采用軟件無線電技術(shù)多模接收機結(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

2鄭州信息工程大學(xué) 二系


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


　　關(guān)鍵詞：移動通信；軟件無線電；多模手機；低中頻方案 



一、 引言


　　在中國，移動通信包括了移動和聯(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，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，在地下商場或地鐵等封閉場合提供服務(wù)，并且由于其資費便宜，同樣具有很強的競爭力。每個系統(tǒng)都有各自的特點，如果一個手機可以利用多個系統(tǒng)的優(yōu)點，享受多個系統(tǒng)提供的服務(wù)，必將受到歡迎。在日本，NTT DOCOMO推出的稱為DOCCIMO的雙頻雙模（PDC/PHS）的移動電話非常受歡迎就證明了這一點。


　　第三代移動通信系統(tǒng)的研發(fā)已進行了好多年，各大通信公司早已有產(chǎn)品推出，估計幾年內(nèi)，移動通信系統(tǒng)就要升級換代。如果可以使用多模移動終端（2G和3G），那么在第三代移動通信系統(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”或第四代移動通信的研究已經(jīng)開始。由于新一代的移動通信需要更高頻段來傳輸超高速率的數(shù)據(jù)，這樣會使傳輸損耗增加，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。解決這個問題的方法之一就是在城區(qū)使用4G的同時，在偏遠(yuǎn)地區(qū)依然使用3G，那么第四代手機就必須是多模（4G和3G）的。


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

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二、軟件無線電硬件平臺的結(jié)構(gòu)


　　經(jīng)典的軟件無線電結(jié)構(gòu)從全局的角度劃分，包括實時信道處理流、環(huán)境管理流和輔助軟件工具。實時信道處理流的處理對象是輸入輸出信息流，所以必須是實時的，它包括了信道編譯碼和無線接入?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、時間、空間三方面不間斷地提供無線環(huán)境的特征，包括信道識別、估計干擾水平及用戶定位等信息，供實時信道處理流使用，因而它是近實時的處理。輔助軟件工具用于增強服務(wù)功能或承擔(dān)部分分析無線電環(huán)境的功能，它包括在線和離線的系統(tǒng)分析工具、信號處理工具等［３］。信道編譯碼囊括了整個無線通信的處理流程，是研究的主體和重點，也是本文分析的主體。


　　僅從信道編譯碼來看，軟件無線電的結(jié)構(gòu)類型（接收機）按照下變頻的種類不同（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接近基帶的低中頻，低中頻信號的抽樣數(shù)字化不需要處理直接下變頻的偏移問題；(4)直接下變頻。信號從射頻到基帶（零中頻）的變換必須要處理直接下變頻的偏移問題。


　　現(xiàn)在運用較廣的結(jié)構(gòu)是中頻采樣結(jié)構(gòu)。首先射頻信號通過模擬器件變換為某一中頻信號，然后經(jīng)過AD帶通采樣數(shù)字化，經(jīng)過AD的數(shù)字信號直接由數(shù)字下變頻（DDC）變換到基帶進行處理。直接數(shù)字下變頻器通過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選擇所需的信道，這樣做的好處是使用專用數(shù)字芯片極大地降低了通用數(shù)字信號處理器件的運算負(fù)擔(dān)，也保證了一定的靈活性。但是軟件無線電的思想要求盡量用通用數(shù)字信號處理器件來定義系統(tǒng)的功能，使用專用數(shù)字器件的同時，會降低系統(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)的某一信道將會很困難。


　　使用直接下變頻將射頻信號直接變換到基帶，用更靈活的數(shù)字可編程器件來進行信道選擇，會方便得多。但正如前面提到的直接下變頻會面臨不得不處理下變頻的偏移問題，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現(xiàn)30～40 dB的鏡像信號的抑制能力。


　　而如果采用低中頻方法，它不但可以用更靈活的數(shù)字可編程器件來進行信道選擇以保證靈活性，也不需要處理下變頻的偏移問題，而且它又可比較容易地實現(xiàn)60～70 dB的鏡像信號抑制。從射頻變換到低中頻（一般小于等于10 MHz）的信號，可以進行過采樣，低通濾波器也會工作在較低的頻率，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結(jié)構(gòu)


　　整個結(jié)構(gòu)采用“模擬系統(tǒng)選擇，數(shù)字信道選擇”的方法［２］實現(xiàn)寬帶信號的接收，在系統(tǒng)的模擬電路部分選出整個系統(tǒng)的信號，然后在數(shù)字電路部分選出需處理的信道進行處理。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，所需信號的鏡像信號不在系統(tǒng)的帶寬內(nèi)，所以在射頻前端就可采用一個帶通濾波器（RFfL）進行鏡像抑制濾波，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抑制，就現(xiàn)有的器件水平，整個對鏡像信號的抑制能力可達(dá)到70～80 dB。由于要求接收多個系統(tǒng)的信號，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，其頻率和帶寬在幾個可選值之間可變，整個模擬系統(tǒng)選擇的過程如圖2所示�！　�










