軟件無線電和重配置技術(shù)
作者：季衛(wèi)華 趙文兵
在九十年代初，軟件無線電成為移動通信中的一個熱點，當時許多人把該技術(shù)看作是現(xiàn)代多模/多頻帶移動終端所要求的復雜的RF(射頻)和IF(中頻)處理問題的解決方案。
今天，軟件無線電更是被視作在設(shè)計、生產(chǎn)和使用等所有階段中可重配置終端的技術(shù)。
本文介紹了軟件無線電和可重配置技術(shù)的概念。提供終端可重配置協(xié)議棧的概念就如同軟件下載的概念一樣，會在3G和將來的4G標準中被采用。
一、軟件無線電概述
軟件無線電技術(shù)(SoftwareRadioTechnology)是近年來隨著微電子及計算機技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的無線電技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的基于ASIC的無線技術(shù)，它具有靈活性、通用性強和升級方便等特點。它的技術(shù)核心是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進步和芯片處理速度的不斷提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平臺上，利用軟件來完成以前用ASIC實現(xiàn)的多種數(shù)字信號處理的功能。
但是由于受寬帶天線、高速A/D及DSP等技術(shù)水平的限制，實現(xiàn)一個理想的軟件無線電平臺的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)在對軟件無線電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多的是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度地實現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計思想體現(xiàn)到具體的應用實踐中。
二、實現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)
軟件無線電采用開放式模塊化設(shè)計，使電臺業(yè)務(wù)功能與硬件平臺相對獨立，由此可帶來一系列的好處。但由于硬件水平的限制及體系結(jié)構(gòu)理論尚待成熟，理想的軟件無線電還不可能馬上實現(xiàn)，實現(xiàn)軟件無線電的“瓶頸”包括：寬帶天線和射頻模塊、寬帶A/D變換、高速DSP器件等等。
1.寬帶天線和射頻模塊
軟件無線電臺可以在多頻段工作，必須應用寬帶、低損耗天線，美國已研究出幾個倍頻程的天線，但效率太低。射頻前端同樣需要很寬的頻率范圍，如低噪聲放大器、濾波、功放、AGC等，這在技術(shù)上不存在困難，市場上已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)，如MiniCircuits公司的MAR系列寬帶低噪聲放大器就可滿足要求。
2.寬帶A/D變換
軟件無線電的一個顯著特點是將A/D變換盡可能地靠近天線，至少要對中頻進行A/D變換，它要求A/D轉(zhuǎn)換器件具有較高的性能。評價A/D變換器性能的參數(shù)包括信噪比(SNR)、無寄生動態(tài)范圍(SFDR)、互調(diào)失真(IMD)、采樣速率和采樣精度等，其中主要的兩項是采樣速率和采樣精度，一般用SNR來綜合表示這兩項指標，SNR可用下式計算：SNR=6.02B+l.76+101og10(fs/2fmax)(dB)，其中B為ADC的位數(shù)，fs表示采樣速率,fmax為輸入模擬信號的最高頻率。對于一個70MHz的中頻信號，若要求采樣精度達到l2位，SNR等于80dB，可以算出采樣速率為558MSPS。
3.高速DSP
