高頻電子第九章

第9章軟件無線電基礎(chǔ)9.1原理概述9.2軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)9.3軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)9.4軟件無線電的應(yīng)用內(nèi)容提要軟件無線電是20世紀(jì)80年代無線通信領(lǐng)域的一次劃時(shí)代的進(jìn)步，它在模塊化通用硬件平臺(tái)上加載不同的軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能，它把無線通信思想和技術(shù)提高到了一個(gè)嶄新的高度。注意，經(jīng)典高頻電子線路的分析方法與設(shè)計(jì)思想仍可作為軟件無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而且由于目前器件制造水平的限制，軟件無線電技術(shù)還只能在高頻通信系統(tǒng)的基帶部分得到充分發(fā)揮，要研制一個(gè)完整的軟件無線電系統(tǒng)還必須與傳統(tǒng)電路相結(jié)合，進(jìn)行深入研究也要借助經(jīng)典的通信電路理論。本章將簡要介紹軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)和常見應(yīng)用。9.1原理概述

前面章節(jié)介紹了多種模擬、數(shù)字調(diào)試方式，但這些仍然只是調(diào)制方式大家族中的一小部分。眾所周知，通信技術(shù)在發(fā)展過程中必然會(huì)存在多種標(biāo)準(zhǔn)、多種功能并存的問題，每逢新標(biāo)準(zhǔn)的制訂、新功能的實(shí)現(xiàn)，都要求對(duì)舊的軟、硬件進(jìn)行大量修改，甚至完全重新設(shè)計(jì)，這給通信設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和使用帶來很大麻煩。人們從個(gè)人電腦（PC）的設(shè)計(jì)和使用中得到啟發(fā)：PC具有統(tǒng)一的、固定的硬件平臺(tái)，要實(shí)現(xiàn)不同的功能只需安裝不同的軟件即可。同樣，對(duì)通信設(shè)備來說，只要設(shè)計(jì)好模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)，也可以只通過設(shè)計(jì)不同的軟件就在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同的通信體制，這就是軟件無線電（SoftwareDefinedRadio，SDR）的基本思路。軟件無線電通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)無線通信的各種功能，把傳統(tǒng)無線電從基于硬件、面向用途的通信設(shè)計(jì)方式中解放了出來。顯然，要實(shí)現(xiàn)多種功能的軟件化，勢必要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路（尤其是減少模擬環(huán)節(jié)），把數(shù)字化處理盡量靠近天線。軟件無線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和可編程性，采用標(biāo)準(zhǔn)的開放式總線結(jié)構(gòu)，通過軟件更新實(shí)現(xiàn)新功能。應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，一個(gè)無線通信終端可以在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間暢通無阻地使用。9.2軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)9.2.1自適應(yīng)智能天線自適應(yīng)智能天線（AdaptiveSmartAntenna）技術(shù)利用高速數(shù)字處理技術(shù)將天線的主波束對(duì)準(zhǔn)用戶，它是軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常安裝在基站現(xiàn)場，主要由天線陣列、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)信號(hào)處理和波束賦形四個(gè)部分組成，其中波束賦形部分為核心。