軟件無(wú)線電由于其特有的結(jié)構(gòu)通用、功能實(shí)現(xiàn)靈活,系統(tǒng)的改進(jìn)和升

1、軟件無(wú)線電由于其特有的結(jié)構(gòu)通用、功能實(shí)現(xiàn)靈活，系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)，成為未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，CDMA技術(shù)是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中首選的多址方式，本文以IS-95標(biāo)準(zhǔn)為參考，設(shè)計(jì)了基于軟件無(wú)線電思想的CDMA基站接收單元的實(shí)現(xiàn)方案，并分析了實(shí)現(xiàn)基站接收的各個(gè)模塊。1 引言軟件無(wú)線電是隨著20 多年計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。其基本思想就是將寬帶A/D及D/A變換器盡可能地靠近天線，將電臺(tái)的各種功能盡量在一個(gè)開(kāi)放性、模塊化平臺(tái)上由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于受寬帶天線、高速A/D及DSP等技術(shù)等水平的限制，實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的軟件無(wú)線電平臺(tái)的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)階段

2、對(duì)軟件無(wú)線電的研究，一方面集中在關(guān)鍵技術(shù)的研究上；另一方面，更多的是在現(xiàn)有條件下，研究如何最大程度的實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用實(shí)踐中。由于現(xiàn)有的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)眾多，新舊體制混雜，而且通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，新的體制、標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，使得軟件無(wú)線電技術(shù)在移動(dòng)通信中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站設(shè)備，由于受功耗、體積的影響較小，因而在現(xiàn)有的技術(shù)條件下易于采用軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)其部分功能。幾乎所有的專(zhuān)家都認(rèn)為CDMA將是下一階段無(wú)線通信的最重要的多址接入手段。在CDMA基站中采用軟件無(wú)線電技術(shù)除具有一般軟件無(wú)線電的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特殊的優(yōu)

3、勢(shì)：1、 CDMA系統(tǒng)采用碼型來(lái)區(qū)分不同的信道，所以它可以采用1小區(qū)復(fù)用，即所有的蜂窩小區(qū)都使用同一載波頻率，所有移動(dòng)用戶共享同一頻段，其RF/IF處理模塊無(wú)需理想軟件無(wú)線電系統(tǒng)所需的處理整個(gè)頻帶及靈活提取所需帶寬信號(hào)的能力。2、 CDMA系統(tǒng)是容量受限的系統(tǒng)，任何降低干擾的方法都可以提高容量，而基于軟件無(wú)線電的CDMA系統(tǒng)，更易于采用最新的抗干擾技術(shù)、算法以提高接收設(shè)備的抗干擾性能，使得整個(gè)系統(tǒng)具有易于升級(jí)和擴(kuò)容的能力。二、基站接收單元設(shè)計(jì)理想的軟件無(wú)線電采用寬帶多頻段天線、高速A/D、D/A及高速的DSP/CPU完成傳統(tǒng)無(wú)線電臺(tái)的所有功能。由于受現(xiàn)有的硬件發(fā)展水平的制約，實(shí)現(xiàn)真正的軟件無(wú)線

4、電目前還不可能。尤其對(duì)于CDMA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其寬帶特性更增加了后續(xù)DSP處理的難度。IS-95系統(tǒng)中，信道帶寬為1.25MHz，所有用戶共享同一個(gè)信道，因而可以采用傳統(tǒng)的RF前端完成對(duì)RF信號(hào)的接收及RF到IF的混頻。利用數(shù)字下變頻器從采樣數(shù)據(jù)中獲得接收信號(hào)的基帶信號(hào)，使得DSP只需對(duì)基帶擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行處理。在基帶DSP的處理過(guò)程中，當(dāng)同步捕獲完成后，DSP對(duì)寬帶擴(kuò)頻信號(hào)的處理只包括解擴(kuò)運(yùn)算，而解擴(kuò)后的信號(hào)則可以抽取濾波以降低信號(hào)速率，使得后續(xù)的處理過(guò)程只需對(duì)低速率的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。 RF前端A/DA/D數(shù)字下變頻器基帶信號(hào)DSP處理板接口模塊CPU系統(tǒng)控制器圖1 基于軟件無(wú)線電的CDMA基站接

