隨著軟件無線電技術的發展，智能無線電技術逐漸成為通信領域關注的熱點，并給無線通信帶來新的發展空間。講座將分為3 期對智能無線電技術技術進行介紹：第1 期講述軟件無線電技術的背景及發展現狀；第2 期詳細介紹軟件無線電技術中的關鍵技術——軟件無線電的架構，并從其應用及通用平臺設計角度分析各類平臺的優缺點；本期第3 期介紹了軟件無線應用中的多種開發工具。

軟件無線電的開發工具

軟件無線工作者希望基于一款通用的平臺將功能軟件化，并可以通過軟件升級來完成系統的升級。考慮到軟件無線電的軟件功能離不開硬件設備，所以關于軟件無線電的開發工具，可以分為3 類：

·底層硬件的程序設計軟件。該軟件可以用于例如現場可編程邏輯門陣列（FPGA）開發Xilinx ISE 設計套件軟件、用于數字信號處理（DSP）開發的TI CCS 軟件以及Matlab/Simulink 等。·基于特定通用平臺的開發軟件。這類工具開始具備軟件無線電的性質，例如第2 期中提到的基于通用軟件無線電外設（USRP）的開源軟件定義無線電（GNU Radio）等。·基于軟件通信體系架構（SCA）的軟件無線電（SDR）開發工具。這是最接近軟件無線電思想的開發工具，例如開源軟件通信體系框架嵌入式解決方案（OSSIE）。

文章主要討論后兩種開發工具以及具有代表性的軟件，3.1 節將詳細介紹一種第3 類的SCA SDR 開發工具，而3.2 和3.3 介紹了兩種第2 類開發工具，希望能給相關工程應用帶來一定的指導意義。

3.1、SDR 工具Spectra 與SCA

3.1.1、SCA SDR 的應用前景

隨著通信設備一體化和通用化的發展，人們對SDR 軟件波形開發提出了要求，例如多種功能波形應用，支持不同平臺的移植、模塊化等。因此，SCA SDR 的應用優勢逐漸凸顯，PrismTech 公司的Spectra 工具包括了模型開發工具、自動代碼生成、測試框架和操作環境（OE）4 個部分，支持SCA 2.2 和SCA 2.2.2標準的波形組件（也稱為波形的邏輯代碼的實現）和平臺組件的開發。基于SCA 的SDR 將無線通信相關的算法（或設計者的其他算法）封裝成波形組件，而各種物理應用平臺也被封裝成平臺組件，直接體現為Spectra CX 軟件中的一個組件；可裝配多種波形，每個波形應用實現一組特定的功能，在硬件平臺具備的基礎上，各個波形應用以組件的方式部署到系統的不同節點中。

3.1.2 Spectra CX 波形開發環境

基于Spectra SCA波形的開發環境包括Spectra CX 波形開發工具和針對SDR 硬件平臺的Specta OE，包含以下工具：

（1）建模工具。它為SDR 開發人員提供高層抽象、易使用和圖形化的建模工具，用于動態地設計波形和平臺開發。幫助波形設計人員高效地建立平***立、可移植的波形模型，并可以映射到不同的平臺上。這些工具也能支持可插入地第三方工具，以支持完全的SDR 工具鏈集成。

（2）源代碼生成器。Spectra CX集成了特定語言組件源代碼生成器、單元測試生成器等，為波形應用提供了一個完整的開發和測試環境。Spectra 源代碼生成器為SDR 組件的針對特定語言代碼、描述器和測試代碼生成提供了高性能的無錯工具。通過將域特定的SDR 模型映射為一系列可執行的、語言特定的文件，這些文件包含了在Spectra OE 上運行的所需要的所有功能。多語言、高效率的自動代碼生，從圖形化模型生成源代碼、描述器和測試代碼。與手寫代碼相比，提高開發效率高達50 倍（幾個月的工作縮短到1 天或更少的時間內完成），也使代碼具有固有的標準兼容。

（3）測試與驗證。提供模型的SCA 兼容性驗證，能對對組件或子系統進行SCA 兼容性、功能進行測試，并能提供部署后的實時測試。驗證包括應用、平臺、部署的驗證：模型語法、語義驗證；組件、應用、設備和節點的驗證；完整SCA 部署的驗證等。

（4）Spectra OE。Spectra OE 是一種高性能、低負載SDR 實時運行環境，它支持SCA OE 的要求。它能超過典型的SCA 通用處理器（GPP）邊界，為DSP/FPGA 提供一致結構。Spectra OE 是先進和優化的實時運行平臺，將應用軟件和硬件分離，使應用可以移植，同時也具有最小的可能尺寸、重量和功耗。它為開發人員大幅度減少了實時運行環境的復雜程度，提供了單一的應用程序編程接口（API）。Spectra OE 結合了PrismTech的核心框架（CF）和先進的中間件（e*ORB 與ICO），并根據完全的實時運行結構（CF、中間件和用戶傳輸）從尺寸、重量和性能進行優化。

