一種實現(xiàn)VEM總線結(jié)構(gòu)的軟件無線電方案[圖]

1992年5月，MMTRE公司的Joe．Mitola首次明確提出了軟件無線電(SDR)的概念。其中心思想是構(gòu)造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，使A／D和D／A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，將接收機的各種功能(如變頻、濾波、加密解密、擴頻和解擴等)用軟件來完成，以研制出高度靈活和開放的無線電通信系統(tǒng)。文中主要利用該系統(tǒng)的核心技術(shù)，利用了高速、高精度ADC和DAC、可編程ASIC和DSP等來構(gòu)造功能強大的軟硬件平臺，并通過選用和不斷開發(fā)新的軟件模塊來滿足多種通信需求。提高無線電通信設備接收和處理信號的能力，縮短新型無線電通信設備的開發(fā)周期，延長其使用壽命。

1 器件技術(shù)簡介

隨著電路技術(shù)和器件技術(shù)的不斷發(fā)展，如寬帶高速A／D／A、寬帶大動態(tài)接收機、高速DSP、現(xiàn)場可編程門陳列(FPGA)、高溫超導等，使軟件無線電的研究工作能在這些新器件的推動下取得新的突破。

1．1 寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

決定寬帶模／數(shù)性能的關(guān)鍵是采樣速率和位數(shù)，采樣速率由信號帶寬決定，量化位數(shù)則要滿足一定的動態(tài)范圍和數(shù)字信號處理精度。A DC的分辨率越高(位數(shù)越多)，需要轉(zhuǎn)換的時間就越長，轉(zhuǎn)換速率就越低，兩者相互制約。高速ADC的結(jié)構(gòu)主要采用全并行或閃爍型ADC；而高分辨率ADC主要采用∑-△結(jié)構(gòu)。軟件無線電中，在達到高速ADC的同時，兼顧高分辨率；同樣，在達到高分辨率的同時，也要兼顧高速。具體應用時，還要考慮功耗、功能以及與外圍其它電路的接口等。因此，在軟件無線電的發(fā)展初期采用的ADC為AD9042，目前則有性能更為優(yōu)越的AD6640。

1．2 數(shù)字下變頻器(DDC)

數(shù)字下變頻器(DDC)是A／D變換后首先要完成的處理工作，包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣，由合成器、正交混頻器、低通濾波器和輸出格式化器組成，是整個系統(tǒng)數(shù)字處理運算量最大的部分。DDC的主要功能是從寬帶輸入中提取出所需的窄帶頻段，并將該窄帶頻段變換到基帶，以正交或?qū)嵭盘栃问捷敵�。窄帶提取由下變頻和將有用頻帶中置到數(shù)據(jù)載波完成。即由正交正弦信號乘以輸入數(shù)據(jù)完成下變頻，同相(I)和正交(Q)處理支路都由高抽取濾波器(HDF)和FIR濾波器級聯(lián)組成，用來提取有用頻段。輸出格式化器對濾波器的輸出進行整形，以提供各種串行數(shù)據(jù)格式。這部分的工作由專用可編程芯片完成，如美國Harris公司的HSP50016和HSP50214。

1．3 高速DSP

軟件無線電中，單片的DSP尚不能滿足處理速度和容量的要求，必須采用多芯片并行處理。目前已商業(yè)化的產(chǎn)品如TI公司的TMS320C40(第一代并行DSP)，AD公司的ADSP2106X為可并行擴展的超級哈佛指令計算機(SHARC)，這種芯片內(nèi)四套獨立的總線，可完成雙向數(shù)據(jù)存取、指令存取、非指令性I／O，而且可方便地構(gòu)成多片并行的處理系統(tǒng)。另外，90年代中后期TI公司的TMS320C6X系列，也是專門為并行處理而設計的。TMS320C6X系列的主要特點是采用了甚長指令字(VLIW)的體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，多個功能單元是并發(fā)工作的，所有的功能單元共享使用公用寄存器堆，由功能單元同時執(zhí)行的各種操作是由VLIW的長指令來同步的，把長指令中不同字段的操作碼分別送給不同的功能單元，這種代碼壓縮是由編譯器完成的。開發(fā)工具在提供DSP系統(tǒng)的性能方面也起著重要的作用。

2 硬件體系結(jié)構(gòu)

2．1 流水線結(jié)構(gòu)

