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汪汉新等: 移动通信系统中的软件无线电技术移动通信系统中的软件无线电技术汪汉新, 陈亚光( 中南民族大学电信学院湖北武汉430074)摘要: 软件无线电是在通用的、开放的硬件平台上采用软件技术来实现无线通信系统的各种功能的通信技术。
本文介绍了软件无线电的基本概念、主要特点, 分析了实现软件无线电的关键技术及其在第三代移动通信系统中的应用前景。
关键词: 移动通信; 软件无线电; 可编程数字器件; 无线通信中图分类号: TN 92915 文献标识码: B 文章编号: 1004 373X ( 2003) 17 000 03Sof tware Rad io Technology for M ob ile Comm un ica tion SystemW AN G H anx in, CH EN Yaguang(Co llege of E lectron ics and Info rmation, Sou thcen tral U n iversity fo r N ationalities, W uhan, 430074, Ch ina)M A 、北美的 CDM A 2000 和中国的 TDp ap er in troduced softw a re radio concep tion and cha racteristic, ana lyzed the key techn iques fo r softw a re radio and described the p er21 引言成电路技术的进步和芯片处理速度的不断提高, 特别是数字信号处理器 (D SP ) 、现场可编程门阵列(FPGA ) 等可编程数字器件的快速发展而产生的一种新的无线通信技术。
传统的基于专用集成电路 (A S IC ) 的无线通信系统的全部功能由硬件实现, 只能工作于单一频段、单一调制方式, 不同体系结构的通开放的硬件平台上采用软件技术通过可编程的 D SP ,信系统难以相互沟通。
软件无线电则是在一个通用的、FPGA 来实现无线通信系统的各种功能, 可以为移动通信提供多频段、多模式、多标准的服务, 并实现不同体制、不同标准下的移动通信网的互联互通。
目前SCDM A 等的第三代移动通信系统标准已经形成了欧洲的W CD 2 多种技术标准并存的局面, 不同的标准带来的问题限制了系统之间设备的漫游和兼容; 软件无线电技术以其高度的灵活性和很好的适应性无疑是解决这些问题的首选方案, 他将成为第三代移动通信系统的关键技术之一。
收稿日期: 2003 06 17 该研究得到韩国全北大学情报通信研究所 IFR 2002 基金资助sp ective fo r the th ird genera tion m ob ile comm un ica tion system 170Abstract: Softw a re radio is a techno logy tha t u ses softw a re to rea lize radio on a un iversa l and op en ha rdw a re p la tfo rm 1 T h is Keywords: m ob ile comm unica tion; softw a re radio; p rogramm ab le digita l device; w ireless comm un ica tion 2 软件无线电的特点软件无线电是随着计算机技术的发展、大规模集软件无线电是一种基于宽带模数变换器(ADC ) 、数模变换器 (DA C ) 、高速数字信号处理器(D SP ) 、现场可编程门阵列(FPGA ) , 以软件为核心的体系结构。
他的基本思想就是将宽带 ADC 及 DA C 尽可能地靠近射频天线, 在一个通用的、开放的硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线通信系统的各种功能。
软件无线电有着灵活的可重新配置和可编程的能力, 其主要表现在: ( 1) 软件无线电的通用的系统结构, 使移动通信系统的功能实现灵活, 系统改进与升级方便; 利用统一的硬件平台和不同的软件模块可以实现移动通信系统不同标准之间的互操作; 且这些模块化的系统结构具有很大的通用性, 能在不同的系统升级时很容易地重新配置; 同时还可以通过先进的动态调整技术, 提高无线通信系统的服务质量, 使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。
( 2) 通过对软件模块的重新配置和控制, 可以实编码解码方式、业务种类、数据速率、加密解密模现各种通信频段的选择, 灵活的改变调制解调方式、式、接入控制协议等等。
同时通过加载软件算法或升级软件, 就可以实现业务功能的扩展和新的通信标准的实施, 更利于通信技术的升级。
《现代电子技术》2003 年第 17 期总第160 期3 实现软件无线电的关键技术 311 软件无线电的组成网络与通信频前端和宽带上下变频器 (U C DC ) 。
射频前端单元主要包括通用的接收发送全双工器, 多倍频程宽带低噪声接收放大器线性高功率发送放大器, 自动增益控制器功率控制器等。
