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軟件無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)的新趨勢(shì)

2005-08-18 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) 字號(hào):
    近年來(lái)軟件無(wú)線電技術(shù)發(fā)展取得了一些進(jìn)展,但仍面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn),包括高速A/D、DSP數(shù)字處理、射頻前端、天線技術(shù)等問(wèn)題,可以說(shuō)這些技術(shù)決定著軟件無(wú)線電的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)。多年來(lái)在這方面的努力也從未停止過(guò),這些技術(shù)仍在不斷的發(fā)展,同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢(shì)。
  一、天線技術(shù)
 
  理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)的天線部分應(yīng)該能覆蓋全部無(wú)線通信頻段,要能在很寬的工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙通信。目前采用的是多頻段組合式天線,即在全頻段甚至每個(gè)頻段使用幾付天線組合起來(lái)形成寬帶天線。
 
  寬帶天線被視為是實(shí)現(xiàn)理想軟件無(wú)線電系統(tǒng)的最佳天線方案,也被認(rèn)為在目前技術(shù)條件水平下是不能實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)發(fā)展的RF RMEMS微機(jī)電系統(tǒng) 是一種高度小型化的器件,可作為小型開(kāi)關(guān)取代天線中的高成本、大體積的PIN二級(jí)管、超寬帶場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET 和真空繼電器VTR ,是實(shí)現(xiàn)寬帶可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)的一種具有突破性的技術(shù)。采用MEMS,可以電子的方式改變一方環(huán)形開(kāi)槽天線的工作頻率。在一方型的開(kāi)槽天線上,當(dāng)周長(zhǎng)近似為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí),在某個(gè)頻率上可獲取良好的性能,要針對(duì)新頻段重構(gòu)天線時(shí),可通過(guò)交換不同的開(kāi)槽天線單元的入口和出口。因此,在3—8GHz范圍進(jìn)行頻率變換成為可能。利用PIN二極管開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的MEMS開(kāi)關(guān)還具有低損耗、高隔離與體積小等優(yōu)勢(shì)。
 
  另外目前出現(xiàn)的新的天線單元技術(shù),能設(shè)計(jì)和生產(chǎn)用于SDR的寬帶WB 和超寬帶UWB 天線,這包括超寬帶的“電阻”resistive 天線和“曲線”天線MLA 。MEMS技術(shù)的應(yīng)用將使WB和UWB天線的體積和成本降低多個(gè)數(shù)量級(jí)。另外建模和仿真方法的進(jìn)步可實(shí)現(xiàn)對(duì)這些新天線單元的精確仿真。
 
  二、RF前端技術(shù)
 
  目前RF元器件的水平還只能支持20%左右的帶寬,故在現(xiàn)有的軟件無(wú)線電系統(tǒng)中采用的技術(shù)方案是使用一組RF模塊覆蓋整個(gè)頻段。在支持多標(biāo)準(zhǔn)時(shí)還可能要求更換射頻模塊。隨著寬頻段合成技術(shù)、低噪聲高性能半導(dǎo)體工藝技術(shù)的成熟,出現(xiàn)非常靈活的RF模塊。高度小型化的多頻段多模式MBMM RF芯片已于2003年投入生產(chǎn),超導(dǎo)RF技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)商用政府多頻段多模式前端所需的性能。這兩種技術(shù)在目前正成為SDR主流技術(shù),到2005年開(kāi)始通用。
 
