第4章 软件无线电的软件设计

1、第4章 软件无线电的软件设计4.1 引言4.2 软件体系4.3 软件通信4.4 软件设计方法4.5 编程语言4.6 软件下载4.7 应用举例 4.1 引言 软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效、经济的解决方案，可以通过软件升级实现功能提高。软件无线电可以使整个系统采用动态的软件编程对设备特性进行重配置。 软件无线电以软件方式实现各种空中接口，如图4-1所示为蜂窝移动通信系统常用的网络接口。 软件无线电提供了灵活的传输机制、协议、应用、和无线通信方式。软件无疑是软件无线电的核心。 4.2 软件体系 为了能够实现上述的具有即插即用功能的软件体系，需要从软件无线电的软件体系结

2、构的层面上认识软件设计。 4.2.1 概述 所谓软件体系结构，就是指软件系统的结构。它是由一些规则、建议、习惯组成的。从构件的角度定义了软件系统的结构，说明了构成系统的各个构件之间是如何通信和实现相互操作的。 4.2.2 软件体系结构 软件无线电所使用的软件体系结构主要有以下两种： （1）硬件特定的软件结构。 （2）开放的软件结构。 1. 硬件特定的软件结构硬件特定的软件结构 硬件特定的软件结构是指，对于给定硬件所采用的软件结构。它可以包括以下两个部分： （1）模拟子系统。 （2）数字子系统。 2. 开放的软件结构开放的软件结构 开放的软件结构，是为了实现理想的软件无线电要求：软件具有相对于硬

3、件平台的独立性。 开放的软件结构采用建立介于硬件与软件之间的中间件的方法，形成硬件、软件、中间件的层次结构，如图4-5所示。 4.2.3 软件结构的开放性 为了实现软件无线电的思想，使得开发的应用软件具有良好的开放性。需要采用开放的软件结构。 软件结构的开放性体现在： （1）软件相对于硬件平台的独立性：这是由位于应用软件与硬件平台之间的中间件来完成的。 4.3 软件通信 软件无线电的核心思想是：系统的可重配置性：通过软件定义是相同的硬件完成不同的功能。 为了达到软件无线电的要求、实现无线系统的重配置，需要有共同的规范来约束所有的相关研究机构和厂商。 如同个人计算机行业，因为有相应的规范存在，所

4、以，我们可以自己购买不同公司生产的配件，自己动手组装一个符合要求的个人计算机。 所以，将软件无线电规范化、标准化，对于整个无线通信行业以及相关技术的发展都是有益的。 4.3.1 概述 20世纪70年代，美军开发的基于软件的无线电SPEAKeasy系统，成功表明了采用软件结构的优势。 20世纪90年代，美军开发的JCIT联合战斗信息终端、数字模块无线电（DMR），都提供了无线资源管理软件的基础结构。 20世纪末，美军建立的联合战术无线系统（JTRS）联合工程办公室（JPO），目的是使系统能够支持多任务、低成本。 4.3.2 软件通信结构 软件通信结构（SCA）定义了用于管理、控制、配置软件无线电

5、的软件系统结构，由接口、行为规范、一般规则、波形应用程序接口、以及所需的安全需求构成。 SCA是一组用来实现软件无线电的规则、方法、设计标准，它独立于实现的框架，约束软件无线电系统设计，以帮助达到设计目标。 1. SCA的思想的思想 SCA的思想是：规范可重用模块的设计与开发、以及推动软件无线电的商用软件和标准的应用。 SCA是一个规范集，它说明了软件无线电的硬件与软件之间的交互，并且提供了控制这些组件的命令集。 SCA建立了独立于设备的结构框架，它的目标是：确保软件和硬件的可移植性、可配置性。 2. SCA的发展的发展 2000年2月，SCA第一个正式版本SCA 1.0由美军联合战术无线系统

6、联合工程办公室（JTRS JPO）发布问世。 后来被软件无线电论坛（DSR Forum）作为软件定义无线电（SDR）的标准，并对软件模块之间的应用程序接口（API）进行标准化，推荐Vxworks为操作系统。 2000年7月，补充形成SCA 1.1。 3. SCA的规范的规范 SCA规范包含以下几个方面的内容： （1）SCA基本规范。 （2）应用程序接口（API）补充。 （3）安全补充。 4. SCA的硬件结构的硬件结构 SCA基本规范中给出了软件无线电的硬件结构和软件结构。SCA采用面向对象的方法分割软件无线电的硬件。 面向对象的方法，描述了硬件类和其他子类对象的层次。类的结构是分层的，它描述