（5）波形部署監視器。該監視器用于將波形部署到硬件平臺上，并能在波形實時運行時，對波形組件參數進行查詢、設置等，并能監視系統事件。Spectra CX 的Monitor 可以鏈接到任何SCA 兼容的操作環境，比如可以運行在裝備了PC 兼容的中間件的PC開發主機上。通過這個特點，部署的測試可以在開發周期中大大提前。這個運行時監控器能跟嵌入式目標OE 通信，以便在真實目標上測試。監視器可以通過點擊按鈕的方式啟動或終止多種應用。這樣可在SCA平臺上加載多種應用，以盡可能的描述域要發生的情況（如組件屬性的預設值可以隨時修改）。Spectra CX 還能捕獲CF 產生的日志，并在SpectraCX 的用戶界面中顯示出來。

3.1.3 基于Spectra CX 的SDR 開發

SCA SDR 能裝配多種波形應用，每個波形應用實現一組特定的功能。在硬件平臺具備的基礎上，各個波形應用以組件的方式部署到系統的不同節點中。由于不同的波形應用有不同功能和特性，需要分別對每個波形應用依照SCA 規范進行開發。

（1）波形應用開發流程：創建組件— 生成端口— 添加端口屬性— 創建應用— 建立組件鏈接— 創建裝配控制器。

（2）節點和平臺的開發流程：創建設備— 生成設備接口— 創建設備管理器— 創建域管理器— 創建節點— 將設備管理器、域管理器、設備添加到節點— 創建平臺— 將節點添加到平臺。

平臺是一些節點的集合，由域管理器控制，如圖1所示。設備管理器駐留在其中的一個節點上。節點是計算節點的抽象，是一些設備和服務的集合，由一個設備管理器控制。通過節點可以監視和控制節點的資源狀況，實現OE，執行設備管理器以及安裝OE&CF; 服務，例如公共對象請求代理體系結構（CORBA）、命名服務、FileSystem、Log、事件服務等。

圖1、Spectra SCA SDR 波形開發環境

波形在Spectra SCA 架構上的應用的操作步驟如下：

（1）啟動硬件平臺，啟用節點，啟動域管理器、設備管理器等；（2）打開波形部署監視器，添加部署到監視器中；（3）安裝應用程序，創建應用程序，加載波形應用；（4）停止應用程序，釋放應用程序，卸載波形應用；（5）可以重復步驟3、4，加載、卸載其他波形應用。

用戶按照步驟操作，可以完成基于Spectra SCA 的波形部署。以FPGA器件為例，通過上位機操作軟件配置不同功能的波形組件，可以完成底層FPGA 代碼功能的加載和重新加載，即完成通信功能的設置或變更，例如由發射改為接收或者發射不同的調制信號；從操作人員主觀上來看，我們只是修改了軟件指定的功能，就完成了底層硬件的各種應用切換，用戶層和底層得到了較好的隔離，這就體現出SDR 的軟件性質。我們通過軟件升級來實現更多的功能，而不必考慮底層的硬件平臺，工程師從硬件開發集中到了軟件開發，有力地加速了應用開發；更有意義的是，這些軟件波形應用對于SDR 硬件平臺具有完美的可移植性，避免了代碼的重復開發，節省了時間、人力、財力、物力。

3.2 基于USRP 的LabVIEW 軟件

NI（美國國家儀器）公司的USRP是一款價位合理且靈活的軟件無線電平臺。它將一臺標準計算機轉變成一個無線通信系統的快速原型開發平臺。結合NI USRP 射頻收發器與NI LabVIEW 軟件的優勢，USRP 和LabVIEW 兩者共同提供了一個可快速上手且功能強大的系統。以NIUSRP2920 為例，其支持頻帶可以達到50 MHz～2.2 GHz，中心頻率可調，覆蓋FM 全球定位系統（GPS）、數字移動通信系統（GSM）、雷達和ISM 頻段；高達20 MHz 基帶I/Q 帶寬，讀寫速率達25 MSPS。借助NI LabVIEW軟件可進行頻譜監測、快速開發無線通信協議、靈活的多輸入多輸出（MIMO）系統等應用。

3.2.1 LabVIEW 軟件

LabVIEW開發環境提供了圖形化編程方法和前所未有的硬件集成，旨在幫助工程師和科學家快速設計和部署測量和控制系統，加快產品開發。借助這一靈活的平臺，工程師可以開發大中小型系統，完成從設計到測試等一系列流程，同時重用IP 和簡化流程，實現性能的最優化。

LabVIEW 應用程序分成前面板和程序框圖兩部分。前面板實現程序參數的設置以及界面可視化功能，它可以對程序進行手動控制和對結果進行圖形化顯示。在前面板單擊右鍵可以添加需要的控件，實現程序參數的設置或者結果圖形化顯示，如圖2 所示。

