基于SCA的软件无线电在FPGA上设计与实现

　　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 *** 作系统之间，屏蔽了不同平台、 *** 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 *** 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 *** 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 *** 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 *** 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。

　　而且，在以MHAL方式实现的SCA/SDR系统中，开发者需要在GPP上设计实现适配器来完成GIOP报文和MHAL报文的转换，以便使用CORBA

　　机制的波形组件和使用MHAL机制的波形组件间的通信。但对于适配器的实现，目前还没有统一的标准，而且，MHAL也不是一个针对通用市场的可用标准，它受到ITARS(InternaTIonal Traffic in Arins RegulaTIons)限制，其实现细节并不公开，且MHAL报文结构的细节并不足以完成波形组件的实际需要，从而必然会导致不同的MHAL实现方式，且彼此间相互不兼容，这也必然会破坏MHAL波形组件的可移植性和可重用性。