7、面向对象的类和子类之间是如何联系的。 5. SCA的软件结构的软件结构 SCA的软件结构如图4-9所示。 4.3.3 软件协同 由于软件无线电系统中软件的复杂性，所以，引入软件协同技术，有助于改进软件无线电系统中复杂软件的性能。 1. 软件协同的概念软件协同的概念 软件协同（Software Collaboration）是指：以团队协作为目标进行的软件协作设计活动。 2. 软件协同的发展软件协同的发展 20世纪80年代中期，国外已经有功能相对单一的商品化工作流系统问世，这是早期软件协同的雏形。 20世纪90年代，随着计算机与网络技术的飞速发展，协同软件成为不同单位业务流程自动执行和信息流沟通交

8、流的必要工具。 进入21世纪，随着电子政务、电子商务的不断发展，一些企业开始推出基于工作流、表单的系统。 3. 协同软件的组成协同软件的组成 协同软件主要包括以下三部分： （1）协同工具软件，主要功能是协作沟通。 （2）协同平台软件，是构件应用软件的平台软件。 （3）协同应用软件，是指用户实现性户沟通、协作的协同软件。 4. 协同软件的分类协同软件的分类 协同软件可以有不同的分类方法： （1）按照工作流的柔性化程度分类： 1）全结构化协同软件。 2）半全结构化协同软件。 3）非全结构化协同软件。 5. 软件协同的优点软件协同的优点 在软件无线电系统的软件设计中，引入软件协同技术，可以带来以下优

9、点： （1）缩短开发周期。 （2）降低开发费用。 （3）减少开发风险。 4.4 软件设计方法 对于大型软件工程项目，需要采用软件工程学的方法进行软件设计。软件工程学包括以下三个研究领域部分： （1）方法。 （2）工具。 （3）管理。 只有在科学的管理之下、采用先进的技术方法和优良的软件工具，才能获得优良的软件设计产品。 软件工程的传统途径是生命周期方法学。 4.4.1 概述 生命周期方法学把软件生命周期划分为若干个相对独立的阶段，每个阶段完成一些确定的任务，交出最终的软件配置的一个或者几个文档。 软件工程过程的实质，就是系统地、有条不紊地从抽象的逻辑概念，逐步发展到具体的物理实现，这是生命周期

10、方法学的关键。 生命周期方法学可以用瀑布模型来模拟。 1. 软件设计原理软件设计原理 现在的软件设计主要使用四种基本的设计原理： （1）线性程序设计原理。 （2）面向对象程序设计原理。 （3）基于组件的程序设计原理。 （4）面向方面程序设计原理。 2. 软件设计方法软件设计方法 常用的软件设计方法有以下几种： （1）面向数据流的程序设计方法。 （2）面向数据结构的程序设计方法。 4.4.2 面向过程的软件设计 面向过程的软件设计，是用于硬件特定的软件结构的软件设计。面向过程的程序设计就是我们最熟悉的结构化程序设计。 结构化程序设计是从系统的功能出发，按照工程标准和严格规范，把系统分解为若干功能

11、模块，通过函数实现它的功能。 1. 基本过程基本过程 结构化方法首先关心的是功能，强调以模块（也就是过程）为中心进行设计。 结构化程序设计的基本过程如下： （1）模块化。 （2）自顶向下。 （3）逐步细化。 2. 模块化原理模块化原理 模块是数据说明、可执行语句等程序对象的集合，它是单独命名的、可以通过名字来访问的，例如：过程、函数、子程序、宏等等。 模块化就是把程序划分成若干个模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集总起来，组成一个整体，可以完成指定的功能。 3. 抽象抽象 抽象是人们在认识复杂现象的过程中，使用的最强有力的思维工具。在现实世界中一定事物、状态、过程之间存在某些相似处，把这

12、些相似的方面集中和概括起来，暂时忽略他们之间的差异，就是抽象。 5. 模块化设计原则模块化设计原则 在软件设计中总结出来的一些模块化设计的原则，有利于改进软件设计途径、提高软件设计质量。 这些原则包括： （1）提高模块的独立性。 （2）模块规模因该适中。 （3）深度、宽度、扇出、扇入都应适当。 （4）模块的作用域应该在控制域之内。 （5）降低模块接口的复杂程度。 （6）设计单入口单出口的模块。 （7）模块功能应该可以预测。 4.4.3 面向对象的软件设计 面向对象的软件设计，是用于开放的软件结构的软件设计。 面向对象方法具有以下四个要点： （1）世界是由对象组成的，事物都是对象，简单对象可以组

