基于軟件無線電收發(fā)機前端設計方法的分析與研究

邱旦峰　于為　卜剛

摘要：軟件無線電技術(shù)將很大程度上解決當前個人無線通信系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)如產(chǎn)品開發(fā)周期和生存期的挑戰(zhàn)，移動終端功能多樣化帶來的系統(tǒng)集成和功耗的挑戰(zhàn)。因而其被提出后很快成為國內(nèi)外無線通信領域的研究熱點，被普遍認為是繼無線技術(shù)數(shù)字化之后的第二次技術(shù)革命。通過研究自適應電路設計方法，使軟件無線電收發(fā)前端的性能可以隨著信道質(zhì)量的變化自適應地調(diào)整，從而使電路功耗最小。

關鍵詞：軟件無線電；收發(fā)前段；自適應調(diào)整；優(yōu)化算法

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）12-0228-02

Analysis and Research the Front-end Design Method of Software Radio Transceiver

QIU Dan-feng， YU Wei， BU Gang

（School of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016，China）

Abstract：Software radio technology will largely address the challenges of the current personal wireless communication system faces. Such as product development cycle and survival challenges ，and mobile terminal functional diversity brings system integration and power challenges. The software radio technology was made soon after become a hot topic at home and abroad in the field of wireless communications， and it is generally regarded digital wireless technology after second technological revolution .By studying the adaptive circuit design that enables performance radio front-end software can change the channel with the quality of adaptively adjusted to minimize the power consumption of the circuit.

Key words： software defined radio； transceiver front-end； adaptive； optimization

隨著器件尺寸的不斷縮小、工作電壓的下降，CMOS模擬/射頻電路設計的挑戰(zhàn)性不斷增加，因而希望在收發(fā)機中模數(shù)轉(zhuǎn)換器件離天線越近越好，直至直接在天線后進行數(shù)字化。軟件無線電收發(fā)前端的設計有很大挑戰(zhàn)性，除了不同標準之間性能指標的多樣性使覆蓋的頻段范圍寬、動態(tài)范圍跨度大之外，功能的多樣化、數(shù)據(jù)鏈路的寬帶化導致的額外能耗，使如何降低移動終端的功耗、延長續(xù)航時間，成為軟件無線電終端系統(tǒng)輒待解決的關鍵問題。本文的重點是研究降低系統(tǒng)功耗，同時將使無線收發(fā)機前端具有環(huán)境感知的智能性的實現(xiàn)。

1 軟件無線電技術(shù)

軟件無線電概念的正式提出是在上世紀九十年代初，其核心思想是用標準化、模塊化、通用化和可編程的部件實現(xiàn)無線收發(fā)機的硬件部分，而其具體的功能以及性能參數(shù)用軟件編程實現(xiàn)，從而實現(xiàn)不同體制和同一體制不同版本的通信標準的兼容性和靈活適應性。微電子技術(shù)的發(fā)展推動著軟件無線電技術(shù)的不斷前進。隨著互補金屬氧化物半導體工藝的不斷演進，集成電路的規(guī)模和速度不斷提高的同時，成本不斷下降，使得功能強大的數(shù)字信號處理器（DSP）得以被使用在個人移動終端上，從而在其上可以實現(xiàn)復雜的信號處理功能。

目前，軟件無線電收發(fā)前端的設計思路可歸結(jié)為以下幾種：

1） 性能指標固定的單路通用硬件；

2） 性能指標固定的多路專用硬件并聯(lián)；

3） 是性能指標固定的單路-多路混合的硬件結(jié)構(gòu)；

4） 是用可調(diào)的模塊替代以上結(jié)構(gòu)中被不同模式共享的硬件模塊，使其性能指標根據(jù)特定應用模式進行調(diào)整，從而降低能耗。

上面幾種收發(fā)機實現(xiàn)方案在系統(tǒng)設計方面都是沿用傳統(tǒng)的設計方法，即系統(tǒng)的各項指標是按最壞信道質(zhì)量的極端情況進行設計的。如果能夠找出一種系統(tǒng)設計和電路實現(xiàn)的方法，根據(jù)特定的信道和電路PVT狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整CMOS電路的工作條件，使其性能恰好滿足要求，即收發(fā)機前端性能是對信道質(zhì)量和電路PVT是自適應的，則收發(fā)機的功耗將是最低的。

2 軟件無線電收發(fā)前端設計思路

本文研究對信道質(zhì)量和電路PVT狀態(tài)的變化且性能能夠自適應調(diào)整的軟件無線電CMOS收發(fā)前端電路的設計方法，使其在滿足信號接收質(zhì)量要求的前提下，功耗最小。具體研究以下內(nèi)容：

2.1 應用于軟件無線電收發(fā)機前端的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是CMOS數(shù)字集成電路中重要的降低功耗的方法，如果能將這種技術(shù)用于射頻/模擬/混合信號電路，則在電路電流恒定的情況下，電路功耗隨電壓的下降線性減小。這項技術(shù)的成功應用，將使電源電壓成為主動調(diào)節(jié)手段，而非被動的電路狀態(tài)條件，成為軟件無線電收發(fā)機前端的自適應降低功耗的重要手段。

2.2 性能優(yōu)化友好的功耗有意識軟件無線收發(fā)機前端設計方法

功耗有意識是指設計者在設計中采用的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)等，盡可能用較少的功耗實現(xiàn)所期望的電路功能和性能。同時，通過選擇合理電路結(jié)構(gòu)，使電路基底噪聲、線性度、增益、信號最大擺幅等性能的提高與電路中的功率損耗成正相關，這樣如果電路性能恰好滿足要求，則功耗能接近最小。

