軟件無線電技術在GSM基站中的實現

楊明極，張 宇

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

軟件無線電（SoftWare Radio）是近些年來隨著微電子、信號處理、計算機等技術的高速發展而應運而生的一種新的無線電技術。它最初起源于軍事通信，是為了解決多軍聯合作戰時通信互通互聯問題而提出來的。經過這幾年的迅速發展，軟件無線電已從軍事領域的階段逐步發展稱為移動通信發展的基石，特別是第3、4代移動通信系統。個人移動通信系統已從第1代模擬蜂窩系統發展到第2代數字蜂窩系統（GSM、CDMA），目前正在向第3代移動通信系統發展，而且第四代移動通信技術也已悄然問世。隨著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、由于通信技術的迅猛發展，新的通信體制與標準不斷提出，通信產品的生存周期減少，開發費用上升，導致以硬件為基礎的傳統通信體制無法適應新的局面；同時，不同體制間互通的要求日趨強烈，并且隨著通信業務的不斷增長，無線頻段資源變得越來越擁擠，對現有通信系統的頻帶利用率及抗煩擾能力提出了更高的要求。但是沿著現有通信體制的發展，很難對頻帶重新規劃。所以，尋求一種既能滿足新一代移動通信系統需求，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系統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，成為第三代移動通信系統研究的熱點[1-2]。

軟件無線電是一種新的無線電系統體系結構，是現代無線電工程的一種設計方法、設計理念，它的基本思想是：將A/D和D/A盡可能靠近射頻前端，以開放性、可擴展、結構精簡的硬件為通用平臺，把盡可能多的無線電功能用可重構、可升級的模塊化軟件來實現[3]。總之，軟件無線電是一種基于數字信號處理（DSP）芯片，以軟件為核心的新的無線通信體系結構。為解決目前無線通信系統所存在的難兼容、難升級、開發周期長等難題提供了選擇。

軟件無線電基站前端電路的一個主要特點是寬帶化，即它把基站所需要就收的整個上行頻段同時變換到中頻，實現寬帶處理。至于對寬帶內位于某一特定信道上的信號進行的解調、分析、識別等處理，將由后續的信號處理器及其軟件來完成。顯然這種處理方式對A/D變換的要求比較高，例如A/D的采樣速率要高，動態范圍要大，特別是A/D動態范圍（有效位數）不夠高，就無法同時接收信號電平相差很大的多個信號。

1 軟件無線電中的信號采樣

1.1 帶通采樣定理

設一個頻率帶限信號 x（t），其頻帶限制在（fL，fH）內，如果其采樣速率滿足：

式（1）中，n 取能滿足 fs≥2（ fH-fL）的最大正整數，則用 fs進行等間隔采樣所得到的信號采樣值 x（n）=x（nTs）能精確地確定原信號 x（t）。

式（1）用帶通信號的中心頻率f0和頻帶寬度B也可以表示為：

1.2 過渡帶允許混疊時的帶通采樣定理

考慮過渡帶混疊時的采樣譜如圖1所示，根據矩形系數r的定義可知，濾波器的過渡帶為：

由圖可知，當fs滿足fs≥2（B+B0）時通帶內的信號才不會有混疊。將fs代入（4）得：

圖1 考慮過渡帶混疊時的采樣譜Fig.1 Considering the transition band aliasing when the sampling spectrum

過渡帶允許混疊時的帶通采樣定理：任何一個中心頻率為f0，帶寬為B的某一帶通信號x（t），如果同時滿足以下條件：

式中，n=0，1，2，3， …為正整數；r為抗混疊濾波器的矩形系數。 則原始信號 x（t）可以用其采樣信號 x（n）=x（nTs）來表示。

2 移動通信GSM基站接收機的實現

軟件無線電的思想目前已經融入最新的無線通信系統的實現中，人們正在用軟件無線電改造基站，并且已經有軟件化的基站產品投入使用。基于軟件無線電思想的基站結構主要采用寬帶中頻帶通采樣方式，目前市場上A/D轉換器的性能，其工作帶寬已經覆蓋到中頻，有很高的采樣率和動態范圍，這就為實現基于帶通采樣定理的寬帶數字中頻軟件無線電系統提供了可能。

2.1 寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構：

蜂窩移動通信系統的工作頻段一般在820～960 MHz和1 800～2 200 MHz兩個頻段，如此高的頻率直接進行A/D采樣目前是比較困難的，所以必須首先進行模擬下變頻，把高頻段信號搬移到頻率相對較低的中頻，然后進行A/D采樣數字化，也就是寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構[4]，如圖2所示。其有兩大特點是射頻“寬帶化”和中頻“寬帶化”，完全符合移動通信中信號頻率范圍的要求。射頻寬帶化是通過寬帶工作的頻合器實現的，中頻的寬帶化是通過一中頻和二中頻頻率的設計和濾波器、放大器來實現的。射頻前端的處理電路比較復雜，它的主要功能是把射頻信號變換為適合于A/D采樣的寬帶中頻信號，這樣為A/D的采樣大大減輕了負擔。通過相對復雜的射頻前端吧高頻信號變換為中心頻率適中、帶寬適中的寬帶中頻信號后，給A/D采樣大大減輕了負擔，這是軟件無線電中一種可行的技術體制[5]。

