實(shí)現(xiàn)軟件無線電的兩種關(guān)鍵技術(shù)簡介

在九十年代初，軟件無線電成為移動(dòng)通信中的一個(gè)熱點(diǎn)，當(dāng)時(shí)許多人把該技術(shù)看作是現(xiàn)代多模/多頻帶移動(dòng)終端所要求的復(fù)雜的RF（射頻）和IF（中頻）處理問題的解決方案。今天，軟件無線電更是被視作在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用等所有階段中可重配置終端的技術(shù)。

本文介紹了軟件無線電和可重配置技術(shù)的概念。提供終端可重配置協(xié)議棧的概念就如同軟件下載的概念一樣，會(huì)在3G和將來的4G標(biāo)準(zhǔn)中被采用。

一、軟件無線電概述

軟件無線電技術(shù)（Software Radio Technology）是近年來隨著微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的無線電技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于ASIC的無線技術(shù)，它具有靈活性、通用性強(qiáng)和升級(jí)方便等特點(diǎn)。它的技術(shù)核心是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步和芯片處理速度的不斷提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平臺(tái)上，利用軟件來完成以前用ASIC實(shí)現(xiàn)的多種數(shù)字信號(hào)處理的功能。

但是由于受寬帶天線、高速A/D及DSP等技術(shù)水平的限制，實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的軟件無線電平臺(tái)的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)在對(duì)軟件無線電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多的是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度地實(shí)現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用實(shí)踐中。

二、實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)

軟件無線電采用開放式模塊化設(shè)計(jì)，使電臺(tái)業(yè)務(wù)功能與硬件平臺(tái)相對(duì)獨(dú)立，由此可帶來一系列的好處。但由于硬件水平的限制及體系結(jié)構(gòu)理論尚待成熟，理想的軟件無線電還不可能馬上實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)軟件無線電的“瓶頸”包括：寬帶天線和射頻模塊、寬帶A/D變換、高速DSP器件等等。

1.寬帶天線和射頻模塊

軟件無線電臺(tái)可以在多頻段工作，必須應(yīng)用寬帶、低損耗天線，美國已研究出幾個(gè)倍頻程的天線，但效率太低。射頻前端同樣需要很寬的頻率范圍，如低噪聲放大器、濾波、功放、AGC等，這在技術(shù)上不存在困難，市場上已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)，如Mini Circuits公司的MAR系列寬帶低噪聲放大器就可滿足要求。

2.寬帶A/D變換

軟件無線電的一個(gè)顯著特點(diǎn)是將A/D變換盡可能地靠近天線，至少要對(duì)中頻進(jìn)行A/D變換，它要求A/D轉(zhuǎn)換器件具有較高的性能。評(píng)價(jià)A/D變換器性能的參數(shù)包括信噪比（SNR）、無寄生動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、互調(diào)失真（IMD）、采樣速率和采樣精度等，其中主要的兩項(xiàng)是采樣速率和采樣精度，一般用SNR來綜合表示這兩項(xiàng)指標(biāo)，SNR可用下式計(jì)算：SNR=6.02B+l.76+101og10（fs/2fmax）（dB），其中B為ADC的位數(shù)，fs表示采樣速率，fmax為輸入模擬信號(hào)的最高頻率。對(duì)于一個(gè)70MHz的中頻信號(hào)，若要求采樣精度達(dá)到l2位，SNR等于80dB，可以算出采樣速率為558MSPS。

3.高速DSP

軟件無線電是對(duì)整個(gè)工作頻段（25MHz左右）進(jìn)行數(shù)字化，中頻和基帶處理全部采用數(shù)字信號(hào)處理方式，實(shí)現(xiàn)軟件控制，它對(duì)DSP芯片的處理能力提出了很高的要求。以蜂窩移動(dòng)通信為例，系統(tǒng)頻帶為12.5MHz，采取過抽樣時(shí)的抽樣頻率為30.72MHz，采樣后的頻率變換、濾波、抽取等處理每個(gè)樣點(diǎn)至少進(jìn)行100次操作，則處理速率為3072MOPS。解決方法有兩種：一是用多個(gè)DSP芯片并行處理，Speakeasy I系統(tǒng)就是采用了這種方法，選用的是TI公司的Quad C40MCM芯片模塊，它由4片TMS32 C40及5Mbyte的RAM組成，達(dá)l100MIPS（16bit）和200MFL0PS（32bit）的處理速度，I/O速率為300Mbit/s。二是采用專門的可編程芯片，將中頻進(jìn)行下變頻，然后再進(jìn)行DSP處理。Harris公司的數(shù)字下變頻器（DDC）HSP500l6可完成從寬帶信號(hào)中提取有用信號(hào)的功能，其最大輸入速率為75MSPS（16bit），通過編程可控制數(shù)據(jù)速率及數(shù)據(jù)輸出格式等。在目前來說，采用DDC的軟件無線電系統(tǒng)是比較現(xiàn)實(shí)的，一旦DSP器件達(dá)到所需水平，就很容易過度到理想的軟件無線電系統(tǒng)。

