軟件無(wú)線電在4G中的應(yīng)用

1、  4G中軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用繼續(xù)教育中心五隊(duì) 技偵信號(hào)偵察 1212015009 王煥偉一、引言以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支持的軟件無(wú)線電（Software Radio）或者稱軟件可定義的無(wú)線電（Software-Defined Radio）提供了一條滿足未來(lái)個(gè)人通信需要的思路。軟件無(wú)線電突破了傳統(tǒng)的無(wú)線電臺(tái)以功能單一、可擴(kuò)展性差的硬件為核心的設(shè)計(jì)局限性，強(qiáng)調(diào)以開(kāi)放性的最簡(jiǎn)硬件為通用平臺(tái)，盡可能地用可升級(jí)、可重配置不同的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線電功能的設(shè)計(jì)新思路。其中心思想是：構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能，如工作頻段、調(diào)

2、制解調(diào)類(lèi)型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線通信系統(tǒng)。二、軟件無(wú)線電關(guān)鍵技術(shù)一個(gè)理想的軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。軟件無(wú)線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器以及各種軟件組成。軟件無(wú)線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，要求每個(gè)頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務(wù)的需求。射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù)，接受時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。而模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的處理任務(wù)全由DSP軟件承擔(dān)。為了減輕通用DSP的處理壓力，通常把A/D轉(zhuǎn)換器傳來(lái)的數(shù)

3、字信號(hào)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器件處理，降低數(shù)據(jù)流速率，并且把信號(hào)變至基帶后，再把數(shù)據(jù)送給通用DSP進(jìn)行處理。圖1 軟件無(wú)線電框圖軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)可分為三種: 射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。射頻低通采樣數(shù)字化的軟件無(wú)線電，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，把模擬電路的數(shù)量減少到最低程度。射頻帶通采樣數(shù)字化的軟件無(wú)線電與低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的主要不同點(diǎn)是,A/D前采用了帶寬相對(duì)較窄的電調(diào)濾波器，然后根據(jù)所需的處理帶寬進(jìn)行帶通采樣。最后，寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)與目前的中頻數(shù)字化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都采用了多次混頻體制或叫超外差體制，其主要特點(diǎn)是中頻帶寬

4、更寬，所有調(diào)制解調(diào)等功能全部由軟件加以實(shí)現(xiàn)。在軟件無(wú)線電中的關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）寬帶/分頻段天線：軟件無(wú)線電臺(tái)要求能夠從短波到微波相當(dāng)寬的頻段內(nèi)進(jìn)行工作，最好能研究一種新型的全向?qū)拵炀€，可以根據(jù)實(shí)際需要用軟件智能地構(gòu)造其工作頻段和輻射特性。目前的可行性方案是采取組合式多頻段天線。（2）多載波功率放大器（MCPA）：理想的軟件無(wú)線電在發(fā)射方向上把多個(gè)載波合成一路信號(hào)，通過(guò)上變頻后，用一種MCPA對(duì)寬帶的模擬混合信號(hào)進(jìn)行低噪音放大。因?yàn)榛旌闲盘?hào)中信號(hào)與信號(hào)的包絡(luò)幅度相差很大，所以對(duì)放大器的非線性特別敏感，MCPA 采用前向反饋技術(shù)抑制不需要的互調(diào)載波，得到有效的功率利用。需要很好地選擇器件并使

5、用電路CAD 優(yōu)化技術(shù)。（3）高速寬帶A/D ，D/A 變換：A/D 的主要性能是采樣速率和采樣精度，理想的軟件無(wú)線電臺(tái)是直接在射頻上進(jìn)行A/D 變換，要求必須具有足夠的采樣速率。根據(jù)Nyquist 采樣定理，要不失真的反映信號(hào)特性，采樣頻率f s至少要是模擬信號(hào)帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實(shí)際應(yīng)用中常進(jìn)行過(guò)采樣處理，要求f s > 2. 5Wa。根據(jù)目前研究結(jié)果，其中一種解決方案是，可用多個(gè)高速采樣保持電路和ADC，然后通過(guò)并串轉(zhuǎn)換將量化速度降低，以提高采樣分辨率。（4）高速并行DSP：數(shù)字信號(hào)處理（DSP） 芯片是軟件無(wú)線電所必須的最基本的器件。軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理是在芯片上進(jìn)行的