Joe．Mitola提出的理想軟件無線電結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種流水線結(jié)構(gòu)，包括天線、多頻段射頻、RF轉(zhuǎn)換、寬帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換器以及DSP處理器等。理想軟件無線電要求將A／DD／A盡量向RF靠攏，同時，用高速DSP／CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用數(shù)字電路和低速DSP／CPU做A／D后的一系列處理，從而建立一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現(xiàn)不同的通信功能。

2．2 總線式結(jié)構(gòu)

總線式結(jié)構(gòu)的軟件無線電結(jié)構(gòu)中各功能單元通過總線連接起來。并通過總線交換數(shù)據(jù)及控制命令。軟件無線電要求通信系統(tǒng)具有較高的實時處理能力。只有采用先進的標準化總線結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮其適應性廣升級換代簡便的特點。軟件無線電總線式結(jié)構(gòu)應具有以下特點：

1)支持多處理器系統(tǒng)；

2)具有寬帶高速的特性；

3)具有良好的機械和電磁特性。

總線結(jié)構(gòu)能夠在惡劣的通信環(huán)境中正常工作，保證一定的通信性能，如圖2所示。

2．3 交換式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

清華大學在“863"軟件無線電項目中提出了一種基于交換網(wǎng)絡的軟件無線電結(jié)構(gòu)，如圖3所示。各模塊之間通過適配和交換網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)包的交換，各模塊之間遵循相同接口和協(xié)議。這樣，不僅模塊之間耦合很弱，還可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播和選播，擴展性好。硬件平臺中用PC機來完成交換機的功能，在實現(xiàn)某種具體的通信系統(tǒng)時可以具體考慮如何配置，各個功能板的功能，功能板之間可以通過建立虛電路來進行通信。因此這種結(jié)構(gòu)靈活性好，可以適應多種無線電通信系統(tǒng)，并已證明具有好的吞吐率和實時性能。

3 軟件無線電體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

3．1 軟件總線

在軟件無線電多工作方式實現(xiàn)過程中，要求能實時加入新的功能軟件，從而通過軟件資源分配的辦法來實現(xiàn)軟件的功能重組。這就要求將通信協(xié)議及軟件標準化、通用化，實現(xiàn)軟件的即插即用。國外已經(jīng)研究并提出了基于JAVA／CORBA(Common Obiect Request Broker Arch itec ture，公共對象請示代理體系結(jié)構(gòu))的軟件協(xié)議和標準。該標準是面向?qū)ο蠊芾砑瘓F(Obiect Management Group，OMG)制定的標準，它基于軟件總線的思想，目的是建立一個標準、開放、通用的體系結(jié)構(gòu)。軟件總線與硬件總線類似。將應用模塊按標準做成插件，插入總線即可實現(xiàn)集成運行從而支持分布式的計算環(huán)境。目前OMG正在研究專門用于通信的CORBA標準。

3．2 體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方法

基本思想是把系統(tǒng)分為幾個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)執(zhí)行特定的通信功能，比如調(diào)制、解調(diào)、編譯碼等這些子系統(tǒng)可以動態(tài)地增加和減少和它聯(lián)系的通信功能以及通信參數(shù)都可以動態(tài)地配置。系統(tǒng)輸入和輸出的數(shù)據(jù)被分為一個個數(shù)據(jù)塊，當一個數(shù)據(jù)塊到達某個子系統(tǒng)時該子系統(tǒng)就開始運行，并把處理完的數(shù)據(jù)塊發(fā)送到下一個子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)有多個輸入輸出口，可以動態(tài)地配置為可用或不可用，如圖4所示。

3．3 體系結(jié)構(gòu)分層及各層實現(xiàn)方法

在分層體系結(jié)構(gòu)中，無線電的功能實體以層劃分，數(shù)據(jù)包的每層中加上報頭后再傳給下一層，在最后一層處理完畢后，信息將通過本層返回。

