軟件無線電在4G中的應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上  4G中軟件無線電技術的應用繼續(xù)教育中心五隊 技偵信號偵察 王煥偉一、引言以現代通信理論為基礎，以數字信號處理為核心，以微電子技術為支持的軟件無線電（Software Radio）或者稱軟件可定義的無線電（Software-Defined Radio）提供了一條滿足未來個人通信需要的思路。軟件無線電突破了傳統的無線電臺以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設計局限性，強調以開放性的最簡硬件為通用平臺，盡可能地用可升級、可重配置不同的應用軟件來實現各種無線電功能的設計新思路。其中心思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段

2、、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統。二、軟件無線電關鍵技術一個理想的軟件無線電的組成結構如圖1所示。軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉換器、通用和專用數字信號處理器以及各種軟件組成。軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，要求每個頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務的需求。射頻前端在發(fā)射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務，接受時實現濾波、放大、下變頻等功能。而模擬信號進行數字化后的處理任務全由DSP軟件承擔。為了減輕通用DSP的處理壓力，通常把A/D轉換器傳來

3、的數字信號，經過專用數字信號處理器件處理，降低數據流速率，并且把信號變至基帶后，再把數據送給通用DSP進行處理。圖1 軟件無線電框圖軟件無線電實現的體系結構可分為三種: 射頻低通采樣數字化結構、射頻帶通采樣數字化結構和寬帶中頻帶通采樣數字化結構。射頻低通采樣數字化的軟件無線電，其結構簡潔，把模擬電路的數量減少到最低程度。射頻帶通采樣數字化的軟件無線電與低通采樣軟件無線電結構的主要不同點是,A/D前采用了帶寬相對較窄的電調濾波器，然后根據所需的處理帶寬進行帶通采樣。最后，寬帶中頻帶通采樣數字化的軟件無線電結構與目前的中頻數字化接收機的結構類似，都采用了多次混頻體制或叫超外差體制，其主要特點是中頻

4、帶寬更寬，所有調制解調等功能全部由軟件加以實現。在軟件無線電中的關鍵技術主要有：（1）寬帶/分頻段天線：軟件無線電臺要求能夠從短波到微波相當寬的頻段內進行工作，最好能研究一種新型的全向寬帶天線，可以根據實際需要用軟件智能地構造其工作頻段和輻射特性。目前的可行性方案是采取組合式多頻段天線。（2）多載波功率放大器（MCPA）：理想的軟件無線電在發(fā)射方向上把多個載波合成一路信號，通過上變頻后，用一種MCPA對寬帶的模擬混合信號進行低噪音放大。因為混合信號中信號與信號的包絡幅度相差很大，所以對放大器的非線性特別敏感，MCPA 采用前向反饋技術抑制不需要的互調載波，得到有效的功率利用。需要很好地選擇器件

5、并使用電路CAD 優(yōu)化技術。（3）高速寬帶A/D ，D/A 變換：A/D 的主要性能是采樣速率和采樣精度，理想的軟件無線電臺是直接在射頻上進行A/D 變換，要求必須具有足夠的采樣速率。根據Nyquist 采樣定理，要不失真的反映信號特性，采樣頻率f s至少要是模擬信號帶寬Wa的兩倍。為保證性能，在實際應用中常進行過采樣處理，要求f s > 2. 5Wa。根據目前研究結果，其中一種解決方案是，可用多個高速采樣保持電路和ADC，然后通過并串轉換將量化速度降低，以提高采樣分辨率。（4）高速并行DSP：數字信號處理（DSP） 芯片是軟件無線電所必須的最基本的器件。軟件對數字信號的處理是在芯片上進

6、行的。中頻以下主要包括三部分：基帶處理、比特流處理和信源編碼。基帶處理主要是完成各種波形的調制解調，擴頻解擴以及信道的自適應均衡和各種同步的數字處理，每路需要幾十到幾百個MIPS 的處理能力。比特流處理主要完成信道編解碼（軟判決譯碼） 、復用或分解或交換、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能，每路需要幾十個MIPS 的處理能力。信源編碼要完成話音、圖像等的編碼算法、每信道需要十幾個MIPS的處理能力。要完成如此巨大的信號處理運算，必須采用高速多個DSP 并行處理結構才有可能實現。（5）軟件無線電的算法：軟件的構造，自然是把對設備各種功能的物理描述建立起數學模型（建模），再用計算機語言描述的

7、算法，最后轉換成用計算機語言編制的程序。軟件無線電中的算法特點：對信號處理的實時性。對算法的要求在時空上很 高；軟件無線電算法應具高度自由化（便于升級），開 放性（模塊化，標準化）；目前主要算法為數值法，但并不排斥其他算法，或 者多種算法的結合。以上技術都有待深入研究，實踐和優(yōu)化。三、軟件無線電發(fā)展狀況當前，蜂窩移動通信系統已經發(fā)展到第三代，3G系統進入商業(yè)運行一方面需要解決不同標準的系統間的兼容性；另一方面為了適應技術的飛速發(fā)展，3G無線通信系統要求具有高度的靈活性和擴展升級能力。軟件無線電技術無疑是最好的解決方案。作為3G移動通信標準中的兩個主要標準，W-CDMA 和CDMA2000 都采

