8.4 軟件無線電電路拓撲結構

8.4軟件無線電電路拓撲結構軟件無線電是將模塊化、標準化的硬件單元以總線方式連接構成基本平臺，并通過軟件加載實現(xiàn)各種無線通信功能的一種開放式電路拓撲結構。軟件無線電的關鍵思想是：將A/D盡可能靠近天線，用軟件來完成盡可能多的無線電功能。軟件無線電是近年發(fā)展起來的新興技術，許多技術問題需要解決，其中的關鍵技術有下面幾個方面：開放式總線結構及實現(xiàn)、寬帶/多頻段天線、模/數(shù)（A/D）和數(shù)/模（D/A）轉換器、數(shù)字下變頻、高速信號處理、信令處理等。8.4.1典型的軟件無線電電路拓撲結構軟件無線電系統(tǒng)按大框架劃分可以分成三大部分：射頻處理部分、中頻及基帶處理部分、控制管理和支持部分。射頻處理部分包括所有射頻的模擬器件，中頻及基帶處理部分完成所有數(shù)字化處理，而控制管理和支持部分完成整個系統(tǒng)的運行維護、提高服務質量及新業(yè)務的開發(fā)等任務。典型的軟件無線電電路拓撲結構具體可分為天線、射頻轉換、模/數(shù)轉換、中頻處理、基帶處理、位（比特）流處理和信源處理幾個部分。圖8.4.1典型的軟件無線電電路拓撲結構軟件無線電的天線需要具有接入多個頻段的功能，可以在VHF/UHF頻段、衛(wèi)星通信等頻段進行通信。射頻轉換包括輸出功率的產生、信號預放大、射頻信號轉換為標準的中頻信號等。在許多無線電頻帶內，射頻轉換都是用模擬器件實現(xiàn)的。對它們的要求包括：放大器的線性，對鄰道的隔離，另外還要避免基帶處理器的時鐘頻率調諧進入射頻的模擬電路中去。模數(shù)轉換部分根據(jù)被采樣信號的頻率和帶寬決定采用何種A/D采樣技術。根據(jù)Nyquist采樣定律，對帶限信號的采樣率必須大于信號最高頻率的兩倍。實際系統(tǒng)通常采用過采樣，即大于2.5倍。對于A/D采樣的參數(shù)指標，除了采樣率外，還有采樣精度和采樣信號的動態(tài)范圍。中頻處理部分接收的信號是一個含有多路信道的寬帶信號，中頻處理要將其中的某一特定信道提取出來，并且將這個信號轉換到基帶。中頻處理部分的復雜性和大運算量就在于頻率轉換和濾波，使用通用的DSP芯片是無法完成的，通常是采用專用芯片實現(xiàn)。基帶處理部分將單一信道的基帶信號進行解調（或進行調制），有代表性的數(shù)字調制方式為BPSK，QPSK，GMSK，8-PSK等。運算量及復雜性取決于基帶信號的帶寬、調制方式及相應處理的復雜性，如解調的軟判決算法，定時的恢復與提取等。位（比特）流部分完成將多個用戶的信源比特進行復合（如GSM中的TDM幀），在位（比特）流上施加前向差錯控制（FEC），包括比特交織、卷積編碼和自動重發(fā)請求（ARQ）的檢測和響應，以及比特填充、比特加密。另外，信令、控制與操作、運行管理與維護的功能也在這部分完成。信源部分在移動終端和基地臺是不相同的。移動終端的信源部分包括用戶和信源編譯碼器，通常，窄帶的語音和傳真的模/數(shù)轉換器位于手機、掌上電腦或工作站中。而對于基地臺，它的信源部分包括與公用電話交換網（PSTN）或其他通信網絡的接口，例如實現(xiàn)GSM系統(tǒng)與PSTN網絡的互通，就需要將GSM中的話音編碼方式RPE－LTP與64kb/s的PCM編碼方式互相轉換。8.4.2典型軟件無線電的移動臺和基地臺電路拓撲結構典型的軟件無線電移動臺和基地臺電路拓撲結構如圖8.4.2所示。它們包括天線、多頻段射頻轉換器、寬帶A/D、D/A轉換器，以及通用可編程處理器和存儲器等。移動軟件無線電終端通過聲音、數(shù)據(jù)、傳真或多媒體等方式與用戶及軟件無線電基地臺與公共電話交換網（PublicSwitchedTelephoneNetwork，PSTN）接口?；嘏_還包括支持運行和維護的軟件系統(tǒng)，以及支持開發(fā)新業(yè)務的工作站。