高頻電子電路9.1

1、第第9 9章章 軟件無線電基礎軟件無線電基礎9.1 原理概述原理概述9.2 軟件無線電的關鍵技術軟件無線電的關鍵技術9.3 軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)9.4 軟件無線電的應用軟件無線電的應用內(nèi)容提要內(nèi)容提要 軟件無線電是20世紀80年代無線通信領域的一次劃時代的進步，它在模塊化通用硬件平臺上加載不同的軟件來實現(xiàn)各種無線通信功能，它把無線通信思想和技術提高到了一個嶄新的高度。 注意，經(jīng)典高頻電子線路的分析方法與設計思想仍可作為軟件無線電技術的理論基礎，而且由于目前器件制造水平的限制，軟件無線電技術還只能在高頻通信系統(tǒng)的基帶部分得到充分發(fā)揮，要研制一個完整的軟件無線電系統(tǒng)還必須與傳統(tǒng)

2、電路相結(jié)合，進行深入研究也要借助經(jīng)典的通信電路理論。 本章將簡要介紹軟件無線電的關鍵技術、體系結(jié)構(gòu)和常見應用。 9.1 原理概述原理概述 前面章節(jié)介紹了多種模擬、數(shù)字調(diào)試方式，但這些仍然只是調(diào)制方式大家族中的一小部分。眾所周知，通信技術在發(fā)展過程中必然會存在多種標準、多種功能并存的問題，每逢新標準的制訂、新功能的實現(xiàn)，都要求對舊的軟、硬件進行大量修改，甚至完全重新設計，這給通信設備的設計制造和使用帶來很大麻煩。 人們從個人電腦（PC）的設計和使用中得到啟發(fā)：PC具有統(tǒng)一的、固定的硬件平臺，要實現(xiàn)不同的功能只需安裝不同的軟件即可。同樣，對通信設備來說，只要設計好模塊化、標準化的硬件平臺，也可以只

3、通過設計不同的軟件就在此平臺上實現(xiàn)不同的通信體制，這就是軟件無線電（Software Defined Radio，SDR）的基本思路。 軟件無線電通過軟件編程來實現(xiàn)無線通信的各種功能，把傳統(tǒng)無線電從基于硬件、面向用途的通信設計方式中解放了出來。顯然，要實現(xiàn)多種功能的軟件化，勢必要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路（尤其是減少模擬環(huán)節(jié)），把數(shù)字化處理盡量靠近天線。軟件無線電強調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和可編程性，采用標準的開放式總線結(jié)構(gòu)，通過軟件更新實現(xiàn)新功能。應用軟件無線電技術，一個無線通信終端可以在不同系統(tǒng)和平臺間暢通無阻地使用。9.2 軟件無線電的關鍵技術軟件無線電的關鍵技術9.2.1 自適應智能

4、天線自適應智能天線 自適應智能天線（Adaptive Smart Antenna）技術利用高速數(shù)字處理技術將天線的主波束對準用戶，它是軟件無線電的關鍵技術之一，通常安裝在基站現(xiàn)場，主要由天線陣列、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換、自適應信號處理和波束賦形四個部分組成，其中波束賦形部分為核心。 圖9.1所示為一個基本的智能天線接收機結(jié)構(gòu)圖。由圖可以看出，各天線接收到的信號經(jīng)過下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入自適應信號處理器并合理加權，然后經(jīng)過相加和濾波即可得到信干比（有用載頻功率與干擾信號功率的比值）最大的輸出信號，即實現(xiàn)了波束賦形。圖圖9.1 智能天線接收機基本結(jié)構(gòu)圖智能天線接收機基本結(jié)構(gòu)圖 9.2.2 高速、寬帶高速

5、、寬帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 高速、寬帶的模數(shù)（A/D）、數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換是軟件無線電的基礎。由于軟件無線電要求系統(tǒng)功能要盡可能多地使用軟件實現(xiàn)，因此，必須將A/D、D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線；同時，現(xiàn)代高頻、高速通信信號的載波頻率、數(shù)據(jù)速率都很高，這些都對A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的性能提出了很高的要求： （1）采樣速率。根據(jù)采樣定理，采樣速率應該大于被采樣信號帶寬的2倍。實際應用中，采樣速率必須留有一定的余量，一般要求大于被采樣信號帶寬的2.5倍。 （2）采樣位數(shù)。采樣位數(shù)的選取必須滿足一定的動態(tài)范圍和數(shù)字處理部分的精度要求。例如在80dB的動態(tài)范圍要求下，采樣位數(shù)至少要達到12位。 數(shù)字下變