三、軟件重配置

軟件重配置可提供漫游，低終端成本，動(dòng)態(tài)頻潛管理，固定錯(cuò)誤，新特性，第三方加入，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的額外價(jià)值和個(gè)人化。開放的軟件架構(gòu)能允許終端成為可編程發(fā)信機(jī)以用于無線電、電視、家用網(wǎng)絡(luò)和辦公室，也就是固定移動(dòng)廣播集成。通過升級(jí)軟件實(shí)現(xiàn)重配置能適應(yīng)將來革新和淘汰的快速循環(huán)周期。

下面列出了能通過下載新軟件而重配置的終端和集成電路平臺(tái)的主要益處：

1.減少不同模式的數(shù)量?？芍嘏渲眉夹g(shù)應(yīng)該允許制造較少類型的終端來支持不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這使大規(guī)模終端制造朝低單位成本方向發(fā)展。

2.最后一分或延遲專用化。使用下載意味著終端的最終配置應(yīng)在部署之后，這樣增加了產(chǎn)品的功能，減少了任何產(chǎn)品召回或返回的可能性。

3.運(yùn)行時(shí)應(yīng)用。最終用戶應(yīng)用像游戲等將位于將來終端上運(yùn)行的下裁應(yīng)用之首。

4.開放平臺(tái)。如果引入了開放平臺(tái)，那么第三方開發(fā)商將能開發(fā)終端的革新應(yīng)用，能夠提高終端對(duì)最終用戶的吸引力。

下載軟件的缺點(diǎn)包括難以管理部署在現(xiàn)場的不同終端上的不同版本的軟件，以及如何保證其在所有用戶環(huán)境中的健壯性。

可重配置特性要求軟件無線電改變?cè)O(shè)計(jì)人員需要考慮的準(zhǔn)則。由于純處理能力在當(dāng)前的2G無線環(huán)境中占據(jù)主導(dǎo)地位，可編程功能也逐漸成為軟件無線電設(shè)計(jì)應(yīng)用的焦點(diǎn)。

DSP和FPGA可輕易地進(jìn)行重配置，以實(shí)現(xiàn)軟件無線電設(shè)計(jì)的各種功能?，F(xiàn)有的通信ASIC雖然可以較低的成本提供更好的性能，但提供的可編程能力非常有限。

確定器件的處理功能可通過既支持W-CDMA也支持GSM的基站收發(fā)器結(jié)構(gòu)來說明。由于W-CDMA采用了擴(kuò)頻通信技術(shù)，因此許多用戶可共享一條射頻（RF）信道。在上行鏈路l，920至l，980MHz之間和下行鏈路2，110至2，170MHz之間，W-CDMA信號(hào)在每條信道中占據(jù)5MHz的帶寬。

另一方面，在GSM系統(tǒng)的每條射頻信道中，窄帶TDMA技術(shù)一般只支持8個(gè)用戶。在上行鏈路890至915MHz之間和下行鏈路935至960MHz之間，窄帶TDMA的每條信道占據(jù)20OkHz帶寬。

為了在軟件無線電結(jié)構(gòu)中有效地兼顧上述標(biāo)準(zhǔn)間的差異，中頻（IF）處理器的數(shù)字上行轉(zhuǎn)換器和下行轉(zhuǎn)換器都必須提供可編程的信道選擇、濾波器配置和采樣比調(diào)節(jié)。任何ASIC信號(hào)處理器件的使用都將給未來的升級(jí)帶來無法預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)，因此中頻處理也必須使用FPGA或DSP器件。隨著信號(hào)處理越來越多的來自數(shù)字中頻輸入，處理算法也變得越來越專業(yè)化，這限制了單個(gè)ASIC器件滿足所需可編程要求的能力，而FPGA或DSP實(shí)現(xiàn)則是一種更好的選擇。

