軟件無線電體系結(jié)構(gòu)介紹及目前存在的技術(shù)難點闡述

　　軟件無線電能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便升級和跟蹤新技術(shù)。本文介紹了一種軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，并闡述了目前存在的技術(shù)難點，相信對中國工程師的工作會有一定幫助。?

　　軟件無線電是一種用軟件來實現(xiàn)物理層連接的無線通信設(shè)計。軟件無線電的主要優(yōu)點是它的靈活性。在軟件無線電中，諸如信道帶寬、調(diào)制以及編碼等可以動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷以及用戶需求的變化。?

　　目前軟件無線電設(shè)計有兩類：軟件定義無線電(SDR)，能夠控制和配置處理單元；軟件無線電(SWR)，事實上由軟件本身來完成信號處理。倘若能為軟件控制設(shè)置必要的接口，SDR就可以應(yīng)用FPGA等技術(shù)。SWR則不需要使用這類器件，而是通過在面向應(yīng)用程序級的軟件標(biāo)準(zhǔn)組件對象中進行信號處理，來增大靈活性。以當(dāng)前的技術(shù)，前者更適于低層次應(yīng)用，而后者則能夠通過下載新軟件的方式，對一個無線器件進行升級以適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)的要求。SWR具有這種潛能，是因為它所有的功能處理全部用軟件實現(xiàn)，而不局限于某種特殊的處理單元。?

　　軟件無線電的研究最初源于在使用專用硬件實現(xiàn)無線電通信過程中的互用性問題。第一個軟件無線電是SpeakEasy系統(tǒng)中的Lackey95，它替代由十多個軍用無線電設(shè)備組成的系統(tǒng)。大學(xué)研究項目Athanas98和Bose99推動了軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展，并為軟件無線電架構(gòu)提供了理論依據(jù)。?

　　SDR論壇一直致力于制定SDR系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范。在美國，多種不兼容的蜂窩體系和PCS通信標(biāo)準(zhǔn)是其主要的商業(yè)應(yīng)用支持者。在歐洲，GSM的廣泛使用緩解了互用性矛盾，但是人們對軟件無線電在第三代蜂窩通信系統(tǒng)中的應(yīng)用抱有廣泛的興趣。SDR技術(shù)是當(dāng)前手持式設(shè)備處理基帶信號切實可行的方案。人們努力緩解該技術(shù)的互用性矛盾，軟件無線電在此就表現(xiàn)出非常大的潛能，這種潛能改變了人們制造無線電設(shè)備和利用射頻頻譜的思維方式。?
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軟件無線電的未來潛能?

　　過去，無線通信系統(tǒng)的設(shè)計都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用調(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。即使是雙頻、三頻蜂窩電話也只在預(yù)先定義的兩個或三個標(biāo)準(zhǔn)之間切換。靜態(tài)設(shè)計通常是根據(jù)最壞情況的設(shè)計，在情況良好時就不能充分利用射頻頻譜。例如，若背景噪聲比最惡劣的情況小，就可能出現(xiàn)許多不必要的糾錯編碼，這樣就不能獲得最高的比特率。這種情況對無線應(yīng)用系統(tǒng)的影響比有線應(yīng)用系統(tǒng)更嚴(yán)重，因為無線傳輸更易于受噪聲、干擾和衰減的影響。理想的軟件無線電能動態(tài)適應(yīng)傳輸系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)的變化，如調(diào)制、編碼、信道協(xié)議以及帶寬等等，并能夠適應(yīng)實時性變化，最大程度地利用有效頻譜。?

