摘 要 ：软件无线电系统中的模块化、数字式通用硬件平台是进行实时信息处理的并行处理系统，其总体性能取决于系统中信号处理、信息传递和存储能力的优化设计。本文讨论在基于总线的软件无线电体系结构中所面临的总线瓶颈及其解决方案。

关键词 ：软件无线电；并行信号处理；系统总线

一 、 前 言

当前，软件无线电（SWR）技术引起了广泛的关注。软件无线电技术通过把A／D－D／A变换器放置在尽可能靠近天线的位置上，从而建立标准化、模块化的通用的数字式硬件平台，目的是在此硬件平台上用不同的软件灵活地实现不同体制的无线电系统。这将带来许多好处，如：高度的灵活性；有利于无线电新技术、新算法的采用（如智能天线技术、信道编译码方法等）；开发新系统的风险更低，开发周期更短；高度的适应性，能更有效地满足用户的要求；可以更有效地利用有限的频谱资源和系统升级更方便等。

了解现软件无线电技术所具有的优点，对软件无线电硬件平台的体系结构及其关键技术都提出了巨大的挑战。一方面，无线电通信系统实时性处理特点要求硬件平台具有很高的处理能力；另一方面，为了适应无线电技术的高速发展，软件无线电硬件平台在体系结构上应具有开放性、灵活性和可扩展能力。于是，基于总线的软件无线电体系结构应运而生。在基于总线的软件无线电硬件平台的实现过程中，必须确保整个系统在处理能力、信息传递能力及存储能力等方面实现协调，任何一方面性能不足所产生的瓶颈效应都将影响到整个系统的性能。鉴于软件无线电系统中的信号处理瓶颈问题已经在许多文章中进行了讨论［4～6］，这里将对软件无线电系统中的总线瓶颈进行讨论，并探讨解决方案。

二 、 基于总线方式的软件无线电体系结构

基于总线的软件无线电体系结构是一种具有分布式存储器结构的并行处理系统 ［1］

。在这种体系结构中，通用的、模块化的无线电功能模块通过总线连接，并以时分复用的方式利用共享总线进行模块间的信息传递。每个模块除了具有处理单元（由通用CPU、可编程DSP芯片和FPGA等实现）和存储单元外，还具有总线接口单元，用于完成与标准总线的连接。基于总线的软件无线电硬件平台具有如下优点：

（1）模块化程度高，系统灵活，可以根据不同的要求由公共的功能模块集合成不同系统；

（2）开放性。由于采用了标准的总线接口，可直接采用不同厂家生产的符合总线标准的通用处理模块，从而大大缩短开发周期，降低投资与风险；

（3）灵活，可以连接由不同处理器实现的、具有不同处理器能力与特点的通用处理模块；

（4）系统升级方便。每个通用处理模块均是通过标准接口连在总线上的，任一模块的升级与系统其它部分独立；

（5）容易实现功能扩展。在系统设计中只要有足够的总线接口，将来系统扩展只需要加入相应的功能模块，对系统其它部分影响小。

同时，也应注意到基于总线的软件无线电硬件平台也具其内在的局限性，主要体现在如下几个方面：

（1）多个功能模块以时分复用的方式通过公共系统总线完成信号传输，这对系统总线的性能提出了很大的挑战，总线成为系统功能扩展的瓶颈，因此，总线必须具有高速率，能提供复杂控制，便于功能扩展（集成未来更高性能的处理器）；

（2）总线的负载能力有限。以标准的PCI总线为例，单一的总线上最多只能承载8个功能模块。在大型软件无线电系统中必须采用更复杂的控制机制，如采用分级总线方式或多总线等。

基于总线结构的软件无线电平台无疑以其内在的开放性、灵活性和可扩展能力显示出很大吸引力，而其内在的局限性促使人们去探讨解决总线瓶颈的可行方案。

三 、 软件无线电平台中总线面临的挑战与解决方案

前面已经谈到了基于总线的软件无线电体系结构的优点及存在的问题，这一节首先介绍总线性能对整个系统性能的影响，然后在介绍当前已有的总线标准的基础上讨论解决总线瓶颈问题的方案及各自的优势与局限。

1．软件无线电硬件平台对总线的要求

在并行处理系统中，总线的作用是在不同处理单元之间传递信息，从而使整个并行系统协同工作，当总线带宽不足时，势必造成信息交换瓶颈进而影响整个系统的处理能力。此时的系统称为通信受限系统（相对于处理能力不足的系统称为处理受限系统）［3］。对于软件无线电系统，由于要求在同一硬件平台上采用不同的软件而实现在频率、带宽等方面均不同的无线电系统，根据信号频带不连续时的带通采样定理，A／D变换器采样率一般要远大于有用信号所占带宽的2倍。

同时，远近效应的存在要求A／D变换器具有较高的精度。因而相对于单一体制的通信系统而言，软件无线电系统对总线性能的要求要高许多。另外，对于基站等要求同时处理多路信号的通信系统，硬件平台在必须提供数十倍处理能力的同时，要求互连总线提供的通信能力也相应地增加。

