一種實現VEM總線結構的軟件無線電方案

鄭正威，陳 俊

（廣東電網公司 清遠供電局，廣東 清遠 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]。其中心思想是構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，使A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線，將接收機的各種功能（如變頻、濾波、加密解密、擴頻和解擴等）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。文中主要利用該系統的核心技術，利用了高速、高精度ADC和DAC、可編程ASIC和DSP等來構造功能強大的軟硬件平臺，并通過選用和不斷開發新的軟件模塊來滿足多種通信需求。提高無線電通信設備接收和處理信號的能力，縮短新型無線電通信設備的開發周期，延長其使用壽命。

1 器件技術簡介

隨著電路技術和器件技術的不斷發展，如寬帶高速A/D/A、寬帶大動態接收機、高速DSP、現場可編程門陳列（FPGA）、高溫超導等，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 寬帶模數轉換器（ADC）

決定寬帶模/數性能的關鍵是采樣速率和位數，采樣速率由信號帶寬決定，量化位數則要滿足一定的動態范圍和數字信號處理精度。ADC的分辨率越高（位數越多），需要轉換的時間就越長，轉換速率就越低，兩者相互制約。高速ADC的結構主要采用全并行或閃爍型ADC；而高分辨率ADC主要采用∑-△結構。軟件無線電中，在達到高速ADC的同時，兼顧高分辨率；同樣，在達到高分辨率的同時，也要兼顧高速。具體應用時，還要考慮功耗、功能以及與外圍其它電路的接口等。因此，在軟件無線電的發展初期采用的ADC為AD9042，目前則有性能更為優越的AD6640。

1.2 數字下變頻器（DDC）

數字下變頻器（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，是整個系統數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，以正交或實信號形式輸出。窄帶提取由下變頻和將有用頻帶中置到數據載波完成。即由正交正弦信號乘以輸入數據完成下變頻，同相（I）和正交（Q）處理支路都由高抽取濾波器（HDF）和FIR濾波器級聯組成，用來提取有用頻段。輸出格式化器對濾波器的輸出進行整形，以提供各種串行數據格式。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]。目前已商業化的產品如TI公司的 TMS320C40（第一代并行 DSP），AD公司的ADSP2106X為可并行擴展的超級哈佛指令計算機（SHARC），這種芯片內四套獨立的總線，可完成雙向數據存取、指令存取、非指令性I/O，而且可方便地構成多片并行的處理系統。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計的。TMS320C6X系列的主要特點是采用了甚長指令字（VLIW）的體系結構。該結構中，多個功能單元是并發工作的，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。開發工具在提供DSP系統的性能方面也起著重要的作用。

2 硬件體系結構

2.1 流水線結構

Joe.Mitola提出的理想軟件無線電結構如圖1所示，是一種流水線結構，包括天線、多頻段射頻、RF轉換、寬帶A/D和D/A轉換器以及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代替傳統的專用數字電路和低速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，通過軟件實現不同的通信功能。

圖1 理想軟件無線電結構Fig.1 Ideal software defined radio structure

2.2 總線式結構

總線式結構的軟件無線電結構中各功能單元通過總線連接起來。并通過總線交換數據及控制命令。軟件無線電要求通信系統具有較高的實時處理能力。只有采用先進的標準化總線結構才能發揮其適應性廣升級換代簡便的特點。軟件無線電總線式結構應具有以下特點：

1）支持多處理器系統；

2）具有寬帶高速的特性；

3）具有良好的機械和電磁特性。

總線結構能夠在惡劣的通信環境中正常工作，保證一定的通信性能[2]，如圖2所示。

2.3 交換式網絡結構

圖2 基于VEM總線的軟件無線電結構Fig.2 SDR structure based on VEM BUS

清華大學在“863”軟件無線電項目中提出了一種基于交換網絡的軟件無線電結構[3]，如圖3所示。各模塊之間通過適配和交換網絡進行數據包的交換，各模塊之間遵循相同接口和協議。這樣，不僅模塊之間耦合很弱，還可以方便地實現數據的廣播和選播，擴展性好。硬件平臺中用PC機來完成交換機的功能，在實現某種具體的通信系統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行通信。因此這種結構靈活性好，可以適應多種無線電通信系統，并已證明具有好的吞吐率和實時性能。

圖3 基于交換網絡的軟件無線電結構Fig.3 SDR structure based on switch network

3 軟件無線電體系結構實現

3.1 軟件總線

在軟件無線電多工作方式實現過程中，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軟件的功能重組。這就要求將通信協議及軟件標準化、通用化，實現軟件的即插即用[5-6]。 國外已經研究并提出了基于JAVA/CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共對象請示代理體系結構）的軟件協議和標準。該標準是面向對象管理集團（Object Management Group，OMG）制定的標準，它基于軟件總線的思想，目的是建立一個標準、開放、通用的體系結構。軟件總線與硬件總線類似。將應用模塊按標準做成插件，插入總線即可實現集成運行從而支持分布式的計算環境。目前OMG正在研究專門用于通信的CORBA標準。

3.2 體系結構實現方法

基本思想是把系統分為幾個子系統，每個子系統執行特定的通信功能，比如調制、解調、編譯碼等這些子系統可以動態地增加和減少和它聯系的通信功能以及通信參數都可以動態地配置。系統輸入和輸出的數據被分為一個個數據塊，當一個數據塊到達某個子系統時該子系統就開始運行，并把處理完的數據塊發送到下一個子系統。每個子系統有多個輸入輸出口，可以動態地配置為可用或不可用，如圖4所示。