四、下載新的空中接口

終端的最終軟件重配置被許多人看成是下載新的空中接口。提高功率和降低數(shù)字信號(hào)處理的成本將允許在移動(dòng)手機(jī)上使用可重配置基帶處理，這將逐步允許使用靈活的空中接口。

這將給消費(fèi)者一個(gè)能與任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的終端而不需要大幅度提高終端成本。這個(gè)設(shè)想也能使終端/IC制造商受益，因?yàn)樗试SRF的制造和基帶處理器能適應(yīng)所有可見的標(biāo)準(zhǔn)和市場。這種終端對(duì)最終用戶的主要好處之一是具有在許多不同空中接口標(biāo)準(zhǔn)間漫游的能力。制造空中接口重配置的終端需要三個(gè)關(guān)鍵要素

1.軟件無線電。盡可能多地用軟件無線電實(shí)現(xiàn)無線電處理。硬件重配置是可能的，但是通常比軟件實(shí)現(xiàn)要更大的成本。

2.標(biāo)準(zhǔn)。在新空中接口標(biāo)準(zhǔn)上運(yùn)行的終端重配置將需要標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，以用于傳輸、認(rèn)證和下載軟件。

3.軟件架構(gòu)。終端內(nèi)的軟件架構(gòu)要么在不工作的狀態(tài)下能完全改變，要么以如下方式構(gòu)建，即協(xié)議軟件的關(guān)鍵部分能容易地改變而對(duì)終端成本的影響不大。

使用SDR提供第三代能力的終端將在大約3年內(nèi)投入商業(yè)運(yùn)用。列終端制造商的關(guān)鍵益處是SDR技術(shù)將允許使用一種硬件和軟件架構(gòu)平臺(tái)來適應(yīng)全世界的市場。SDR論壇對(duì)SDR終端市場的大小作了估計(jì)，認(rèn)為到2005年將大約為一億三千萬手持設(shè)備。

五、未來的標(biāo)準(zhǔn)

移動(dòng)通信技術(shù)不斷進(jìn)步，為移動(dòng)用戶提供更大的帶寬和許多不同業(yè)務(wù)。GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一種可能的進(jìn)化路徑是從以話音業(yè)務(wù)為主的GSM進(jìn)化成為具有為用戶提供高帶寬的許多業(yè)務(wù)可能性的能力的3G（UMTS）標(biāo)準(zhǔn)。GSH的進(jìn)化由使用GSM標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展而引發(fā)；HSCSD（高速電路交換）和GPRS（通用分組無線服務(wù)）都能提供高數(shù)據(jù)率。后者還提供分組數(shù)據(jù)能力。

軟件下載的一種可能的進(jìn)化路徑是：使用SIM應(yīng)用工具包（STK）的簡單菜單下載，然后WAP（無線應(yīng)用協(xié)議）允許更復(fù)雜的下載，然后WAP（無線應(yīng)用協(xié)議）允許更復(fù)雜的下載，之后是兩個(gè)MEXE（移動(dòng)站應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境）標(biāo)準(zhǔn)用于下載應(yīng)用。MEXE基于WAP，MEXE-2基于個(gè)人JAVA。最后，通過下載實(shí)現(xiàn)完全動(dòng)態(tài)重配置。做到這一點(diǎn)的新標(biāo)準(zhǔn)正由3GPP TSGT2/SWG/（MEXE）開發(fā)。由于要增加可重配置的能力，我們需要新的標(biāo)準(zhǔn)形式。將來我們將從固定的標(biāo)準(zhǔn)移到靈活的標(biāo)準(zhǔn)，做到這一點(diǎn)的挑戰(zhàn)是如何選擇依舊維持著多廠商的操作系統(tǒng)。如果下載發(fā)生于良好定義的軟件架構(gòu)中，這是可能的；

目前來看，3G或UMTS終端的作用是為操作具有提供許多不同業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）應(yīng)用數(shù)據(jù)流功能的移動(dòng)終端提供便利。使用低層協(xié)議重配置將增加終端匹配應(yīng)用所要求的Qos的能力。

重配置技術(shù)和軟件下載的使用將促進(jìn)4G終端的發(fā)展，它將為特殊的應(yīng)用提供許多不同的空中接口的最優(yōu)化配置。

因?yàn)橄虏密浖闹嘏渲媚芰Γ?G終端有望實(shí)現(xiàn)多模、多業(yè)務(wù)和多標(biāo)準(zhǔn)。完全的軟件重配置也將允許發(fā)展新的基站和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，那將能動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同流量狀況，使可提供給操作者的有限資源（頻譜和帶寬）的使用效率最大化。