_2第2章软件无线电硬件体系结构.pptx

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1、软件无线电的软件无线电的结构特点结构特点：结构开放结构开放硬件平台硬件平台软件应用软件应用软件无线电硬件结构的分类软件无线电硬件结构的分类1信号处理能力的需求信号处理能力的需求2数字信号处理器数字信号处理器3教学教学内容内容教学目标教学目标 掌握掌握软件无线电的硬件结构软件无线电的硬件结构 理解理解信号处理能力的需求信号处理能力的需求 了解了解常见的数字信号处理器常见的数字信号处理器重点难点重点难点重点重点：体系结构的概念：体系结构的概念 难点难点：软件无线电硬件体系结构：软件无线电硬件体系结构教学思路与方法教学思路与方法“层次推演式层次推演式”教学法教学法宏观宏观微观微观软件无线电软件无线电

2、系统系统体系结构体系结构硬件体系结构硬件体系结构分类、描述方法分类、描述方法信号处理信号处理数字信号处理数字信号处理能力能力度量、需度量、需求及特点求及特点航航电系统体系结构电系统体系结构 体系结构体系结构上的上的差异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。航航电系统体系结构电系统体系结构 体系结构体系结构上的上的差异差异雷达雷达通信通信导航

3、导航任务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。特点是集中控制、分布处理、综合显示。航航电系统体系结构电系统体系结构 体系结构体系结构上的上的差异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。共用综合处理器共用综合处理器特点特点: :提出提出了了功能区功能区概念，采用高速数据总线概念，采用高速数据总线与光纤总线。与光纤总线。航航电系统体系结构电系统体系结构 体系结构体系结构上的上的差异差异特点特点: :实现了传感器的高度综合，采用统

4、一航电实现了传感器的高度综合，采用统一航电网络。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。孔径信号孔径信号分布网络分布网络共用模拟模块共用模拟模块共用数字模块共用数字模块体系结构，是指一个全面、一致的体系结构，是指一个全面、一致的功能功能、组组件件、设计原则设计原则的集合，依靠它可以组织、设的集合，依靠它可以组织、设计、构建一个系统。计、构建一个系统。 ，是实现软件无线电是实现软件无线电概概念念的具体设计结构的具体设计结构，包括，包括硬件硬件、软件软件和和接口接口协议协议等部分。等部分。软件无线电体系结构是软件无线电体系结构是软件无软件无线线电

5、技术的核心电技术的核心。软件无线电体系结构软件无线电体系结构按照系统中按照系统中各功能模块的连接方式各功能模块的连接方式划分划分流水式结构流水式结构总线式结构总线式结构交换式结构交换式结构网络式结构网络式结构按照构成硬件平台的按照构成硬件平台的物理介质物理介质划分划分流水式结构流水式结构优点：时延短、硬件简单、实时性好、处理速率高。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。放性，不能满足复杂的软无系统。总线总线式结构式结构优点：开放性好、结构简单、模块化程度高、灵活。优点：

6、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。缺点：总线是系统功能扩展的瓶颈。交换式交换式结构结构优点：开放性好、吞吐量大、可实现广播或多播。优点：开放性好、吞吐量大、可实现广播或多播。缺点：缺点：时时延长、硬件复杂、成本高。延长、硬件复杂、成本高。基于网络式基于网络式结构结构软件无线电云（软件无线电云（SDR）效率效率延时延时带宽带宽复杂度复杂度伸缩性伸缩性通用性通用性流水式流水式最高最高最短最短窄窄简单简单差差差差总线式总线式低低短短宽宽简单简单好好好好交换式交换式高高长长宽宽复杂复杂好好好好网络式网络式高高长长宽宽复杂复杂好好好好按照构成硬件平台的按照构成硬件平

7、台的物理介质物理介质划分划分基于基于GPP的结构的结构基于基于DSP的结构的结构基于基于FPGA的结构的结构GPP：即：即通用处理器通用处理器（general-purpose processor），），一般指的是一般指的是服务器服务器和和桌面计算机桌面计算机用用的的CPU芯片，如芯片，如Pentium系列、酷睿系列、系列、酷睿系列、Athlon系列或系列或Power PC等。等。 GPP结构结构（1）MAC运算的实现运算的实现 （2）零开销循环）零开销循环 （3）数据格式）数据格式 （4）数据宽度）数据宽度 （5）寻址方式）寻址方式 （6）指令集）指令集 （7）操作系统）操作系统支持支持（8）

