摘要：現有的軟件無線電偵察系統(tǒng)一般采用DSP作預處理，但DSP的開發(fā)和升級難度大。在分析嵌入式實時Linux(RTLinux)操作系統(tǒng)的基礎上，介紹了采用嵌入式實時Linux系統(tǒng)的預處理方案，具有良好的應用前景。

關鍵詞：軟件無線電；偵察系統(tǒng)；數字信號處理；嵌入式；實時Linux

一、引言

軟件無線電已成為新的第三代移動通信系統(tǒng)3G系統(tǒng)的關鍵技術之一。另一方面，軟件無線電在軍事上應用也越來越廣泛，并獲得初步的成功?，F代戰(zhàn)爭是高技術條件下的局部戰(zhàn)爭，對通信有極高的要求，當前軍事學說指出現代軍事通信系統(tǒng)應該具有互通性、靈活性、移動性、抗毀性、易維護性，而軟件無線電是現代軍事通信系統(tǒng)實現其特性的關鍵。

軟件無線電的核心思想就是把寬帶數?；蚰缔D換器放置在盡可能靠近天線的地方，將模擬信號數字化。從轉換器以下電臺的其它部分則通過構建一個通用的可編程硬件平臺來完成，利用加載軟件實現這些部分的相應功能。由于軟件無線電結構上的開放性和完全的可編程性，使它不僅能夠兼容現役的多種電臺，而且還可象微型計算機一樣通過更新軟件和硬件模塊不斷得到升級換代來適應新的通信發(fā)展模式。

軟件無線電對通信偵察提出了新的挑戰(zhàn)。顯然，工作頻率范圍不寬、功能單一的傳統(tǒng)通信偵察設備對付不了頻段寬、工作方式靈活、能夠兼容現役各類電臺功能的軟件無線電通信電臺。因此，通信偵察系統(tǒng)必須采用軟件無線電模式才能滿足實際的需要。軟件無線電通信偵察系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

在整個軟件無線電通信偵察系統(tǒng)中，預處理的任務是實時快速地對采集的信號進行（快速傅里葉變換)變換(FFT)，然后取模取極大值，經過門限比較后將稀釋的預處理結果數據送給主處理機，進行結果顯示和進一步的處理。可見預處理在整個系統(tǒng)中起到關鍵的作用，要求預處理必須實時高速。預處理任務流程如圖2所示。

二、采用DSP的高速預處理方案

數字信號處理(DigitalSignalProcessing，簡稱DSP)是20世紀90年代迅速發(fā)展起來的新興學科，其中TI公司的TMS320系列占據了主導地位。因為DSP是一種專門進行數字信號處理運算的微處理器，它的指令處理器芯片內部結構有關，能夠實現運算的優(yōu)化，因此具有很高的運算速度。比如TI公司的DSPC62X系列，定點處理能力大約在1200～2400MIPS，C67X系列浮點處理能力大約在600MOPS～1GOPS左右。因此，大多設備均采用了DSP作高速預處理的方案。

盡管DSP的各類產品應用很廣，但要使它能夠深入、持久地得以發(fā)展，必須要有相應優(yōu)秀的DSP開發(fā)系統(tǒng)提供給用戶一個靈活、方便的開發(fā)工具，使用戶在開發(fā)系統(tǒng)上可以完成對目標機的軟件、硬件系統(tǒng)的綜合調試。DSP開發(fā)系統(tǒng)對于DSP應用系統(tǒng)來說是一項基礎的工作，是否有一個適用的且有效的DSP開發(fā)系統(tǒng)，往往是關系到DSP應用成敗的關鍵因素之一。

當前DSP開發(fā)系統(tǒng)主要包括JTAG仿真開發(fā)系統(tǒng)、DSK開發(fā)系統(tǒng)、總線式DSP開發(fā)卡設計、嵌入式DSP開發(fā)系統(tǒng)。

TI公司首先實現的JTAG仿真系統(tǒng)，需要在設計目標板時預留出DSP適配器插座，而且在仿真時還要占用用戶板的部分資源。更重要的是，往往受制于開發(fā)系統(tǒng)的限制無法充分開發(fā)目標機的硬件資源、調試應用軟件，特別對于移動DSP系統(tǒng)進行二次調試非常困難。