軟件無線電是對整個工作頻段(25MHz左右)進行數(shù)字化，中頻和基帶處理全部采用數(shù)字信號處理方式，實現(xiàn)軟件控制，它對DSP芯片的處理能力提出了很高的要求。以蜂窩移動通信為例，系統(tǒng)頻帶為12.5MHz，采取過抽樣時的抽樣頻率為30.72MHz，采樣后的頻率變換、濾波、抽取等處理每個樣點至少進行100次操作，則處理速率為3072MOPS。解決方法有兩種:一是用多個DSP芯片并行處理，SpeakeasyI系統(tǒng)就是采用了這種方法，選用的是TI公司的QuadC40MCM芯片模塊，它由4片TMS32C40及5Mbyte的RAM組成，達l100MIPS(16bit)和200MFL0PS(32bit)的處理速度，I/O速率為300Mbit/s。二是采用專門的可編程芯片，將中頻進行下變頻，然后再進行DSP處理。Harris公司的數(shù)字下變頻器(DDC)HSP500l6可完成從寬帶信號中提取有用信號的功能，其最大輸入速率為75MSPS(16bit)，通過編程可控制數(shù)據(jù)速率及數(shù)據(jù)輸出格式等。在目前來說，采用DDC的軟件無線電系統(tǒng)是比較現(xiàn)實的，一旦DSP器件達到所需水平，就很容易過度到理想的軟件無線電系統(tǒng)。
三、軟件重配置
軟件重配置可提供漫游，低終端成本，動態(tài)頻潛管理，固定錯誤，新特性，第三方加入，網(wǎng)絡(luò)運行的額外價值和個人化。開放的軟件架構(gòu)能允許終端成為可編程發(fā)信機以用于無線電、電視、家用網(wǎng)絡(luò)和辦公室，也就是固定移動廣播集成。通過升級軟件實現(xiàn)重配置能適應將來革新和淘汰的快速循環(huán)周期。
下面列出了能通過下載新軟件而重配置的終端和集成電路平臺的主要益處：
1.減少不同模式的數(shù)量。可重配置技術(shù)應該允許制造較少類型的終端來支持不同技術(shù)標準。這使大規(guī)模終端制造朝低單位成本方向發(fā)展。
2.最后一分或延遲專用化。使用下載意味著終端的最終配置應在部署之后，這樣增加了產(chǎn)品的功能，減少了任何產(chǎn)品召回或返回的可能性。
3.運行時應用。最終用戶應用像游戲等將位于將來終端上運行的下裁應用之首。
4.開放平臺。如果引入了開放平臺，那么第三方開發(fā)商將能開發(fā)終端的革新應用，能夠提高終端對最終用戶的吸引力。
下載軟件的缺點包括難以管理部署在現(xiàn)場的不同終端上的不同版本的軟件，以及如何保證其在所有用戶環(huán)境中的健壯性。
可重配置特性要求軟件無線電改變設(shè)計人員需要考慮的準則。由于純處理能力在當前的2G無線環(huán)境中占據(jù)主導地位，可編程功能也逐漸成為軟件無線電設(shè)計應用的焦點。
DSP和FPGA可輕易地進行重配置，以實現(xiàn)軟件無線電設(shè)計的各種功能。現(xiàn)有的通信ASIC雖然可以較低的成本提供更好的性能，但提供的可編程能力非常有限。
確定器件的處理功能可通過既支持W-CDMA也支持GSM的基站收發(fā)器結(jié)構(gòu)來說明。由于W-CDMA采用了擴頻通信技術(shù)，因此許多用戶可共享一條射頻(RF)信道。在上行鏈路l，920至l，980MHz之間和下行鏈路2，110至2，170MHz之間，W-CDMA信號在每條信道中占據(jù)5MHz的帶寬。
另一方面，在GSM系統(tǒng)的每條射頻信道中，窄帶TDMA技術(shù)一般只支持8個用戶。在上行鏈路890至915MHz之間和下行鏈路935至960MHz之間，窄帶TDMA的每條信道占據(jù)20OkHz帶寬。
為了在軟件無線電結(jié)構(gòu)中有效地兼顧上述標準間的差異，中頻(IF)處理器的數(shù)字上行轉(zhuǎn)換器和下行轉(zhuǎn)換器都必須提供可編程的信道選擇、濾波器配置和采樣比調(diào)節(jié)。任何ASIC信號處理器件的使用都將給未來的升級帶來無法預料的風險，因此中頻處理也必須使用FPGA或DSP器件。隨著信號處理越來越多的來自數(shù)字中頻輸入，處理算法也變得越來越專業(yè)化，這限制了單個ASIC器件滿足所需可編程要求的能力，而FPGA或DSP實現(xiàn)則是一種更好的選擇。
四、下載新的空中接口
終端的最終軟件重配置被許多人看成是下載新的空中接口。提高功率和降低數(shù)字信號處理的成本將允許在移動手機上使用可重配置基帶處理，這將逐步允許使用靈活的空中接口。
這將給消費者一個能與任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的終端而不需要大幅度提高終端成本。這個設(shè)想也能使終端/IC制造商受益，因為它允許RF的制造和基帶處理器能適應所有可見的標準和市場。這種終端對最終用戶的主要好處之一是具有在許多不同空中接口標準間漫游的能力。制造空中接口重配置的終端需要三個關(guān)鍵要素
