《软件无线电原理与技术》课件-2第2章软件无线电硬件体系结构

回顾软件无线电的结构特点：结构开放硬件平台软件应用软件无线电硬件结构的分类1信号处理能力的需求2数字信号处理器3课堂设计教学内容课堂设计教学目标

掌握软件无线电的硬件结构

理解信号处理能力的需求

了解常见的数字信号处理器课堂设计重点难点

重点：体系结构的概念

难点：软件无线电硬件体系结构教学思路与方法课堂设计“层次推演式”教学法宏观微观软件无线电系统体系结构硬件体系结构分类、描述方法信号处理数字信号处理能力度量、需求及特点航电系统体系结构

体系结构上的差异

采用模块级高度综合集成结构。系统模块数量减少为30余个，10余类，可靠性约200小时。采用联合式航电结构，实现的功能相对固定，模块种类约百余种、数量约百余个，可靠性约50小时首次采用模块级综合集成结构，系统不存在独立的功能设备。系统模块种类约30余种，模块数量约60余个，可靠性约100小时。航电系统体系结构

体系结构上的差异

雷达通信导航任务采用联合式航电结构，实现的功能相对固定，模块种类约百余种、数量约百余个，可靠性约50小时特点是集中控制、分布处理、综合显示。航电系统体系结构

体系结构上的差异

首次采用模块级综合集成结构，系统不存在独立的功能设备。系统模块种类约30余种，模块数量约60余个，可靠性约100小时。共用综合处理器特点:提出了功能区概念，采用高速数据总线与光纤总线。航电系统体系结构

体系结构上的差异

特点:实现了传感器的高度综合，采用统一航电网络。采用模块级高度综合集成结构。系统模块数量减少为30余个，10余类，可靠性约200小时。孔径信号分布网络共用模拟模块共用数字模块体系结构体系结构，是指一个全面、一致的功能、组件、设计原则的集合，依靠它可以组织、设计、构建一个系统。

，是实现软件无线电概念的具体设计结构，包括硬件、软件和接口协议等部分。软件无线电体系结构是软件无线电技术的核心。软件无线电体系结构按照系统中各功能模块的连接方式划分硬件体系结构分类流水式结构总线式结构交换式结构网络式结构按照构成硬件平台的物理介质划分流水式结构硬件体系结构分类优点：时延短、硬件简单、实时性好、处理速率高。缺点：各模块耦合紧密、独立程度不高；不具有开放性，不能满足复杂的软无系统。总线式结构硬件体系结构分类优点：开放性好、结构简单、模块化程度高、灵活。缺点：总线是系统功能扩展的瓶颈。交换式结构硬件体系结构分类优点：开放性好、吞吐量大、可实现广播或多播。缺点：时延长、硬件复杂、成本高。基于网络式结构硬件体系结构分类软件无线电云（SDR）硬件体系结构比较效率延时带宽复杂度伸缩性通用性流水式最高最短窄简单差差总线式低短宽简单好好交换式高长宽复杂好好网络式高长宽复杂好好硬件体系结构分类按照构成硬件平台的物理介质划分基于GPP的结构基于DSP的结构基于FPGA的结构常用数字信号处理器GPP：即通用处理器（general-purposeprocessor），一般指的是服务器和桌面计算机用的CPU芯片，如Pentium系列、酷睿系列、Athlon系列或PowerPC等。

GPP性能特点GPP结构

GPP性能特点（1）MAC运算的实现（2）零开销循环（3）数据格式（4）数据宽度（5）寻址方式（6）指令集（7）操作系统支持（8）芯片资源（9）执行时间的可预测性（10）功耗、成本（11）处理能力常用数字信号处理器DSP，即数字信号处理器（digitalsignalprocessor），是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计、具有特殊结构的微处理器。

