軟件無線電設(shè)計中的六個主要環(huán)節(jié)

在短短的不到二十年的時間里,移動通信經(jīng)歷了從AMPS、NMT模擬移動通信,到D-AMPS,IS-94,GSM數(shù)字移動通信,再到第三代CDMA技術(shù)的發(fā)展過程。在移動通信技術(shù)的發(fā)展為生活帶來方便的同時,也出現(xiàn)了多種通信體制并存、各種標準層出不窮和頻率資源缺乏的現(xiàn)象。以硬件為主的傳統(tǒng)的通信體制難于適應(yīng)這種局面,這些新標準由于射頻載波頻率和調(diào)制方式不同而限制了各種設(shè)備的互通和兼容,造成了資金浪費和重復投入。軟件無線電(SDR,SoftwareDefinedRadio)技術(shù)能夠解決這一問題。它是指多頻段、多功能的無線通信系統(tǒng)(MBMMR,Multi-BandMulti-ModeRadio)。其主要功能主要由軟件實現(xiàn),是在通用的硬件平臺上通過軟件的不同算法,實時配置自己的信號波形、調(diào)制方式,提供不同的無線通信功能與業(yè)務(wù)。由于軟件無線電的軟、硬件便于升級,因而具有很強的適應(yīng)性與兼容性。

軟件無線電技術(shù),是多種技術(shù)的結(jié)合。按從前到后的順序有:多頻段天線技術(shù)、射頻轉(zhuǎn)換技術(shù)、寬帶ADC和DAC、以及在通用可編程器件上實現(xiàn)中頻信號、基帶信號、比特流的處理等等。這一從前到后的順序同時也是一個中頻數(shù)字化的軟件無線電的信號處理(接收時)流程。由于現(xiàn)階段,A/D、D/A變換器取樣率、數(shù)字信號處理能力的限制,大多數(shù)頻段的RF變換部分還必須是模擬的。因此,只能在中頻部分進行數(shù)字化。本文就以中頻數(shù)字化的軟件無線電為基礎(chǔ),討論設(shè)計中的六個主要環(huán)節(jié)。

第一、天線

軟件無線電的設(shè)計開始于天線。為了能夠動態(tài)地接收多頻段的射頻信號(串行或并行),必須使用寬帶天線。同時,要根據(jù)電波傳播條件設(shè)計天線,使之具有一定的極化或方向圖分集控制能力。智能天線是普遍被人們看好的一個解決方案。智能天線要實現(xiàn)所謂的智能化,就必須重點依靠算法,依靠軟件來進行控制。它有以下優(yōu)點:①減少接收到的多徑信號的數(shù)量,降低衰落;②對接受到的多徑信號進行最佳合并,充分利用多徑信號的信息能量;③利用智能天線的較強的抑制多徑干擾的能力,提高系統(tǒng)性能;④提高頻譜的利用率。

此外,智能天線的不少功能也是用數(shù)字的方法完成的,即采用各種DSP技術(shù),精確的測向、測頻。因此它適合與多頻段、多功能電臺(MBMMR),即軟件無線電臺配套使用。在天線陣確定后,不同的準則或算法將導致不同的性能,軟件無線電的模式開放結(jié)構(gòu)使得可以在原有硬件條件下改善和更新智能天線系統(tǒng)。

第二、射頻轉(zhuǎn)換部分

RF變換模塊需要完成的任務(wù)包括:功率放大、接收預防大、RF信號與IF信號之間的變換。它的設(shè)計要使得下一步的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)發(fā)揮最優(yōu)性能。一個窄帶超外差式接收機的射頻部分與寬帶軟件無線電的射頻部分相比有相似之處,但并不相同。寬帶的軟件無線電的射頻部分要求:在濾波器的滾降特性的銳利程度受到損害的情況下,強調(diào)仍然能提供線性的功率放大。

第三、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)

ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)是軟件無線電的關(guān)鍵部件之一,必須仔細地設(shè)計或選擇。就性能指標而言,A/D變換器要求有較高的采樣率與分辨率,以便在恢復時降低失真。除此之外,還要求大的線性動態(tài)范圍,以減少互調(diào)失真,使接收的弱信號仍能在強的干擾信號中檢測出來。它在移動通信中有遠近效應(yīng)時尤為重要。隨頻率和帶寬的增加,采樣速率和動態(tài)范圍也將增大。

在無線通信中,SNR(信噪比)與SFDR(無寄生動態(tài)范圍)等技術(shù)指標也是非常重要的。SNR,它度量一個信號必須比噪聲底值高多少,變換器仍能直接與分辨率有關(guān)。無寄生動態(tài)范圍(SFDR),是度量變換器中的非線性誤差源,用來評估強信號下A/D變換器同步檢測弱信號的能力。而且往往是高速器件性能的限制因素。如果沒有最高線性度,任何失真或諧波都會產(chǎn)生強信號的像頻,而且這些像頻與真正信號是難以區(qū)分的。GSM系統(tǒng)的SFDR值要求達到91dB。

在A/D和D/A器件上,一些產(chǎn)品已能工作在中頻頻段。如:AD6644是一種性能優(yōu)良,具有14位分辨率、65MSPS抽樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,是繼AD9042(12位,41MSPS)和AD6640(12位,65MSPS)之后,寬帶ADC家族中的第三代產(chǎn)品。

