容易实现重配置。为了解决这些问题，美军JTRS(Joint Tactical Radio System)JPEO(Joint Program Executive Office)制定了软件通信体系架构(Soltware CommLmication Arehitecture，SCA)规范，用以实现不同波形组件间的可移植性，以降低开发费用、缩短开发时间。SCA基于POSIX、CORBA(Common Obiect Request Broker Architecture)和面向对象等技术，提高了SDR的互操作性以及波形组件的可移植性和可重用性，并获得了GPP(General Purpose Processor)的良好支持，使基于SCA的SDR在GPP上能够很好地实现。
随着对无线通信带宽、速率等提出的更高要求，GPP受工作方式、处理能力的限制，难以满足这些要求，这就需要FPGA(Field Program-mable Gate Array)的加入来实现波形组件的并行处理和高速运算等功能。虽然SCA为GPP上的波形组件提供了很好的可移植性和可重用性，但目前还没有一个标准能够为FPGA上的波形组件提供这种支持。为了实现FPGA上波形组件的可移植性和可重用性，一些方案是在GPP上实现FPGA上波形组件的代理，其中比较典型的是JTRS JPEO提出的MHAL(Modem Hardware Abstraction Layer)，同时，也有部分公司或团体提出了直接在FPGA上实现CORBA的方案。本文将在分析MHAL和现存的CORBA方案优缺点的基础上，提出一种在FPGA上实现CORBA的改进设计方案，并对该方案进行了测试验证。

1 技术介绍
1．1 CORBA简介
CORBA中间件标准是SCA必需的中间件层，它为SDR系统提供所需的通信架构。CORBA位于应用程序和操作系统之间，屏蔽了不同平台、操作系统、网络协议等的差别，为开发者提供了一致的调用模式。通过CORBA，应用组件可以获得良好的可移植性、可重用性和互操作性。
ORB(Object ReqLtest Broker)是CORBA的核心，其任务是帮助客户调用对象上的方法，包括：定位对象、激活对象、把客户的请求传递给对象。ORB能够屏蔽与底层平台有关的细节，保证了信息在分布式环境中不同平台上的应用组件间透明地传输。为了使由不同开发者开发的实现之间能相互通信，CORBA规范定义了GIOP(General Inter-ORB Protocol)协议标准，能够在任何具有连接的传输层上实现。
1．2 SCA简介
SCA是美军在JTRS中制定的软件通信架构标准，是JTRS的主干。SCA通过面向对象方法划分软件／硬件结构，建立了开放的系统标准，提供了与具体实现无关的软件无线电开发框架，保证了软、硬件的可移植、可重构及设备的互操作性。SCA规范包含软件体系结构定义、硬件体系结构定义、安全体系结构定义和应用程序接口(API)四部分。
通过SCA所定义的分布式构件规范，可将应用与操作环境分离，同时使应用功能模块化，并为管理和使用软件构件定义了通用接口，通用业务和API以支持软／硬件模块移植。

2 现有实现方案分析
GPP处理器受其处理能力的限制，无法满足当前通信业务需求，使通信设备越来越多地依靠DSP(Digital Signal Processor)、FPGA等专用处理器来完成高速的数据处理任务，这就使SDR系统的设计和实现必须面对由GPP，DSP和FPGA共同组成的多处理器平台。虽然通过使用COR BA中间件技术可以很容易地实现分布式波形应用，但由于CORBA标准是针对GPP的，在DSP，FPGA等处理器上没有相应的标准可用。这导致SCA ／SDR的研究焦点分别集中在应用程序接口(API)和商用中间件上，使SCA／SDR的设计和实现出现了两种主要模式：使用使用硬件抽象层(如MHAL)和使用分布式中间件技术(如CORBA)。
2．1 使用MHAL方式实现的SCA／SDR系统
MHAL是JTRS JPEO提出的一种基于硬件抽象层的解决方案。其实现方法是通过在核心框架与FPGA之间加入代理，并明确规范代理与FPGA之间的数据格式来实现FPGA在SCA中的应用的。图1是以MHAL方式实现的分布式SCA／SDR系统布局结构示意图。这种方式下，GPP需要为FPGA上的每个波形组件实现一个代理，以实现分布式波形组件间的通信。通过使用代理，系统可以将FPGA上的波形组件当作GPP上的波形组件一样处理，这样就可以实现对FPGA上波形组件的灵活、高效的管理和使用。

在FPGA上实现的MHAL波形组件并通过接收带参数的操作来调用波形组件所实现的功能，虽然这样的实现方式对于FPGA开发人员而言，可以减小编写波形组代码的难度，但对于GPP开发人员来说，却要在GPP上为每个FPGA上的波形组件实现一个组件代理，大大增加了开发的负担。而且这这种实现方式也必然会相应地增加GPP的运行负担以及内存资源占用，同时，在进行GPP上的波形组件与FPGA上的波形组件问通信时，必须要经过组件代理的处理，实现GIOP报文与MHAL报文格式的转换，这也就必然会给整个通信过程引入一定的延迟的增加、吞吐量的降低和低层次的重用。