采用軟件無(wú)線電技術(shù)多模接收機(jī)結(jié)構(gòu)

許華１，郭建新２，鄭輝１

1.西南電子電信技術(shù)研究所

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　　摘 要：對(duì)移動(dòng)通信中采用多模手機(jī)的必要性及各種不同的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，提出了采用軟件無(wú)線電技術(shù)低中頻原則，可接收多種移動(dòng)通信體制信號(hào)的多模接收機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及決定資源需求的各種因素進(jìn)行了討論。


　　關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信；軟件無(wú)線電；多模手機(jī)；低中頻方案 ��



一、 引言


　　在中國(guó)，移動(dòng)通信包括了移動(dòng)和聯(lián)通的GSM網(wǎng)、聯(lián)通的CDMA（IS－95），及電信的（PAS）小靈通，各個(gè)系統(tǒng)之間不能共享資源。GSM和IS－95系統(tǒng)是蜂窩系統(tǒng),可以覆蓋全國(guó)，而PAS是微蜂窩系統(tǒng)，它的服務(wù)范圍不能覆蓋到偏遠(yuǎn)地區(qū)，但卻可以利用其基站便宜的特點(diǎn)，在地下商場(chǎng)或地鐵等封閉場(chǎng)合提供服務(wù)，并且由于其資費(fèi)便宜，同樣具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。每個(gè)系統(tǒng)都有各自的特點(diǎn)，如果一個(gè)手機(jī)可以利用多個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，享受多個(gè)系統(tǒng)提供的服務(wù)，必將受到歡迎。在日本，NTT DOCOMO推出的稱(chēng)為DOCCIMO的雙頻雙模（PDC/PHS）的移動(dòng)電話非常受歡迎就證明了這一點(diǎn)。


　　第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)已進(jìn)行了好多年，各大通信公司早已有產(chǎn)品推出，估計(jì)幾年內(nèi)，移動(dòng)通信系統(tǒng)就要升級(jí)換代。如果可以使用多模移動(dòng)終端（2G和3G），那么在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)剛引入的階段就很可能減少初始投資的規(guī)�！，F(xiàn)在“beyond 3G”或第四代移動(dòng)通信的研究已經(jīng)開(kāi)始。由于新一代的移動(dòng)通信需要更高頻段來(lái)傳輸超高速率的數(shù)據(jù)，這樣會(huì)使傳輸損耗增加，而射頻功率是有限的，所以其小區(qū)半徑會(huì)比三代的蜂窩系統(tǒng)小。這樣它和PAS一樣很難應(yīng)用到偏遠(yuǎn)地區(qū)，服務(wù)范圍限于城區(qū)等人口密集的地方。解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一就是在城區(qū)使用4G的同時(shí)，在偏遠(yuǎn)地區(qū)依然使用3G，那么第四代手機(jī)就必須是多模（4G和3G）的。


　　處于對(duì)移動(dòng)終端體積、造價(jià)、可重配置性等考慮，多模手機(jī)必須利用的一項(xiàng)技術(shù)是軟件無(wú)線電技術(shù)。軟件無(wú)線電就是利用相同的硬件平臺(tái)，盡量用軟件定義無(wú)線通信系統(tǒng)的功能。由于其可以在軍用和民用兩方面都可以帶來(lái)極大的效益，所以頗受人們關(guān)注。這些年我國(guó)對(duì)軟件無(wú)線電的研究也相當(dāng)熱，軟件無(wú)線電的思想早已應(yīng)用到了各種通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上，并且對(duì)軟件無(wú)線電架構(gòu)的探索研究也在積極的開(kāi)展之中。本文對(duì)采用軟件無(wú)線電技術(shù)、可接收多種標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)通信信號(hào)的多模接收機(jī)構(gòu)架進(jìn)行了研究，提出了采用低中頻原則多模接收機(jī)（接收部分）的框架結(jié)構(gòu)。

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二、軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)


　　經(jīng)典的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)從全局的角度劃分，包括實(shí)時(shí)信道處理流、環(huán)境管理流和輔助軟件工具。實(shí)時(shí)信道處理流的處理對(duì)象是輸入輸出信息流，所以必須是實(shí)時(shí)的，它包括了信道編譯碼和無(wú)線接入?yún)f(xié)議。信道編譯碼是廣義的（包括調(diào)制和解調(diào)的過(guò)程），它又可分為：天線單元、射頻轉(zhuǎn)換單元、中頻處理單元、基帶處理單元和比特流單元。環(huán)境管理流從頻率、時(shí)間、空間三方面不間斷地提供無(wú)線環(huán)境的特征，包括信道識(shí)別、估計(jì)干擾水平及用戶定位等信息，供實(shí)時(shí)信道處理流使用，因而它是近實(shí)時(shí)的處理。輔助軟件工具用于增強(qiáng)服務(wù)功能或承擔(dān)部分分析無(wú)線電環(huán)境的功能，它包括在線和離線的系統(tǒng)分析工具、信號(hào)處理工具等［３］。信道編譯碼囊括了整個(gè)無(wú)線通信的處理流程，是研究的主體和重點(diǎn)，也是本文分析的主體。