  RF MEMS技術(shù)是一種新的器件技術(shù),具有低損耗、體積小等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)一種具有高集成度的高性能器件,它的應(yīng)用將多頻段多模式RF芯片的體積、重量、功耗以及成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí),并提高了該芯片的處理速度和處理能力,使數(shù)字信號(hào)處理器能夠完成調(diào)制解調(diào)功能。另外MEMS器件的可移動(dòng)特性可動(dòng)態(tài)調(diào)整元件的參數(shù)值,從而大大提高了多個(gè)射頻器件的性能和靈活性,這包括基于MEMS高Q諧振器的低相位噪聲電壓控制振蕩器、基于MEMS可變電容器和開(kāi)關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的寬帶變電器和相移器、基于MEMS可變電抗單元和開(kāi)關(guān)的可調(diào)諧濾波器。可編程帶通濾波器在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中至為關(guān)鍵,它能確保信道的有效利用和高靈敏度,同時(shí)又是RF模塊組中價(jià)格最高靈活性最差的器件,軟件無(wú)線電需要這些單元以電子方式構(gòu)成或者疊加起來(lái)組成一個(gè)濾波器庫(kù)。目前大多數(shù)軟件無(wú)線電系統(tǒng)采用后一種方式,據(jù)悉,對(duì)基于高Q MEMS的濾波器已進(jìn)行了演示。另外也考慮采用超導(dǎo)技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)具有超速滾降特性的可調(diào)諧帶通濾波器。目前利用超導(dǎo)溥膜工藝實(shí)現(xiàn)了中頻為3.5、調(diào)諧范圍為620MHz的調(diào)諧濾波器。該工藝具有低損耗特點(diǎn),可設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有低插入損耗和寬帶能力的多級(jí)溥膜濾波器。
 
  三、AD和DA變換技術(shù)
 
 ?。痢ND和DA變換器在軟件無(wú)線電系統(tǒng)所處的位置是非常關(guān)鍵的,它直接反映了軟件電臺(tái)的軟件化程度。對(duì)于理想的軟件無(wú)線電而言,AD變換器的動(dòng)態(tài)范圍必須在100—120dB或者16-20位,最大輸入信號(hào)頻率要在1GHz和5GHz之間。就目前的技術(shù)發(fā)展水平,很難實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)要求。近兩年來(lái),隨著現(xiàn)代深亞微米技術(shù)的應(yīng)用,出現(xiàn)了多種AD變換器結(jié)構(gòu):∑△結(jié)構(gòu)和管狀結(jié)構(gòu)。∑△結(jié)構(gòu)AD變換器的優(yōu)勢(shì)在于能提供較大的動(dòng)態(tài)范圍和高線性度,但變換速度有限。要提高速度,關(guān)鍵一點(diǎn)是改進(jìn)結(jié)構(gòu),如降低重復(fù)取樣速率,減少多比特環(huán)路和高階環(huán)路穩(wěn)定度問(wèn)題以及優(yōu)化所需的放大器的帶寬等。管狀AD變換器能實(shí)現(xiàn)最高的變換速率,但分辨率只能限于13—14位。通過(guò)優(yōu)化整個(gè)結(jié)構(gòu),包括采用先進(jìn)的校準(zhǔn)電路和糾錯(cuò)算法可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和變換速率,最終實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍。據(jù)有關(guān)研究顯示,混合結(jié)構(gòu)的變換器,如管狀∑△結(jié)構(gòu)或管狀折疊插入式AD變換器是很有希望的概念,這種結(jié)構(gòu)不僅能綜合不同結(jié)構(gòu)在分辨率和變換速率方面的優(yōu)勢(shì),而且還具有糾錯(cuò)算法、降低功耗和適應(yīng)不同環(huán)境的能力。首個(gè)分辨率超過(guò)4位、變換速率超過(guò)1Gsampless的AD變換器已公布于眾。盡管仍以犧牲功耗為代價(jià),但向超高速AD變換器發(fā)展趨勢(shì)是清晰可見(jiàn)的。
 
  根據(jù)最新資料顯示:將超導(dǎo)和光取樣技術(shù)應(yīng)用于AD變換器已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。具有突破性的一項(xiàng)技術(shù)是“快速單通量”RSFQ 技術(shù)。該技術(shù)基于超導(dǎo)基本量子機(jī)械特性,說(shuō)明了離散的量化形式中存在著磁通。在該技術(shù)中,單磁通量子脈沖代表二進(jìn)制值。因?yàn)橐粋€(gè)完整的單磁通量子代表一個(gè)脈沖,所以這種技術(shù)的性能受到輸入信號(hào)最大轉(zhuǎn)速率的嚴(yán)格限制。因此可以通過(guò)對(duì)處理速度與分辨率進(jìn)行折衷的方法來(lái)達(dá)到最佳技術(shù)性能。在一個(gè)重復(fù)取樣的基于超導(dǎo)AD變換器中,孔徑抖動(dòng)的影響會(huì)大減少,使超寬頻段工作已切實(shí)可行。而且在這樣的AD變換器中,其輸入端的取樣速率與輸出端不同,其內(nèi)部的可編程抽取器可根據(jù)比特?cái)?shù)和帶寬進(jìn)行折衷來(lái)設(shè)置。
 