　　靜態(tài)設(shè)計不僅降低射頻頻譜的利用率，在其他方面也有影響。比如CDPD無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)，不論系統(tǒng)其它部分的負(fù)載多少，用戶都要受限于一個信道中的可用帶寬。用戶可以在蜂窩系統(tǒng)空閑時傳輸數(shù)據(jù)，但這并不能提高數(shù)據(jù)傳輸速率。如果系統(tǒng)能夠自動調(diào)整以使用更大的帶寬或者采用不同的調(diào)制方案，則一個特殊要求的用戶能獲得更大的帶寬。如果蜂窩網(wǎng)供應(yīng)商能夠分配原來沒有充分利用的更大的帶寬給用戶，他們會得到較好的收益；無疑，用戶也能得到更好的服務(wù)。軟件無線電的靈活性能夠去除靜態(tài)設(shè)計的局限性，并能為無線通信系統(tǒng)提供新的功能。?

　　理想條件下，射頻頻譜可以任意分配。這使我們不會盲從于在靜態(tài)頻譜許可下的設(shè)計慣例，而是面向一個動態(tài)的頻譜分配模式。最終，供應(yīng)商們將可以自由競標(biāo)所需的頻譜，相對目前的模式，這能更好地利用射頻頻譜。通常情況下，如果服務(wù)供應(yīng)商在一個區(qū)域只有很少的用戶，則其頻譜在大部分時間內(nèi)將會處于閑置狀態(tài)。然而，在市場分配模式下，如果用戶對頻譜有需求，相應(yīng)的頻譜就會得到利用。市場分配模式還有助于產(chǎn)生新的服務(wù)供應(yīng)商。一般而言，若一個供應(yīng)商在一個區(qū)域中沒有獲得頻譜許可證，則該供應(yīng)商就不能在該區(qū)域運營。而市場分配模式下，多個供應(yīng)商進入同一個市場是可行的，這種競爭機制將為最終用戶提供更好的服務(wù)。?

　　市場分配模式需要在頻譜許可方面做重大的變革。最近，F(xiàn)CC發(fā)布了一個關(guān)于軟件無線電的調(diào)查通知，明確指出軟件無線電要對無線頻譜的管理和許可方式進行變革。?

　　頻譜的分配會在宏觀上提高頻譜的效率，而軟件無線電則可在微觀上提高頻譜效率。任何兩個無線設(shè)備都可以動態(tài)地調(diào)節(jié)其濾波和調(diào)制以適應(yīng)信道實際條件下的要求。例如，假設(shè)有一個很強的干擾出現(xiàn)在信道附近，在ad-hoc網(wǎng)絡(luò)里，設(shè)備會動態(tài)調(diào)整濾波器，甚至?xí)D(zhuǎn)至不同的頻帶以提高設(shè)備性能。實現(xiàn)這種調(diào)整的方案在Chiu99提出。?

　　或許軟件無線電的最大優(yōu)點是跟蹤新技術(shù)的能力?，F(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)字通信。這在很大程度上是由于時間和經(jīng)費的問題，包括配置底層的基礎(chǔ)設(shè)備來完成特殊的空中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。因為資金投入很大，不可能經(jīng)常對設(shè)備升級，因此新技術(shù)應(yīng)用大約會滯后10年。例如在美國的大部分地區(qū)，蜂窩網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施仍是模擬AMPS標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計于1978年)，盡管部分轉(zhuǎn)換成了數(shù)字系統(tǒng)，但現(xiàn)在用的數(shù)字系統(tǒng)技術(shù)也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)的發(fā)展。3G的系統(tǒng)原型就是一個例證。?

　　基于適當(dāng)?shù)能浖o線電技術(shù)的蜂窩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠通過安裝新軟件進行升級，比配置新硬件更迅速、更廉價，同時也允許數(shù)字通信的先進技術(shù)更快地進入市場，并可提供新業(yè)務(wù)、提高頻譜的利用率。?

　　標(biāo)準(zhǔn)的制定是為了使不同的產(chǎn)品制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品之間相互兼容。軟件無線電則消除了需要預(yù)先定義空中接口標(biāo)準(zhǔn)的大量工作，因為軟件本身就是一種標(biāo)準(zhǔn)。它所需要的只是一個接口定義以及應(yīng)用程序接口(API)，使軟件能在不同的操作平臺上運行，并使無線電設(shè)備能下載必要的軟件。而標(biāo)準(zhǔn)的升級簡化成軟件的下載，這樣數(shù)字通信的新產(chǎn)品可以非常迅速地到達(dá)最終用戶。?