圖4 軟件體系結構Fig.4 Software system structure

3.3 體系結構分層及各層實現方法

在分層體系結構中，無線電的功能實體以層劃分，數據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構如圖5所示。它采用硬件分頁的方法來重構無線電功能，與通過軟件對內存進行分頁管理相類似，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行資源分配和復雜的數據處理，保持對硬件的重用性。所謂流是一個指定長度的含有數據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中的一部分，而處理完這部分任務后需將數據和控制信息傳送到下一個處理模塊，進行另一部分任務的處理，直到全部任務完成為止。該體系結構分為3層：接口層、配置層和處理層，均是基于流處理的，應用軟件設置在3層之上。接口層是無線電硬件與外部的接口，負責協調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制代碼負責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模塊組成的，負責接收來自配置層的信息包，并對信息包中的數據進行處理，是真正進行數據處理的功能實體。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。

分層體系結構提供了一個開放的結構來實現可重構平臺的軟件無線電系統，它的主要優點在于使硬件有極好的可重用性，只要在硬件上設置相應的參數，就能實現指定的功能，建立起類似于軟件函數庫的硬件函數庫[7-8]。另外，分層體系結構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 分層體系結構Fig.5 Layered system structure

所謂軟件無線電就是將模塊化、標準化的硬件單元，以總線方式連接構成基本平臺，并通過軟件加載，實現各種通信功能的一種開放式體系結構。軟件無線電主要由天線、射頻前端、高速A/D-D/A轉換器、通用和專用數字信號處理器、低速A/D-D/A轉換器以及各種接口和各種軟件所組成。它是一種新興技術，這種技術可由軟件來建立靈活的，多服務，多標準，多頻帶，可重構，可重編程的無線系統[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，而且對服務提供商來說也有利。對于多頻/多模的可編程手機。它要求能夠自動檢測接收信號，接入不同的網絡，而且能滿足不同接續時間的要求。軟件無線電技術可用不同軟件實現不同無線電設備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調制方式，利用不同軟件來適應不同標準，構成多模手機和多功能基站，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準，能應付當前和將來復雜的通信模式和信令結構。另外，利用軟件來實現動態信道分配機制，能夠有效地提高系統性能和頻譜利用率。

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后則保護了網絡運營商的硬件投資同時延長了各種終端移動設備的生存周期。

4.2 軟件無線電基站

傳統的基于硬件的基站是一個復雜的無線電、控制體系以及通信和控制下層結構的混合體。許多分散的收發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、數字化，并在通信下層結構里進行多路傳輸。該結構最大的問題是信號處理，因為它是由固定的硬件設備構建的，很難升級。而使用軟件無線電技術可以很容易的從一個標準切換到另一個，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，這在無線技術快速變換的今天很具優勢且很具實用價值。

在不遠的將來，在某一移動終端所處區域內很可能有多個不同系統存在。用戶或運營商將根據這種新的網絡條件來選擇網絡。選擇合適網絡后進行重構的第一步是確定哪種無線接入網可以利用。為了實現這一步必須有滿足所有條件的標準系統（系統包括 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備上。每個通用基站有兩種類型的信道－通用導頻信道和通用數據信道，通用導頻信道是一個同步參考，消息傳播和發信號信道。為了下載系統軟件，移動設備將通過這個信道與通用基站交換信息。通用數據信道是專門為移動設備用來下載系統軟件代碼的，用這些代碼配置移動設備的硬件來提供調制，接入和網絡功能。這種移動設備具有通用的可編程硬件以適用于眾多的標準。

4.3 WiMAX軟件無線電基站方案

由于大多數的信號處理和濾波器是在硬件上實現的，窄帶系統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加以實現。 如果基站使用寬帶軟件無線電結構，其硬件可以覆蓋20 MHz范圍幾乎所有的在數字領域出現的信號處理，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無線性能改變。與常規的方法相比，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。對正在發展中的協議如IEEE802。16來說，該方法優點將更為突出。

為了選擇一個可利用的無線接入網，移動設備將先檢測通用導頻信道是否可用，檢測完所有可用的通用導頻信道后，通用基站將考慮移動設備的移動情況。通用基站在切換上應該有一定的門限，當選擇一個無線接入網時，如果移動設備的移動預期切換超出門限，那么通用基站以更大覆蓋區域為移動設備分配導頻信道。選擇網絡后，通用導頻信道將搜索已選的服務是否可用。選擇了合適的網絡后，移動設備將開始下載軟件。如果移動設備移到一個新的區域，移動的QoS低而且同樣的系統無法獲得，移動設備將要求基站通過下載升級對應的系統軟件。

由于自適應天線波束賦形技術 （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據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的蜂窩基站產品可以容易地實現從2G到2。5G、3G，以及4GWiMAX的演進，其自適應智能天線將大大擴大4G中針對移動高速數據的802。16eWiMAX協議標準的覆蓋范圍，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哪些功能。結合軟件無線電技術和自適應智能天線技術的優點，當需要支持2.5G、3G和4G高速數據設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 結束語

未來個人移動通信系統所要達到的目標是:任何人在任何時間，任何地點都可以和其他任何人進行任何種類（話音，數據，圖像等）的通信[13]。越來越大的通信需求，一方面使通信產品的生存周期縮短，開發費用上升；另一方面，新老體制通信共存，各種通信系統之間的互聯變得更加復雜和困難，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，而且更具有擴展能力的新的個人移動通信體系結構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途徑，成為下一代代移動通信系統研究的熱點。寬帶、多載波、軟件無線電移動無線網絡結構直接適用已經出現的WiMAX802。16技術，尤其滿足802。16e移動高速數據要求。因此，無論是已經展開的3G系統，還是下一代無線通信4G系統，軟件無線電技術都是實現這些系統的關鍵技術之一。

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