中频数字化软件无线电设计的六个主要环节：天线、射频转换部分、ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)、数字信

在短短的不到二十年的时间里,移动通信经历了从AMPS、NMT模拟移动通信,到D-AMPS,IS-94,GSM数字移动通信,再到第三代CDMA技术的发展过程。在移动通信技术的发展为生活带来方便的同时,也出现了多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的现象。以硬件为主的传统的通信体制难于适应这种局面,这些新标准由于射频载波频率和调制方式不同而限制了各种设备的互通和兼容,造成了资金浪费和重复投入。软件无线电(SDR,Software Defined Radio)技术能够解决这一问题。它是指多频段、多功能的无线通信系统(MBMMR,Multi-Band Multi-Mode Radio)。其主要功能主要由软件实现,是在通用的硬件平台上通过软件的不同算法,实时配置自己的信号波形、调制方式,提供不同的无线通信功能与业务。由于软件无线电的软、硬件便于升级,因而具有很强的适应性与兼容性。

软件无线电技术,是多种技术的结合。按从前到后的顺序有:多频段天线技术、射频转换技术、宽带ADC和DAC、以及在通用可编程器件上实现中频信号、基带信号、比特流的处理等等。这一从前到后的顺序同时也是一个中频数字化的软件无线电的信号处理(接收时)流程。由于现阶段,A/D、D/A变换器取样率、数字信号处理能力的限制,大多数频段的RF变换部分还必须是模拟的。因此,只能在中频部分进行数字化。本文就以中频数字化的软件无线电为基础,讨论设计中的六个主要环节。  

第一、天线

软件无线电的设计开始于天线。为了能够动态地接收多频段的射频信号(串行或并行),必须使用宽带天线。同时,要根据电波传播条件设计天线,使之具有一定的极化或方向图分集控制能力。智能天线是普遍被人们看好的一个解决方案。智能天线要实现所谓的智能化,就必须重点依靠算法,依靠软件来进行控制。它有以下优点:①减少接收到的多径信号的数量,降低衰落;②对接受到的多径信号进行最佳合并,充分利用多径信号的信息能量;③利用智能天线的较强的抑制多径干扰的能力,提高系统性能;④提高频谱的利用率。

此外,智能天线的不少功能也是用数字的方法完成的,即采用各种DSP 技术,精确的测向、测频。因此它适合与多频段、多功能电台(MBMMR),即软件无线电台配套使用。在天线阵确定后,不同的准则或算法将导致不同的性能,软件无线电的模式开放结构使得可以在原有硬件条件下改善和更新智能天线系统。

第二、射频转换部分

RF变换模块需要完成的任务包括:功率放大、接收预防大、RF信号与IF信号之间的变换。它的设计要使得下一步的ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)发挥最优性能。一个窄带超外差式接收机的射频部分与宽带软件无线电的射频部分相比有相似之处,但并不相同。宽带的软件无线电的射频部分要求:在滤波器的滚降特性的锐利程度受到损害的情况下,强调仍然能提供线性的功率放大

第三、ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)

ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)是软件无线电的关键部件之一,必须仔细地设计或选择。就性能指标而言,A/D变换器要求有较高的采样率与分辨率,以便在恢复时降低失真。除此之外,还要求大的线性动态范围,以减少互调失真,使接收的弱信号仍能在强的干扰信号中检测出来。它在移动通信中有远近效应时尤为重要。随频率和带宽的增加,采样速率和动态范围也将增大。

在无线通信中,SNR(信噪比)与SFDR(无寄生动态范围)等技术指标也是非常重要的。SNR,它度量一个信号必须比噪声底值高多少,变换器仍能直接与分辨率有关。无寄生动态范围(SFDR),是度量变换器中的非线性误差源,用来评估强信号下A/D变换器同步检测弱信号的能力。而且往往是高速器件性能的限制因素。如果没有最高线性度,任何失真或谐波都会产生强信号的像频,而且这些像频与真正信号是难以区分的。 GSM系统的SFDR值要求达到91dB。

在A/D和D/A器件上,一些产品已能工作在中频频段。如:AD6644是一种性能优良,具有14位分辨率、65MSPS抽样率的模数转换器,是继AD9042(12位,41MSPS)和AD6640(12位,65MSPS)之后,宽带ADC家族中的第三代产品。