  基于超導(dǎo)技術(shù)的AD變換器另一個(gè)重要特性是高靈敏度。驅(qū)動(dòng)單磁通量子電路所需的最小功率是1mW,即比高速半導(dǎo)體AD變換器所需的1 mW小了三個(gè)數(shù)量級(jí)。這一特性加上高取樣速率最終可使系統(tǒng)無(wú)需使用低噪聲放大器LNA ,并可直接在天線端取樣,由此可以得到更高的系統(tǒng)增益。盡管超導(dǎo)AD變換器與半導(dǎo)體AD變換器相比,在性能上還沒(méi)有顯著的優(yōu)越性,但主要的技術(shù)精華還是非常有前途的。目前工作于19.6Gltz頻段的超導(dǎo)AD變換器已有演示。
 
  在光取樣AD變換器中,取樣與量化功能分別是在光域和電子域中完成的。光取樣AD變換器的主要優(yōu)點(diǎn)在于模式鎖定激光源的定時(shí)抖動(dòng)小。目前已報(bào)道,信噪比SNR 為51dB的光取樣AD變換器就相當(dāng)于速率為505Mss,有效分辨率為8.2比特的傳統(tǒng)半導(dǎo)體AD變換器。在不遠(yuǎn)的將來(lái),通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn),預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)取樣率達(dá)到數(shù)GHz且具有12比特分辨率的光取樣AD變換器。另外,鎖定在10GHz激光模式已實(shí)現(xiàn)了光時(shí)鐘脈沖的產(chǎn)生,每3ps3皮秒 寬脈沖的定時(shí)抖動(dòng)為16fs0.016% , 幅度抖動(dòng)為0.058%。這些標(biāo)準(zhǔn)的抖動(dòng)值可使光取樣率在10Gss時(shí),精度達(dá)到11比特。
 
  下面對(duì)不同的AD變換器技術(shù)進(jìn)行了比較:(其中,超導(dǎo)AD變換器分辨率位數(shù)和速率都不是固定的值,可以進(jìn)行折衷,以達(dá)到所期望的性能。)
 
  目前DA的發(fā)展水平是:高精度DA16bits 5MSPS,高速度DA14bits 1GSPS,速度和精度兼顧DA 14bits 300MSPS。DA技術(shù)可用變換器,還需要高速存儲(chǔ)器,現(xiàn)在集成電路技術(shù)的發(fā)展已有1ns的砷化嫁RAM商品,但將大量砷化嫁RAM用到任意波形發(fā)生器上顯然價(jià)格過(guò)高,而且也消耗大量功率,比較經(jīng)濟(jì)的做法是用多路轉(zhuǎn)換的方案,允許波形存儲(chǔ)在相對(duì)低速的COMSRAM。
 
DSP是限制軟件無(wú)線電發(fā)展的瓶頸問(wèn)題,其數(shù)據(jù)處理速度和精度直接關(guān)系到軟件無(wú)線電臺(tái)能否實(shí)現(xiàn)。目前采用的技術(shù)方案主要是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)DSP 、專用集成電路ASIC 、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA 以及這幾種技術(shù)的結(jié)合。高速DSP芯片是軟件無(wú)線電的核心部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理器件在速度和性能上有了很大的提高。2003年TI推出了業(yè)界速度最快的三款新型720MHzDSP,該速度打破了TI自己保持的600MHz全球最快速度DSP的記錄,打破了性能極限。這些DSP的指令執(zhí)行速度超過(guò)了5700HIPS,適用于下一代無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字視頻、電信設(shè)備和成像應(yīng)用。TI推出的另一款DSP,其速度達(dá)到1GHz。據(jù)悉,目前最快的芯片處理速度已達(dá)到10GFLOPS,但在性價(jià)比、功耗上仍很難滿足要求。為解決這一問(wèn)題,采用了一種RISC精簡(jiǎn)指令集計(jì)算 結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝,改進(jìn)DSP芯核,并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元,外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。
 