第四、數(shù)字信號處理模塊（DSP）

在數(shù)字信號處理模塊的實現(xiàn)上,基本的趨勢為DSP(DigitalSignalProcessor,數(shù)字信號處理器)和FPGA(FieldProgrammableGateArray,現(xiàn)場可編程門陣列)、ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits,專用集成電路)并舉,通用型DSP和專用型DSP并舉?？梢院唵卫斫鉃?DSP以軟件方式,FPGA和ASIC以硬件方式實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法。由于DSP和FPGA均具備可編程能力,它們比較適合軟件無線電的需要。

DSP可分為通用和專用兩大類。通用的DSP產(chǎn)品指令集較復雜,功能較全面,TI、AD、Motorola、Lucent等公司均有系列的通用DSP產(chǎn)品。在速度上,通用DSP已能達到GIPS(每秒109次)量級,如TI的TMS20C6xx系列。而專用DSP為某特定算法而設(shè)計,指令集較為簡單,速度也較快。目前應(yīng)用得較多的產(chǎn)品有Intersil公司(原Harris的半導體部門)的HSP50214/215、HSP50016,Graychip公司的GC1012、GC4014,以及AD公司的AD6620/22/24等。

一般認為要進行較好的濾波處理,需要每采樣點100次操作,對于一個系統(tǒng)帶寬為10MHz的系統(tǒng),采樣率需大于25MHz,這就需要2500MIPS的運算能力,使用目前的通用DSP芯片還無法完成這一任務(wù),即使用并行處理算法,也需要多個高性能的通用DSP。因此,改用專用DSP處理芯片(也稱數(shù)字下變頻器)來完成A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理工作是目前比較可取的方法。數(shù)字下變頻器(DDC)的基本功能是從輸入的寬帶數(shù)字信號中提取所需的窄帶信號,并將其下變頻為數(shù)字基帶信號。

第五、算法及軟件實現(xiàn)

軟件無線電的本質(zhì)是用軟件定義無線通信。首先從天線部分來看:智能天線的理論基礎(chǔ)是信號統(tǒng)計檢測與估計理論、信號處理及最優(yōu)控制理論。在實際中,使性能量度達到最優(yōu)(即獲得最佳權(quán)矢量)并跟蹤信號環(huán)境變化的方法是采用自適應(yīng)信號處理算法。常用的算法有LMS(LeastMeanSquare)、RLS(RecursiveLeastSquares)和DMI(DirectMatrixInversion)等。

再有,軟件無線電臺是一種波形可編程、多頻段、多模式的無線電臺,因此必須要使用可編程軟件,使波形、頻段以及工作模式可以進行識別與選擇。美國高級研究計劃局(ARPA)最早開始了軟件無線電臺的Speakeasy計劃研究。Speakeasy計劃第一階段已實現(xiàn)了在短波段(HF)兼容各種基本信號波形,包括模擬式話音通信、跳頻的數(shù)據(jù)與話音通信、多速率數(shù)據(jù)通信等體制。Speakeasy計劃第二階段的目的是仿真15種以上基本信號調(diào)制波形。這些調(diào)制波形包括

調(diào)幅:跳頻/非跳頻的雙邊帶(DSB),單邊帶(SSB),幅度鍵控(OOK);

調(diào)頻:FM,最小頻移鍵控(MSK),連續(xù)相位移頻鍵控(CPFSK);

調(diào)相:跳頻/非跳頻的多相移相鍵控(MPSK),差分移相鍵控(DPSK),差分正交移相鍵控(DQPSK);

正交調(diào)幅:非跳頻的4,16,64及256QAM。

第六、總線

軟件無線電的一個重要特點是其開放性,這主要體現(xiàn)在軟件無線電所采用的開放式標準化總線上,只有采用先進的標準化總線,軟件無線電才能發(fā)揮其適應(yīng)性廣,升級換代方便等特點。軟件無線電中的總線結(jié)構(gòu)必須具有以下特點:（1）支持多處理器系統(tǒng)。由于中頻數(shù)字化的軟件無線電在射頻轉(zhuǎn)換之后就進行A/D變換,加上多波段多模式的特點,因此對數(shù)字信號處理的速度提出了極高的要求。總線結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證多個異種CPU的并行處理和協(xié)調(diào)工作,并能有效的共享系統(tǒng)資源。

（2）高速寬帶總線。為了保證高速數(shù)字信號處理數(shù)據(jù)的迅速交換,軟件無線電要求其總線有極高的數(shù)據(jù)傳輸和I/O吞吐能力,傳輸率要求在每秒50MB以上。支持32位到64位獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線。

在這些32位總線中,VME總線技術(shù)最成熟,所得到的支持最廣泛,而且是VXI總線、VME64總線以及Futurebus+總線的基礎(chǔ)。它的特點是:高性能、并行性、實時性和可靠性。VME總線在高檔RISC工作站中已成為一種總線標準,如SUN、DEC、HP、SGI等公司的一些工作站產(chǎn)品都選用VME作為標準總線。在值入式實時應(yīng)用中,更能充分發(fā)揮VME總線的全部優(yōu)點,很多公司生產(chǎn)的高速DSP并行處理板都是建立在VME總線上的。

就目前的總體技術(shù)水平而言,VME總線是軟件無線電的首選總線,美軍Speakeasy軟件無線電臺就采用了VME總線。

結(jié)束語

以上討論了設(shè)計軟件無線電所要考慮的六個主要環(huán)節(jié)。那么,不管這六個環(huán)節(jié)跨越了模擬、射頻、數(shù)字硬件還是軟件設(shè)計等各不相同的學科領(lǐng)域,必須要明確一點的是:軟件無線電需要的是一種Multi-disciplinary的設(shè)計方法。

1.P.B.Kenington.Eme