随着VLSI技术的发展，A／D的性能（采样率和分辨率）和DSP性能（处理能力）将大大提高。为了实现更为理想的软件无线电，必须相应地提高系统的互连通信能力。因此，从发展的角度看，在基于总线的软件无线电硬件平台上，所采用的总线应尽可能提供更大的总线带宽，才能较好地适应软件无线电技术的发展。

2．当前部分高性能总线标准

采用高性能总线是缓解总线瓶颈问题的最直接的方法。本小节中介绍几种高性能微机或 工业控制总线，目的是在没有软件无线电系统通用标准总线的情况下，为设计软件无线电系统提供几种候选总线标准。内容包括PCI总线（MIT的虚拟无线电系统中采用）、Fastbus总线和Futurebus＋总线等。上述3种总线标准的主要参数如表1所示。

从表 1 中可以看出， Fastbus 总线、 PCI 总线以及 Futurebus ＋总线三者的峰值传输速率都很高。同时，通过异步通信（

Fastbus 总线和 Futurebus ＋总线）或改变总线时钟频率（ PCI

总线）等方式实现对不同速率的处理模块的支持，具有灵活且支持范围广的特点，在软件无线电系统设计中具有较好的前景。

但是，虽然在技术发展的支持下经过标准组织的努力，当前已存在部分高性能总线标准可供实现软件无线电硬件平台时选用，但为了满足系统扩展升级的要求（总线传输速率要求相应增大）以及考虑到实现系统的复杂度等因素，总线瓶颈问题始终是一个值得讨论的问题。下面讨论几种进一步提高系统信息传输带宽的解决方案。

3 ．解决总线瓶颈问题的 3 种方案

（1）基于多总线结构的解决方案

这是通过增加总线数量、利用并行概念来提高处理系统中信息传输带宽的方案。图 1

中给出的基于总线的软件无线电系统体系结构就是双总线结构。对于软件无线电系统来说，总线的方案选择是由设计所支持的多种通信模式中总线带宽要求最高的模式所决定的。而对于同时支持的其他的总线带宽要求低的通信模式来说，单一总线就可能满足实时性要求。这种情况下多总线方案带来了另一个附加的好处：容错能力，即在主总线系统发生故障失效时仍能正常工作。对于移动通信中的基站来说，处理不同信道（或信道组）的功能单元之间的偶合很松，即通信很少，此时的多总线方案可以是分级的多总线方案。

由于这是一种以系统控制复杂度为代价换取总线带宽的方案，为了降低系统的控制复杂度，可采用下面讨论的基于交叉开关或多口随机存储器的方案。

（2）以交叉开关代替总线的连接方案

这种方案如图2所示。在这种方案中，当2个功能模块要求通信时，首先设置开关控制参数以建立两者之间的固定连接，再进行通信。这种方案与总线方案不同之处是，在总线连接中，各模块之间以时分的方式通过共享总线进行通信，这一点正是总线瓶颈产生的根源。而基于交叉开关连接的方式中，模块之间的通信是建立在固定连接基础之上的，因此不存在因多个模块共享总线资源而带来的总线瓶颈。但这种方案也有局限性，即当无线电模块很多时交叉开关过于复杂，从而限制了此方案的使用。因此，只适用于小型软件无线电系统的硬件平台或在大型软件无线电系统中实现局部模块间的连接。

（3）基于多端口随机存储器（Multi－port RAM）的互连方案

图3中给出了基于多口RAM的软件无线电硬件平台方案。在采用多口RAM连接的方案中，所有无线电功能模块可以对所有的多口RAM空间进行寻址，因此，通过对此多口RAM进行读、写操作可实现模块间的通信。由于多口RAM中地址与数据控制逻辑十分复杂，实现中常见的多口RAM有双口RAM和四口RAM。因此，这种方式与基于交叉开关方式相同只适合于在简单的软件无线电系统中采用，或者在大型软件无线电系统中实现局部模块间的连接，其扩展能力和灵活性相对于总线连接方式较差。典型四口RAM有CYPRESS半导体公司的QuadPortTM DSE芯片，如CY7C043XXBV族DSE芯片，主要参数见表2。

上面介绍的缓解总线瓶颈的方案中有的是基于总线的，也有的不是基于总线的，依据并行处理的概念可统一称为基于互连的系统体系结构。在实际系统设计中可以根据实际要求采用其中的一种方案或将几种方案综合起来以提高信息传递带宽。

四 、 结束语

在无线电技术与 VLSI 技术迅速发展的背景下，灵活性和可扩展升级能力在软件无线电体系结构中的地位越来越突出，于是基于总线的软件无线电体系结构会倍受青睐。因此，解决其内在的局限性总线瓶颈问题的工作是很有意义的。随着新技术的引入，如光纤总线技术的成熟等［ 2 ］，总线带宽将越来越宽，辅之以系统体系结构上的改进，相信在软件无线电技术应用中总线瓶颈问题是会得到妥善解决的。