13、合成复杂对象。 （2）所有对象划分为对象类，每个对象类定义了一组数据和方法。 （3）按照子类与父类的关系，把几个对象组成类等级，下层类可以继承上层类的相同特性。 （4）对象之间只能通过传递消息互相联系。 1. 面向对象的软件设计方法的概念面向对象的软件设计方法的概念 面向对象的软件设计方法，具有如下概念： （1）对象：最基本概念，所有与要解决问题有关的事物都可以作为对象。对象是封装了数据结构以及施加在这些数据结构上的操作的封装体。 （2）类：就是具有相同数据和相同操作的一组相似对象，通常在对对象的描述中包括怎样创建该类的新对象的说明。 2. 面向对象方法的优点面向对象方法的优点 面向对象的软件

14、设计方法，具有如下优点： （1）与人类习惯的思维方法一致。 （2）稳定性好。 （3）可重用性好。 （4）可维护性好。 3. 软件设计的不同模型软件设计的不同模型 因为每个软件系统都或多、或少有其特殊性，所以，没有一种软件开发模式为最好。一般，应该根据所开发软件的特点，选择合适的开发模式。 4.5 编程语言 人们与计算机之间的通信，仍然需要使用人工设计的语言来完成，这些语言就是编程语言。 在软件设计的总体设计阶段，以比较抽象概括的方式，提出了解决问题的办法。 详细设计阶段，把解法具体化，给出怎样具体实现这个系统的方法。 到了编码与单元测试阶段，需要根据目标系统的性质和实际环境，选择一种适当的程序

15、设计语言，把详细设计的结构翻译成用编程语言书写的程序。 所谓编码，就是把软件设计的结构翻译成计算机可以理解的形式：用某种程序设计语言书写的程序。 4.5.1 概述 编码的目的是，实现人与计算机之间的通信，指挥计算机按照人的意志正常工作。编程语言是人和计算机通信的最基本的工具。 4.5.2 无线知识描述语言 无线知识描述语言（RKRL：Radio Knowledge Representation Language），是用来描述无线知识的一种语言。 软件无线电系统使用无线知识描述语言，可以达到以下目的： （1）可以感知无线传输的环境特征。 （2）通过无线知识描述语言与通信网络进行智能交流。 （3）

16、调整系统传输参数，满足用户通信最佳性能的要求。 4.5.3 汇编语言 汇编语言的语句和计算机硬件操作有一一对应的关系。汇编语言是一种面向机器的低级语言。它的特点如下： （1）优点：可以直接操纵硬件，能充分发挥硬件的潜力、执行效率高。 （2）缺点：要求程序编写者熟悉处理器的结构，可读性、可修改性、可移植性、可重用性差。 4.5.4 高级语言 有多少种计算机，就有多少种汇编语言。为了克服汇编语言依赖于硬件的缺点，通常使用高级语言编程。 高级语言的特点是： （1）是程序与将要执行指令的目标处理器相分离。 （2）通过编译器来决定哪一种硬件特定的指令将被执行。 （3）使用的概念与符号与人们日常使用的比较

17、接近。 （4）其特性不以来司于实现这种语言的计算机。 1. C语言语言 1972年，Dennis Ritchie改进了B语言，开发出最早的C语言版本，主要用于开发Unix系统。 1978年，Kernighan和Ritchie出版了The C Programming Lanuage，成为最成功的计算机学术专著之一。C语言得到推广。 1989年，美国国家标准协会制定了一个C语言标准：ANSI C。Kernighan和Ritchie在The C Programming Lanuage第2版中全面介绍标准C，使得C语言的应用更加广泛和普遍。 2. C+语言语言 1983年，Bjarne Stroust

18、rup开发出C+语言，它是C语言的扩展。其目的是为了开发Unix操作系统。 C+语言的特点是： （1）编程更加容易。 （2）代码更易移植。 （3）面向对象的语言。 （4）提供了继承、多态、数据隐藏等特性。 3. Ada语言语言 Ada语言是一种通用程序设计语言，它是美国国防部为克服软件开发危机研究出来的语言。被称为第四代计算机语言的成功代表。 它不仅体现了许多现代软件的开发原理，还把这些原理付诸实现。它的特点是： （1）清晰性好。 （2）可靠性高。 （3）有效性好。 4. 选择语言的标准选择语言的标准 在种类繁多的编程语言中，如何选择一种适合于软件无线电设计的语言呢？重要的实用标准有： （1）

