夏　牧

    [摘要] :初步探討了寬帶 A/ D變換、數(shù)字中頻處理和高速 DSP等現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在軟件無線電中的應(yīng)用 ,根據(jù)器件的技術(shù)水平給出了具體的實(shí)現(xiàn)框圖。
    [關(guān)鍵詞] :軟件無線電 ;數(shù)字信號(hào)處理 ; A/ D變換 ; DSP;數(shù)字下變頻

0　引　言 

    軟件無線電 (Software Radio)是近幾年才提出的一種新的無線通信體系結(jié)構(gòu) ,其基本思想是把硬件作為無線通信的基本平臺(tái) ,而把盡可能多的無線通信功能用軟件來實(shí)現(xiàn)。
從軟件無線電的技術(shù)實(shí)現(xiàn)來看 ,核心是在數(shù)字領(lǐng)域通過軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。因此 ,決定性的步驟就在于將 A/ D, D/A變換器盡量向射頻端靠攏 ,從目前的技術(shù)發(fā)展水平來看 ,應(yīng)用寬帶或多頻段天線 ,將整個(gè)中頻頻段作 A/ D變換 ,中頻之后的整個(gè)處理都用通用可編程數(shù)字器件和軟件來實(shí)現(xiàn) ,原理如圖 1所示。
    可看出 :這樣一個(gè)系統(tǒng)中 ,數(shù)字信號(hào)處理部分是非常關(guān)鍵的 ,這就對(duì)高速 A/ D變換器 ,高速 DSP和數(shù)字中頻處理以及 CPU等從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)等諸環(huán)節(jié)都提出了很高要求 ,下面分別討論。

1　A/ D部分

    軟件無線電接收的射頻信號(hào)經(jīng)射頻前端的處理后 ,變成寬帶中頻信號(hào)。從現(xiàn)有的技術(shù)和器件水平來看 ,只能在中頻對(duì)模擬射頻信號(hào)進(jìn)行量化處理 ,使之成為數(shù)字信號(hào) ,這樣一來 ,對(duì) A/ D變換器的要求主要是采樣速率和采樣位數(shù)。
    采樣速率主要由信號(hào)帶寬決定 , 2倍于信號(hào)帶寬的采樣速率只有理論意義 ,一般實(shí)用中至少應(yīng)大于 2 . 5倍的信號(hào)帶寬。采樣速率高 ,會(huì)帶來額外的信噪比增益 ,參考文獻(xiàn) [1 ]中指出 :SNR =6.0 2 B+1 . 76+1 0 lg(fs/ 2 fmax) ,其中 :fs是采樣速率 , B是量化比特位數(shù) , fmax為信號(hào)的最高頻率。可見在 B一定的情況下 , fs每增加一倍 ,能帶來 3 d B的 SNB增益。當(dāng)然 fs也不能太高 ,因?yàn)檫€必須考慮到采樣后系統(tǒng)和 A/ D變換器的處理能力。 A/ D變換器的位數(shù)則必須滿足一定的動(dòng)態(tài)范圍要求及數(shù)字處理部分的精度要求 ,表 1給出了目前用于通信領(lǐng)域的幾種 A/ D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) ,從中可以看出 :一般 80 d B的動(dòng)態(tài)范圍 ,分辨率不小于 1 2位。

    軟件無線電在中頻段對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A/ D轉(zhuǎn)換 ,要求動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)在 60～ 80 d B之間 ,因此 , AD90 42和 AD6640比較合適 ,它們在寬帶接收機(jī)中的典型應(yīng)用如圖 2所示。

   AD6640是為寬帶和多信道數(shù)字無線接收機(jī)而推出的 1 2 bit中頻快速采樣 ADC,其溫度范圍為 -40～ 1 85℃。
    AD6640的高采樣速率為“軟件無線電”提供了新的機(jī)遇 ,采用一個(gè) ADC將整個(gè)輸入頻段內(nèi)的信號(hào)數(shù)字化 ,使設(shè)計(jì)者能夠用一個(gè)寬帶、多信道采樣器來取代多個(gè)模擬前端。AD6640的應(yīng)用范圍十分廣泛 ,從 CDMA, GSM及第 3代移動(dòng)通信系統(tǒng)蜂窩 / PCS基站接收機(jī)到 GPS抗干擾接收機(jī) ,相位陣接收機(jī)和其它類型的話音和數(shù)字通信接收機(jī)都可采用 AD6640芯片作為 ADC。
    D6640芯片可提供高達(dá) 65MSPS的采樣速率 , 80 d B的 SF-DR,它的所有差分模擬輸入階段具有 3 0 0 MHz輸入帶寬特征 ,直接采樣的中頻頻率可高達(dá) 70 MHz(多信道時(shí) )和 2 0 0 MHz(單道信時(shí) )。

   AD6640的功能模塊圖如圖 3所示。由圖 3可以看出 ADC所有需要的功能 ,包括輸入緩沖 ,跟蹤保持放大 ,數(shù)字糾錯(cuò)以及 2 . 4V參考電壓都由芯片來提供。