由于这部分信号的工作频率都相当高, 就目前的技术水平而言, 数字器件的转换速率、工作带宽和处理速度还不能满足要求, 因此这部分只能用高频模拟器件实现, 但可以用软件对其某些功能参数进行控制, 比如 R F前端的频段参数可随传输体制的配置而被基带处理单元的 D SP 控制。
( 2 ) 中频部分主要包括正交调制解调器、宽带 ADC DA C、数字上下变频器 (DU C DDC ) 。
中频部分的功能主要完成可编程的多路信道选择、滤波器配置和采样速率的转换等处理。
数字下变频的功能是降低采样速率, 将中频采样信号下降为低速基带采样信号, 以便于后续 D SP 的处理。
( 3) 基带部分主要由数字可编程器件 (D SP、FP 2 GA ) 来完成基带信号可编程处理, 包括基带处理、比特流处理和信源编码等。
这部分要求具有高度的可编程、可重新配置等特点。
的 D SP 器件来实现软件无线电的各种功能, 这样就需要ADC, DA C 具有高速度、大带宽和大的动态范围等性能。
但受目前硬件水平的制约, 这一点还难以达到要求。
因为要保证抽样后的信号保持原来信号的信息, 根据奈奎斯特采样定理, ADC 采样速率应大于信号带宽的 2 倍 ( 通常选择采样速率为带宽的 215 倍) , 现有71理想的软件无线电直接用高速 ADC 转换器将射频信号变换为数字信号, 即在射频对信号进行数字化, 后续处理完全由高速 D SP 来完成, 这种结构的软件无线电虽然结构简单, 但是实现起来很困难。
他不仅要求 ADC 必须具有足够的采样速率和采样精度, 同时对后续 D SP 或 FPGA 的处理速度的要求也相当高, 以至于在现有的技术条件下无法实现。
因此目前能够实现的软件无线电实际上是中频数字化的软件无线电, 其主要思想是先将射频信号经过下变频转换器 (DC ) 将其转换为中频信号, 然后在中频位置对信号进行数字化, 这样可以降低对ADC, DA C , D SP 或 FPGA 等数字器件的要求, 从而实现软件无线电的各种功能。
中频数字化的软件无线电系统由 3 部分组成: 射频部分(R F ) 、中频部分 ( IF ) 和基带部分 (BB ) 。
如图 1 所示。
( 1) 射频部分主要包括多频段智能天线阵列, 射图 1 中频数字化的软件无线电系统312 软件无线电的关键技术ADC 转化成数字信号后才能用可编程的 D SP 进行处利用软件无线电技术实现多频、多模、多功能的移动通信系统, 对软件无线电的相关技术提出了非常高的要求。
( 1) 多频段智能天线技术软件无线电对天线设计的要求很高, 为了使天线能够动态地接收多频段的射频信号, 同时又具有一定的极化或方向图分集控制能力, 采用组合式多频段智能天线是一个很好的解决方案。
多频段智能天线技术依靠算法和软件控制来实现智能化。
利用多频段智能天线技术可以减少接收到的多径信号的数量, 降低衰落; 可以对接收到的多径信号进行最佳合并, 充分利用多径信号的信息能量; 可以提高频谱的利用率; 可以为用户终端提供信号到达方向(DOA ) 信息, 实现用户定位等。
( 2) 宽带ADC, DA C 技术数字化是软件无线电的基础。
模拟信号只有经过理, 实现真正意义上的软件无线电。
因此ADC, DA C 是软件无线电中非常关键的技术, 他决定了软件无线电的发展进程。
在理想的软件无线电体系结构中, 宽带 ADC, DA C 的位置应尽量放在天线之后, 以便获得对无线通信系统最大限度的可编程设计, 尽可能地通过可编程的 ADC 的技术水平还满足不了这么高的要求; 同时由于多路信号间的远近效应, 要求ADC 还要有大的动态范围和采样精度。
因此, 目前通常采取的方法是将射频信号先转变为标准的中频信号, 以便适应ADC汪汉新等: 移动通信系统中的软件无线电技术的需要, 实现所谓的中频数字化的软件无线电。
在实际应用中还可以用并行 A D 转换的方法来满足更高的转换带宽要求。
不过, 随着大规模集成电路技术的发展, ADC 器件的性能将逐步提高, 其位置也就越来越接近于天线, 最终将实现理想的软件无线电。
( 3) 数字信号处理技术灵活的可编程和可重新配置是软件无线电系统的特征, D SP 是软件无线电实现可编程处理所必须的最基本器件, 他是实现软件无线电的最关键的技术。
在基带处理单元, 对于完成各种波形的调制解调、扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步等信号的处理, 要求 D SP 应该有每路几十到几百个M IPS 处理能力; 对于完成信道编码解码、复接分接、交换、控制、管理以及加密解密等功能, 对 D SP 的处理能力的要求也相当高; 对于完成话音和图像等信源编码解码的算法, 同样要求 D SP应该有每信道十几个 M IPS 的处理能力。
要完成如此大的信号处理运算, D SP 必须具有快速的、高精度的数据处理和交换的能力。
虽然可以采取数字下变频器 (DDC ) 进一步降低信号频率, 使基带处理的数据速率低于中频, 但由于第三代移动通信系统的数据速率本身就较高(W CD 2 求仍然非常高。
采用树状结构或网络结构的多处理器技术可以提高 D SP 的处理能力, 并满足所需要求。
( 4) 软件下载技术件下载方式、接口方式和软件下载的认证、安全和协议等。