8、用碼分多址接入方式， 且具有信道帶寬寬，數據速率多樣且支持高速率，不同業(yè)務采用信道編碼不同等共性，同時，這兩種標準之間在碼片速率、信道帶寬和信道選擇碼等方面也存在差異。為了解決這些方面的問題及為了提高系統容量，在3G中將采用的智能天線技術（Smart Antenna）、多用戶檢測技術（MUD）等，使得軟件無線電技術在3G系統中有著廣泛的應用空間。首先，智能天線技術在我國的TD-SCDMA的方案中，利用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，形成天線主波束；引入空分多址（SDMA）方式，根據用戶信號不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道；采用數字方法對陣元接收信號進行加權處理，形成多個波束賦形，每

9、一個波瓣對應于一個特別的手機用戶，波束也可以動態(tài)追蹤用戶，使主波束對準用戶信號方向，在干擾信號方向上，形成天線方向圖零陷或功率增益較低，從而達到抑制干擾的目的。其次，在歐共體的ACTS FIRST項目中，軟件無線電技術也用到了設計多頻/多?？删幊淌謾C中。它可自動檢測接收信號，接入不同的網絡，而且能滿足不同的接續(xù)時間要求。軟件無線電技術可用不同軟件實現不同無線電設備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調制方式，利用不同軟件即可適應不同標準，構成多模手機和多功能基站，具有高度的靈活性。除此之外，軟件無線電出現了一些新的發(fā)展趨勢：主要表現在體系結構分層化、軟件模塊化、結構數學分析化、面向對象化、計算

10、機化、網絡化和安全化。四、4G中的軟件無線電技術隨著3G技術不斷地成熟并最終進入市場進行運營，國際電信聯盟（ITU）已經開始研究制訂第四代移動通信標準，并已達成共識：把移動通信系統同其他系統（例如無限局域網、WLAN等）結合起來，產生4G技術，2010年之前使數據傳輸數率達到100Mb/s，以提供更有效的多種業(yè)務，最終實現商業(yè)無線網絡、局域網、藍牙、廣播、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互兼容。4G的關鍵技術主要有：OFDM（正交頻分復用）、軟件無線電、智能天線和IPv6技術。在4G眾多關鍵技術之中，軟件無線電技術是通向未來4G的橋梁。由于各種技術的交迭有利于減少開發(fā)的風險，所以未來的4G技術需要適

11、應不同種類的產品的要求。而軟件無線電技術則是適應產品多樣性的基礎。它不僅能減少開發(fā)風險，還更易于開發(fā)系列型產品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而削減了運算器件的價格，其開放的結構也會允許多方運營的介入；同時，由于DSP的使用，也彌補了廉價RF（Radio Frequency）所造成的不足。在實際應用中，RF部分是昂貴而缺乏靈活性的，寬帶的RF是非線性的，而通過使用SDR技術可彌補其在靈活性上的不足。在網絡支持方面，由于4G通信系統選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數據流，因此IPv6技術將成為下一代網絡的核心協議。而大量鏈路類型（如data，voip）的不同鏈接可通過SDR進行互聯。同時，

12、動態(tài)頻譜的分配也有利于在已占用帶寬上實現新的服務。智能天線技術也是4G中的關鍵，它與SDR技術同樣緊密相連。它是在軟件無線電基礎上提出的天線設計新概念，是數字多波束形成（DBF）技術與軟件無線電完美結合的產物。一方面，軟件無線電為智能天線的實現提供了一條有效可行的技術途徑，另一方面智能天線也為軟件無線電的發(fā)展起到了推動作用。它們兩者相互滲透、相互促進?；谲浖o線電的智能天線主要包括：單信道智能天線，即通過天線陣感應的射頻信號，首先經過前端模擬預處理變換為適合于A/D采樣的寬帶中頻信號，該寬帶中頻信號經A/D數字化后送到數字下變頻器（DDC），對寬帶數字中頻內某一感興趣的信號進行數字正交下變頻

13、和采樣率變換，變換為與信號帶寬相適應的低采樣率的基帶正交（I/Q）數字信號，這N路I/Q基帶數據被同時送到M個數字波束形成器（DBF），分別進行不同指向的波束形成運算，最終獲得所需的M個波束。信息解調模塊（DEMOD）要么對所形成的這M個波束同時進行解調，要么選取其中信噪比最大的波束進行解調，前者可以實現同頻空分復用，后者則可以實現定向接受，改善輸出信噪比。其次為多信道智能天線，它與單信道智能天線相比只是在A/D后設置多個單信道多波束形成器SCMBF。此外還包括多相濾波信道化智能天線，它的最大特點是能夠實現頻域空域上的全波束形成。五、結束語由于多種移動通信標準的加入，使得現存的移動通信標準族變得十分繁雜。從近期發(fā)展上看，軟件無線電技術可以解決不同標準的兼