TI公司開發(fā)生產的DSK通過與PC機簡單接口，就可以學習使用DSP，具有實時處理的強大功能。在DSP基礎上，通過適當的硬件擴展，很容易構成一個小型實用的DSP系統(tǒng)。而且在目標機工作正常的情況下能夠實現對軟件、硬件的調試工作，而且不占用目標機的任何資源。由此可以看出，DSK本身就是一個能實現一定功能的應用系統(tǒng)，由于其具有串口通信的特點，因此具有一定的代表性。這類開發(fā)系統(tǒng)也有很大的局限性，就是偏重于軟件的調試。當目標機出現硬件故障時，無法實現故障的診斷與排除，而且由于采用串口通信，因此傳送速率較慢。

DSP的DS開發(fā)系統(tǒng)，結合以上兩種開發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)勢，實現了對目標機的軟件和硬件開發(fā)。它所采用的總線式開發(fā)目標機的思想成為目前較流行的開發(fā)方式，不但能調試DSP，也可以擴展調試任何微處理機。但是，它并沒有脫離基于仿真器的思想，因此在速度和靈活性方面受到一定的制約。

與傳統(tǒng)的基于仿真器的調試方法相比，嵌入式自我調試有許多優(yōu)點：一是避免了用仿真器調試目標板時的困難；二是用戶目標板直接與微機相聯系避免了仿真器在中間隔離，能加快調試速度：三是調試功能根據實際需要自行開發(fā)和擴展；四是軟件直接在目標板上運行，調試完畢后只需固化便可以脫機運行?？梢哉f嵌入式開發(fā)系統(tǒng)是目前開發(fā)系統(tǒng)中最經濟、快捷方便的方法之一，尤其是對于復雜數字信號處理算法的調試特別有效，是今后DSP開發(fā)領域發(fā)展的方向，但對開發(fā)者的軟、硬件設計能力水平要求較高。

因此，DSP的開發(fā)對開發(fā)者的軟、硬件設計能力水平都有很高的要求，如果要充分發(fā)揮DSP的優(yōu)勢，最好采用匯編語言進行軟件開發(fā)，這樣就會開發(fā)周期長，開發(fā)難度加大，并且DSP的軟件可移植性比較差。由于DSP的指令都和它處理器芯片內部結構有關，每一代處理器的結構都有所不同，結構發(fā)生變化后，在其之上的軟件也要發(fā)生很大的變化，如C64的內部硬件結構不同于C5X，所以C64的一些指令就不同于C5X，曾經熟悉C5X的技術人員不得不從頭開始學起C64的指令，這就給編程人員帶來了很大的不便，增加了開發(fā)的難度和周期。而且現在DSP芯片更新換代很快，技術人員很難跟上更換的步伐。這就降低了整個系統(tǒng)的靈活性，軟件的可移植性差。

三、采用RTLinux的高速預處理方案

1.嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，嵌入式處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約。在嵌入式系統(tǒng)下系統(tǒng)一般沒有多少可用的內存，更沒有可用的外存，操作系統(tǒng)就裝在有限的存儲器中如ROM或FLASH。嵌入式系統(tǒng)一般由一個很小的內核及一些可以根據需要定制的系統(tǒng)模塊組成，所占空間很小，具有很高的靈活性。嵌入式處理器的應用軟件是實現嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵。軟件要求固化存儲，軟件代碼要求高質量、高可靠性，系統(tǒng)軟件(OS)的高實時性是基本要求。[!--empirenews.page--]

2.嵌入式實時Linux

許多嵌入式系統(tǒng)要求能預測、可限定響應時間地響應外界事件，也就是有實時性的要求。用于嵌入式場合的實時操作系統(tǒng)就是嵌入式實時操作系統(tǒng)，此類實時系統(tǒng)包括自動控制、數據采集和信號處理等系統(tǒng)。一般“實時”的含義是指對來自外界的事件必須在可預測的、相對短的時間段內得到響應。實時系統(tǒng)一般分為2種類型：軟實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)指系統(tǒng)整體吞吐量大或者整體響應速度快，但是不能保證在規(guī)定的時間內完成規(guī)定的任務。硬實時系統(tǒng)指任務必須在規(guī)定的時間內正確的完成。