分層體系的軟件無線電結(jié)構(gòu)如圖5所示。它采用硬件分頁的方法來重構(gòu)無線電功能，與通過軟件對內(nèi)存進行分頁管理相類似，它基于流處理的工作方式，可使得模塊問的接口得到極大的簡化并能有效地進行資源分配和復雜的數(shù)據(jù)處理，保持對硬件的重用性。所謂流是一個指定長度的含有數(shù)據(jù)或控制信息的信息包，而流處理是指每個處理模塊只能處理全部任務中的一部分，而處理完這部分任務后需將數(shù)據(jù)和控制信息傳送到下一個處理模塊，進行另一部分任務的處理，直到全部任務完成為止。該體系結(jié)構(gòu)分為3層：接口層、配置層和處理層，均是基于流處理的，應用軟件設置在3層之上。接口層是無線電硬件與外部的接口，負責協(xié)調(diào)各種信息資源的輸入和輸出配置層存貯有配置處理層硬件的二進制代碼負責接收接口層傳來的信息包，并在該信息包的報頭上加入配置信息，然后傳送給處理層。處理層則是由一系列稱為處理模塊的可重構(gòu)模塊組成的，負責接收來自配置層的信息包，并對信息包中的數(shù)據(jù)進行處理，是真正進行數(shù)據(jù)處理的功能實體。處理層是軟件無線電的核心，它由一套線性相關(guān)的處理模塊組成，每一個處理模塊都能通過重新配置來完成指定的功能，而不需要打斷與主流水線的同步。

分層體系結(jié)構(gòu)提供了一個開放的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)可重構(gòu)平臺的軟件無線電系統(tǒng)，它的主要優(yōu)點在于使硬件有極好的可重用性，只要在硬件上設置相應的參數(shù)，就能實現(xiàn)指定的功能，建立起類似于軟件函數(shù)庫的硬件函數(shù)庫。另外，分層體系結(jié)構(gòu)還有很好的信息流屬性，使各層之間的接口非常簡單，使系統(tǒng)具有較高的靈活性。

4 軟件無線電基站

4．1 通信基站的基本需求

所謂軟件無線電就是將模塊化、標準化的硬件單元，以總線方式連接構(gòu)成基本平臺，并通過軟件加載，實現(xiàn)各種通信功能的一種開放式體系結(jié)構(gòu)。軟件無線電主要由天線、射頻前端、高速A／D—D／A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器、低速A／D—D／A轉(zhuǎn)換器以及各種接口和各種軟件所組成。它是一種新興技術(shù)，這種技術(shù)可由軟件來建立靈活的，多服務，多標準，多頻帶，可重構(gòu)，可重編程的無線系統(tǒng)。

一般來說，通信基站要求通信的靈活性和信號可測性，不僅對用戶有利，而且對服務提供商來說也有利。對于多頻／多模的可編程手機。它要求能夠自動檢測接收信號，接入不同的網(wǎng)絡，而且能滿足不同接續(xù)時間的要求。軟件無線電技術(shù)可用不同軟件實現(xiàn)不同無線電設備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調(diào)制方式，利用不同軟件來適應不同標準，構(gòu)成多模手機和多功能基站，具有高度的靈活性。針對移動PC通信終端，軟件無線電還可以解決傳統(tǒng)基站和移動終端的單一模式造成的不兼容問題，使基站和PC終端能夠滿足多種標準，能應付當前和將來復雜的通信模式和信令結(jié)構(gòu)。另外，利用軟件來實現(xiàn)動態(tài)信道分配機制，能夠有效地提高系統(tǒng)性能和頻譜利用率。

值得指出的是，通常情況下基站升級必須重新更換硬件平臺，而使用了軟件無線電技術(shù)后則保護了網(wǎng)絡運營商的硬件投資同時延長了各種終端移動設備的生存周期。

4．2 軟件無線電基站

傳統(tǒng)的基于硬件的基站是一個復雜的無線電、控制體系以及通信和控制下層結(jié)構(gòu)的混合體。許多分散的收發(fā)器為用戶信號的傳輸提供通信信道，并且用戶會話必須被匯集、數(shù)字化，并在通信下層結(jié)構(gòu)里進行多路傳輸。該結(jié)構(gòu)最大的問題是信號處理，因為它是由固定的硬件設備構(gòu)建的，很難升級。而使用軟件無線電技術(shù)可以很容易的從一個標準切換到另一個，只需要簡單地把不同的軟件加載到處理單元中就可以了。這種只需軟件升級而不必進行昂貴的硬件更換從根本上改變無線基站的工作方式，這在無線技術(shù)快速變換的今天很具優(yōu)勢且很具實用價值。