6、頻（Digital Down Conversion，DDC）也是軟件無線電的核心技術之一，是接收機射頻A/D轉(zhuǎn)換后首先要完成的工作。它主要包括數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器（NCO）、數(shù)字濾波器等三部分，如圖9.2所示。 從頻譜上看，DDC將前級ADC輸出數(shù)字信號的有效頻譜從高頻下搬到基帶；從被處理信號的采樣率上看，DDC將前級ADC輸出的高速采樣信號降低為低速基帶采樣信號。 DDC是SDR系統(tǒng)中數(shù)字處理運算量最大最難的部分。要進行良好的數(shù)字濾波處理，需要對每個樣點進行至少100次操作。對于一個帶寬20MHz的SDR系統(tǒng)，采樣頻率實際最低需要50MHz，這就意味著至少需要5000MIPS（每秒執(zhí)行50

7、億條指令）的運算能力，這超過了現(xiàn)有絕大部分單個DSP的運算能力，因此一般將DDC的這部分運算工作交給專用FPGA完成，既能保留軟件無線電的優(yōu)點，又有較高的可靠性。9.2.3 數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻9圖圖9.2 DDC結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖9.2.4 高速信號處理和信令處理高速信號處理和信令處理 高速信號處理部分主要包括基帶處理、調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)流處理、編譯碼、加解密等工作，這是系統(tǒng)處理真正通信數(shù)據(jù)的核心。考慮到成本，這部分通常用合適的DSP來完成。 信令處理部分在當代無線通信系統(tǒng)中已經(jīng)是用軟件完成的，軟件無線電的任務是將通信協(xié)議及軟件標準化、通用化和模塊化，在進行多種無線通信模式的互聯(lián)時，有必要實現(xiàn)通用

8、信令處理，開發(fā)出標準信令模塊和通用信令框架。9.3 軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)軟件無線電的體系結(jié)構(gòu) 軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)是指一些設計原則、基本功能塊以及函數(shù)的集合，利用它們可以設計和建立一個系統(tǒng)。當系統(tǒng)復雜性增加時，體系結(jié)構(gòu)的作用將變得非常重要。9.3.1 硬件體系結(jié)構(gòu)硬件體系結(jié)構(gòu) 軟件無線電的硬件體系結(jié)構(gòu)有兩種劃分方法，即按照構(gòu)成硬件平臺的物理介質(zhì)劃分，或者按照系統(tǒng)各功能模塊的連接方式劃分。這兩種劃分方法顯然并不是截然分開的。 按照物理介質(zhì)劃分的硬件體系結(jié)構(gòu)主要有三種：一是以通用處理器（General-Purpose Processor，GPP）為基礎，直接采用PC機和工作站進行數(shù)字信號處理；二是

9、以數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）為基礎進行數(shù)字信號處理；三是以現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）進行數(shù)字信號處理。表表9.1 按模塊連接方式劃分的硬件體系結(jié)構(gòu)的性能按模塊連接方式劃分的硬件體系結(jié)構(gòu)的性能比較比較按照系統(tǒng)各功能模塊的連接方式劃分的硬件體系結(jié)構(gòu)主要有四種：第一種是流水線結(jié)構(gòu)，即與系統(tǒng)中信號流程的方向一致；第二種是總線式結(jié)構(gòu)，各功能單元通過總線連接交換數(shù)據(jù)和控制命令；第三種是交換式結(jié)構(gòu)，采用適配器和交換網(wǎng)為各功能模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信；第四種是基于計算機和網(wǎng)絡式結(jié)構(gòu)，由可編程前端和并行計