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?

　　理想的軟件無線電能夠適用于任意一種調(diào)制器、編碼器、指定信道帶寬的射頻信道協(xié)議。典型的基帶軟件無線電方式不能滿足這種靈活性。因為動態(tài)信道帶寬和信道分配需要進行寬帶信號處理，尤其當(dāng)所分配的信道是由幾個非鄰近信道組成時。為了實現(xiàn)軟件無線電的所有潛能，軟件處理必須延伸至寬基帶(或中頻)信號。然而這種無線電設(shè)備在目前并沒有到達(dá)實用階段，但其技術(shù)走勢表明，在未來的幾年內(nèi)，其某些性能可以達(dá)到實用要求。?



　　因為很多潛在的技術(shù)正快速發(fā)展，能夠獨立跟蹤這些技術(shù)，對軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言是很重要的。本文圖中表明該結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，每一層都通過接口定義使一些關(guān)鍵技術(shù)相對獨立。這種結(jié)構(gòu)允許使用RF IC技術(shù)、A/D轉(zhuǎn)換和低功率處理器的先進技術(shù)，組合成為一個系統(tǒng)而不需要重新設(shè)計整個系統(tǒng)。?

　　我們可能注意到主板這一名稱借用了計算機中的術(shù)語，它強調(diào)從縱向集成的、專用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向開放的、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。通常，主板包含一般計算機的組件，諸如存儲器、處理器和I/O芯片以及獲得和產(chǎn)生無線信號的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。?
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　　技術(shù)難點?

　　軟件無線電在無線電通信系統(tǒng)中具有巨大優(yōu)勢，然而要把它變成現(xiàn)實還需面臨一些技術(shù)課題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文圖中從射頻部分開始一直到軟件無線電的應(yīng)用軟件，涉及與基站和手持無線設(shè)備相關(guān)聯(lián)的每一個關(guān)鍵技術(shù)。?
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射頻技術(shù)?

　　從寬帶可調(diào)射頻到基帶的轉(zhuǎn)換是軟件無線電應(yīng)用軟件最不成熟的技術(shù)。除了很寬的調(diào)節(jié)范圍，蜂窩網(wǎng)應(yīng)用軟件增加了前端處理器的SFDR限制。例如GSM就需要91dB的SFDR。現(xiàn)在很少有供應(yīng)商能提供覆蓋一個較寬頻率范圍的帶寬可調(diào)的前端處理器。其原因在于頻率許可的方式，蜂窩電話只能在幾個特定的頻帶上運行。目前可同時處理800/900MHz頻段和1.9GHz PCS頻段的產(chǎn)品已經(jīng)問世。進一步說，為了能開放更多的頻帶以便按需分配，設(shè)計能夠接入更大頻率范圍的器件非常必要。另外一個關(guān)鍵器件是可以覆蓋整個可調(diào)頻率范圍的VCO(壓控振蕩器)。目前，最好的解決方案是采用多個VCO，每一個VCO都有一段窄的可調(diào)范圍，但這會增加設(shè)備體積、成本和設(shè)計的復(fù)雜性。對大帶寬可調(diào)前端處理器的研究表明，現(xiàn)在尚無可行的方案。?

　　無線手機需要低功率的集成解決方案來完成從射頻到基帶的信號轉(zhuǎn)換過程。最初的軟件無線電手機可能只用一小段頻譜，對芯片的設(shè)計要求并不很高。目前有許多公司，都能提供這種芯片，如科勝訊公司，就擁有覆蓋從蜂窩頻段到PCS頻段的芯片。然而，展望寬頻帶的需要和變化，將要求繼續(xù)增加手機帶寬的調(diào)節(jié)范圍。很明顯，RF IC設(shè)計的突破是達(dá)到寬頻帶的關(guān)鍵之一。?