8、芯片资源）芯片资源 （9）执行时间的可预测性）执行时间的可预测性（10）功耗、成本）功耗、成本 （11）处理能力）处理能力 DSP，即，即数字信号处理器数字信号处理器（digital signal processor），），是是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计、具专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计、具有特殊结构的有特殊结构的微处理器。微处理器。 DSP结构结构FPGA，即，即现场可编程门阵列现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）它它是在是在PAL、GAL等等可编程器件的基础上进一步发可编程器件的基础上进一步发展的展的产物。产物。逻辑单元逻辑

9、单元布线资源布线资源输入输出输入输出模块模块类别类别性能性能GPPDSPFPGA编程语言编程语言各种软件语言各种软件语言C，C+，汇编语言，汇编语言VHDL，Verilog编程难易编程难易有操作系统支持，编有操作系统支持，编程容易，不程容易，不需要了解需要了解硬件状况硬件状况采用高级语言简单，采采用高级语言简单，采用汇编语言则较复杂用汇编语言则较复杂相当简单，但需对硬相当简单，但需对硬件结构有所了解件结构有所了解性能性能速度受限，实时性不速度受限，实时性不理想理想速度受限于时钟速率速度受限于时钟速率如果采用合适的结构如果采用合适的结构速度非常快速度非常快可重配置可重配置能力能力通过运行不同的软

10、件，通过运行不同的软件，可重配置无限次可重配置无限次通过改变软件内容重通过改变软件内容重配置无限次配置无限次基于基于SRAM的的FPGA可可以重配置无限次以重配置无限次重配置方式重配置方式下载运行不同的软件下载运行不同的软件读不同的存储器地址读不同的存储器地址实现实现下载配置文件下载配置文件 到到芯片实现芯片实现场合场合适用于任何场合适用于任何场合具有顺序特性的信号处具有顺序特性的信号处理以及适合需要进行状理以及适合需要进行状态复杂的运算的场合态复杂的运算的场合适用于控制或适合简适用于控制或适合简单重复操作和需要并单重复操作和需要并行处理较多的场合。行处理较多的场合。价格价格较高较高便宜便宜高

11、高功耗功耗高高不论程序大小，只不论程序大小，只要所用的存储器个要所用的存储器个数一样，功率消耗数一样，功率消耗不变不变当电路按省电方式当电路按省电方式设计时，功耗可以设计时，功耗可以降到最低，或者功降到最低，或者功率为动态控制率为动态控制MAC运算运算实现方式实现方式重复进行重复进行MAC运运算算重复进行重复进行MAC运算，运算，有专门乘法器有专门乘法器并行乘法器并行乘法器/加法器加法器或采用分布式算法或采用分布式算法MAC速度速度受限于受限于MAC操作操作的的速度速度受限于受限于MAC操作的操作的速度速度如果采用并行算法，如果采用并行算法，速度可以非常快。速度可以非常快。如果采用分布式算如果

12、采用分布式算法实现一个滤波器，法实现一个滤波器，速度与滤波器抽头速度与滤波器抽头数无关数无关并行性并行性编程顺序进行，无编程顺序进行，无法法并行化并行化DSP芯片的编程是芯片的编程是顺序进行的，无法顺序进行的，无法并行化，除非采用并行化，除非采用多芯片组合。多芯片组合。可以并行实现高性可以并行实现高性能能所需要的可编程能力或可重配置能力所需要的可编程能力或可重配置能力，对所，对所有的目标空中接口标准，器件能重新配置以执有的目标空中接口标准，器件能重新配置以执行期望功能；行期望功能；集成度集成度，在单个器件上集成多项功能；，在单个器件上集成多项功能；开发周期开发周期，开发、实现、测试需要的时间；

13、，开发、实现、测试需要的时间；处理能力处理能力，在指定时间内完成指定功能的能力；，在指定时间内完成指定功能的能力；功率功率，完成指定功能的功率大小及利用率；，完成指定功能的功率大小及利用率；对器件的熟悉程度对器件的熟悉程度效效费比费比GPP适用于：低速数据包处理、复杂的适用于：低速数据包处理、复杂的MAC协议协议、网络层协议网络层协议、波形波形管理、发送数据包构建、管理、发送数据包构建、接收接收数据包数据包解包、波形解包、波形上载上载、波形波形运行控制运行控制DSP适用于：中速同步、低速信号滤波、采样适用于：中速同步、低速信号滤波、采样速率速率抽取抽取及内插、低速调制解调、低速及内插、低速调制