5、收單元基于軟件無(wú)線電的CDMA基站接收單元如圖1所示。它主要由射頻前端、數(shù)字下變頻器、DSP處理板、接口模塊和CPU系統(tǒng)控制器組成。射頻前端接收發(fā)送到基站的信號(hào)，完成從射頻到中頻的搬移、信號(hào)的正交分解及帶通濾波。在滿足帶通采樣定理的條件下，A/D采樣速率可取為兩倍的chip速率，以降低對(duì)A/D器件及后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理模塊的要求。系統(tǒng)控制器主要完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化設(shè)置，將DSP處理板解調(diào)送出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的格式送至接口模塊。接口模塊則用來(lái)提供與外部的數(shù)據(jù)接口。實(shí)現(xiàn)上述接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于數(shù)字下變頻器的實(shí)現(xiàn)和基帶DSP的適時(shí)處理。復(fù)數(shù)乘法模塊后處理模塊NCO控制/狀態(tài)模塊環(huán)路濾波同相信號(hào)正交信號(hào)同

6、相信號(hào)輸出正交信號(hào)輸出頻差估計(jì)控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)圖2 數(shù)字下變頻器圖2為數(shù)字下變頻器的結(jié)構(gòu)框圖。其中的NCO模塊用來(lái)產(chǎn)生本地?cái)?shù)字載波，環(huán)路濾波將后續(xù)的DSP處理產(chǎn)生的頻率誤差信號(hào)進(jìn)行濾波以產(chǎn)生NCO信號(hào)。復(fù)數(shù)乘法模塊完成本地載波與接收信號(hào)的混頻，以得到正交的兩路基帶信號(hào)。后處理模塊完成信號(hào)的低通濾波和抽樣濾波以調(diào)整信號(hào)定時(shí)，產(chǎn)生采樣速率為chip速率的兩路正交基帶信號(hào)?？刂啤顟B(tài)模塊用來(lái)提供與系統(tǒng)控制器間的接口，接收系統(tǒng)控制器發(fā)來(lái)的控制字并完成對(duì)數(shù)字下變頻器的狀態(tài)設(shè)置。下圖為DSP處理模塊中包括的主要算法模塊，同步捕獲/跟蹤模塊在初始接收時(shí)搜索接收序列的PN碼相位，完成PN碼的同步捕獲，在捕

7、獲完成后跟蹤PN碼的相位變化。本地PN碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生本地PN碼序列，并可根據(jù)同步捕獲/跟蹤模塊求得的相位誤差調(diào)整本地PN碼的相位。RAKE接收模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的多徑合并接收和PN碼的解擴(kuò)運(yùn)算。正交解調(diào)模塊對(duì)采用正交調(diào)制的符號(hào)（例如Walsh函數(shù)）進(jìn)行二次解擴(kuò)。解交織、信道譯碼及話音解碼模塊則分別完成對(duì)基帶數(shù)據(jù)信號(hào)的后續(xù)解交織、信道譯碼和話音解碼的運(yùn)算。誤差估計(jì)模塊通過(guò)一定的算法對(duì)接收信號(hào)的頻率誤差、定時(shí)誤差進(jìn)行估計(jì)，并將估計(jì)信號(hào)送至下變頻器。三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析在圖1的基于軟件無(wú)線電的CDMA接收系統(tǒng)中，RF接收及RF到IF的混頻可采用與傳統(tǒng)的模擬基站相同的設(shè)備。對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，利用欠采樣

