软件无线电在3G中的应用前景

摘 要:介绍软件无线电的概念、体系和特点,分析了软件无线电在3G应用之中的2个关键技术,讨论一些软件无线电的最新技术应用,最后指出了软件无线电在新一代移动通信之中的应用前景。

关键词:SDR3G DSPFPGA

中图分类号:TN91文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 01-053-02

1无线电的发展历程

无线电的发展过程是:模拟电路发展到数字电路;分立器件发展到集成器件;固定集成器件到可编程器件;小规模集成到超大规模集成器件;单模式、单波段、单功能发展到多模式、多波段、多功能;各自独立的专用硬件的实现发展到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。20世纪80年代,随着移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高,为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求,特别是军事通信对宽带技术的需求,提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法--软件无线电,把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。

在1992年5月在美国通信系统会议上,Jeseph Mitola(约瑟夫•米托拉)首次提出了“软件无线电”(Software Defined Radio,SDR)的概念。1995IEEE通信杂志,出版了软件无线电专集。同年美国军方提出了军用的Speakeasy计划,即“易通话”计划,这个计划主要目标是设计美军新一代无线电战术电台,这种电台具有多种模式、多种速率、多种调制方式,多种接口方式和多种信息安全方式。软件无线电在过去的几年中从军方的研究逐渐被民间商用移动通信领域所重视,特别是多频段、多用户、多模式兼容及互联系统,对于未来移动通信技术特别是在我国3G通信之中的运用将会起到很关键的作用。

2SDR的概念、体系和特点

软件无线电是在一个开放的公共硬件平台上利用不同的可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。理想的软件无线电系统是一种全部可软件编程的无线电,并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括射频波段,信道接入方式和信道调制。

理想的软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D和D/A转换器、通用或专用数字信号处理器以及各种软件组成。理想的软件无线电的组成结构如图1所示:

图1 理想的软件无线电系统

SDR的特点

(1) 可重构性,即系统功能随着需求而改变的能力。软件无线电必须在软件和硬件两方面都支持系统重构,才具有通过改变所运行的软件来定义系统功能的能力。

(2) 灵活性。即系统在不改变软件和硬件结构的条件下,对可重构的适应能力。软件无线电必须能够被精确配置成各种不同的虚拟设备,还要支持不断涌现的新技术和新功能。

(3) 模块化。即将定义系统的各个任务分解为相互独立的软件和硬件模块,这些模块通过接口以逻辑的方式连接起来形成所需要的系统功能。

3SDR在3G中的关键技术及发展趋势

3.1A/D转换技术

软件无线电的信号接收原理如图2.天线接收信号经放大,滤波和混频将射频(RF)信号变换到中频(IF),经过一级抗混迭带通滤波后由A/D转换器在中频进行A/D转换,在由数字下变频器(DDC)将IF抽样信号变换为DSP芯片可直接处理的数字基带信号,DSP完成各种所需的信号处理,并将处理结果送至用户终端。发射过程与此类似,DSP处理后的信号经插值处理变换到IF,再经过D/A转换,IF/RF变换后由天线发射出去。

图2基于软件无线电的信号接收原理

根据Nyquist采样定理:采样速率至少是模拟信号最高频率的2倍,才能保证原信号被无失真的还原。因此要求大输入信号的带宽需要A/D转换器有很高的采样频率.另外,有多路信号间的远近效应而要求A/D转换器有很大的动态范围和取样精度。目前基于软件无线电的采样技术有:过采样技术、正交采样技术、带通采样技术、并行A/D转换技术。其中过采样技术不仅可以降低前级混叠滤波器,也可以有效提高A/D转换的信噪比。而并行A/D转换采样可以有效提高采样分辨率。