功耗有意識的、性能優(yōu)化友好的射頻/模擬電路模塊設計方法的研究，不僅使模塊性能優(yōu)化更高效，而且可以使優(yōu)化擺脫手工作業(yè)、用算法實現(xiàn)，符合軟件無線電模塊化、通用化設計的思想，這是通向具有自適應性的智能射頻前端的途徑。

2.3 軟無線電收發(fā)前端系統(tǒng)功率動態(tài)優(yōu)化算法

動態(tài)優(yōu)化算法能夠根據(jù)信道質(zhì)量，實時地在線對各個模塊的性能按照一定的規(guī)則進行調(diào)整，使系統(tǒng)能夠恰好滿足性能要求，并且功耗接近最小。這套對模塊性能進行調(diào)整的“規(guī)則”，即性能優(yōu)化算法，應該對所有的不同通信標準、信道狀態(tài)、電路PVT狀態(tài)普遍適用。而系統(tǒng)需要滿足的性能要求可以是誤碼率，也可以是與其相關的參數(shù)，如誤差向量幅度。在不同通信模式下，系統(tǒng)性能期望達到的性能標準可能不同，而這可以作為算法中的可配置參數(shù)進行傳遞。

3 軟件無線電收發(fā)前段設計方案

由于工藝的不斷演進，CMOS集成電路的規(guī)模和速度不斷提高，使復雜的信號處理功能得以在個人無線通信終端上實現(xiàn)。本項目擬利用數(shù)字信號處理技術(shù)，解決軟件無線電收發(fā)前端信道質(zhì)量自適應問題，降低系統(tǒng)功耗。

3.1 應用于軟件無線電收發(fā)機前端的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

對于接收機，本項目擬利用最小均方自適應信號處理算法，在數(shù)字基帶對開關噪聲進行抵消，如圖1所示。因為電源上的開關噪聲與開關電源中的時鐘信號正相關，本項目擬利用時鐘信號作為噪聲源參考信號，通過LMS自適應噪聲算法，將接收到的信號中與其相關的部分消除。當然，此方案如需奏效還有一定的前提條件，電源上的噪聲引入的乘法性的干擾可忽略，即前端電路的設計對有電源電壓變化有“友好性”。如果需要消除乘法性的干擾，也可能可以人為地對電源注入經(jīng)過自適應濾波的開關時鐘信號，經(jīng)過LMS算法在基帶獲得最小能量時，可認為噪聲消除最徹底。

在包絡調(diào)制器的輸出端接開關頻率陷波器的方法濾除開關頻率，系統(tǒng)框圖如圖2所示。傳統(tǒng)的包絡調(diào)制器是針對特定的通信模式，開關頻率固定，因而濾波器的頻率特性也是固定的。而對于具有自適應性的軟件無線電發(fā)射機，為達到最佳效率，希望包絡調(diào)制器開關頻率可變，傳統(tǒng)的濾波方案則不能滿足要求。本項目擬利用時域離散信號在頻域隨采樣頻率周期延拓的特性，采用連續(xù)時間域與離散域濾波器混合的方式，實現(xiàn)自動跟蹤包絡調(diào)制器開關頻率的自適應陷波濾波器

圖3為擬采用的自適應開關頻率陷波器結(jié)構(gòu)，其由高通濾波器與時間離散域的低通濾波器串聯(lián)而成，而離散域濾波器的開關時鐘是由開關型包絡調(diào)制器的開關時鐘產(chǎn)生的同頻時鐘。時域離散的濾波器在頻域隨采樣頻率周期延拓，因此連續(xù)時間域的低通特性時間離散化后變?yōu)樽詣痈欓_關頻率的陷波濾波器。為了保持包絡調(diào)制器輸出中直流附近的低頻信號，在陷波濾波器前引入高通濾波器，以隔絕低頻信號。

3.2 軟無線電收發(fā)前端系統(tǒng)性能動態(tài)優(yōu)化算法

本項目擬采用基帶信號解調(diào)后的誤差向量幅度（EVM）作為信號接收質(zhì)量的判斷標準，相比于誤碼率（BER），其可以通過一幀數(shù)據(jù)迅速地得到結(jié)果。軟件無線電收發(fā)前端信道質(zhì)量自適應算法框圖如圖5所示，其中EVMmax 是對于某個通信模式，要滿足通信質(zhì)量要求所能容忍的最大誤差向量幅度。該算法可以在通信是不斷循環(huán)調(diào)用，以保證實時性；也可以定時調(diào)用，以減小算法本身帶來的能耗。

以上算法是建立在性能與功耗正相關的前提下，如果性能最恰好滿足要求，則功耗最低。但實際情況下，不同調(diào)節(jié)方式對同一性能產(chǎn)生的相同的影響，但功耗卻不一定相同，因而需要考慮性能調(diào)節(jié)方式的功耗成本問題。

4 結(jié)束語

在上述設計過程中，我們將動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)應用于軟件無線電收發(fā)機前端，利用極坐標發(fā)射機包絡調(diào)制器使軟件無線電的多工作模式自適應，設計出CMOS軟件無線電收發(fā)前端性能優(yōu)化友好的模塊化方法和對信道質(zhì)量自適應的軟件無線電收發(fā)前端性能優(yōu)化算法。

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