圖2、前面板控件添加過程

程序框圖是程序的功能實現部分，它采用圖形語言來實現編程，如圖3 所示。在程序框圖面板單擊右鍵添加需要的函數來實現程序的功能部分。

圖3、程序框圖函數添加過程

另外，LabVIEW 程序運行時是以數據流的形式運行的，這樣程序的處理流程非常清晰，對程序編寫和調試非常有用。

3.2.2 LabVIEW 的開發流程簡介

LabVIEW 和USRP 平臺上手容易，而且提供了漢化窗口，不再做案例介紹。LabVIEW 基于框架式設計，根據發射和接收程序流程框架配置即可，以下是收發通信工作流程。

（1）發射：打開設備發射會話—配置參數— 寫入指定通道— 關閉會話句柄；（2）接收：打開設備接收會話—配置參數— 接收捕獲— 讀出指定通道數據— 分析處理— 停止捕獲— 關閉句柄。

LabVIEW 和USRP 平臺，將算法集中到用戶接口界面，常被通信工作人員用來快速開發驗證算法以及自定義信號測試源，例如用于軟件無線電算法驗證、頻譜監測、認知無線電算法驗證等。

3.3 BPS 系統級軟硬件協同設計工具

3.3.1 BPS 軟件簡介

BPS（BEEcube 平臺工作室）是基于MathWorks 公司Simulink 上的一個系統級的、軟硬件協同開發的環境。這個開發環境可以自動生成特定硬件接口和相應軟件驅動。對于Matlab 算法設計人員，平臺中的系統級軟硬件協同設計工具可以隱藏所有FPGA 設計細節，例如：高速I/O 的例化和配置，多時鐘域的時序收斂，軟硬件接口和IP 集成，加快了應用設計。用戶核心算法模塊的外部連接可在BPS 用戶界面中直接訪問。對于復雜的DSP 算法工程任務，以往需要數月才能完成，而現在利用系統級軟硬件協同設計工具在幾天內就可以完成。

3.3.2 設計流程

BPS 軟件是最簡單、最快速和最可靠的，用于硬件實現算法，并與實際應用相連接的軟件平臺。用戶不必是一個FPGA 專家，只需將用戶的設計輸入到Matlab/Simulink，BPS 會自動將其映射到FPGA 內，其包含了平臺上所有的接口IP。

圖4、BPS 基本設計流程

圖4 所示為BPS 基本的設計流程，其設計思路圍繞系統生成器（也稱作實現開發工具）展開。系統生成器是Xilinx 公司進行數字信號處理開發的一種設計工具，它通過將Xilinx開發的一些模塊嵌入到Simulink 的庫中。在BEE 系統中，同時也需要將硬件接口的IP 和基本的運算IP 集成到Simulink 的IP 庫中，可以在Simulink中進行定點仿真，生成HDL 文件（網表），可以在Xilinx FPGA 開發工具（ISE）中進行例化使用，也可以直接生成配置文件（.bit 文件）。因此，它能夠加快信號處理系統的開發進程。

在圖4 的設計流程中，除了可以利用Xilinx SysGen 本身提供的IP 庫和BPS 加入的硬件接口IP 庫之外，還可以將HDL 代碼借助ip_import 工具，將HDL 代碼生成BPS 的IP 庫添加到設計系統中。從而將BPS 可靠的接口驅動與用于核心算法聯系起來。接下來，只需執行BPS 的相關指令，即可完成最終.bit 文件的生成。在生成.bit 的過程中，基于Simulink 的工程會生成嵌入式開發套件（EDK）的工程，系統自動地添加MicroBlaze 到系統中，利用該軟核運行NectorOS 自定義的操作系統，可以方便的訪問預置在設計里的寄存器，完成系統級控制。整個過程運行于Matlab 后臺，如無特別改動之處，不必人為干預。

3.3.3 軟件配置簡介

（1）開發環境：BPS（2）需要預裝軟件：Matlab/Simulink、Xilinx ISE Design Suite（3）配置步驟見圖5。

圖18、配置步驟

結束語

軟件無線電是一種智能化無線通信技術，它展現了一種全新的波形配置管理模式，并將自身與外部環境智能匹配，為從根本上解決日益增長的無線通信需求與有限的無線頻譜資源之間的矛盾開辟一條行之有效的途徑，并給無線通信帶來了新的發展空間。而基于盲源分離的終極無線電的概念，是對軟件無線電和認知無線電的進一步拓展，實現還面臨許多技術難題，需要進一步深入研究。其概念是否準確也有待商榷。

從本系列文章對SDR 應用發展及平臺架構等技術的綜述中可以看出，軟件無線電技術是若干技術的高度綜合，已越來越廣泛地被人們接受，其在軍事和民用領域的應用有著巨大的前景。然而，軟件無線電從概念到應用尚面臨很多挑戰，尤其是許多關鍵技術需要突破，實際應用起來還有相當一段長的路要走，這也使其成為了近年來無線通信研究的熱點。該領域及相關領域的研究人員應牢牢把握發展機遇，緊密跟蹤其發展動向，努力開展技術攻關，力爭盡早研制出具有自主知識產權的設備，為國家的發展和富強做出應有的貢獻。