　　僅從信道編譯碼來(lái)看，軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)類(lèi)型（接收機(jī)）按照下變頻的種類(lèi)不同（或者數(shù)模變換的位置不同）可分為：（１）傳統(tǒng)的超外差式。傳統(tǒng)的超外差式結(jié)構(gòu)現(xiàn)在還廣泛使用，但是由于RF和IF信號(hào)被固定的模擬器件處理，它很難改變象帶寬這樣的系統(tǒng)參數(shù)，因而靈活性和可重新配置性都很差；(2)中頻采樣。射頻被下變頻到某一中頻，從中頻到基帶的下變頻是數(shù)字的，考慮到器件的處理能力，必須要在帶通中頻信號(hào)的抽樣中用到欠采樣技術(shù)（即帶通采樣技術(shù)）；(3)低中頻抽樣。射頻直接下變頻到一個(gè)接近基帶的低中頻，低中頻信號(hào)的抽樣數(shù)字化不需要處理直接下變頻的偏移問(wèn)題；(4)直接下變頻。信號(hào)從射頻到基帶（零中頻）的變換必須要處理直接下變頻的偏移問(wèn)題。


　　現(xiàn)在運(yùn)用較廣的結(jié)構(gòu)是中頻采樣結(jié)構(gòu)。首先射頻信號(hào)通過(guò)模擬器件變換為某一中頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)AD帶通采樣數(shù)字化，經(jīng)過(guò)AD的數(shù)字信號(hào)直接由數(shù)字下變頻（DDC）變換到基帶進(jìn)行處理。直接數(shù)字下變頻器通過(guò)改變輸入本地載波的頻率、低通濾波器的帶寬及抽取濾波器的抽取率來(lái)選擇所需的信道，這樣做的好處是使用專(zhuān)用數(shù)字芯片極大地降低了通用數(shù)字信號(hào)處理器件的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，也保證了一定的靈活性。但是軟件無(wú)線電的思想要求盡量用通用數(shù)字信號(hào)處理器件來(lái)定義系統(tǒng)的功能，使用專(zhuān)用數(shù)字器件的同時(shí)，會(huì)降低系統(tǒng)的靈活性，如DDC的參數(shù)設(shè)定后就基本固定并且不便調(diào)整，那么它自由地選擇不同頻段，不同標(biāo)準(zhǔn)的通信系統(tǒng)的某一信道將會(huì)很困難。


　　使用直接下變頻將射頻信號(hào)直接變換到基帶，用更靈活的數(shù)字可編程器件來(lái)進(jìn)行信道選擇，會(huì)方便得多。但正如前面提到的直接下變頻會(huì)面臨不得不處理下變頻的偏移問(wèn)題，這使后面的數(shù)字器件有了額外的處理負(fù)擔(dān)，而且直接下變頻方法一般只能實(shí)現(xiàn)30～40 dB的鏡像信號(hào)的抑制能力。


　　而如果采用低中頻方法，它不但可以用更靈活的數(shù)字可編程器件來(lái)進(jìn)行信道選擇以保證靈活性，也不需要處理下變頻的偏移問(wèn)題，而且它又可比較容易地實(shí)現(xiàn)60～70 dB的鏡像信號(hào)抑制。從射頻變換到低中頻（一般小于等于10 MHz）的信號(hào)，可以進(jìn)行過(guò)采樣，低通濾波器也會(huì)工作在較低的頻率，這樣的處理負(fù)擔(dān)現(xiàn)在的通用數(shù)字器件是可以承受的。這是我們選擇低中頻采樣結(jié)構(gòu)的原因。


三、采用低中頻原則的多模接收機(jī)結(jié)構(gòu)


　　整個(gè)結(jié)構(gòu)采用“模擬系統(tǒng)選擇，數(shù)字信道選擇”的方法［２］實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的接收，在系統(tǒng)的模擬電路部分選出整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)，然后在數(shù)字電路部分選出需處理的信道進(jìn)行處理。模擬系統(tǒng)選擇的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于采用低中頻原則，所需信號(hào)的鏡像信號(hào)不在系統(tǒng)的帶寬內(nèi)，所以在射頻前端就可采用一個(gè)帶通濾波器（RFfL）進(jìn)行鏡像抑制濾波，再加上在AD變換后面采用的I、Q信道的相位抵消鏡像信號(hào)抑制，就現(xiàn)有的器件水平，整個(gè)對(duì)鏡像信號(hào)的抑制能力可達(dá)到70～80 dB。由于要求接收多個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)，而各系統(tǒng)的工作頻段不同，這就要求模擬頻率振蕩器（Afc）可根據(jù)接收系統(tǒng)的不同產(chǎn)生幾個(gè)固定的頻率，頻率的選擇根據(jù)系統(tǒng)的中頻、帶寬及設(shè)計(jì)要求決定，一般選擇比所需系統(tǒng)的最低頻率低10 MHz的頻率，進(jìn)行系統(tǒng)選擇的帶通濾波器則是按照變換后的系統(tǒng)中頻和帶寬濾出所需系統(tǒng)的信號(hào)，其頻率和帶寬在幾個(gè)可選值之間可變，整個(gè)模擬系統(tǒng)選擇的過(guò)程如圖2所示。　　