6、。中頻以下主要包括三部分：基帶處理、比特流處理和信源編碼?；鶐幚碇饕峭瓿筛鞣N波形的調(diào)制解調(diào)，擴(kuò)頻解擴(kuò)以及信道的自適應(yīng)均衡和各種同步的數(shù)字處理，每路需要幾十到幾百個(gè)MIPS 的處理能力。比特流處理主要完成信道編解碼（軟判決譯碼） 、復(fù)用或分解或交換、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能，每路需要幾十個(gè)MIPS 的處理能力。信源編碼要完成話音、圖像等的編碼算法、每信道需要十幾個(gè)MIPS的處理能力。要完成如此巨大的信號(hào)處理運(yùn)算，必須采用高速多個(gè)DSP 并行處理結(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。（5）軟件無(wú)線電的算法：軟件的構(gòu)造，自然是把對(duì)設(shè)備各種功能的物理描述建立起數(shù)學(xué)模型（建模），再用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言描述的算法

7、，最后轉(zhuǎn)換成用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編制的程序。軟件無(wú)線電中的算法特點(diǎn)：對(duì)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。對(duì)算法的要求在時(shí)空上很 高；軟件無(wú)線電算法應(yīng)具高度自由化（便于升級(jí)），開(kāi) 放性（模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化）；目前主要算法為數(shù)值法，但并不排斥其他算法，或 者多種算法的結(jié)合。以上技術(shù)都有待深入研究，實(shí)踐和優(yōu)化。三、軟件無(wú)線電發(fā)展?fàn)顩r當(dāng)前，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代，3G系統(tǒng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行一方面需要解決不同標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)間的兼容性；另一方面為了適應(yīng)技術(shù)的飛速發(fā)展，3G無(wú)線通信系統(tǒng)要求具有高度的靈活性和擴(kuò)展升級(jí)能力。軟件無(wú)線電技術(shù)無(wú)疑是最好的解決方案。作為3G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)，W-CDMA 和CDMA2000 都采用碼

8、分多址接入方式， 且具有信道帶寬寬，數(shù)據(jù)速率多樣且支持高速率，不同業(yè)務(wù)采用信道編碼不同等共性，同時(shí)，這兩種標(biāo)準(zhǔn)之間在碼片速率、信道帶寬和信道選擇碼等方面也存在差異。為了解決這些方面的問(wèn)題及為了提高系統(tǒng)容量，在3G中將采用的智能天線技術(shù)（Smart Antenna）、多用戶檢測(cè)技術(shù)（MUD）等，使得軟件無(wú)線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用空間。首先，智能天線技術(shù)在我國(guó)的TD-SCDMA的方案中，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，形成天線主波束；引入空分多址（SDMA）方式，根據(jù)用戶信號(hào)不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道；采用數(shù)字方法對(duì)陣元接收信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，形成多個(gè)波束賦形，每一個(gè)

9、波瓣對(duì)應(yīng)于一個(gè)特別的手機(jī)用戶，波束也可以動(dòng)態(tài)追蹤用戶，使主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)方向，在干擾信號(hào)方向上，形成天線方向圖零陷或功率增益較低，從而達(dá)到抑制干擾的目的。其次，在歐共體的ACTS FIRST項(xiàng)目中，軟件無(wú)線電技術(shù)也用到了設(shè)計(jì)多頻/多?？删幊淌謾C(jī)中。它可自動(dòng)檢測(cè)接收信號(hào)，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，而且能滿足不同的接續(xù)時(shí)間要求。軟件無(wú)線電技術(shù)可用不同軟件實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線電設(shè)備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調(diào)制方式，利用不同軟件即可適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成多模手機(jī)和多功能基站，具有高度的靈活性。除此之外，軟件無(wú)線電出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢(shì)：主要表現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)分層化、軟件模塊化、結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)分析化、面向?qū)ο蠡?、?jì)算機(jī)化