8、技術(shù)可以大大降低對(duì)A/D器件的要求使得使用目前商用的A/D芯片就可以完全達(dá)到要求。數(shù)字下變頻器件可以采用專(zhuān)用的數(shù)字下變頻器件（如HARRIS的HSP50214、TELECOM的STEL2103A等），也可以采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。對(duì)數(shù)字下變頻器的要求是應(yīng)具有一定的靈活性和可編程性，例如可以對(duì)本振頻率進(jìn)行調(diào)整、實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣速率的靈活轉(zhuǎn)換、定時(shí)調(diào)整功能及具有可編程的濾波同步捕獲跟蹤模塊RAKE接收模塊本地PN碼產(chǎn)生模塊誤差估計(jì)模塊正交解調(diào)模塊正交解調(diào)模塊解交織模塊信道譯碼模塊話音解碼模塊高速擴(kuò)頻信號(hào)DSP基帶處理DSP基帶處理低速數(shù)據(jù)信號(hào)圖3 基帶DSP處理模塊器等。系統(tǒng)控制器除完成系統(tǒng)的初始配置、

9、提供解調(diào)數(shù)據(jù)與接口模塊相互間的接口外，由于CPU處理速度的飛速發(fā)展，還可以用來(lái)完成一些實(shí)時(shí)性要求不高的計(jì)算如信道參數(shù)的估計(jì)，這相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)理想軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)中的環(huán)境管理的部分功能。HSP50215是HARRIS公司生產(chǎn)的可編程的數(shù)字上變頻器，他可以將數(shù)字基帶信號(hào)變?yōu)橐颜{(diào)的數(shù)字信號(hào)，應(yīng)用一片HSP50215即可實(shí)現(xiàn)QPSK、BPSK、M-QAM以及FM，F(xiàn)SK調(diào)制，此芯片具有可編程的內(nèi)插功能，它的最大輸出采樣速率為52MSPS，最大輸出采樣速率可達(dá)13MSPS，此芯片還具有16bit的微處理器接口，并且可以通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)多信道傳輸。實(shí)現(xiàn)基于軟件無(wú)線電的CDMA基站接收單元的關(guān)鍵在于基帶DSP的處

10、理能力能否適時(shí)完成基帶信號(hào)運(yùn)算所需的運(yùn)算。目前單片C6X的處理能力已達(dá)1600MIPS，而且許多公司專(zhuān)用于軟件接收機(jī)的DSP處理板及相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)集成了可進(jìn)行并行處理的多達(dá)四片的C6X，如Bule Wave Systems公司 SoftBand Software Radio系列中的 CPI/C6400 ，Spectum 公司的Barelona/ Barelona67等。對(duì)于目前窄帶的CDMA系統(tǒng)（IS95），利用上述高速DSP處理板完全可以完成諸如PN碼捕獲、擴(kuò)頻信號(hào)產(chǎn)生、解擴(kuò)等高速擴(kuò)頻信號(hào)的運(yùn)算。而采用DSP實(shí)現(xiàn)基帶低速數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的解交織、信道譯碼、語(yǔ)音解碼等運(yùn)算，則已得到廣泛的研

11、究與應(yīng)用。為了提供高速數(shù)據(jù)傳輸和廣泛的多媒體業(yè)務(wù)，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)寬帶CDMA技術(shù)以提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖象等多種業(yè)務(wù)。對(duì)于寬帶CDMA系統(tǒng)，目前的DSP器件還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖3中擴(kuò)頻信號(hào)的處理。由于這部分模塊對(duì)信號(hào)的處理較為簡(jiǎn)單且相對(duì)固定，可以考慮采用FPGA實(shí)現(xiàn)諸如本地PN碼產(chǎn)生、PN碼捕獲及解擴(kuò)等運(yùn)算，而將解擴(kuò)后的低速信號(hào)送至DSP進(jìn)行處理。目前Atmel的AT40K系列及Xilinx系列的XC6200系列FPGA已具備了動(dòng)態(tài)重構(gòu)的能力，因而采用FPGA器件實(shí)現(xiàn)的模塊仍保持一定的靈活性和可升級(jí)性。事實(shí)上，采用DSP與FPGA相結(jié)合的混合體系來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電系統(tǒng)，已成為目前軟件無(wú)線電研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。圖1的接收單元結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了CDMA系統(tǒng)對(duì)新技術(shù)的兼容能力。例如隨著DSP處理能力的提高，可以在基帶DSP處理模塊中添加多用戶檢測(cè)算法模塊，以增加系統(tǒng)抵抗多址干擾的能力。數(shù)字下變頻并