DSP性能特点DSP结构常用数字信号处理器FPGA，即现场可编程门阵列（FieldProgrammableGate

Array）它是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

FPGA结构逻辑单元布线资源输入输出模块

FPGA逻辑单元

GPP、DSP、FPGA性能比较类别性能GPPDSPFPGA编程语言各种软件语言C，C++，汇编语言VHDL，Verilog编程难易有操作系统支持，编程容易，不需要了解硬件状况采用高级语言简单，采用汇编语言则较复杂相当简单，但需对硬件结构有所了解性能速度受限，实时性不理想速度受限于时钟速率如果采用合适的结构速度非常快可重配置能力通过运行不同的软件，可重配置无限次通过改变软件内容重配置无限次基于SRAM的FPGA可以重配置无限次重配置方式下载运行不同的软件读不同的存储器地址实现下载配置文件

到芯片实现场合适用于任何场合具有顺序特性的信号处理以及适合需要进行状态复杂的运算的场合适用于控制或适合简单重复操作和需要并行处理较多的场合。价格较高便宜高功耗高不论程序大小，只要所用的存储器个数一样，功率消耗不变当电路按省电方式设计时，功耗可以降到最低，或者功率为动态控制MAC运算实现方式重复进行MAC运算重复进行MAC运算，有专门乘法器并行乘法器/加法器或采用分布式算法MAC速度受限于MAC操作的速度受限于MAC操作的速度如果采用并行算法，速度可以非常快。如果采用分布式算法实现一个滤波器，速度与滤波器抽头数无关并行性编程顺序进行，无法并行化DSP芯片的编程是顺序进行的，无法并行化，除非采用多芯片组合。可以并行实现高性能处理器选用遵循的原则所需要的可编程能力或可重配置能力，对所有的目标空中接口标准，器件能重新配置以执行期望功能；集成度，在单个器件上集成多项功能；开发周期，开发、实现、测试需要的时间；处理能力，在指定时间内完成指定功能的能力；功率，完成指定功能的功率大小及利用率；对器件的熟悉程度效费比

GPP、DSP、FPGA的使用范围GPP适用于：低速数据包处理、复杂的MAC协议、网络层协议、波形管理、发送数据包构建、接收数据包解包、波形上载、波形运行控制DSP适用于：中速同步、低速信号滤波、采样速率抽取及内插、低速调制解调、低速AGC、中速FEC、中速数据包处理、简单MAC协议数据处理信号处理

GPP、DSP、FPGA的使用范围FPGA适用于：调制解调器外接口、下变频到基带、上变频到中频、信号滤波、采样速率内插及抽取、高速调制解调、高速AGC、高速FEC、高速数据包处理并行处理基于GPP的结构基于DSP的结构基于FPGA的结构混合结构软件无线电系统混合结构软件无线电系统数字信号处理能力度量

是以一条指令所需的执行时间或每秒钟执行的指令数目度量，这两者互为倒数，单位分别为ns（纳秒）和MIPS（百万条指令每秒）。时钟速率指令执行速度指处理器中时钟的基础频率，有时候也称为主频。单位为Hz、MHz或GHz。数字信号处理能力度量操作执行速度

以每秒钟进行的操作数目度量，操作可以分为定点和浮点，单位有MOPS（百万次操作每秒）、MFLOPS（百万次浮点操作每秒）、BOPS（十亿次操作每秒）。

通常以完成一次MAC运算的时间或每秒钟执行的乘加运算数目度量，这两者互为倒数，单位分别为ns和MMACS（百万次乘加每秒）。乘加（MAC）运算执行速度数字信号处理能力度量

通常以运行一个N点FFT程序所需的时间。由于FFT涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标。这种方法比上述方法更为科学。FFT运算执行速度无线数字信号处理需求对器件的要求越来越高信号处理算法通常需要执行大量的乘累加运算信号处理算法常具有某些特定模式。比较典型的数字滤波器中的连续推移位信号处理算法大部分处理时间花在执行相对小循环的操作上

软无信号处理算法具有的特点信号处理要求专门的接口，同时大量的数据交换需要有高速的数据吞吐能力；比如一个非常重要的接口就是与ADC/DAC的接口；软件无线电中信号处理数值范围较宽，采用数据格式以浮点形式为佳。软无信号处理算法具有的特点软无信号处理器功能具有多个可并行执行的功能单元，对常用的数字信号处理操作提供直接的硬件加速支持；强的实