在短短的不到二十年的時(shí)間里,移動(dòng)通信經(jīng)歷了從AMPS、NMT模擬移動(dòng)通信,到D-AMPS,IS-94,GSM數(shù)字移動(dòng)通信,再到第三代CDMA技術(shù)的發(fā)展過程。在移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展為生活帶來方便的同時(shí),也出現(xiàn)了多種通信體制并存、各種標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fèi)和重復(fù)投入。軟件無線電(SDR,Software Defined Radio)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-Band Multi-Mode Radio)。其主要功能主要由軟件實(shí)現(xiàn),是在通用的硬件平臺(tái)上通過軟件的不同算法,實(shí)時(shí)配置自己的信號(hào)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(jí),因而具有很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)、基帶信號(hào)、比特流的處理等等。這一從前到后的順序同時(shí)也是一個(gè)中頻數(shù)字化的軟件無線電的信號(hào)處理(接收時(shí))流程。由于現(xiàn)階段,A/D、D/A變換器取樣率、數(shù)字信號(hào)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(jìn)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(jì)中的六個(gè)主要環(huán)節(jié)。  

 

第一、天線

 

    軟件無線電的設(shè)計(jì)開始于天線。為了能夠動(dòng)態(tài)地接收多頻段的射頻信號(hào)(串行或并行),必須使用寬帶天線。同時(shí),要根據(jù)電波傳播條件設(shè)計(jì)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(gè)解決方案。智能天線要實(shí)現(xiàn)所謂的智能化,就必須重點(diǎn)依靠算法,依靠軟件來進(jìn)行控制。它有以下優(yōu)點(diǎn):①減少接收到的多徑信號(hào)的數(shù)量,降低衰落;②對(duì)接受到的多徑信號(hào)進(jìn)行最佳合并,充分利用多徑信號(hào)的信息能量;③利用智能天線的較強(qiáng)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(cè)向、測(cè)頻。因此它適合與多頻段、多功能電臺(tái)(MBMMR),即軟件無線電臺(tái)配套使用。在天線陣確定后,不同的準(zhǔn)則或算法將導(dǎo)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(yù)防大、RF信號(hào)與IF信號(hào)之間的變換。它的設(shè)計(jì)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(gè)窄帶超外差式接收機(jī)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(qiáng)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(xì)地設(shè)計(jì)或選擇。就性能指標(biāo)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(fù)時(shí)降低失真。除此之外,還要求大的線性動(dòng)態(tài)范圍,以減少互調(diào)失真,使接收的弱信號(hào)仍能在強(qiáng)的干擾信號(hào)中檢測(cè)出來。它在移動(dòng)通信中有遠(yuǎn)近效應(yīng)時(shí)尤為重要。隨頻率和帶寬的增加,采樣速率和動(dòng)態(tài)范圍也將增大。

 

    在無線通信中,SNR(信噪比)與SFDR(無寄生動(dòng)態(tài)范圍)等技術(shù)指標(biāo)也是非常重要的。SNR,它度量一個(gè)信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍(SFDR),是度量變換器中的非線性誤差源,用來評(píng)估強(qiáng)信號(hào)下A/D變換器同步檢測(cè)弱信號(hào)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)信號(hào)的像頻,而且這些像頻與真正信號(hào)是難以區(qū)分的。 GSM系統(tǒng)的SFDR值要求達(dá)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(hào)處理模塊（DSP）

 

    在數(shù)字信號(hào)處理模塊的實(shí)現(xiàn)上,基本的趨勢(shì)為DSP(Digital Signal Processor,數(shù)字信號(hào)處理器)和FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)、ASIC(Application Specific Integrated Circuits,專用集成電路)并舉,通用型DSP和專用型DSP并舉?？梢院?jiǎn)單理解為,DSP以軟件方式,FPGA和ASIC以硬件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(fù)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(dá)到GIPS(每秒109次)量級(jí),如TI的TMS20C6xx系列。而專用DSP為某特定算法而設(shè)計(jì),指令集較為簡(jiǎn)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(dǎo)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(rèn)為要進(jìn)行較好的濾波處理,需要每采樣點(diǎn)100次操作,對(duì)于一個(gè)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(yùn)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(gè)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(hào)中提取所需的窄帶信號(hào),并將其下變頻為數(shù)字基帶信號(hào)。

    

 

第五、算法及軟件實(shí)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(hào)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)與估計(jì)理論、信號(hào)處理及最優(yōu)控制理論。在實(shí)際中,使性能量度達(dá)到最優(yōu)(即獲得最佳權(quán)矢量)并跟蹤信號(hào)環(huán)境變化的方法是采用自適應(yīng)信號(hào)處理算法。常用的算法有LMS(Least Mean Square)、RLS(Recursive Least Squares)和DMI(Direct Matrix Inversion)等。

 

    再有,軟件無線電臺(tái)是一種波形可編程、多頻段、多模式的無線電臺(tái),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(jìn)行識(shí)別與選擇。美國高級(jí)研究計(jì)劃局(ARPA)最早開始了軟件無線電臺(tái)的Speakeasy計(jì)劃研究。Speakeasy計(jì)劃第一階段已實(shí)現(xiàn)了在短波段(HF)兼容各種基本信號(hào)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(jì)劃第二階段的目的是仿真15種以上基本信號(hào)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(gè)重要特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)化總線上,只有采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線,軟件無線電才能發(fā)揮其適應(yīng)性廣,升級(jí)換代方便等特點(diǎn)。軟件無線電中的總線結(jié)構(gòu)必須具有以下特點(diǎn):

（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(jìn)行A/D變換,加上多波段多模式的特點(diǎn),因此對(duì)數(shù)字信號(hào)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(gè)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(hào)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(dú)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(diǎn)是:高性能、并行性、實(shí)時(shí)性和可靠性。VME總線在高檔RISC工作站中已成為一種總線標(biāo)準(zhǔn),如SUN、DEC、HP、SGI等公司的一些工作站產(chǎn)品都選用VME作為標(biāo)準(zhǔn)總線。在值入式實(shí)時(shí)應(yīng)用中,更能充分發(fā)揮VME總線的全部優(yōu)點(diǎn),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(tái)就采用了VME總線。

 

結(jié)束語

 

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

 

參考文獻(xiàn)

 

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摘自《網(wǎng)絡(luò)通信世界》