19、系统用户的要求。 （2）可以得到的软件工具。 （3）可以使用的编译程序。 （4）工程规模。 （5）程序员的知识。 （6）软件可移植性要求。 （7）软件的应用领域。 4.5.5 硬件描述语言 硬件描述语言（HDL），就是一种用形式化方法，来描述数字电路、和数字逻辑系统的语言。 硬件描述语言和计算机语言有较大区别，主要体现在以下几个方面： （1）运行基础不同。 （2）执行方式不同。 （3）验证方式不同。 1. 硬件描述语言的特点硬件描述语言的特点 硬件描述语言有如下特点： （1）可以精确描述、模拟数字系统设计的行为。 （2）可以把设计按层次分解，进行多层次、复杂的设计。 （3）与硬件独立，不必了解

20、硬件特性。 （4）有许多软件支持硬件描述语言的综合与仿真。 （5）可以很方便地向ASIC过渡。 （6）可读性好，易于理解。 （7）并行性、定时、时钟都可以被模型化。 2. VHDL语言语言 1980年，美国国防部指导开发了VHDL语言。开发的出发点是：美国国防部采购电子设备的需要，国防部希望供应商可以将生产的设备的行为描述出来，以便在供应商发生变化时，可以保证设备的延续性和一致性。 1981年，提出了VHDL语言：超高速集成电路硬件描述语言。 1986年，美国电子电信工程师协会（IEEE）开始VHDL语言的标准化。 1987年，批准IEEE 1076-1987。 3. Verilog VHDL

21、语言语言 1983年，Gateway Design Automayion公司为其模拟器产品开发的硬件建模语言：Verilog VHDL语言，当时是一种专门语言。 1990年，被推向公众领域。 1992年，开放Verilog国标（OVI）决定推广Verilog OVI标准，使之成为IEEE标准，获得成功。 4.6 软件下载 为了适应现代无线通信的多标准通信终端的需求，采用软件无线电技术是最经济的解决方案。软件无线电终端可以通过软件下载方式获得新的服务。 4.6.1 概述 软件无线电是一个解决全球无线通信需求的方法，它将成为未来无线通信设备设计的核心所在。 软件无线电是一种可以通过软件下载、实现可

22、重配置通信终端的技术。软件无线电系统的两个总共要特征是： （1）软件可下载。 （2）软件可重配置。 4.6.2 软件下载 软件无线电研究关注的是，如何设计一个开放的体系结构，将标准化、模块化的硬件功能单元，通过软件下载、重配置的方式来实现各种类型的无线通信系统。 1. 软件下载的概念软件下载的概念 软件下载是指，为软件无线电设备提供重配置数据、或者新的可执行代码，用以改变系统操作、或者性能的过程。 2. 软件下载的优点软件下载的优点 软件下载的优点在于： （1）可以升级无线设备、形成新的无线功能、或者业务。 （2）可以修补现有设备中软件的缺陷。 （3）可以在空中接口标准不同的区域之间实现漫游通

23、信。 3. 软件下载的内容软件下载的内容 软件下载的内容包括很宽的范围，覆盖软件无线电的两大类软件： （1）应用软件。 （2）操作软件，包括： 1）操作系统。 2）中间件。 3）驱动程序等等。 4. 软件下载的过程软件下载的过程 软件下载由以下两个主体实施： （1）下载软件的提供方：软件无线电服务器以及配套网络。 （2）下载软件的接收方：软件无线电设备。 4.6.3 软件可重配置 软件可重配置是软件无线电的重要特征。软件可重配置是和软件下载密切相关的： （1）软件下载是为了软件可重配置。 （2）软件可重配置是通过软件下载来实现的。 1. 软件可重配置的含义软件可重配置的含义 软件无线电是一种可

24、以通过软件下载、实现软件可重配置通信终端的技术。 2. 软件可重配置的特点软件可重配置的特点 软件无线电系统是一个通过软件下载、可重配置方式来实现各种类型的无线电通信系统性能的。 软件可重配置的特点如下： （1）系统的硬件功能模块，通过软件下载升级。 （2）软件下载使得系统的功能可重配置。 （3）软件下载使得系统功能的可重配置成本很低。 4.7 应用举例 为了便于读者理解软件无线电的软件设计，在本小节，给出几个简单的例子。 4.7.1 概述 软件无线电以软件方式实现各种空中接口，提供了灵活的无线通信方式，以及灵活的传输机制、协议和应用。 软件无线电的软件设计包括： （1）软件的功能。 （2）软件与硬件之间的相互关系。 （3）软件