第四、数字信号处理模块（DSP）

在数字信号处理模块的实现上,基本的趋势为DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)和FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、ASIC(Application Specific Integrated Circuits,专用集成电路)并举,通用型DSP和专用型DSP并举。可以简单理解为,DSP以软件方式,FPGA和ASIC以硬件方式实现数字信号处理算法。由于DSP和FPGA均具备可编程能力,它们比较适合软件无线电的需要。

DSP可分为通用和专用两大类。通用的DSP产品指令集较复杂,功能较全面,TI、AD、Motorola、Lucent等公司均有系列的通用DSP产品。在速度上,通用DSP已能达到GIPS(每秒109次)量级,如TI的TMS20C6xx系列。而专用DSP为某特定算法而设计,指令集较为简单,速度也较快。目前应用得较多的产品有Intersil公司(原Harris的半导体部门)的HSP50214/215、HSP50016,Graychip公司的GC1012、GC4014,以及AD公司的AD6620/22/24等。

一般认为要进行较好的滤波处理,需要每采样点100次操作,对于一个系统带宽为10MHz的系统,采样率需大于25MHz,这就需要2500MIPS的运算能力,使用目前的通用DSP芯片还无法完成这一任务,即使用并行处理算法,也需要多个高性能的通用DSP。因此,改用专用DSP处理芯片(也称数字下变频器)来完成A/D转换后的数据处理工作是目前比较可取的方法。数字下变频器(DDC)的基本功能是从输入的宽带数字信号中提取所需的窄带信号,并将其下变频为数字基带信号。

第五、算法及软件实现

软件无线电的本质是用软件定义无线通信。首先从天线部分来看:智能天线的理论基础是信号统计检测与估计理论、信号处理及最优控制理论。在实际中,使性能量度达到最优(即获得最佳权矢量)并跟踪信号环境变化的方法是采用自适应信号处理算法。常用的算法有LMS(Least Mean Square)、RLS(Recursive Least Squares)和DMI(Direct Matrix Inversion)等。

再有,软件无线电台是一种波形可编程、多频段、多模式的无线电台,因此必须要使用可编程软件,使波形、频段以及工作模式可以进行识别与选择。美国高级研究计划局(ARPA)最早开始了软件无线电台的Speakeasy计划研究。Speakeasy计划第一阶段已实现了在短波段(HF)兼容各种基本信号波形,包括模拟式话音通信、跳频的数据与话音通信、多速率数据通信等体制。Speakeasy计划第二阶段的目的是仿真15种以上基本信号调制波形。这些调制波形包括

调幅:跳频/非跳频的双边带(DSB),单边带(SSB),幅度键控(OOK);

调频:FM,最小频移键控(MSK),连续相位移频键控(CPFSK);

调相:跳频/非跳频的多相移相键控(MPSK),差分移相键控(DPSK),差分正交移相键控(DQPSK);

正交调幅:非跳频的4,16,64及256QAM。

第六、总线

软件无线电的一个重要特点是其开放性,这主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线上,只有采用先进的标准化总线,软件无线电才能发挥其适应性广,升级换代方便等特点。软件无线电中的总线结构必须具有以下特点:

（1）支持多处理器系统。由于中频数字化的软件无线电在射频转换之后就进行A/D变换,加上多波段多模式的特点,因此对数字信号处理的速度提出了极高的要求。总线结构应能保证多个异种CPU的并行处理和协调工作,并能有效的共享系统资源。

（2）高速宽带总线。为了保证高速数字信号处理数据的迅速交换,软件无线电要求其总线有极高的数据传输和I/O吞吐能力,传输率要求在每秒50MB以上。支持32位到64位独立的数据总线和地址总线。

在这些32位总线中,VME总线技术最成熟,所得到的支持最广泛,而且是VXI总线、VME64总线以及Futurebus+总线的基础。它的特点是:高性能、并行性、实时性和可靠性。VME总线在高档RISC工作站中已成为一种总线标准,如SUN、DEC、HP、SGI等公司的一些工作站产品都选用VME作为标准总线。在值入式实时应用中,更能充分发挥VME总线的全部优点,很多公司生产的高速DSP并行处理板都是建立在VME总线上的。

就目前的总体技术水平而言,VME总线是软件无线电的首选总线,美军Speakeasy软件无线电台就采用了VME总线。

结束语

以上讨论了设计软件无线电所要考虑的六个主要环节。那么,不管这六个环节跨越了模拟、射频、数字硬件还是软件设计等各不相同的学科领域,必须要明确一点的是:软件无线电需要的是一种Multi-disciplinary的设计方法。

参考文献

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