　　基站的解決方案則與現(xiàn)實更近一步，因為對設(shè)備的體積、重量和功耗都沒有手機要求高。RF微波設(shè)備公司和Triquint半導(dǎo)體公司已經(jīng)生產(chǎn)出GaAs放大器、混頻器和解調(diào)器，可以組成覆蓋所需要頻率范圍的設(shè)備。數(shù)字電纜和衛(wèi)星通信也驅(qū)動著前端處理器組件的開發(fā)。傳統(tǒng)上，電視調(diào)諧器可以覆蓋很寬頻率范圍，而有線電視和衛(wèi)星電視還可將此范圍進一步擴大。例如飛利浦公司的前端處理器可以覆蓋很寬的頻率范圍，但這些通常不能滿足蜂窩和無線數(shù)據(jù)通信對頻率范圍的更高要求。?

　　商業(yè)化寬帶軟件無線電面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是研制合適的射頻前端處理器。盡管存在很大的設(shè)計難度，但軟件無線電具有的潛能以及在頻譜許可模式下可能出現(xiàn)的變化為我們提供了極具吸引力的市場機遇。?
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　　主板組件?

　　圖中標(biāo)注的主板層由幾個組件組成。除了附加A/D和D/A轉(zhuǎn)換器之外，主板的結(jié)構(gòu)與PC機相似，具有與軟件無線電有關(guān)的存儲器和微處理器。?

　　A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換能力在近年來有了巨大的提高，其發(fā)展的推動力來自于對數(shù)字基站的市場需求。A/D的主要參數(shù)是SFDR，它由蜂窩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Brannon96中要求的遠(yuǎn)近接收能力所決定。ADI公司已推出SFDR為100dB、用于蜂窩網(wǎng)通信的A/D轉(zhuǎn)換器AD6644，也有適于窄帶手機的A/D轉(zhuǎn)換器。未來寬帶蜂窩網(wǎng)、數(shù)據(jù)和軟件無線電應(yīng)用軟件的關(guān)鍵是低電源、電池供電的寬帶A/D轉(zhuǎn)換器的研究。?

　　D/A轉(zhuǎn)換的過程更容易實現(xiàn)，因為在每個傳輸信道上的電平相對接收信號而言變化不大。適于蜂窩網(wǎng)、3G系統(tǒng)和寬帶網(wǎng)基站傳輸應(yīng)用的D/A轉(zhuǎn)換器已經(jīng)可以找到。同樣，實用手機方案的關(guān)鍵是減少寬帶轉(zhuǎn)換器的功耗。3G系統(tǒng)寬帶標(biāo)準(zhǔn)的出臺刺激了這些轉(zhuǎn)換器的發(fā)展。?

　　軟件無線電需要大量的存儲空間以處理寬帶采樣信號流和完成軟件支持，如下載軟件無線電應(yīng)用軟件和用戶接口軟件。有很多電池供電的設(shè)備如PDA，需要大量的存儲空間，而存儲器芯片的功耗相當(dāng)大。大體上，除了降低平時的功耗外，省電模式和操作系統(tǒng)的支持對手持設(shè)備空閑和待機模式下的電源管理非常有用。?

　　主板的處理器則能迅速提高處理速度和降低功耗。因此除了常規(guī)速度的處理器之外，還有配備與DSP集成在一起的處理器。多媒體的出現(xiàn)迫使常規(guī)處理器與數(shù)字信號處理功能相結(jié)合，如單循環(huán)乘法累加器和單指令多數(shù)據(jù)指令集。同樣，DSP處理器也是多特征的組合：有高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器和以前只在常規(guī)處理器中出現(xiàn)的支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)。另外，在降低DSP和常規(guī)處理器的功耗方面還需做大量工作。在這一點上，英特爾增強型ARM已經(jīng)和DSP在某些嵌入式應(yīng)用方面展開競爭。將來的處理器既不會是單純的DSP，也不會只是一般意義的處理器，因為多數(shù)處理器都要結(jié)合一些DSP的功能，以嵌入式或非嵌入的形式出現(xiàn)。?
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　　操作系統(tǒng)?