　　當(dāng)選出了所需系統(tǒng)信號后，就要選出所需的信道，這部分被設(shè)計在數(shù)字電路部分中處理，所以稱為數(shù)字信道選擇�，F(xiàn)有的移動通信的體制分為：頻分多址、時分多址和碼分多址。采用頻分方式的移動通信系統(tǒng)已屬淘汰行列，現(xiàn)有數(shù)量很少；采用時分和碼分方式的移動通信系統(tǒng)是現(xiàn)有移動通信的主體技術(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3種多址情況分別進行討論（圖3）。

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　　因為碼分多址是下一代移動通信的首選技術(shù)，下面就以采用碼分多址技術(shù)的IS－95為例說明數(shù)字信道選擇的過程。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進行解調(diào)、解擴處理，DSP進行基帶數(shù)據(jù)處理。


　　在模擬射頻處理及A/D變換后，所需系統(tǒng)的信號就在一個很低的已知中頻上，我們首先要對它進行解調(diào)，利用數(shù)控振蕩器（NCO）產(chǎn)生與已知中頻（可變）同頻的載波信號進行正交解調(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結(jié)構(gòu)是不變的，它適用于各種標(biāo)準(zhǔn)的移動通信系統(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鐘同步和載波同步，對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（解擴過程）是CDMA的獨特處理過程，如果將它放在DSP中處理會使DSP的處理負(fù)擔(dān)過重，所以將它們放在FPGA中，但這樣也會影響到接收機的靈活性，因為對于頻分和時分系統(tǒng)的信號，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。同時由于IS-95（還包括寬帶CDMA系統(tǒng)）用RAKE接收機來解決多徑干擾的問題，這部分電路需要有多個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，接收頻分和時分信號時則將其短路，這樣就可以多用一些資源來保證接收機的靈活性。對于不同的CDMA系統(tǒng)這部分電路是可以根據(jù)參數(shù)改變來滿足要求的。時分多址和頻分多址要用均衡電路來對抗由于移動信道的多徑干擾引起的碼間串?dāng)_問題，而碼分多址不需要這種處理，如果這部分電路在DSP中完成不能保證實時性，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幾十兆赫的多媒體移動通信系統(tǒng)，就必須開發(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)的移動通信系統(tǒng)的整個帶寬內(nèi)提供線性，因為系統(tǒng)中的所有信道都直接輸入到了濾波器進行處理。


四、系統(tǒng)資源


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


　　總線資源是軟件無線電硬件平臺非常重要的一環(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)重影響整個平臺的處理能力。通用總線的類型有PCI總線和VME總線，現(xiàn)在這兩種總線形式的能力對高速復(fù)雜系統(tǒng)的處理，已顯得比較緊張。有的公司已經(jīng)開發(fā)的專用的總線類型，并應(yīng)用到了軟件無線電通用硬件平臺上，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)品會達(dá)到400 Mbit/s。在設(shè)計中對總線能力需求的估計涉及到整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量分析和硬件平臺上具體的任務(wù)分配，必須進行認(rèn)真細(xì)致的考慮。


　　存儲器用來存儲程序代碼和需處理的和處理后的臨時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會不斷更新。存儲器的大小的選擇決定于程序代碼的大小和這些臨時數(shù)據(jù)的大小。


　　系統(tǒng)運算資源包括FPGA規(guī)模的大小還有CPU和DSP的運算能力。根據(jù)現(xiàn)在通用數(shù)字信號處理器件的運算能力有限，一般把象解調(diào)解擴這樣運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)軟件無線電的思想，最好是能夠使用通用數(shù)字信號處理器件（DSP）實現(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行處理，所以一般都認(rèn)為DSP是軟件無線電發(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，可見DSP的處理能力大大增強。但是我們還應(yīng)看到新的無線通信系統(tǒng)的速率和復(fù)雜性也是越來越高，要實現(xiàn)理想的軟件無線電結(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)開銷和其它運營功能的實現(xiàn)等。


五、結(jié)束語


　　基于移動通信和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，能接收多種標(biāo)準(zhǔn)的移動通信系統(tǒng)的信號并采用軟件無線電技術(shù)的多模手機，具有了很大的研究必要性和可能性。本文從這一點出發(fā)，比較了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，提出了采用低中頻原則的多模手機（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的鏡像信號抑制能力，并且最大限度地保證了接收機的靈活性和可重置性，同時以IS-95為例進行了數(shù)字信道選擇的具體說明，并對系統(tǒng)資源的需求進行了細(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)