10、、網(wǎng)絡(luò)化和安全化。四、4G中的軟件無(wú)線電技術(shù)隨著3G技術(shù)不斷地成熟并最終進(jìn)入市場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)開(kāi)始研究制訂第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，并已達(dá)成共識(shí)：把移動(dòng)通信系統(tǒng)同其他系統(tǒng)（例如無(wú)限局域網(wǎng)、WLAN等）結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生4G技術(shù)，2010年之前使數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率達(dá)到100Mb/s，以提供更有效的多種業(yè)務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、廣播、電視衛(wèi)星通信的無(wú)縫銜接并相互兼容。4G的關(guān)鍵技術(shù)主要有：OFDM（正交頻分復(fù)用）、軟件無(wú)線電、智能天線和IPv6技術(shù)。在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)之中，軟件無(wú)線電技術(shù)是通向未來(lái)4G的橋梁。由于各種技術(shù)的交迭有利于減少開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，所以未來(lái)的4G技術(shù)需要適應(yīng)不

11、同種類(lèi)的產(chǎn)品的要求。而軟件無(wú)線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)。它不僅能減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，還更易于開(kāi)發(fā)系列型產(chǎn)品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而削減了運(yùn)算器件的價(jià)格，其開(kāi)放的結(jié)構(gòu)也會(huì)允許多方運(yùn)營(yíng)的介入；同時(shí)，由于DSP的使用，也彌補(bǔ)了廉價(jià)RF（Radio Frequency）所造成的不足。在實(shí)際應(yīng)用中，RF部分是昂貴而缺乏靈活性的，寬帶的RF是非線性的，而通過(guò)使用SDR技術(shù)可彌補(bǔ)其在靈活性上的不足。在網(wǎng)絡(luò)支持方面，由于4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。而大量鏈路類(lèi)型（如data，voip）的不同鏈接可通過(guò)SDR進(jìn)行互聯(lián)。同時(shí)，動(dòng)態(tài)

12、頻譜的分配也有利于在已占用帶寬上實(shí)現(xiàn)新的服務(wù)。智能天線技術(shù)也是4G中的關(guān)鍵，它與SDR技術(shù)同樣緊密相連。它是在軟件無(wú)線電基礎(chǔ)上提出的天線設(shè)計(jì)新概念，是數(shù)字多波束形成（DBF）技術(shù)與軟件無(wú)線電完美結(jié)合的產(chǎn)物。一方面，軟件無(wú)線電為智能天線的實(shí)現(xiàn)提供了一條有效可行的技術(shù)途徑，另一方面智能天線也為軟件無(wú)線電的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。它們兩者相互滲透、相互促進(jìn)?；谲浖o(wú)線電的智能天線主要包括：?jiǎn)涡诺乐悄芴炀€，即通過(guò)天線陣感應(yīng)的射頻信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)前端模擬預(yù)處理變換為適合于A/D采樣的寬帶中頻信號(hào)，該寬帶中頻信號(hào)經(jīng)A/D數(shù)字化后送到數(shù)字下變頻器（DDC），對(duì)寬帶數(shù)字中頻內(nèi)某一感興趣的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字正交下變頻和采

13、樣率變換，變換為與信號(hào)帶寬相適應(yīng)的低采樣率的基帶正交（I/Q）數(shù)字信號(hào)，這N路I/Q基帶數(shù)據(jù)被同時(shí)送到M個(gè)數(shù)字波束形成器（DBF），分別進(jìn)行不同指向的波束形成運(yùn)算，最終獲得所需的M個(gè)波束。信息解調(diào)模塊（DEMOD）要么對(duì)所形成的這M個(gè)波束同時(shí)進(jìn)行解調(diào)，要么選取其中信噪比最大的波束進(jìn)行解調(diào)，前者可以實(shí)現(xiàn)同頻空分復(fù)用，后者則可以實(shí)現(xiàn)定向接受，改善輸出信噪比。其次為多信道智能天線，它與單信道智能天線相比只是在A/D后設(shè)置多個(gè)單信道多波束形成器SCMBF。此外還包括多相濾波信道化智能天線，它的最大特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)頻域空域上的全波束形成。五、結(jié)束語(yǔ)由于多種移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的加入，使得現(xiàn)存的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)族變得十分繁雜。從近期發(fā)展上看，軟件無(wú)線電技術(shù)可以