1.4 SDR平臺的架構
SDR的功能需求包括重新編程及重新設定的能力、提供并改變業務的能力、支持多標準的能力以及智能化頻譜利用的能力等。下面從一個相對完整的SDR平臺角度來闡述SDR平臺的架構，主要包括以軟件為中心的SDR架構和用于SDR信號處理的硬件結構兩個方面。
1.4.1 以軟件為中心的SDR架構
軟件無線電，其重點在于基于一款通用平臺來進行功能的軟件化處理。在SDR探討中，開發人員往往注重平臺的硬件開發，偏重于搭建平臺時使用器件的處理性能，以使得通用平臺盡可能地接近理想軟件無線電的設計要求。這使得一部分人忽略了SDR中軟件平臺的設計。研究人員提出了SDR軟件平臺的概念，是指在利用通用硬件平臺實現SDR功能時的一種用戶算法處理框架（或簡單認為信號處理框架），甚至是一種操作環境（如滿足軟件通信體系架構規范用戶接口環境）。SDR軟件平臺（也稱作SDR架構）負責的功能一般包括：
（1）提供用戶接口，用戶通過該接口添加、刪除功能模塊。
（2）算法封裝，將算法包裝與外界隔離。算法包括通信算法、信號處理算法、C/C++等其他算法。
（3）互連接口，以完成模塊間互連。
（4）中間信號的測試調試接口。
（5）調度器或者適配器，用來管理模塊。
SDR架構中，最受歡迎的兩類開源平臺分別是開源軟件定義無線電（GNU Radio）和開源軟件通信體系框架嵌入式解決方案（OSSIE）。二者都是著手于標準化和可移植化的代碼開發，GNU Radio的出發點是提供一種信號處理框架，而OSSIE的目標是提供一種軟件通信體系架構（SCA）操作環境。
1.GNU Radio平臺
GNU Radio是一種設計SDR的開源架構，其主要組件包括6個部分：通用框架、調度器、C++和Python工具、數字信號處理（DSP）模塊、用戶接口界面、硬件前端的接口。這6個部分詳細功能說明如下：
（1）一個為信號處理模塊準備的通用框架，并且其可以連接到一個或多個其他模塊。
（2）一個調度器，用于激活每個處理模塊并且管理模塊之間的相關數據傳輸。
（3）C++和Python工具，用于建立多個模塊間的流圖，并將該流圖連接到調度器上。
（4）一組足夠多的用于濾波器、跟蹤環等的常用DSP模塊。
（5）用戶接口界面，允許用戶拖動模塊、模塊連線來實現GNU Radio的設計。
（6）一個與商用硬件前端的接口。前端硬件包括數模/模數轉換器（DAC/ADC）和上下變頻器，來提供通用處理器（GPP）和無線物理環境的接口。
GNU Radio運行在Linux系統上。圖1.6所示為GNU Radio圖形用戶接口界面，每一個小模塊封裝了不同的信號處理功能，而且這些算法功能都是開源的。大部分算法或者信號處理模塊是基于C++語言開發的，可讀性強，同時也便于用戶開發。模塊間的通信是利用數據通道完成的，信息采用的是消息隊列形式。GNU Radio結合通用軟件無線電外設（USRP）開發板，可以認為是一種SDR平臺，研究人員可以利用這種平臺進行一些算法的快速開發和SDR研究。
圖1.6 GNU Radio圖形用戶接口界面
2.SSIE平臺
OSSIE是一種開發SCA兼容無線電的開源平臺，提供了一種SCA操作環境。OSSIE分配包括以下幾部分：
（1）用來選擇模塊和互連模塊的用戶接口。
（2）定義新模塊的用戶接口，可以創建C++程序框架，用戶根據應用需要可以增減框架內所需要的信號處理代碼。
（3）用來檢查和調試波形的用戶接口，該接口允許開發人員監視中間模塊中的信號。監控器可以在運行中添加，便于觀察中間波形，進行模塊調試。
（4）基于開源對象請求代理（ORB）的SCA兼容公共對象請求代理體系結構（CORBA）。