嵌入式實時系統(tǒng)有很多，這里只介紹實時Linux系統(tǒng)。Linux本身不是一個是真正的實時操作系統(tǒng)，通用的Linux操作系統(tǒng)有3個不利于實現實時性的弊端：中斷封鎖時間過長；非搶占式Linux內核；耗盡式、機會均等的進程調度策略。但是它已經有幾個增加的選擇可以給基于Linux的系統(tǒng)提供實時特性。其中，最常用的辦法是雙內核相結合，把一個通用操作系統(tǒng)作為一個任務運行在一個實時內核上。通用操作系統(tǒng)提供磁盤讀寫、網絡及通訊、串/并口讀寫、系統(tǒng)初始化、內存管理等功能，而實時內核則處理實時事件的響應。雙內核策略充分兼容標準的Linux，而又采用一種不干擾原Linux的方式來增加了實時功能。

RTLinux（RealTimeLinux）是一個嵌入式硬實時操作系統(tǒng)，RTLinux實現了一個小的實時核心，僅支持底層任務創(chuàng)建、中斷服務例程的裝入、底層任務通信隊列、中斷服務例程(ISR)和Linux進程。原來的非實時Linux核心作為一個可搶先的任務運行于這個小核心之上，優(yōu)先級最低，隨時會被高優(yōu)先級任務搶占。用戶可自行編寫調度程序，它們可實現為可加載的核心模塊；已實現的調度程序有：基于優(yōu)先級的搶占式調度和EDF調度；基于優(yōu)先級的調度使用“單調率算法”，它直接支持周期任務。RTLinux是硬實時系統(tǒng)，系統(tǒng)響應速度可達微秒級。

3.RTLinux預處理系統(tǒng)

我們采用RTLinuxv3.0來開發(fā)預處理系統(tǒng)。從資料上看，RTLinuxv3.0為某些嵌入式處理器提供低于10μm的中斷響應時間（最差情況），為標準PC提供低于20μm的中斷響應時間（最差情況）。為了進一步驗證RTLinux是否滿足項目實時性能的要求，我們對它的實時性能指標進行了測試。由于在項目中主要的技術指標是中斷響應時間，我們采用并口中斷的方法進行測試中斷響應時間。在PII300MHz的PC機上做一個并口中斷卡，每10μm中斷一次，測試中斷響應時間，結果如表1所示。從測試結果可以看出，RTLinux具有很好的實時性。

采用RTLinux的預處理系統(tǒng)還需要編寫設備驅動程序。按照在Linux下編寫驅動程序的規(guī)則編寫，編寫以下驅動程序：（１）對設備初始化和釋放；（２）把數據從內核傳到硬件和從硬件讀取數據；（３）讀取應用程序傳遞給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據；（４）檢測和處理設備出現的錯誤。

如圖3所示，在相應的硬件基礎上，我們加載RTLinuxv3.0操作系統(tǒng)、設備驅動程序和預處理程序，就組成了一個預處理系統(tǒng)。在整個偵察系統(tǒng)的性能調試中，預處理部分經測試運行效果良好，并滿足實時性要求。

四、結束語

嵌入式實時操作系統(tǒng)是源碼開放、系統(tǒng)可裁減的，可以根據處理器的和硬件的類型進行配置，精簡了內核，達到最簡最優(yōu)的系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有很好的實時性。嵌入式實時Linux操作系統(tǒng)運行于高速的微處理器之上，隨著微處理器的快速發(fā)展，處理速度幾乎可以和DSP相媲美。作為操作系統(tǒng)，它使用戶不需和硬件打交道，利用操作系統(tǒng)提供一些標準的接口，可用高級語言來編寫程序，縮短軟件開發(fā)周期，降低軟件開發(fā)難度，并且大大提高了程序的可移植性和擴展性。所以用嵌入式實時Linux操作系統(tǒng)來代替DSP來實現預處理，可以大大提高系統(tǒng)的靈活性和軟件的可移植性，便于系統(tǒng)的維護和升級換代。因此采用RTLinux預處理的軟件無線電通信偵察系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性。更為重要的是，Linux源碼開放的，在該操作系統(tǒng)上開發(fā)的程序具有自主知識產權，保密性好，更適應于軍用軟件無線電通信偵察設備。