　　處理器速度的迅速提高、功能的迅速增強和功耗的迅速降低，為標(biāo)準(zhǔn)組件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供了有利條件，這種結(jié)構(gòu)可以從RF硬件中減少處理器子系統(tǒng)而用軟件實現(xiàn)。這樣就可以使用相同的結(jié)構(gòu)來升級原有技術(shù)和利用新的處理器技術(shù)，同時不必重新設(shè)計系統(tǒng)的其它組件。就象計算機的外部設(shè)備和應(yīng)用程序一樣，當(dāng)出現(xiàn)新的處理器時，不需要改變即可使用，RF的前端處理器和應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)獨立于所用的處理器。?

　　為了獲得程序的可移植性，必須配備良好的操作系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)正在整合更多的功能，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、多進程、支持多個I/O口等，所以需要一個完整的操作系統(tǒng)。遵從POSIX標(biāo)準(zhǔn)的要求就能保證操作系統(tǒng)的先進性。目前，一些嵌入式操作系統(tǒng)，例如VxWorks和LynxOS，已經(jīng)實現(xiàn)了POSIX的部分標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)證明Linux適用于軟件無線電應(yīng)用。?

軟件?

　　軟件無線電將大量與無線通信系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的任務(wù)放在軟件中處理。軟件設(shè)計必須具有易于下載和利于系統(tǒng)升級的結(jié)構(gòu)特點。軟件必須具有可移植性，以確保軟件無線電能象PC機那樣成功地跟蹤先進技術(shù)?；谶@些考慮，我們選擇高級編程語言進行軟件開發(fā)。這需要為嵌入式處理器開發(fā)優(yōu)良的編譯器，到目前為止，嵌入式系統(tǒng)的編譯器遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于桌面系統(tǒng)。另外，為特殊處理器提供代碼的優(yōu)化處理也是必要的，但是，要注意不能過分犧牲可移植性。如圖所示的結(jié)構(gòu)中包含了一組信號處理庫，應(yīng)用軟件與之連接，有部分庫可以針對某特定處理器進行優(yōu)化。如果配備優(yōu)化代碼，編譯器就能與處理器的特殊代碼連接；如果沒有配備優(yōu)化代碼，就與常規(guī)代碼庫連接。這種方法在移植性和優(yōu)化處理之間提供了一個合理的折衷方案。?

　　軟件無線電的應(yīng)用軟件本身應(yīng)具有普遍性，即可以擴展、可以在平臺間移植。這是無線電應(yīng)用必需的。解釋型語言的選擇顯得尤為重要，因為同一代碼可以下載到多個不同的操作平臺，對某一操作平臺而言，只需要用一種本地解釋程序即可。同時，解釋器和信號處理庫規(guī)范有利于系統(tǒng)的可移植性，因為必須在任何一種無線電設(shè)備上都能下載和運行無線電軟件。?

　　軟件無線電能夠?qū)⑼ㄐ畔到y(tǒng)的先進技術(shù)盡快地投入市場，并能跟蹤處理器技術(shù)的快速發(fā)展，更好地利用無線頻譜。為了獲得這些優(yōu)勢，還有一些技術(shù)難點必須克服，這需要時間。本文介紹的SDR解決方案將作為一種靈活的基帶系統(tǒng)出現(xiàn)在蜂窩基站和手機中。隨著技術(shù)的進步，SWR技術(shù)將在較寬的頻帶中獲得推廣，并出現(xiàn)各種應(yīng)用軟件和頻譜使用方案。?