（5）一系列學習指南和實驗課程。Windows用戶可以直接下載相關組件并運行，不需要安裝Linux，相對于GNU Radio上手容易。
用戶接口軟件OSSIE提供了SDR架構設計、信號處理代碼封裝、接口調試、中間模塊波形調試等功能，在OSSIE上開發完整的無線電是相當可行的。基于OSSIE架構，Prismtech公司的Spectra系統提供了一個完整的用來開發SCA兼容波形的操作環境。
3.不同開源SDR平臺間對比
GNU Radio是由專門的業余愛好者創立，以節省開支和臨時應急驗證為目的的一種快速開發工具；而OSSIE符合軍方開發標準。二者都是著手于標準化和可移植化的代碼開發。
GNU Radio的出發點是提供一種信號處理框架，與之不同的是OSSIE的目標是提供一種SCA操作環境。GNU Radio運行在Linux平臺上，且直接訪問文件系統和硬件；SCA波形運行在OSSIE提供的一個良好的操作環境下，應用程序界面抽象描述了文件系統和硬件。在GNU Radio上的模塊之間通過Python或者C++指令來互相連接，采樣數據是通過用戶自定義的循環緩沖來傳輸。OSSIE采用可擴展置標語言（XML）文件定義模塊連接，而實際是通過CORBA服務完成了連接。最重要的是OSSIE基于ORB結構，采用了傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）傳輸采樣數據。特別說明，ORB允許不同的模塊運行在不同的機器上，而GNU Radio平臺上的流圖只能在同一臺機器上運行。通過比較發現，GNU Radio更像是OSSIE中的一種功能組件，完成的是OSSIE的信號處理功能。
1.4.2 用于SDR信號處理的硬件結構
SDR要求硬件系統具有功能可重構、較高的實時處理能力，要求適應性廣、升級換代簡便。一般情況下，要求SDR硬件系統具備如下特點：支持多處理器系統，具有寬帶高速數據傳輸I/O接口，結構模塊化、標準化、規范化等。常見的SDR平臺就是CPU+DSP+FPGA這種形式。即使不具備全部硬件，但仍然可以進行SDR開發，因為SDR更像是一種設計理念，重在軟件和算法處理，其組件（不管是硬件平臺，還是軟件算法）滿足同一種規范，則具備SDR可重構的靈活性。目前，存在4種主流SDR硬件平臺結構：基于GPP的SDR結構、基于現場可編程門陣列（FPGA）的SDR（Non-GPP）結構、基于GPP+FPGA/SDP的混合SDR結構、多通道SDR結構。
1.基于GPP的SDR結構
基于GPP的SDR結構提供了最大的靈活性和最簡單的開發。GPP最適合用于實驗室環境的研究和開發，研究者能夠快速嘗試一系列算法和波形。一款高配PC在運行相當復雜的波形情況下，數據傳輸速率≥1Mbit/s，通過以太網、USB、PCI等標準接口可以直接處理數字基帶或者低中頻采樣數據，并且可以通過多核處理來提高數據的吞吐量。但是，對于這種結構來說更適合處理數據塊，并不擅長處理實時采樣數據，數據延時和抖動是其面臨的主要問題。操作系統會引進延時和抖動，Windows系統抖動可能超過10ms，而像Vx Works這種實時操作系統抖動可以限制在1ms內。
基于GPP的SDR結構比較簡單，其結構一般如圖1.7所示，只包括天線、ADC/DAC、數據緩沖模塊（FIFO）和GPP。這種架構對于開發人員來說，相當方便和靈活，直接接入個人PC就可以進行算法開發和測試，但它也存在缺點，如上所述，延時和數據處理的方式等。
圖1.7 基于GPP的SDR結構
ADC—模數轉換器；FIFO—數據緩沖模塊；DAC—數模轉換器；GPP—通用處理器