圖8.4.2典型軟件無線電的移動臺和基地臺電路拓撲結構8.4.3使用單一全向天線的軟件無線電電路拓撲結構利用軟件無線電可以快速地建立靈活的、多頻段的無線電系統(tǒng)。使用單一全向天線的軟件無線電電路拓撲結構的原理框圖，如圖8.4.3所示。在單一全向天線的軟件無線電系統(tǒng)中，信號的發(fā)射和接收是通過一個全向天線完成的，接收信號通過一個下變頻器將射頻信號搬移到中頻，再通過A/D（模/數(shù)轉換）采樣送入軟件處理部分（見虛線框部分）。在軟件處理部分，首先對中頻寬帶信號進行信道的分離，分離出每一路信道，然后每一路信道分別進行解調。同樣，每一路需要發(fā)射的信號先分別進行調制，然后進行信道混合，組成一個在中頻的具有全部信道的寬帶信號。中頻寬帶信號通過D/A（數(shù)/模轉換），再經過上變頻通過多路器送入天線進行發(fā)射。這樣的一個軟件無線電系統(tǒng)可以動態(tài)地進行升級而不用改變硬件和電路拓撲結構，可以在信道的基帶處理部分使用合適的編碼方法提高比特差錯率（BER）以得到更好的性能。從圖8.4.3中可以看出，可用信道的個數(shù)就是物理信道的個數(shù)，而且不具有自動跟蹤用戶和自動抑制干擾的功能。圖8.4.3使用單一全向天線的軟件無線電基站電路拓撲結構8.4.4使用智能天線的軟件無線電電路拓撲結構使用智能天線的L個信道的軟件無線電電路拓撲結構如圖8.4.4所示。在圖8.4.4中，天線部分是由M個全向天線陣元組成的天線陣。每一個天線陣元有它自己的下變頻器和寬帶A/D采樣，而且同樣每一個陣元接收的信號經過信道的分離，分別得到L個信道的信號。換句話說，每一個信道的信號現(xiàn)在都有M個陣元接收的信號，這樣就可以利用波束形成算法對接收信號進行處理，每一個信道使用一個波束形成模塊。如信道1的波束形成器，它所處理的信號是第一個陣元接收的第一個信道的信號、第二個陣元接收的第一個信道的信號，……第M個陣元接收的第一個信道的信號。通過自適應調整波束形成算法中的權矢量，可以得到一個最佳的接收信號。這種方法雖說利用了智能天線，可以提高接收信號的質量，有效抑制干擾，但是還沒有充分利用到智能天線的優(yōu)勢所在，它所能利用的信道個數(shù)仍然是物理信道個數(shù)，即L個信道。圖8.4.4使用智能天線的L個信道的軟件無線電基站電路拓撲結構利用智能天線的波束形成算法可以提高信道容量。將信道擴充K倍的方法如圖8.4.5所示。在圖8.4.5中，充分利用了智能天線可以調節(jié)權矢量，任意放置方向圖主瓣方向和零點位置的特點，將簡單的波束形成算法改為波束形成與信道分配算法，可以在同一個信道中，調節(jié)方向圖主瓣分別對準K個方向，這樣就可以在同一個信道中同時接收K個用戶的信號。在圖8.4.5中，“信道11”至“信道1K”代表在信道1中擴充的K個信道，這K個信道分別由信道分配算法形成不同方向的主瓣來構成，如果在信道1中同時有K個用戶在通話，而每個用戶在基站的不同方向上，在這種情況下，波束形成與信道分配算法可以將一個波束指向用戶1的方向，而在其他方向上設置零點，構成了用戶1在“信道11”上通話；同樣“信道12”在用戶2的方向上設置主波束，可以負責“信道12”的通話。因此，在同一個信道上同時產生了K個信道，即一個具有L個物理信道的系統(tǒng)可以最多為KL個用戶服務。以一個蜂窩基站為例，K個用戶使用同一個信道，但是用戶分別在不同的方向，因此基站可以利用智能天線分別將主波束對準每一個用戶，對每一個用戶來講，相當于獨占一個信道，但是對系統(tǒng)來講，用戶的容量就增大了K倍。在一個具有智能天線的軟件無線電系統(tǒng)中，寬帶采樣之后的處理都是由軟件完成的，可以在固定的硬件平臺上進行軟件的升級，提高波束的個數(shù)和用戶的個數(shù)。實現(xiàn)智能天線所需要的計算資源取決于蜂窩站的結構，對于一個中頻采樣的軟件無線電結構，智能天線處理占用DSP資源的一部分，它可以實現(xiàn)KL個用戶信道。