圖2 寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構Fig.2 Broadband bandpass sampling structure of software radio

2.2 基于軟件無線電的GSM基站的方案

在GSM移動通信系統設計中，要求接收支路的動態范圍很高。通常為了符合系統指標，目前可以通過軟件無線電的方式在中頻對模擬信號進行A/D轉換，王成數字化處理，采用的結構多由專用的通信處理芯片和通用的DSP器件構成，采用軟件無線電方案的示意圖如圖3所示。

圖3 GSM基站軟件無線電前端電路Fig.3 GSM software radio front-end circuit

來自接收天線的上行信號，首先經過帶通濾波器濾除帶外信號，然后經過放大和混頻，將射頻信號變換為中心頻率為f0，帶寬為B的中頻信號，并經中頻濾波濾除鏡像頻率，最后進行中頻放大，放大到A/D所需的足夠的信號電平，送到A/D變換器進行采樣數字化。圖3所示電路的一個主要特點就是寬帶化，即它把基站所需接受的整個上行頻段同時變換到中頻，實現寬帶處理，這就對A/D提出了很高的要求。中頻信號進行A/D轉換后的數字信號送入通信專用處理芯片的可編程下變頻（DDC）中處理，完成對中頻的選頻和濾波。圖3中 f0、fL、fs的選擇至關重要。

2.2.1 采樣頻率、中心頻率

根據過渡帶允許混疊時的帶通采樣定理可知：

2.2.2 本振頻率fL

本振信號fL的選取與中心頻率f0有關，由（5）確定：

式中，fi為輸入信號的頻率，取“+”時采用高本振（fL＞fi），取“-”時采用低本振（fL＞fi）。設 fimax和 fimin分別為輸入信號的最高和最低頻率，在進行混頻時，式（5）中的fi為輸入信號頻段的中心頻率，即：

2.2.3 中頻帶寬B0

考慮到無本振反響輻射或無三階互調產物的要求和濾波器的矩形系數以及留一些富裕量，則有以下關系：

2.3 A/D后的數字信號處理

在圖3中，因為在中頻就采用了數字信號，用可編程的中頻處理器件，使得基站應用比較靈活，采用不同的軟件模塊就可以在不同的通信系統中使用。還可以更多地采用數字電路，多個載波可以共享前端電路，使基站減小體積，降低功耗，載波信道設備的成本也相對較低。另外，這種結構在中頻對信號進行數字濾波，可以降低對濾波器的要求，降低中頻處理部分的成本，并可以用于多個場合。蜂窩系統中中頻處理的主要功能都在PDC中完成，可以完成信號的選頻濾波，輸出基帶信號，然后由后面的DSP多處理器來完成處理[6]。

寬帶射頻信號經過圖3所示的GSM基站前端電路處理后，全部統一變換為帶寬為B0，中心頻率為f0的中頻信號，然后經后續的高速A/D采樣后，送到圖4所示的軟件無線電基站接收機進行數字信號處理。

圖4 軟件無線電基站接收機結構模型Fig.4 Software radio base station receiver structure model

由圖4可見，A/D進行正交數字下變頻把B0內的信號fi變換成2個正交基帶信號XI（n）和XQ（n）。由于信號帶寬Bs相對于奈奎斯特帶寬窄的多，所以可以對高采樣的基帶信號進行抽取，以降低采樣頻率，便于后續信號的處理。經抽取濾波獲得的低采樣率基帶正交信號I（m）和Q（m），再經過如下變換：

求出信號的ψ（m）和瞬時頻率f（m）等特征參數，連同正交基帶分量 I（m）和 Q（m）共 5個信號特征量送到后續 DSP進行軟件解調、分析以及信號參數的估計、測量，最終輸出解調的信息比特流。

3 結 論

由上面的分析可知，通過基站接收天線感應的移動通信上行信號經過模擬寬帶前端變換為中頻信號，再由高速的A/D進行數字化和基站軟件接收機進行數字下變頻、抽取、濾波以及軟件解調，給出所需的解調信號比特流，最后送到基站控制器進行后續處理。

軟件無線電基站就是一種多頻段、多模式、多功能、可擴展的“軟”基站或叫“智能”基站（Smart Base Station），它根據不同時間、不同環境、不同的用戶，選擇最佳的工作頻段和工作模式與用戶進行信息交換，以期極大地提高通信質量和服務質量，因此，這種智能基站（SBS）將成為未來移動通信的發展主流。

[1]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電技術與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2010.

[2]粟欣，許希斌.軟件無線電原理與技術[M].北京:人民郵電出版社，2010.

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