2.基于FPGA的SDR（Non-GPP）結構
基于FPGA的SDR結構的實現比較困難。FPGA適合于高數據傳輸速率和大帶寬信號波形應用，并且可以用于靈活實現無線電和多種多樣的波形設計，但是在結構上與GPP存在本質區別。GPP在內存中執行指令且很容易從一個指令功能轉換到另一種功能，而FPGA上的功能直接映射成了硬件電路，一個新功能需要更多的FPGA資源。同時，FPGA的高度并行結構十分適合數據流處理，但是不適合密集型控制處理。另一方面，FPGA的配置文件高達40MB，配置時間長達100ms，而且重新配置是容易丟失芯片中的數據。這些問題直接造成了多波形設計中重新加載的時間太長的問題。雖然一部分FPGA支持局部重配置的功能，但是這項技術相當困難并且嚴重受到開發工具的限制。讓人興奮的是，FPGA實現了2011年提出的三項建議：
（1）專用GPP與FPGA一同使用。
（2）通過使用可用的邏輯資源在FPGA上嵌入一個全功能的單片機。
（3）將FPGA和GPP結合制作成單一器件（如Xilinx ZYNQ系列）。
將FPGA和GPP結合制作成單一器件，并不是像嵌入了單片機模塊，這種片上單片機上電可用，并且不需要FPGA就可以進行編程設計。由此可知，基于FPGA的SDR架構時代已經到來，新一代SDR將在新技術下越來越有意義。
3.基于GPP+FPGA/DSP的混合SDR結構
基于GPP+FPGA/DSP的混合SDR結構，分為GPP+FPGA、GPP+DSP+FPGA兩種主要架構形式。這種組合結構融合不同器件的優點，取長補短，在功耗要求比較寬松的實驗室環境下，能夠給開發人員提供一種快速驗證各類算法性能高的平臺。
圖1.8所示為這種結構的互連示意圖。這種結構一般對異構器件間的數據交換的性能要求較高，不同器件間通信一般會采用PCI接口方式[（1.25Gbit/s）/1x]和串行高速輸入輸出（SRIO）接口方式[（1.5Gbit/s）/1x]。PCI Express主要用于計算機中芯片間、板卡間的數據傳輸；Rapid Io主要用于嵌入式系統內芯片間、板間數據傳輸，其目標就是嵌入式系統內的高性能互連。這種混合SDR結構，可以充分地利用各種器件的優勢，但同時也存在著接口設計復雜和能耗大的問題。
圖1.8 異構器件互連示意圖
FPGA—現場可編程門陣列；DSP—數字信號處理器；GPP—通用處理器
4.多通道SDR結構
除了上述討論的SDR基本結構，也存在多通道SDR結構，如圖1.9所示。多通道SDR旨在多并發用戶共享相同的帶寬，例如在一種互不兼容無線電模式下的無線電轉換，允許不同模式下用戶間對話。這種架構最簡單的結構就是整合一組獨立的SDR，每一個SDR支持一個或多個信道，一般這些SDR分別具有低速率、中速率、高速率處理能力。這種結構除了對多種用戶接口、復雜的算法設計、系統設計提出高要求，也對信號處理器（GPP/FPGA/DSP）和射頻模塊（ADC/DAC/放大器）的性能提出了較高的要求。
圖1.9 多通道SDR結構
ADC—模數轉換器；DSP—數字信號處理；GPP—通用處理器；DAC—數模轉換器；
SPU—通用處理器；FPGA—現場可編程門陣列；RF—射頻
目前，業界也出現了一系列支持SDR/CR的高性能開發平臺，均是基于以上討論的架構。例如，National Instruments公司的USRP、BeeCube公司的BEE3、基于Xilinx ZYNQ系列的Zing Board/Zed Board開發板等。這些現有的具有SDR開發能力的開發板大多屬于商業產品，并不是專業應用于SDR開發的產品，輔以個人PC設備才能進行一定意義上的SDR設計。