FPGA是可重編程器件,所實(shí)現(xiàn)的功能大大超過(guò)今天的DSP微處理器,包括實(shí)現(xiàn)軟件的可編程性、高速的硬件,并可實(shí)時(shí)重構(gòu)。事實(shí)上,FPGA是真正的 “軟”硬件,能在定制硬件和靈活的全軟件方案之間折衷。近年來(lái)FPGA無(wú)論是在規(guī)模、處理速度還是功耗上,都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。FPGA器件的集成度已達(dá)到上千萬(wàn)門,系統(tǒng)工作頻率達(dá)到幾百MHz。高端FPGA的時(shí)鐘頻率已高達(dá)250MHz,可提供25G次MAC的性能。
 
由于大規(guī)模FPGA既有傳統(tǒng)FPGA運(yùn)算速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn),又具有可動(dòng)態(tài)配置的靈活性,在軟件無(wú)線電中將發(fā)揮重大的作用,主要表現(xiàn)在:
 
●主要完成軟件無(wú)線電臺(tái)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、調(diào)制解調(diào)和編碼解碼等工作 由于電臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)流量大,進(jìn)行濾波、變頻等處理運(yùn)算次數(shù)多。必須采用高速、實(shí)時(shí)、并行的數(shù)字信號(hào)處理器模塊或?qū)S眉呻娐凡拍苓_(dá)到要求。要完成這么艱巨的任務(wù),必須要求硬件處理速度很高,芯片容量大,同時(shí)要求進(jìn)行針對(duì)處理器算法的優(yōu)化和改進(jìn)。只有這樣,才能實(shí)現(xiàn)電臺(tái)內(nèi)部軟件的高速運(yùn)行以及多種功能的靈活切換和控制。對(duì)于一些固定功能的模塊如濾波器、下變頻器等,可以用具有可編程能力的專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn),而且這種芯片的處理速度要高于通用DSP芯片。
 
利用FPGA可以同時(shí)滿足速度和靈活性兩方面的要求,支持軟件無(wú)線電中動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置的功能。通常來(lái)說(shuō)系統(tǒng)的分配方式是:計(jì)算密集型的部分在DSP內(nèi)部完成;功能相對(duì)固定的部分,則由FPGA來(lái)完成。這樣,既可以滿足高速的數(shù)字信號(hào)處理器的要求,又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種硬件的全方位配置。
 
●根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)理想的軟件無(wú)線電進(jìn)行配置,并提供數(shù)字化終端
 
理想的軟件無(wú)線電是用AD變換器對(duì)天線上的信號(hào)或中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,但數(shù)字化后的數(shù)據(jù)不只是靠軟件進(jìn)行處理,而是利用各種靈活的、可重新配置的ASlC和通用數(shù)字信號(hào)處理器DSP 來(lái)縮減系統(tǒng)功耗、體積和成本。這些ASIC是可編程的,可以針對(duì)不同頻道的特性和調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的實(shí)施方案包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA 或ASIC, 它們比完全靈活的DSP實(shí)施方案更為經(jīng)濟(jì)。這些硬件模塊可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇,用作不同系統(tǒng)的公用硬件。
 
另外,FPGA提供了“芯片上的系統(tǒng)” 特征。它包含了連續(xù)的收發(fā)技術(shù)、RISC處理器和一定數(shù)量的可編程存儲(chǔ)器,為軟件配置無(wú)線電信號(hào)處理提供數(shù)字化終端。
 
