一種實現(xiàn)VEM總線結(jié)構(gòu)的軟件無線電方案

鄭正威，陳 俊

（廣東電網(wǎng)公司 清遠(yuǎn)供電局，廣東 清遠(yuǎn) 511515）

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[1]。其中心思想是構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的各種功能（如變頻、濾波、加密解密、擴(kuò)頻和解擴(kuò)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(qiáng)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(shè)備接收和處理信號的能力，縮短新型無線電通信設(shè)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(jī)、高速DSP、現(xiàn)場可編程門陳列（FPGA）、高溫超導(dǎo)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。ADC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(dá)到高速ADC的同時，兼顧高分辨率；同樣，在達(dá)到高分辨率的同時，也要兼顧高速。具體應(yīng)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(jìn)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[4]。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(kuò)展的超級哈佛指令計算機(jī)（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(shè)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。

圖1 理想軟件無線電結(jié)構(gòu)Fig.1 Ideal software defined radio structure

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(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮其適應(yīng)性廣升級換代簡便的特點。軟件無線電總線式結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jī)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[2]，如圖2所示。

2.3 交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 基于VEM總線的軟件無線電結(jié)構(gòu)Fig.2 SDR structure based on VEM BUS

清華大學(xué)在“863”軟件無線電項目中提出了一種基于交換網(wǎng)絡(luò)的軟件無線電結(jié)構(gòu)[3]，如圖3所示。各模塊之間通過適配和交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(kuò)展性好。硬件平臺中用PC機(jī)來完成交換機(jī)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(jìn)行通信。因此這種結(jié)構(gòu)靈活性好，可以適應(yīng)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。

圖3 基于交換網(wǎng)絡(luò)的軟件無線電結(jié)構(gòu)Fig.3 SDR structure based on switch network

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(biāo)準(zhǔn)化、通用化，實現(xiàn)軟件的即插即用[5-6]。 國外已經(jīng)研究并提出了基于JAVA/CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共對象請示代理體系結(jié)構(gòu)）的軟件協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是面向?qū)ο蠊芾砑瘓F(tuán)（Object Management Group，OMG）制定的標(biāo)準(zhǔn)，它基于軟件總線的思想，目的是建立一個標(biāo)準(zhǔn)、開放、通用的體系結(jié)構(gòu)。軟件總線與硬件總線類似。將應(yīng)用模塊按標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

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(dāng)一個數(shù)據(jù)塊到達(dá)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。

圖4 軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Software system structure

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(jìn)行分頁管理相類似，它基于流處理的工作方式，可使得模塊間的接口得到極大的簡化并能有效地進(jìn)行資源分配和復(fù)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(wù)中的一部分，而處理完這部分任務(wù)后需將數(shù)據(jù)和控制信息傳送到下一個處理模塊，進(jìn)行另一部分任務(wù)的處理，直到全部任務(wù)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(yīng)用軟件設(shè)置在3層之上。接口層是無線電硬件與外部的接口，負(fù)責(zé)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(jìn)制代碼負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)接收來自配置層的信息包，并對信息包中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，是真正進(jìn)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(shè)置相應(yīng)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[7-8]。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

圖5 分層體系結(jié)構(gòu)Fig.5 Layered system structure

所謂軟件無線電就是將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)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(wù)，多標(biāo)準(zhǔn)，多頻帶，可重構(gòu)，可重編程的無線系統(tǒng)[9-10]。

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(wù)提供商來說也有利。對于多頻/多模的可編程手機(jī)。它要求能夠自動檢測接收信號，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調(diào)制方式，利用不同軟件來適應(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。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(biāo)準(zhǔn)，能應(yīng)付當(dāng)前和將來復(fù)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(jī)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(hù)了網(wǎng)絡(luò)運營商的硬件投資同時延長了各種終端移動設(shè)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(fù)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(jìn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yuǎn)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(luò)條件來選擇網(wǎng)絡(luò)。選擇合適網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)（系統(tǒng)包括 GSM，CDMAIS-95，EDCT，UMTS 等）的必要硬件的基站，這個基站被稱作通信基站。對應(yīng)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(shè)備上。每個通用基站有兩種類型的信道－通用導(dǎo)頻信道和通用數(shù)據(jù)信道，通用導(dǎo)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(shè)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(shè)備用來下載系統(tǒng)軟件代碼的，用這些代碼配置移動設(shè)備的硬件來提供調(diào)制，接入和網(wǎng)絡(luò)功能。這種移動設(shè)備具有通用的可編程硬件以適用于眾多的標(biāo)準(zhǔn)。

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(jìn)。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(shè)備將先檢測通用導(dǎo)頻信道是否可用，檢測完所有可用的通用導(dǎo)頻信道后，通用基站將考慮移動設(shè)備的移動情況。通用基站在切換上應(yīng)該有一定的門限，當(dāng)選擇一個無線接入網(wǎng)時，如果移動設(shè)備的移動預(yù)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(shè)備分配導(dǎo)頻信道。選擇網(wǎng)絡(luò)后，通用導(dǎo)頻信道將搜索已選的服務(wù)是否可用。選擇了合適的網(wǎng)絡(luò)后，移動設(shè)備將開始下載軟件。如果移動設(shè)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(shè)備將要求基站通過下載升級對應(yīng)的系統(tǒng)軟件。

由于自適應(yīng)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[11-12]。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(jìn)，其自適應(yīng)智能天線將大大擴(kuò)大4G中針對移動高速數(shù)據(jù)的802。16eWiMAX協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)智能天線技術(shù)的優(yōu)點，當(dāng)需要支持2.5G、3G和4G高速數(shù)據(jù)設(shè)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(yīng)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(dá)到的目標(biāo)是:任何人在任何時間，任何地點都可以和其他任何人進(jìn)行任何種類（話音，數(shù)據(jù)，圖像等）的通信[13]。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(fù)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(kuò)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(luò)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。

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