圖9.1所示為一個(gè)基本的智能天線接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖。由圖可以看出，各天線接收到的信號(hào)經(jīng)過下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入自適應(yīng)信號(hào)處理器并合理加權(quán)，然后經(jīng)過相加和濾波即可得到信干比（有用載頻功率與干擾信號(hào)功率的比值）最大的輸出信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了波束賦形。圖9.1智能天線接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖9.2.2高速、寬帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換高速、寬帶的模數(shù)（A/D）、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換是軟件無線電的基礎(chǔ)。由于軟件無線電要求系統(tǒng)功能要盡可能多地使用軟件實(shí)現(xiàn)，因此，必須將A/D、D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線；同時(shí)，現(xiàn)代高頻、高速通信信號(hào)的載波頻率、數(shù)據(jù)速率都很高，這些都對(duì)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的性能提出了很高的要求：（1）采樣速率。根據(jù)采樣定理，采樣速率應(yīng)該大于被采樣信號(hào)帶寬的2倍。實(shí)際應(yīng)用中，采樣速率必須留有一定的余量，一般要求大于被采樣信號(hào)帶寬的2.5倍。（2）采樣位數(shù)。采樣位數(shù)的選取必須滿足一定的動(dòng)態(tài)范圍和數(shù)字處理部分的精度要求。例如在80dB的動(dòng)態(tài)范圍要求下，采樣位數(shù)至少要達(dá)到12位。數(shù)字下變頻（DigitalDownConversion，DDC）也是軟件無線電的核心技術(shù)之一，是接收機(jī)射頻A/D轉(zhuǎn)換后首先要完成的工作。它主要包括數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器（NCO）、數(shù)字濾波器等三部分，如圖9.2所示。從頻譜上看，DDC將前級(jí)ADC輸出數(shù)字信號(hào)的有效頻譜從高頻下搬到基帶；從被處理信號(hào)的采樣率上看，DDC將前級(jí)ADC輸出的高速采樣信號(hào)降低為低速基帶采樣信號(hào)。DDC是SDR系統(tǒng)中數(shù)字處理運(yùn)算量最大最難的部分。要進(jìn)行良好的數(shù)字濾波處理，需要對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行至少100次操作。對(duì)于一個(gè)帶寬20MHz的SDR系統(tǒng)，采樣頻率實(shí)際最低需要50MHz，這就意味著至少需要5000MIPS（每秒執(zhí)行50億條指令）的運(yùn)算能力，這超過了現(xiàn)有絕大部分單個(gè)DSP的運(yùn)算能力，因此一般將DDC的這部分運(yùn)算工作交給專用FPGA完成，既能保留軟件無線電的優(yōu)點(diǎn)，又有較高的可靠性。9.2.3數(shù)字下變頻9圖9.2DDC結(jié)構(gòu)框圖9.2.4高速信號(hào)處理和信令處理高速信號(hào)處理部分主要包括基帶處理、調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)流處理、編譯碼、加解密等工作，這是系統(tǒng)處理真正通信數(shù)據(jù)的核心。考慮到成本，這部分通常用合適的DSP來完成。信令處理部分在當(dāng)代無線通信系統(tǒng)中已經(jīng)是用軟件完成的，軟件無線電的任務(wù)是將通信協(xié)議及軟件標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化，在進(jìn)行多種無線通信模式的互聯(lián)時(shí)，有必要實(shí)現(xiàn)通用信令處理，開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)信令模塊和通用信令框架。9.3軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)

軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)是指一些設(shè)計(jì)原則、基本功能塊以及函數(shù)的集合，利用它們可以設(shè)計(jì)和建立一個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜性增加時(shí)，體系結(jié)構(gòu)的作用將變得非常重要。9.3.1硬件體系結(jié)構(gòu)軟件無線電的硬件體系結(jié)構(gòu)有兩種劃分方法，即按照構(gòu)成硬件平臺(tái)的物理介質(zhì)劃分，或者按照系統(tǒng)各功能模塊的連接方式劃分。這兩種劃分方法顯然并不是截然分開的。按照物理介質(zhì)劃分的硬件體系結(jié)構(gòu)主要有三種：一是以通用處理器（General-PurposeProcessor，GPP）為基礎(chǔ)，直接采用PC機(jī)和工作站進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理；二是以數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理；三是以現(xiàn)場可編程門陣列（Field-ProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。表9.1按模塊連接方式劃分的硬件體系結(jié)構(gòu)的性能比較

按照系統(tǒng)各功能模塊的連接方式劃分的硬件體系結(jié)構(gòu)主要有四種：第一種是流水線結(jié)構(gòu)，即與系統(tǒng)中信號(hào)流程的方向一致；第二種是總線式結(jié)構(gòu)，各功能單元通過總線連接交換數(shù)據(jù)和控制命令；第三種是交換式結(jié)構(gòu)，采用適配器和交換網(wǎng)為各功能模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信；第四種是基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)，由可編程前端和并行計(jì)算機(jī)平臺(tái)組成。這幾種硬件體系結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣，其性能比較見表9.1。9.3.2軟件體系結(jié)構(gòu)軟件無線電是用軟件實(shí)現(xiàn)靈活的無線通信方式和傳輸機(jī)制的，因此軟件的作用居于核心位置。盡管現(xiàn)有的軟件結(jié)構(gòu)很多，但對(duì)于軟件無線電而言，重點(diǎn)在于開放的軟件結(jié)構(gòu)和接口，才能保障軟件可重用性、可移植性以及不同通信方式之間的兼容性。軟件無線電的軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為硬件特定的軟件結(jié)構(gòu)和開放的軟件結(jié)構(gòu)兩種。硬件特定的軟件結(jié)構(gòu)針對(duì)特定的硬件平臺(tái)，軟件的具體功能直接與硬件相關(guān)聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀，容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是程序兼容性差，幾乎沒有移植能力。開放的軟件結(jié)構(gòu)要求軟件必須獨(dú)立于硬件平臺(tái)，硬件和應(yīng)用軟件分離，使應(yīng)用軟件更易于移植，應(yīng)用軟件的開發(fā)者可以不必深入了解硬件，而將精力完全集中到軟件設(shè)計(jì)中。9.4軟件無線電的應(yīng)用9.4.1軟件無線電在TD-SCDMA中的應(yīng)用我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA，采用時(shí)分同步-碼分多址接入技術(shù)，支持高速數(shù)據(jù)通信，為了提高系統(tǒng)容量，還采用了智能天線、多用戶檢測等技術(shù)，這些都使得軟件無線電在TD-SCDMA中有著廣泛的應(yīng)用空間。由于高速ADC制造技術(shù)的限制，ADC尚不能直接處理高頻、高速的射頻信號(hào)，在進(jìn)入ADC之前，必須將天線上接收到的高頻信號(hào)用混頻器下變頻到頻率較低的中頻信號(hào)，數(shù)字化處理從中頻輸出的模擬信號(hào)開始，其簡要框圖如圖9.3所示。圖9.3SDR方案簡要框圖9.4.2軟件無線電在電視廣播接收中的應(yīng)用近年，高清晰度電視（HDTV）以其近乎完美的視聽效果，已經(jīng)逐漸在傳統(tǒng)百姓家庭中普及。但是，和模擬電視存在多種互不兼容的制式（PAL、NTSC、SECAM等）一樣，這類電視節(jié)目在信道編碼和調(diào)制方式上也存在QPSK、QAM、VSB、OFDM等多種標(biāo)準(zhǔn)，難以兼容。軟件無線電可以很好地解決數(shù)字電視多體制并存的難題。一種軟件無線電數(shù)字電視接收機(jī)的原理框圖如圖9.4所示，系統(tǒng)可以通過加載不同的軟件來接收所有標(biāo)準(zhǔn)的電視節(jié)目。模擬下變頻軟件解調(diào)器（DSP）顯示終端SDR

DDCADC傳輸媒介軟件解碼器圖9.4軟件無線電數(shù)字電視接收機(jī)原理框圖日常廣播領(lǐng)域也有了采用軟件無線電技術(shù)的接收機(jī)。某公司生產(chǎn)的基于DSP的606型收音機(jī)，核心技術(shù)就是軟件無線電。圖9.5是該收音機(jī)軟件無線電部分的功能框圖。FM信號(hào)和AM信號(hào)經(jīng)過調(diào)諧、低噪聲放大、AGC等處理后進(jìn)入各自的正交混頻器，將

高頻信號(hào)下變頻到低頻，并得到與原信號(hào)同相（I支路）和正交（Q支路）的模擬信號(hào)，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入DSP進(jìn)行數(shù)字處理，處理好的數(shù)字音頻信號(hào)由DAC轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)，提供給外部音頻功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。圖9.5某收音機(jī)SDR部分功能框圖該收音機(jī)利用DSP軟件處理150KHz～30MHz的AM廣播信號(hào)，以及64MHz～108MHz的FM廣播信號(hào)，處理不同的信號(hào)只需選擇處理程序而不必更改硬件電路。與傳統(tǒng)收音機(jī)相比，具有成本低、功能多、音質(zhì)好、靈活性高、升級(jí)方便等獨(dú)特的“軟件無線電型”優(yōu)點(diǎn)。9.4.3軟件無線電的其它常見應(yīng)用軟件無線電的其它常見應(yīng)用包括無線定位、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗、無線電監(jiān)測、高速鐵路通信、導(dǎo)航等。本章小結(jié)

軟件無線電是指在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化的硬件單元以總線或交換模式構(gòu)成的通用平臺(tái)上，通過加載標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化的軟件而實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能的