●同DSP組合,可以提供較大的可編程能力
 
可編程門陣列FPGA 在實(shí)際中的可編程性比ASIC高,但FPGA要受門的個(gè)數(shù)和連線多少的限制,當(dāng)電臺(tái)在功能上需要擴(kuò)展時(shí),受門連接的限制,其可編程性要比DSP小。采用FPGA與DSP混合結(jié)構(gòu),具有較大的可編程能力。
 
●在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換、濾波等功能
 
FPGA同DSP、FIR專用芯片、存儲(chǔ)器、I0接口組成可編程DSP模塊,用以實(shí)現(xiàn)x.25物理層中數(shù)據(jù)比特流的透明傳輸。按照不同的數(shù)據(jù)處理流程,DSP模塊的功能可劃分為:與終端的數(shù)據(jù)交換、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)、信道環(huán)境分析和管理、自適應(yīng)頻率估計(jì)選擇和校正、單邊帶SSB 調(diào)制解調(diào)、頻率交換等。整個(gè)DSP模塊在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中通常用來(lái)滿足頻率變換和濾波的需求,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換、濾波、擴(kuò)頻、調(diào)制等功能。
 
五 互連技術(shù)
 
互連結(jié)構(gòu)是用來(lái)解決如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各單元互連,組成一個(gè)開(kāi)放、可擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn),具有較高數(shù)據(jù)吞吐量的硬件平臺(tái)的問(wèn)題。目前主要的互連結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樹(shù)型結(jié)構(gòu)。在總線結(jié)構(gòu)中,各功能模塊通過(guò)統(tǒng)一的、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)接口相連接,使系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和通用性。但是總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是只能有一個(gè)功能單元在總線上傳輸數(shù)據(jù),即它是時(shí)間共享。這種時(shí)分復(fù)用機(jī)制限制了帶寬,制約了互連總線結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性。總線結(jié)構(gòu),包括VME和PCI等,在工業(yè)界已有廣泛使用,且實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易。再加上其特有的一些優(yōu)勢(shì)使其在近期內(nèi)很難被其它技術(shù)完全取代。在交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,每個(gè)功能單元有一個(gè)適配器,用來(lái)將數(shù)據(jù)打包傳送給交換網(wǎng)。其原理類似于IP或ATM交換。與總線結(jié)構(gòu)相比,交換網(wǎng)技術(shù)有以下一些優(yōu)勢(shì):
 
●在時(shí)隙數(shù)和綜合性能兩方面有很好的可擴(kuò)縮性
 
●物理配置和規(guī)模上的靈活性
 
●費(fèi)效比高,實(shí)用性強(qiáng),系統(tǒng)不出現(xiàn)局部故障
 
●有效滿足各種通信系統(tǒng)和通信協(xié)議的要求
 
該結(jié)構(gòu)在軟件無(wú)線電中應(yīng)用時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量和包延遲方面的性能有嚴(yán)格的要求。樹(shù)型結(jié)構(gòu)優(yōu)化了互連技術(shù)的應(yīng)用,免除功能塊之間的互連,但實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的難度,靈活性也有限。下表為這三種結(jié)構(gòu)性能比較: 在這三種結(jié)構(gòu)中,總線結(jié)構(gòu)享有廣泛的使用和認(rèn)可;而交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)速率更高、更具靈活性,樹(shù)型結(jié)構(gòu)更是優(yōu)化了互連技術(shù),但是目前這三種互連技術(shù)中,任何一種還都不能滿足所有的應(yīng)用和技術(shù)要求。因此,在近期內(nèi)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)將不會(huì)鎖定在任何單一的技術(shù)方案上。
 
正如任何技術(shù)都要經(jīng)歷一個(gè)起步、發(fā)展和成熟的過(guò)程,軟件無(wú)線電技術(shù)也在不斷地發(fā)展、成熟??梢韵嘈牛S著這些關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,軟件無(wú)線電將在未來(lái)得到更為廣泛的應(yīng)用。
 
摘自“通信世界報(bào)”2004年6月
主題閱讀:軟件無(wú)線電
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