1.軟件無線電。盡可能多地用軟件無線電實現(xiàn)無線電處理。硬件重配置是可能的，但是通常比軟件實現(xiàn)要更大的成本。
2.標準。在新空中接口標準上運行的終端重配置將需要標準化協(xié)議，以用于傳輸、認證和下載軟件。
3.軟件架構(gòu)。終端內(nèi)的軟件架構(gòu)要么在不工作的狀態(tài)下能完全改變，要么以如下方式構(gòu)建，即協(xié)議軟件的關(guān)鍵部分能容易地改變而對終端成本的影響不大。
使用SDR提供第三代能力的終端將在大約3年內(nèi)投入商業(yè)運用。列終端制造商的關(guān)鍵益處是SDR技術(shù)將允許使用一種硬件和軟件架構(gòu)平臺來適應全世界的市場。SDR論壇對SDR終端市場的大小作了估計，認為到2005年將大約為一億三千萬手持設(shè)備。
五、未來的標準
移動通信技術(shù)不斷進步，為移動用戶提供更大的帶寬和許多不同業(yè)務(wù)。GSM移動網(wǎng)絡(luò)的一種可能的進化路徑是從以話音業(yè)務(wù)為主的GSM進化成為具有為用戶提供高帶寬的許多業(yè)務(wù)可能性的能力的3G(UMTS)標準。GSH的進化由使用GSM標準擴展而引發(fā)；HSCSD(高速電路交換)和GPRS(通用分組無線服務(wù))都能提供高數(shù)據(jù)率。后者還提供分組數(shù)據(jù)能力。
軟件下載的一種可能的進化路徑是：使用SIM應用工具包(STK)的簡單菜單下載，然后WAP(無線應用協(xié)議)允許更復雜的下載，然后WAP（無線應用協(xié)議）允許更復雜的下載，之后是兩個MEXE(移動站應用執(zhí)行環(huán)境)標準用于下載應用。MEXE基于WAP,MEXE-2基于個人JAVA。最后，通過下載實現(xiàn)完全動態(tài)重配置。做到這一點的新標準正由3GPPTSGT2/SWG/(MEXE)開發(fā)。由于要增加可重配置的能力，我們需要新的標準形式。將來我們將從固定的標準移到靈活的標準，做到這一點的挑戰(zhàn)是如何選擇依舊維持著多廠商的操作系統(tǒng)。如果下載發(fā)生于良好定義的軟件架構(gòu)中，這是可能的；
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在九十年代初，軟件無線電成為移動通信中的一個熱點，當時許多人把該技術(shù)看作是現(xiàn)代多模/多頻帶移動終端所要求的復雜的RF(射頻)和IF(中頻)處理問題的解決方案。
今天，軟件無線電更是被視作在設(shè)計、生產(chǎn)和使用等所有階段中可重配置終端的技術(shù)。
本文介紹了軟件無線電和可重配置技術(shù)的概念。提供終端可重配置協(xié)議棧的概念就如同軟件下載的概念一樣，會在3G和將來的4G標準中被采用。
一、軟件無線電概述
軟件無線電技術(shù)(SoftwareRadioTechnology)是近年來隨著微電子及計算機技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的無線電技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的基于ASIC的無線技術(shù)，它具有靈活性、通用性強和升級方便等特點。它的技術(shù)核心是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進步和芯片處理速度的不斷提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平臺上，利用軟件來完成以前用ASIC實現(xiàn)的多種數(shù)字信號處理的功能。
但是由于受寬帶天線、高速A/D及DSP等技術(shù)水平的限制，實現(xiàn)一個理想的軟件無線電平臺的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)在對軟件無線電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多的是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度地實現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計思想體現(xiàn)到具體的應用實踐中。
二、實現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)