　　當(dāng)選出了所需系統(tǒng)信號(hào)后，就要選出所需的信道，這部分被設(shè)計(jì)在數(shù)字電路部分中處理，所以稱(chēng)為數(shù)字信道選擇。現(xiàn)有的移動(dòng)通信的體制分為：頻分多址、時(shí)分多址和碼分多址。采用頻分方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)已屬淘汰行列，現(xiàn)有數(shù)量很少；采用時(shí)分和碼分方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)是現(xiàn)有移動(dòng)通信的主體技術(shù)，由于三者使用的多址方式不同，它們之間完全不能兼容。下面就對(duì)3種多址情況分別進(jìn)行討論（圖3）。

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　　因?yàn)榇a分多址是下一代移動(dòng)通信的首選技術(shù)，下面就以采用碼分多址技術(shù)的IS－95為例說(shuō)明數(shù)字信道選擇的過(guò)程。數(shù)字處理的部分采用通用數(shù)字可編程器件（FPGA＋DSP），F(xiàn)PGA進(jìn)行解調(diào)、解擴(kuò)處理，DSP進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)處理。


　　在模擬射頻處理及A/D變換后，所需系統(tǒng)的信號(hào)就在一個(gè)很低的已知中頻上，我們首先要對(duì)它進(jìn)行解調(diào)，利用數(shù)控振蕩器（NCO）產(chǎn)生與已知中頻（可變）同頻的載波信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)，匹配濾波器則根據(jù)系統(tǒng)的帶寬、波形參數(shù)的不同是可變的。從模擬射頻處理到模數(shù)變換再到正交解調(diào)這一部分電路的整個(gè)結(jié)構(gòu)是不變的，它適用于各種標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)，可變的只是NCO和匹配濾波器及模擬濾波器的參數(shù)；之后的電路結(jié)構(gòu)則是根據(jù)不同的系統(tǒng)需要改變的。圖4中的同步電路主要是用于時(shí)鐘同步和載波同步，對(duì)于不同的多址方式算法基本相同，也可以采用結(jié)構(gòu)不變、參數(shù)可變的方法。去信道引導(dǎo)序列和Walsh碼相關(guān)器（解擴(kuò)過(guò)程）是CDMA的獨(dú)特處理過(guò)程，如果將它放在DSP中處理會(huì)使DSP的處理負(fù)擔(dān)過(guò)重，所以將它們放在FPGA中，但這樣也會(huì)影響到接收機(jī)的靈活性，因?yàn)閷?duì)于頻分和時(shí)分系統(tǒng)的信號(hào)，這一部分電路是用不上的，而FPGA中的電路不象DSP中的代碼可變性很強(qiáng)。同時(shí)由于IS-95（還包括寬帶CDMA系統(tǒng)）用RAKE接收機(jī)來(lái)解決多徑干擾的問(wèn)題，這部分電路需要有多個(gè)支路和其它的一些輔助電路。我們可以將這一部分電路在FPGA中保留，接收頻分和時(shí)分信號(hào)時(shí)則將其短路，這樣就可以多用一些資源來(lái)保證接收機(jī)的靈活性。對(duì)于不同的CDMA系統(tǒng)這部分電路是可以根據(jù)參數(shù)改變來(lái)滿足要求的。時(shí)分多址和頻分多址要用均衡電路來(lái)對(duì)抗由于移動(dòng)信道的多徑干擾引起的碼間串?dāng)_問(wèn)題，而碼分多址不需要這種處理，如果這部分電路在DSP中完成不能保證實(shí)時(shí)性，那么也必須采用和上面相同的處理方法。以上的處理最大限度地保證了接收機(jī)的靈活性和可重置性。DSP中的基帶數(shù)據(jù)處理部分是完全可編程的，只要根據(jù)接收系統(tǒng)的變化，載入不同的軟件即可。��



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　　這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是最大通帶受限于模擬帶通濾波器和ADC的采樣速率，因此為了適用于帶寬超過(guò)幾十兆赫的多媒體移動(dòng)通信系統(tǒng)，就必須開(kāi)發(fā)出新的更高速率器件；這種結(jié)構(gòu)也需要模擬處理部分在所有相關(guān)的移動(dòng)通信系統(tǒng)的整個(gè)帶寬內(nèi)提供線性，因?yàn)橄到y(tǒng)中的所有信道都直接輸入到了濾波器進(jìn)行處理。��


四、系統(tǒng)資源


　　對(duì)于軟件無(wú)線電來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)資源是至關(guān)重要的，它包括I/O帶寬、存儲(chǔ)能力和處理能力，也就是I/O總線的帶寬（傳輸速率）、存儲(chǔ)器組的大小、FPGA規(guī)模的大小、CPU和DSP的處理能力。按照文獻(xiàn)［３］的觀點(diǎn)，系統(tǒng)要具有魯棒性資源利用率不能超過(guò)0.5，所以必須對(duì)決定系統(tǒng)資源需求的因素進(jìn)行研究，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)系統(tǒng)資源需求進(jìn)行估計(jì)。


　　總線資源是軟件無(wú)線電硬件平臺(tái)非常重要的一環(huán)，它決定了數(shù)字器件之間的數(shù)據(jù)傳輸能力。如果總線的帶寬（傳輸速率）不夠?qū)��?yán)重影響整個(gè)平臺(tái)的處理能力。通用總線的類(lèi)型有PCI總線和VME總線，現(xiàn)在這兩種總線形式的能力對(duì)高速?gòu)?fù)雜系統(tǒng)的處理，已顯得比較緊張。有的公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用的總線類(lèi)型，并應(yīng)用到了軟件無(wú)線電通用硬件平臺(tái)上，例如加拿大Spectrum Signals Processing 公司的SONANO總線可以支持高于200 Mbit/s的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，新一代的產(chǎn)品會(huì)達(dá)到400 Mbit/s。在設(shè)計(jì)中對(duì)總線能力需求的估計(jì)涉及到整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量分析和硬件平臺(tái)上具體的任務(wù)分配，必須進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的考慮。


　　存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)程序代碼和需處理的和處理后的臨時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)不斷更新。存儲(chǔ)器的大小的選擇決定于程序代碼的大小和這些臨時(shí)數(shù)據(jù)的大小。


　　系統(tǒng)運(yùn)算資源包括FPGA規(guī)模的大小還有CPU和DSP的運(yùn)算能力。根據(jù)現(xiàn)在通用數(shù)字信號(hào)處理器件的運(yùn)算能力有限，一般把象解調(diào)解擴(kuò)這樣運(yùn)算量很大的處理放到FPGA上面。決定FPGA規(guī)模需求的因素包括匹配濾波器的帶寬和性能指標(biāo)、同步算法的復(fù)雜度、相關(guān)處理的復(fù)雜度等。根據(jù)軟件無(wú)線電的思想，最好是能夠使用通用數(shù)字信號(hào)處理器件（DSP）實(shí)現(xiàn)所有的系統(tǒng)功能，但是現(xiàn)有的DSP能力一般只能在比特流階段進(jìn)行處理，所以一般都認(rèn)為DSP是軟件無(wú)線電發(fā)展的瓶頸。一方面DSP的數(shù)據(jù)速率在提高，另一方面多DSP處理已成為發(fā)展的趨勢(shì)，可見(jiàn)DSP的處理能力大大增強(qiáng)。但是我們還應(yīng)看到新的無(wú)線通信系統(tǒng)的速率和復(fù)雜性也是越來(lái)越高，要實(shí)現(xiàn)理想的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)還很遙遠(yuǎn)。從圖4中可以分析出，決定CPU和DSP的處理能力需求的因素包括數(shù)據(jù)速率、前向糾錯(cuò)算法、比特填充和交織、信令和控制、信源編譯碼算法，最后還有管理系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)和其它運(yùn)營(yíng)功能的實(shí)現(xiàn)等。��


五、結(jié)束語(yǔ)


　　基于移動(dòng)通信和軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，能接收多種標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)并采用軟件無(wú)線電技術(shù)的多模手機(jī)，具有了很大的研究必要性和可能性。本文從這一點(diǎn)出發(fā)，比較了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了采用低中頻原則的多模手機(jī)（接收部分）的框架結(jié)構(gòu)，它使用“模擬系統(tǒng)選擇，數(shù)字信道選擇”的方法，具有70～80 dB的鏡像信號(hào)抑制能力，并且最大限度地保證了接收機(jī)的靈活性和可重置性，同時(shí)以IS-95為例進(jìn)行了數(shù)字信道選擇的具體說(shuō)明，并對(duì)系統(tǒng)資源的需求進(jìn)行了細(xì)致分析，保證了這種結(jié)構(gòu)的魯棒性。　　



參考文獻(xiàn)



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摘自　北極星電技術(shù)網(wǎng)