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软件无线电浅谈软件无线电技术及其在4G中的应用

 摘 自: VoIP中国发布时间: 2006-9-28 0:00:00
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引言
    软件无线电(SDR)是近几年随着微电子技术的进步而迅速发展起来的新技术,它以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以微电子技术为支持。它最初用于军事通信领域,后来被引入到个人通信领域,并逐步渗透到其他电子技术领域。软件无线电概念一经提出,就受到各方的极大关注,这不仅是因为软件无线电概念新、技术先进、发展潜力大,更为重要的是它潜在的市场价值也是极具吸引力的。软件无线电强调以开放性最简硬件为通用平台,尽可能地用可升级、可重配置的不同应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。其中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等各种功能用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。
1、软件无线电的组成及实现的体系结构
    软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段,要求每个频段的特性均匀,以满足各种业务需求。射频(RF)前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务,接收时实现滤波、放大、下变频等功能。模拟信号进行数字化后的处理任务全由数字信号处理(DSP)软件承担。为了减轻通用DSP的处理压力,通常将A/D转换器传来的数字信号,经过专用数字信号处理器件处理,降低数据流速率,并将信号变至基带后,送给通用DSP进行处理。
    软件无线电实现的体系结构可分为射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构3种。射频低通采样数字化软件无线电结构简洁,它将模拟电路数量减少到最低程度。射频带通采样数字化的软件无线电与低通采样软件无线电结构主要不同是:A/D前采用了带宽相对较窄的电调滤波器,再根据所需的处理带宽进行带通采样;与目前的中频数字化接收机结构类似,宽带中频带通采样数字化软件无线电结构都采用了多次混频体制(或称超外差体制),其主要特点是中频带宽更宽,所有调制解调等功能全部由软件实现。
2、软件无线电中的关键技术
2.1宽带/分频段天线
    软件无线电台要求能够在相当宽的频段(从短波到微波)内工作,最好能研究一种新型的全向宽带天线,可以根据实际需要用软件智能地构造其工作频段和辐射特性。目前的可行性方案是采取组合式多频段天线。
2.2多载波功率放大器(MCPA)
    理想的软件无线电在发射方向上将多个载波合成为一路信号,通过上变频后,用MCPA对宽带模拟混合信号进行低噪音放大。因为混合信号中信号与信号的包络幅度相差很大,所以对放大器的非线性特别敏感,MCPA采用前向反馈技术抑制不需要的互调载波,得到有效的功率利用。
2.3高速宽带A/D、D/A变换
    A/D主要性能是采样速率和采样精度,理想的软件无线电台是直接在射频进行A/D变换,要求必须具有足够的采样速率。根据Nyquist采样定理,要不失真的反映信号特性,采样频率fs至少是模拟信号带宽Wa的2倍。为保证性能,在实际应用中常进行过采样处理,要求fs>2.5Wa。根据目前研究结果,其中一种解决方案是可用多个高速采样保持电路和ADC,然后通过并串转换降低量化速度,以提高采样分辨率。
2.4高速并行DSP
    DSP芯片是软件无线电必需的最基本的器件。软件对数字信号的处理是在芯片上进行的。中频主要包括基带处理、比特流处理和信源编码3部分。基带处理主要完成各种波形的调制解调、扩频解扩、信道的自适应均衡及各种同步数字处理,每路需要几十到几百个MIPS的处理能力。比特流处理主要完成信道编解码(软判决译码)、复用/分解/交换、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能,每路需要几十个MIPS的处理能力。信源编码要完成话音、图像等编码算法,每信道需要十几个MIPS的处理能力。如此巨大的信号处理运算,必须采用高速多个DSP并行处理结构才有可能实现。
2.5软件无线电的算法
   软件的构造是对设备各种功能的物理描述建立数学模型(建模),再用计算机语言描述算法,最后转换成用计算机语言编制的程序。软件无线电中的算法特点有:a)对信号处理的实时性。在时空上对算法的要求很高;b)软件无线电算法应具有高度自由化(便于升级)和开放性(模块化、标准化);c)目前主要算法为数值法,但并不排斥其他算法或者多种算法的结合。
以上技术都有待深入研究、实践和优化。
3、软件无线电发展状况