軟件無線電采用開放式模塊化設(shè)計，使電臺業(yè)務(wù)功能與硬件平臺相對獨立，由此可帶來一系列的好處。但由于硬件水平的限制及體系結(jié)構(gòu)理論尚待成熟，理想的軟件無線電還不可能馬上實現(xiàn)，實現(xiàn)軟件無線電的“瓶頸”包括：寬帶天線和射頻模塊、寬帶A/D變換、高速DSP器件等等。
1.寬帶天線和射頻模塊
軟件無線電臺可以在多頻段工作，必須應用寬帶、低損耗天線，美國已研究出幾個倍頻程的天線，但效率太低。射頻前端同樣需要很寬的頻率范圍，如低噪聲放大器、濾波、功放、AGC等，這在技術(shù)上不存在困難，市場上已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)，如MiniCircuits公司的MAR系列寬帶低噪聲放大器就可滿足要求。
2.寬帶A/D變換
軟件無線電的一個顯著特點是將A/D變換盡可能地靠近天線，至少要對中頻進行A/D變換，它要求A/D轉(zhuǎn)換器件具有較高的性能。評價A/D變換器性能的參數(shù)包括信噪比(SNR)、無寄生動態(tài)范圍(SFDR)、互調(diào)失真(IMD)、采樣速率和采樣精度等，其中主要的兩項是采樣速率和采樣精度，一般用SNR來綜合表示這兩項指標，SNR可用下式計算：SNR=6.02B+l.76+101og10(fs/2fmax)(dB)，其中B為ADC的位數(shù)，fs表示采樣速率,fmax為輸入模擬信號的最高頻率。對于一個70MHz的中頻信號，若要求采樣精度達到l2位，SNR等于80dB，可以算出采樣速率為558MSPS。
3.高速DSP
軟件無線電是對整個工作頻段(25MHz左右)進行數(shù)字化，中頻和基帶處理全部采用數(shù)字信號處理方式，實現(xiàn)軟件控制，它對DSP芯片的處理能力提出了很高的要求。以蜂窩移動通信為例，系統(tǒng)頻帶為12.5MHz，采取過抽樣時的抽樣頻率為30.72MHz，采樣后的頻率變換、濾波、抽取等處理每個樣點至少進行100次操作，則處理速率為3072MOPS。解決方法有兩種:一是用多個DSP芯片并行處理，SpeakeasyI系統(tǒng)就是采用了這種方法，選用的是TI公司的QuadC40MCM芯片模塊，它由4片TMS32C40及5Mbyte的RAM組成，達l100MIPS(16bit)和200MFL0PS(32bit)的處理速度，I/O速率為300Mbit/s。二是采用專門的可編程芯片，將中頻進行下變頻，然后再進行DSP處理。Harris公司的數(shù)字下變頻器(DDC)HSP500l6可完成從寬帶信號中提取有用信號的功能，其最大輸入速率為75MSPS(16bit)，通過編程可控制數(shù)據(jù)速率及數(shù)據(jù)輸出格式等。在目前來說，采用DDC的軟件無線電系統(tǒng)是比較現(xiàn)實的，一旦DSP器件達到所需水平，就很容易過度到理想的軟件無線電系統(tǒng)。
三、軟件重配置
軟件重配置可提供漫游，低終端成本，動態(tài)頻潛管理，固定錯誤，新特性，第三方加入，網(wǎng)絡(luò)運行的額外價值和個人化。開放的軟件架構(gòu)能允許終端成為可編程發(fā)信機以用于無線電、電視、家用網(wǎng)絡(luò)和辦公室，也就是固定移動廣播集成。通過升級軟件實現(xiàn)重配置能適應將來革新和淘汰的快速循環(huán)周期。
下面列出了能通過下載新軟件而重配置的終端和集成電路平臺的主要益處：
1.減少不同模式的數(shù)量。可重配置技術(shù)應該允許制造較少類型的終端來支持不同技術(shù)標準。這使大規(guī)模終端制造朝低單位成本方向發(fā)展。
2.最后一分或延遲專用化。使用下載意味著終端的最終配置應在部署之后，這樣增加了產(chǎn)品的功能，減少了任何產(chǎn)品召回或返回的可能性。
3.運行時應用。最終用戶應用像游戲等將位于將來終端上運行的下裁應用之首。
4.開放平臺。如果引入了開放平臺，那么第三方開發(fā)商將能開發(fā)終端的革新應用，能夠提高終端對最終用戶的吸引力。
下載軟件的缺點包括難以管理部署在現(xiàn)場的不同終端上的不同版本的軟件，以及如何保證其在所有用戶環(huán)境中的健壯性。
可重配置特性要求軟件無線電改變設(shè)計人員需要考慮的準則。由于純處理能力在當前的2G無線環(huán)境中占據(jù)主導地位，可編程功能也逐漸成為軟件無線電設(shè)計應用的焦點。