圖8.4.5使用智能天線形成KL個信道的軟件無線電基站電路拓撲結構8.4.5采用超導微電子技術的“純”軟件無線電電路拓撲結構與“實用”軟件無線電不同，“純”軟件無線電的概念是在天線端使信號數(shù)字化，即直接在天線端進行射頻信號數(shù)字化轉換。隨著超導微電子器件的發(fā)展，超導微電子器件所體現(xiàn)出的速度和靈活性與所提出的“純”軟件無線電結構的目標非常匹配?！皵?shù)字RF”超導邏輯門電路可以直接在RF上或數(shù)GHz的頻率上處理數(shù)字信號。這樣可以在一個RF載波上進行速率為數(shù)兆位每秒的數(shù)字數(shù)據(jù)調制，或者處理來自模/數(shù)轉換器（ADC）的千兆位采樣數(shù)字數(shù)據(jù)流。隨著與超導微電子有關的“凝冰器”的出現(xiàn)，超導微電子的應用范圍在不斷擴大。在通信領域中，用于蜂窩式基站的無泄漏的超高Q值的超導微波濾波器現(xiàn)已被使用。超導材料的使用可以使系統(tǒng)獲得非常高的Q值，同時使整個濾波器尺寸微型化。由此得到的超陡型濾波器使得系統(tǒng)能夠滿足不斷增加的信道選擇性要求，用冷卻的低噪聲放大器（LNA）還能降低噪聲和提高靈敏度。已驗證的一些RSFQ（快速單通量子）數(shù)字電路性能見表8.4.1。采用低溫超導技術的超導接收機可以在RF前端直接進行寬帶數(shù)字化處理。直接在天線之后對系統(tǒng)進行數(shù)字化，可以用通用靈活的和低噪聲的數(shù)字部件來代替很多特定工作頻率、噪聲大和非線性的模擬部件。由于不需要下變頻所需的各級模擬混頻器，就可以大大減小接收信號的失真度。用一個接收機前端就可以對一個寬帶頻譜進行數(shù)字化，在這一寬帶頻譜上包含了多個信道，這樣在不增加噪聲的情況下，就能用數(shù)字的方法實現(xiàn)信道化。另一個優(yōu)勢是使用超導SQUID（超導量子干涉器件）前端具有高的靈敏度。超導SQUID完全可以不使用前置放大器。在其他要求檢測極弱信號的場合，仍然可以采用一級冷卻平臺來減少前置放大器的噪聲。使用超導RSFQ元件實現(xiàn)的“數(shù)字RF”接收機如圖8.4.6所示，數(shù)字RF接收機的所有功能被集成到一個“單片無線電”芯片上，該芯片專門用于完成從已調RF信號到語音或數(shù)據(jù)之間雙向轉換的所有功能。芯片功能包括：處理模擬RF信號（即放大/衰減）、轉換中頻（IF）、濾波、波形調制/解調（包括誤差校正、交織等）、基帶信號處理（即增加網絡協(xié)議、輸出設備的路由選擇等）。圖8.4.6用超導RSFQ元件實現(xiàn)的“數(shù)字RF”接收機接收機鏈采用一個寬帶RSFQADC來截獲結點上的所有信道，該接收機使用一個數(shù)字混合器對數(shù)據(jù)流進行下變頻，然后采用后端RSFQDSP部件對波形進行數(shù)字化解調。在發(fā)射端，首先以取樣數(shù)字信號的形式產生波形，再將其數(shù)字上變頻為RF，最后送到寬帶RSFQDAC合成輸出信號。另外，還有一個與數(shù)字預失真補償器相連的反饋信道，通過直接在RF上對取樣數(shù)據(jù)的數(shù)字化預失真補償，來實現(xiàn)解決HPA（高功率放大器）轉移函數(shù)非線性問題的各種算法。這種功能雖然可以保持FPGA結構的通用靈活性，但可能要超過現(xiàn)有ASIC的能力。帶通ADC電路的模擬設計者面臨兩大問題。一個是寬頻率和大動態(tài)范圍下變頻的線性問題。另一個是抗混淆低通濾波器和數(shù)字化器之間的匹配問題?？够煜屯V波器和數(shù)字化器必須進行理想匹配，或進行數(shù)字化補償，以便能提供一個幅度和相位平衡的數(shù)字I/Q流。由于數(shù)字RF帶通接收機在RF端只用了一個數(shù)字化器，數(shù)字下變頻是在復頻