　　采用 AD6640芯片作為一個(gè)典型寬帶無線接收機(jī)的 ADC將簡化接收機(jī)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其模塊圖如圖 4所示。該模塊包括寬帶IF濾波、放大、ADC、鎖定、分信道和 DSP接口。

2　數(shù)字下變頻部分

    數(shù)字下變頻 (DDC)是 A/ D變換后首先要完成的處理工作 ,包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣。一般認(rèn)為要進(jìn)行較好的濾波處理 ,需要每采樣點(diǎn) 1 0 0次操作 ,對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)帶寬為 1 0 MHz的系統(tǒng) ,采樣率大于 2 5MHz,這就需要 2 50 0 MIPS的運(yùn)算能力 ,即使用并行處理算法 ,也需要多個(gè)高性能 DSP。從現(xiàn)有關(guān)于軟件無線電的文獻(xiàn)中 ,都認(rèn)為以現(xiàn)有 DSP的水平 ,將這部分工作交由專用可編程芯片來完成是合適的 ,如美國“Speakeasy”軟件無線電中使用 Harris公司的 DDC芯片 HSP50 0 1 6。
    HSP50 0 1 6的最大輸入速率為 52 MSPS, 1 6bit數(shù)據(jù)輸入 ,能提供大于 1 0 2 d B的無失真動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) ,通帶波紋小于 0 . 0 4d B,阻帶衰減大于 1 0 4d B,二次采樣率從 64～ 1 3 1 0 72 ,能方便地通過改變各種控制參數(shù)來改變信道的中心頻率、帶寬和二次采樣率 ,圖 5給出了 HSP50 0 1 6的結(jié)構(gòu)框圖。

    HSP50016用于下變頻的頻譜原理見圖 6,設(shè) DDC的輸入信號(hào)為 X(n) =cos(ωkn) ,正交正弦信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)為 e- jωcn ,則
相乘結(jié)果為 :
U(n) =X (n) . e- jωcn =X (n) [cos(ωcn) -jsin(ωcn) ]=12 [cos(ωk-ωc) n +cos(ωk +ωc) n]-12 j[sin(ωk +ωc) n -sin(ωk -ωc) n]
   低通濾波后 ,

W(n) =12 [cos(ωk-ωc) n +jsin(ωk -ωc) n]

　　用 HSP50 0 1 6實(shí)現(xiàn)的下變頻電路如圖 7所示。圖中A/ D輸出的 1 2位數(shù)據(jù)接至DDC的高 1 2位 (即 DATA1 5～ 4) , DATA3～ 0接地。表 2給出了這種應(yīng)用的控制字設(shè)置 ,此時(shí)抽取率為 64,無測試功能 ,故控制字 CW0和 CW7全為 0。

    目前 , Harris公司推出了性能更加優(yōu)越的 HSP50214作為DDC,見文獻(xiàn) [3 ],這里不再贅述。

3　高速 DSP部分

    經(jīng)過 DDC后信號(hào)一般為 1 0 k Hz至數(shù) 1 0 k Hz的窄帶有用信號(hào) ,這時(shí)用高速 DSP可以完成調(diào)制 /解調(diào)、編 /解碼、加 /解密、擴(kuò)頻/解擴(kuò)頻等處理。高速 DSP部分可采用目前先進(jìn)的共享存貯器方式的并行多處理器結(jié)構(gòu) ,如 TI公司的多芯片模塊 (MCM) ,它以 4
片 TMS3 2 0 C40為核心 ,性能達(dá)到每秒 2億次 MFL OPS、每秒 1 1億次 GOPS和每秒 3億字節(jié)的 I/ O,整個(gè)模塊有 4MB全局SRAM、每片 C40還擁有 1 MB局部 SRAM和 3 2 KB的局部 E-PROM,單片 C40與其自己的全局 SRAM以 0等待周期傳送數(shù)據(jù) ,與其它全局共享 SRAM傳送數(shù)據(jù)要有 1個(gè)等待周期 ,與自己的 EPROM傳送數(shù)據(jù)則需要 3個(gè)等待周期。現(xiàn)在 TI公司又推出了性能更為優(yōu)越的 TMS3 2 0 C6X系列。

    根據(jù)參考文獻(xiàn) [4],由 4片 TMS3 2 0 C40組成的多芯片模塊與主計(jì)算機(jī) XDS-51 0及與 VME總線的聯(lián)接如圖 8所示。

4　軟件無線電的硬件平臺(tái)