10、算機平臺組成。這幾種硬件體系結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣，其性能比較見表9.1。9.3.2 軟件體系結(jié)構(gòu)軟件體系結(jié)構(gòu) 軟件無線電是用軟件實現(xiàn)靈活的無線通信方式和傳輸機制的，因此軟件的作用居于核心位置。盡管現(xiàn)有的軟件結(jié)構(gòu)很多，但對于軟件無線電而言，重點在于開放的軟件結(jié)構(gòu)和接口，才能保障軟件可重用性、可移植性以及不同通信方式之間的兼容性。 軟件無線電的軟件體系結(jié)構(gòu)主要分為硬件特定的軟件結(jié)構(gòu)和開放的軟件結(jié)構(gòu)兩種。 硬件特定的軟件結(jié)構(gòu)針對特定的硬件平臺，軟件的具體功能直接與硬件相關聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是簡單直觀，容易實現(xiàn)；缺點是程序兼容性差，幾乎沒有移植能力。 開放的軟件結(jié)構(gòu)要求軟件必須獨立于硬件平臺，硬件和應用軟件分

11、離，使應用軟件更易于移植，應用軟件的開發(fā)者可以不必深入了解硬件，而將精力完全集中到軟件設計中。 9.4 軟件無線電的應用軟件無線電的應用 9.4.1 軟件無線電在軟件無線電在TD-SCDMA中的應用中的應用 我國擁有自主知識產(chǎn)權的3G移動通信標準TD-SCDMA，采用時分同步-碼分多址接入技術，支持高速數(shù)據(jù)通信，為了提高系統(tǒng)容量，還采用了智能天線、多用戶檢測等技術，這些都使得軟件無線電在TD-SCDMA中有著廣泛的應用空間。 由于高速ADC制造技術的限制，ADC尚不能直接處理高頻、高速的射頻信號，在進入ADC之前，必須將天線上接收到的高頻信號用混頻器下變頻到頻率較低的中頻信號，數(shù)字化處理從中頻

12、輸出的模擬信號開始，其簡要框圖如圖9.3所示。圖圖9.3 SDR方案簡要框圖方案簡要框圖9.4.2 軟件無線電在電視廣播接收中的應用軟件無線電在電視廣播接收中的應用 近年，高清晰度電視（HDTV）以其近乎完美的視聽效果，已經(jīng)逐漸在傳統(tǒng)百姓家庭中普及。但是，和模擬電視存在多種互不兼容的制式（PAL、NTSC、SECAM等）一樣，這類電視節(jié)目在信道編碼和調(diào)制方式上也存在QPSK、QAM、VSB、OFDM等多種標準，難以兼容。 軟件無線電可以很好地解決數(shù)字電視多體制并存的難題。一種軟件無線電數(shù)字電視接收機的原理框圖如圖9.4所示，系統(tǒng)可以通過加載不同的軟件來接收所有標準的電視節(jié)目。模擬下變頻軟件解調(diào)

13、器（DSP）顯示終端 SDR DDCADC傳輸媒介軟件解碼器圖圖9.4 軟件無線電數(shù)字電視接收機原理框圖軟件無線電數(shù)字電視接收機原理框圖 日常廣播領域也有了采用軟件無線電技術的接收機。某公司生產(chǎn)的基于DSP的606型收音機，核心技術就是軟件無線電。圖9.5是該收音機軟件無線電部分的功能框圖。 FM信號和AM信號經(jīng)過調(diào)諧、低噪聲放大、AGC等處理后進入各自的正交混頻器，將 高頻信號下變頻到低頻，并得到與原信號同相（I支路）和正交（Q支路）的模擬信號，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進入DSP進行數(shù)字處理，處理好的數(shù)字音頻信號由DAC轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號，提供給外部音頻功率放大器放大后驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。 圖

14、9.5 某收音機SDR部分功能框圖該收音機利用DSP軟件處理150KHz30MHz的AM廣播信號，以及64MHz108MHz的FM廣播信號，處理不同的信號只需選擇處理程序而不必更改硬件電路。與傳統(tǒng)收音機相比，具有成本低、功能多、音質(zhì)好、靈活性高、升級方便等獨特的“軟件無線電型”優(yōu)點。9.4.3 軟件無線電的其它常見應用軟件無線電的其它常見應用 軟件無線電的其它常見應用包括無線定位、雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、電子對抗、無線電監(jiān)測、高速鐵路通信、導航等。本本 章章 小小 結(jié)結(jié) 軟件無線電是指在標準化、模塊化、通用化的硬件單元以總線或交換模式構(gòu)成的通用平臺上，通過加載標準化、模塊化、通用化的軟件而實現(xiàn)各種無線通