14、解调、低速AGC、中速、中速FEC、中中速数据包处理、简单速数据包处理、简单MAC协议协议FPGA适用于：调制解调器外接口、适用于：调制解调器外接口、下变频下变频到到基带、上变频到中频、信号滤波、采样基带、上变频到中频、信号滤波、采样速速率率内插及抽取、高速调制解调、高速内插及抽取、高速调制解调、高速AGC、高速高速FEC、高速数据包处理、高速数据包处理 是以一是以一条指令所需的执行时间或每秒钟执行的指条指令所需的执行时间或每秒钟执行的指令令数目数目度量，这两者互为倒数，单位分别为度量，这两者互为倒数，单位分别为ns（纳秒）和（纳秒）和MIPS（百万条指令每秒）（百万条指令每秒）。时钟时钟速率

15、速率指令执行速度指令执行速度 指指处理器中时钟的基础频率，有时候也处理器中时钟的基础频率，有时候也称为称为主主频频。单位为。单位为Hz、MHz 或或GHz 。操作执行速度操作执行速度 以以每秒钟进行的操作数目度量，操作可以分为每秒钟进行的操作数目度量，操作可以分为定点和浮点，单位有定点和浮点，单位有MOPS（百万次操作每秒）、（百万次操作每秒）、MFLOPS（百万次浮点操作每秒）、（百万次浮点操作每秒）、BOPS（十（十亿次操作每秒亿次操作每秒） 。 通常通常以完成一次以完成一次MAC运算的时间或每秒钟运算的时间或每秒钟执行执行 的的乘加运算数目度量，这两者互为倒数，单位分乘加运算数目度量，这

16、两者互为倒数，单位分别为别为ns和和MMACS（百万次乘加每秒）。（百万次乘加每秒）。 乘乘加（加（MAC）运算执行）运算执行速度速度 通常通常以运行一个以运行一个N点点FFT程序所需的时间程序所需的时间。由于。由于FFT涉及涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，的运算在数字信号处理中很有代表性，因此因此FFT运算时间常作为衡量运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力芯片运算能力的一个指标。这种方法比上述方法更为科学。的一个指标。这种方法比上述方法更为科学。 FFT运算执行运算执行速度速度 信号处理算法通常需要执行大量的信号处理算法通常需要执行大量的乘累加运算乘累加运算 信号处理算法常具有某些信号

17、处理算法常具有某些特定模式特定模式。比较典型。比较典型的数字滤波器中的连续推移位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信号处理算法大部分处理时间花在执行相对小小循环循环的操作上的操作上 信号处理要求信号处理要求专门的接口专门的接口，同时大量的数，同时大量的数据交换需要有据交换需要有高速高速的的数据吞吐能力数据吞吐能力；比如；比如一个非常重要的接口就是与一个非常重要的接口就是与ADC/DAC的的接口；接口； 软件无线电中信号处理软件无线电中信号处理数值范围较宽数值范围较宽，采，采用数据格式以用数据格式以浮点浮点形式为佳。形式为佳。 具有多个可具有多个可并行并行执行的功

18、能单元，对常用的执行的功能单元，对常用的数字信号处理操作提供直接的硬件加速支持；数字信号处理操作提供直接的硬件加速支持；强强的实时性决定数字信号处理器的实时性决定数字信号处理器不能不能有太多有太多的的动态特征动态特征；设置设置片内存储器、单周期片内存储器、单周期MAC功能单元和功能单元和硬件硬件“零开销循环零开销循环”控制机制；控制机制；具有高的存储器带宽、专门的地址计算单元具有高的存储器带宽、专门的地址计算单元软件无线软件无线电系统电系统数字信数字信号处理号处理器器信号处信号处理能力理能力的度量的度量硬件体硬件体系结构系结构分类分类GPPDSPFPGA1 . 简述软件无线电硬件体系结构的特点和分简述软件无线电硬件体系结构的特点和分类。类。2 . 请查阅其它资料说明哈佛结构和冯诺依曼请查阅其它资料说明哈佛结构和冯诺依曼结构的差异和优缺点。结构的差异和优缺点。谢谢 谢谢！