DSP和FPGA可輕易地進行重配置，以實現(xiàn)軟件無線電設(shè)計的各種功能。現(xiàn)有的通信ASIC雖然可以較低的成本提供更好的性能，但提供的可編程能力非常有限。
確定器件的處理功能可通過既支持W-CDMA也支持GSM的基站收發(fā)器結(jié)構(gòu)來說明。由于W-CDMA采用了擴頻通信技術(shù)，因此許多用戶可共享一條射頻(RF)信道。在上行鏈路l，920至l，980MHz之間和下行鏈路2，110至2，170MHz之間，W-CDMA信號在每條信道中占據(jù)5MHz的帶寬。
另一方面，在GSM系統(tǒng)的每條射頻信道中，窄帶TDMA技術(shù)一般只支持8個用戶。在上行鏈路890至915MHz之間和下行鏈路935至960MHz之間，窄帶TDMA的每條信道占據(jù)20OkHz帶寬。
為了在軟件無線電結(jié)構(gòu)中有效地兼顧上述標準間的差異，中頻(IF)處理器的數(shù)字上行轉(zhuǎn)換器和下行轉(zhuǎn)換器都必須提供可編程的信道選擇、濾波器配置和采樣比調(diào)節(jié)。任何ASIC信號處理器件的使用都將給未來的升級帶來無法預料的風險，因此中頻處理也必須使用FPGA或DSP器件。隨著信號處理越來越多的來自數(shù)字中頻輸入，處理算法也變得越來越專業(yè)化，這限制了單個ASIC器件滿足所需可編程要求的能力，而FPGA或DSP實現(xiàn)則是一種更好的選擇。
四、下載新的空中接口
終端的最終軟件重配置被許多人看成是下載新的空中接口。提高功率和降低數(shù)字信號處理的成本將允許在移動手機上使用可重配置基帶處理，這將逐步允許使用靈活的空中接口。
這將給消費者一個能與任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的終端而不需要大幅度提高終端成本。這個設(shè)想也能使終端/IC制造商受益，因為它允許RF的制造和基帶處理器能適應所有可見的標準和市場。這種終端對最終用戶的主要好處之一是具有在許多不同空中接口標準間漫游的能力。制造空中接口重配置的終端需要三個關(guān)鍵要素
1.軟件無線電。盡可能多地用軟件無線電實現(xiàn)無線電處理。硬件重配置是可能的，但是通常比軟件實現(xiàn)要更大的成本。
2.標準。在新空中接口標準上運行的終端重配置將需要標準化協(xié)議，以用于傳輸、認證和下載軟件。
3.軟件架構(gòu)。終端內(nèi)的軟件架構(gòu)要么在不工作的狀態(tài)下能完全改變，要么以如下方式構(gòu)建，即協(xié)議軟件的關(guān)鍵部分能容易地改變而對終端成本的影響不大。
使用SDR提供第三代能力的終端將在大約3年內(nèi)投入商業(yè)運用。列終端制造商的關(guān)鍵益處是SDR技術(shù)將允許使用一種硬件和軟件架構(gòu)平臺來適應全世界的市場。SDR論壇對SDR終端市場的大小作了估計，認為到2005年將大約為一億三千萬手持設(shè)備。
五、未來的標準
移動通信技術(shù)不斷進步，為移動用戶提供更大的帶寬和許多不同業(yè)務(wù)。GSM移動網(wǎng)絡(luò)的一種可能的進化路徑是從以話音業(yè)務(wù)為主的GSM進化成為具有為用戶提供高帶寬的許多業(yè)務(wù)可能性的能力的3G(UMTS)標準。GSH的進化由使用GSM標準擴展而引發(fā)；HSCSD(高速電路交換)和GPRS(通用分組無線服務(wù))都能提供高數(shù)據(jù)率。后者還提供分組數(shù)據(jù)能力。
軟件下載的一種可能的進化路徑是：使用SIM應用工具包(STK)的簡單菜單下載，然后WAP(無線應用協(xié)議)允許更復雜的下載，然后WAP（無線應用協(xié)議）允許更復雜的下載，之后是兩個MEXE(移動站應用執(zhí)行環(huán)境)標準用于下載應用。MEXE基于WAP,MEXE-2基于個人JAVA。最后，通過下載實現(xiàn)完全動態(tài)重配置。做到這一點的新標準正由3GPPTSGT2/SWG/(MEXE)開發(fā)。由于要增加可重配置的能力，我們需要新的標準形式。將來我們將從固定的標準移到靈活的標準，做到這一點的挑戰(zhàn)是如何選擇依舊維持著多廠商的操作系統(tǒng)。如果下載發(fā)生于良好定義的軟件架構(gòu)中，這是可能的；
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