    当前,蜂窝移动通信系统已经发展到第三代,3G系统进入商业运行一方面需要解决不同标准的系统间的兼容性;另一方面为了适应技术的飞速发展,3G无线通信系统要求具有高度灵活性和扩展升级能力。软件无线电技术无疑是最好的解决方案。作为3G移动通信标准中的两个主要标准,W-CDMA和CDMA2000都采用码分多址接入方式,且具有信道带宽、数据速率多样且支持高速率、不同业务采用不同信道编码等共性,同时,这两种标准之间在码片速率、信道带宽和信道选择码等方面也存在差异。为了解决这些问题,提高系统容量,在3G中采用智能天线技术(smart antenna)、多用户检测技术(MUD)等,使软件无线电技术在3G系统中有着广泛的应用空间。
    在我国的TD-SCDMA方案中,智能天线技术利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,形成天线主波束;引入空分多址(SDMA)方式,根据用户信号不同的空间传播方向,提供不同的空间信道;采用数字方法对阵元接收信号进行加权处理,形成多个波束赋形,每个波瓣对应于一个特定手机用户,波束也可以动态追踪用户,使主波束对准用户信号方向,在干扰信号方向上,形成天线方向图零陷或功率增益较低,从而达到抑制干扰的目的。
    在欧共体的ACTS FIRST项目中,软件无线电技术已用于设计多频/多模可编程手机中。它可自动检测接收信号,接入不同的网络,并能满足不同的接续时间要求。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能,可任意改变信道接入方式或调制方式,利用不同软件即可适应不同标准,构成多模手机和多功能基站,具有高度灵活性。除此之外,软件无线电出现了一些新的发展趋势,主要表现在体系结构分层化、软件模块化、结构数学分析化、面向对象化、计算机化、网络化和安全化。
4、4G中的软件无线电技术
随着3G技术不断成熟并最终进入市场进行运营,国际电信联盟(ITU)已经开始研究制订第四代移动通信标准,并已达成共识:把移动通信系统同其他系统(例如无限局域网、WLAN等)结合起来,产生4G技术,201O年之前使数据传输速率达到100Mbit/s,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。
    4G的关键技术主要有正交频分复用(OFDM)、软件无线电、智能天线和IPv6技术。在4G众多关键技术中,软件无线电技术是通向未来4G的桥梁。由于各种技术的交迭有利于减少开发风险,所以未来4G技术需要适应不同种类的产品要求,而软件无线电技术则是适应产品多样性的基础,它不仅能减少开发风险,还更易于开发系列型产品。此外,它还减少了硅芯片的容量,从而降低了运算器件的价格,其开放的结构也会允许多方运营的介入。同时,由于DSP的使用,也弥补了廉价RF所造成的不足。在实际应用中,RF部分是昂贵而缺乏灵活性的,宽带RF是非线性的,通过使用SDR技术可弥补其在灵活性上的不足。
    在网络支持方面,由于4G通信系统选择了采用基于IP的全分组方式传送数据流,因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。大量链路类型(例如data、VoIP)的不同链接可通过SDR进行互联。同时,动态频谱的分配也有利于在已占用带宽上实现新的服务。
    智能天线技术也是4G中的关键,它同样与SDR技术紧密相连,它是在软件无线电基础上提出的天线设计新概念,是数字多波束形成(DBF)技术与软件无线电完美结合的产物。一方面,软件无线电为智能天线的实现提供了一条有效可行的技术途径;另一方面,智能天线也对软件无线电的发展起到了推动作用。两者相互渗透、相互促进。基于软件无线电的智能天线主要包括单信道智能天线,即通过天线阵感应的射频信号首先经过前端模拟预处理,变换为适合于A/D采样的宽带中频信号,该宽带中频信号经A/D数字化后送到数字下变频器(DDC),对宽带数字中频内某一感兴趣的信号进行数字正交下变频和采样率变换,变换为与信号带宽相适应的低采样率的基带正交(I/Q)数字信号,这N路I/O基带数据被同时送到M个数字波束形成器(DBF),分别进行不同指向的波束形成运算,最终获得所需的M个波束。信息解调模块(DEMOD)要么对所形成的这M个波束同时进行解调,要么选取其中信噪比最大的波束进行解调,前者可以实现同频空分复用,后者则可以实现定向接受,改善输出信噪比。与单信道智能天线相比,多信道智能天线只是在A/D后设置多个单信道多波束形成器(SCMBF)。此外,还包括多相滤波信道化智能天线,最大特点是能够实现频域空域上的全波束形成。
5、结束语
    由于多种移动通信标准并存,使现有的移动通信标准族变得十分繁杂。从近期发展看,软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性问题,为实现全球漫游提供方便;从长远发展看,软件无线电发展的目标是实现能根据无线电环境变化而自适应地配置收/发信机的数据速率,调制解调方式、信道编译码方式、甚至调整信道频率、带宽以及无线接入方式都智能化的无线通信系统,从而更加充分地利用频谱资源,在满足用户QoS要求的基础上使系统容量最大。相信随着SDR技术的不断成熟与发展,其在4G中的作用会越来越突出,这必将加快4G系统的完善。
 
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