在不遠的將來，在某一移動終端所處區(qū)域內(nèi)很可能有多個不同系統(tǒng)存在。用戶或運營商將根據(jù)這種新的網(wǎng)絡條件來選擇網(wǎng)絡。選擇合適網(wǎng)絡后進行重構(gòu)的第一步是確定哪種無線接入網(wǎng)可以利用。為了實現(xiàn)這一步必須有滿足所有條件的標準系統(tǒng)(系統(tǒng)包括GSM，CDMAIS-95，EDC T，UMTS等)的必要硬件的基站，這個基站被稱作通信基站。對應的軟件基站將按需求下載軟件模塊到一個快速上電或漫游的移動設備上。每個通用基站有兩種類型的信道一通用導頻信道和通用數(shù)據(jù)信道，通用導頻信道是一個同步參考，消息傳播和發(fā)信號信道。為了下載系統(tǒng)軟件，移動設備將通過這個信道與通用基站交換信息。通用數(shù)據(jù)信道是專門為移動設備用來下載系統(tǒng)軟件代碼的，用這些代碼配置移動設備的硬件來提供調(diào)制，接人和網(wǎng)絡功能。這種移動設備具有通用的可編程硬件以適用于眾多的標準。

4．3 WiMAX軟件無線電基站方案

由于大多數(shù)的信號處理和濾波器是在硬件上實現(xiàn)的，窄帶系統(tǒng)不能提供所需的容量從而只能通過寬帶的軟件無線電技術(shù)加以實現(xiàn)。如果基站使用寬帶軟件無線電結(jié)構(gòu)，其硬件可以覆蓋20 MHz范圍幾乎所有的在數(shù)字領(lǐng)域出現(xiàn)的信號處理，這樣一來可以通過軟件的更新來支持不同空中接口方便地實現(xiàn)無線性能改變。與常規(guī)的方法相比，這種方法在費用上、性能上和靈活性上等諸多方面都帶來了重要的改進。對正在發(fā)展中的協(xié)議如IEEE802.16來說，該方法優(yōu)點將更為突出。

為了選擇一個可利用的無線接入網(wǎng)，移動設備將先檢測通用導頻信道是否可用，檢測完所有可用的通用導頻信道后，通用基站將考慮移動設備的移動情況。通用基站在切換上應該有一定的門限，當選擇一個無線接入網(wǎng)時，如果移動設備的移動預期切換超出門限，那么通用基站以更大覆蓋區(qū)域為移動設備分配導頻信道。選擇網(wǎng)絡后，通用導頻信道將搜索已選的服務是否可用。選擇了合適的網(wǎng)絡后，移動設備將開始下載軟件。如果移動設備移到一個新的區(qū)域，移動的QoS低而且同樣的系統(tǒng)無法獲得，移動設備將要求基站通過下載升級對應的系統(tǒng)軟件。

由于自適應天線波束賦形技術(shù)(Adaptive beam forming)能夠在不增加新站點的前提下得到相同的覆蓋面積，同時提供針對于高數(shù)據(jù)傳輸速率大容量的帶寬。一個使用上述寬帶軟件無線電技術(shù)的蜂窩基站產(chǎn)品可以容易地實現(xiàn)從2G到2.5G、3G，以及4GWiMAX的演進．其自適應智能天線將大大擴大4G中針對移動高速數(shù)據(jù)的802.16eWiMAX協(xié)議標準的覆蓋范圍，尤其是在每個蜂窩的邊界。軟件無線電的硬件定義由軟件來實現(xiàn)哪些功能。結(jié)合軟件無線電技術(shù)和自適應智能天線技術(shù)的優(yōu)點，當需要支持2．5G、3G和4G高速數(shù)據(jù)設備的更高載波干擾比(C／I)要求時，該軟件無線電基站可通過增加自適應天線陣列來滿足超容量需求，從而減少對新站點的需求。

5 結(jié)束語

未來個人移動通信系統(tǒng)所要達到的目標是：任何人在任何時間，任何地點都可以和其他任何人進行任何種類(話音，數(shù)據(jù)，圖像等)的通信。越來越大的通信需求，一方面使通信產(chǎn)品的生存周期縮短，開發(fā)費用上升；另一方面，新老體制通信共存，各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)變得更加復雜和困難，所以尋求一種既能滿足新一代移動通信需求，又能兼容老體制，而且更具有擴展能力的新的個人移動通信體系結(jié)構(gòu)成為人們努力的方向。而軟件無線電正好提供了解決這一問題的技術(shù)途徑，成為下一代代移動通信系統(tǒng)研究的熱點。寬帶、多載波、軟件無線電移動無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)直接適用已經(jīng)出現(xiàn)的WiMAX802.16技術(shù)，尤其滿足802.16e移動高速數(shù)據(jù)要求。因此，無論是已經(jīng)展開的3G系統(tǒng)，還是下一代無線通信4G系統(tǒng)，軟件無線電技術(shù)都是實現(xiàn)這些系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

作者：鄭正威 陳俊 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)