不管采用哪一种采样技术,采样频率越高,可恢复的带宽潜力越大。因此软件无线电技术实现的难题和关键点就是A/D转换器的速率和动态范围。理想的SDR,A/D变换器的动态范围应该在100-120db或者16-20位。最大输入信号频率在1Ghz和5GHz之间。但是以现在的技术发展水平,不可能达到这个要求。目前A/D转换器的发展趋势是低功率损耗的单片A/D转换器,但是其分辨率的进步相对于采样速率的进步要缓慢的多。但是随着现代科学技术的进步,将超导和光采样技术应用于A/D转换器,已经成为未来的发展趋势,其中“快速单通量”RSFFQ是最具突破性的一项技术,该技术基于超导基本量子机械特性,说明了离散的量化形式中存在着磁通。在该技术中,单磁通量子脉冲代表二进制值。因为一个完整的单磁通量子代表一个脉冲,所以这种技术的性能受到输入信号最大转速率的严格限制。因此可以通过对处理速度与分辨率进行折衷的方法来达到最佳技术性能。

3.2高速处理模块DSP或FPGA

SDR能否有效实现取决于高速处理模块的数据处理速度和精度。传统的无线电设计可采用ASIC、DSP和FPGA器件的组合加以实现,而在软件无线电设计过程之中 ,DSP、FPGA和ASIC之间的功能划分也在发生变化。ASIC逐渐提供更多的可编程功能,而DSP和FPGA则开始具备ASIC的传统处理功能,三者之间的界限正变得日益模糊。因此,设计人员在设计软件无线电时,通常参照以下原则:(1)ASIC只需提供可以接受的可编程性和集成水平,通常即可为指定的功能提供最佳解决方案。(2)FPGA可为高度并行或涉及线性处理的高速信号处理功能提供最佳的可编程解决方案。(3)DSP可为涉及复杂分析或决策分析的功能提供最佳可编程解决方案。例如?北京艾科瑞德科技有限公司于2007年推出的应用解决方案FFT-SDR-V4。它采用了美国德州仪器公司最高运算能力的DSP和Xinlinx高容量的FPGA(2000万门),解决了软件无线电发展中的瓶颈技术―信号处理的运算能力问题。

FFT-SDR-V4高性能软件无线电解决方案集成了4路实时信号采集通道(每个通道105M, 14bit)和2路信号生成通道(每路160M, 16bit);同时配备了2颗Xilinx XC4VLX60 FPGA(800-2000万门)和TI TMS320C6416(1G)高速DSP芯片共同构成了高速实时信号处理单元;标准cPCI接口,兼容PCI2.2 64位/66MHz;6U标准尺寸;这些结构提供了强大的实时信号吞吐、处理和传输能力,是当今软件无线电的最佳解决方案之一。

4SDR在3G中的应用前景

随着近年来软件无线电技术的高速发展和逐渐成熟,全软件无线电将占据未来移动通讯系统的核心位置,因为它可以使系统开发者完全通过软件来灵活地配置和升级无线通信系统,从而降低成本和更加快速地应对市场的变化,例如从EDGE 升级到EDGE Evolution。Octasic公司近期公布了它的首款基于软件无线电平台的GSM,EDGE 和EDGE Evolution 的基站收发机(BTS)解决方案Vcolla-BTS,该产品应用了该公司突破性的数字信号处理技术。而英飞凌科技股份公司近日与SkyTerra和TerreStar 网络公司联合宣布共同开发全球首款基于英飞凌的创新软件无线电(SDR)技术的多制式移动通信平台。这种突破性技术能够让用户采用成本相当于陆地蜂窝移动通信终端的大众市场手机,在北美地区随时随地建立通信。基于SDR技术的卫星―陆地手机,可支持多种蜂窝和卫星通信制式,其中包括GSM、 GPRS、EDGE、WCDMA、HSDPA、HSUPA和 GMR1- 2G/3G等。

SDR使得系统具有灵活性和适应性,能够让不同的网络接口和空中接口共存,能够支持采用不同空中接口的多模式手机和基站。随着SDR和3G技术的不断成熟,在不久的将来,新一代移动通信技术可以提供更有效的多种业务,最终实现商业无线网络、局域网、 蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。

参考文献:

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