    軟件無線電對(duì)硬件平臺(tái)的要求是通用性好、可靠性高 ,一個(gè)高度靈活的寬帶軟件無線電硬件平臺(tái) ,應(yīng)把先進(jìn)的路由技術(shù)和 DSP系統(tǒng)技術(shù)融入硬件的設(shè)計(jì)之中 ,高速的轉(zhuǎn)接單元允許數(shù)字信號(hào)與DSP有任意的對(duì)應(yīng)關(guān)系 ,這樣 ,多個(gè)通道的數(shù)據(jù)可以集中起來送進(jìn)一個(gè)處理器 ,也可以令一個(gè)通道的數(shù)據(jù)發(fā)送到多個(gè)處理器 ,由于傳送 ,接收信號(hào)的路由是任意可變的 ,設(shè)計(jì)人員可在同一平臺(tái)上方便地設(shè)計(jì)出符合各種通信規(guī)程協(xié)議和多種工作波形的通信系統(tǒng)。圖 9為一個(gè)單信道系統(tǒng) ,系統(tǒng)由分立的 CPCI或 VME總線的DSP模塊、數(shù)字收發(fā)板、網(wǎng)絡(luò)接口卡、高速轉(zhuǎn)接單元和軟件組成。

4. 1　網(wǎng)絡(luò)接口
    本模塊提供了與外部系統(tǒng)的通信方式 ,接口可以是 T1 / E1之類的標(biāo)準(zhǔn)接口 ,也可以是一個(gè)用戶自定義的接口。

4. 2　處理器模塊
處理器模塊如圖 1 0所示 ,采用 4個(gè)通用 C6X甚長指令字(VLIW) DSP,每個(gè) DSP有最多 1 6MB一等待同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)和 51 2 KB零等待同步簇發(fā)靜態(tài)存儲(chǔ)器 (SBSRAM) , 4
個(gè) C6X能提供 6. 4GIPS的處理能力。每個(gè) C6X的主機(jī)接口聯(lián)至一個(gè)高度集成化的接口 ,這個(gè)接口包括一個(gè)總線橋 ,允許 DSP與本地或主機(jī) PCI總線上的資源之間數(shù)據(jù)高效地傳輸。 PCI/ PCI橋作為中斷信號(hào)發(fā)生器和 DMA,支持主機(jī)控制數(shù)據(jù)傳輸。 MPC860 Power QUICC處理器則用于實(shí)時(shí)板上控制、信令和管理。

4. 3　數(shù)字收發(fā)器模塊
    該模塊是一個(gè)全雙工寬帶數(shù)字收發(fā)器 ,如圖 1 1所示 ,與處理器模塊組合可以構(gòu)成一個(gè)軟件無線電方案 ,能支持包括 AMPS,TDMA, GSM和 CDMA等各種無線通信協(xié)議。
    該模塊與處理器模塊聯(lián)接 ,收發(fā)的數(shù)據(jù)、控制狀態(tài)字等均映象到處理器模塊的存貯空間中 , DSP可以完全控制該模塊 ,帶有的軟件庫可以用于配置、控制該模塊 ,完成數(shù)字收發(fā)功能 ,該軟件庫還提供用于該模塊與 DSP通信的驅(qū)動(dòng)程序。
    該模塊將 70 MHz的中頻信號(hào)欠采樣并數(shù)字化 , Harris的HSP50 2 1 4數(shù)字接收芯片通過數(shù)字方式將此信號(hào)移到基帶并濾波、抽取 ,得到采樣率降低后的基帶 I& Q信號(hào) ,這個(gè)基帶數(shù)字信號(hào)經(jīng) PMC接口傳送到 DSP處理器模塊作進(jìn)一步處理。
    發(fā)送數(shù)據(jù)方式與上述的接收方式剛好相反 , Harris的HSP50 2 1 5數(shù)字發(fā)送器將處理器模塊送來的數(shù)字信號(hào)上變頻到1 0 MHz中頻 ,并通過 DAC轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào) ,經(jīng)濾波后再調(diào)制到70 MHz中頻上。

4. 4　軟件
    應(yīng)用軟件無線電的通用開發(fā)平臺(tái) ,要求能有一套完備的軟件來支持。為此 ,軟件無線電的軟件應(yīng)支持各硬件模塊的控制 ,支持各種 DSP芯片以及主機(jī)平臺(tái)和高級(jí)開發(fā)工具 ,可以用于開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。這些軟件一般應(yīng)包括 :

1系統(tǒng)軟件 (高層 )
  · Framework Architecture for computing Telephony(FACT) ;
  · Digital Transceiver Configuration;
  · High speed switching Fabric Manager.

2板組軟件 (低層 )
  · Bout code, Board Support L ibraries;
  · Drivers.

5　結(jié)束語

    軟件無線電很有可能成為繼模擬通信到數(shù)字通信和固定通信到移動(dòng)通信之后 ,無線通信領(lǐng)域的第 3次革命 ,國外近幾年正在加緊研究 ,我國也將軟件無線電列入“863”通信高科技項(xiàng)目中 ,也在積極開展研究。但這是一個(gè)中長期研究項(xiàng)目 ,需要將許多技術(shù) (并行 DSP處理、總線 I/ O技術(shù)和軟件技術(shù)等 )綜合起來 ,要有很強(qiáng)的綜合實(shí)力。