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文檔簡介
1、通信技術(shù) 4G中軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用 摘要:本文簡要介紹了軟件無線電技術(shù)及其發(fā)展概況,并著重列舉了其在當前通信領(lǐng)域,以及在未來第四代移動通信(4G)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:移動通信 4G 軟件無線電技術(shù) DSP 智能天線一、引言以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ),以數(shù)字信號處理為核心,以微電子技術(shù)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(tǒng)的無線電臺以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設(shè)計局限性,強調(diào)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
2、不同的應(yīng)用軟件來實現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計新思路。其中心思想是:構(gòu)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、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成,并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)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(tǒng)。二、軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)一個理想的軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)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(wù)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(wù),接受時
3、實現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。而模擬信號進行數(shù)字化后的處理任務(wù)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(zhuǎn)換器傳來的數(shù)字信號,經(jīng)過專用數(shù)字信號處理器件處理,降低數(shù)據(jù)流速率,并且把信號變至基帶后,再把數(shù)據(jù)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(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)可分為三種: 射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。射頻低通采樣數(shù)字化的軟件無線電,其結(jié)構(gòu)簡潔,把模擬電路的數(shù)量減少到最低程度。射頻帶通采樣數(shù)字化的軟件無線電與低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)的主要不同點是,A/D前采用了帶寬相對較窄的電調(diào)濾波器,然后根據(jù)所需的處理帶寬進行帶通采樣
4、。最后,寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化的軟件無線電結(jié)構(gòu)與目前的中頻數(shù)字化接收機的結(jié)構(gòu)類似,都采用了多次混頻體制或叫超外差體制,其主要特點是中頻帶寬更寬,所有調(diào)制解調(diào)等功能全部由軟件加以實現(xiàn)。在軟件無線電中的關(guān)鍵技術(shù)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(nèi)進行工作,最好能研究一種新型的全向?qū)拵炀€,可以根據(jù)實際需要用軟件智能地構(gòu)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
5、包絡(luò)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(shù)抑制不需要的互調(diào)載波,得到有效的功率利用。需要很好地選擇器件并使用電路CAD 優(yōu)化技術(shù)。(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(jù)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(yīng)用中常進行過采樣處理,要求f s > 2. 5Wa。根據(jù)目前研究結(jié)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(zhuǎn)換將量化速度降低,
6、以提高采樣分辨率。(4)高速并行DSP:數(shù)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(shù)字信號的處理是在芯片上進行的。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?;鶐幚碇饕峭瓿筛鞣N波形的調(diào)制解調(diào),擴頻解擴以及信道的自適應(yīng)均衡和各種同步的數(shù)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(fù)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
7、處理結(jié)構(gòu)才有可能實現(xiàn)。(5)軟件無線電的算法:軟件的構(gòu)造,自然是把對設(shè)備各種功能的物理描述建立起數(shù)學模型(建模),再用計算機語言描述的算法,最后轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù)值法,但并不排斥其他算法,或 者多種算法的結(jié)合。以上技術(shù)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(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代,3G系統(tǒng)進入商業(yè)運行一方面需要解決不同標準的系統(tǒng)間的兼容性;另一方面為了適應(yīng)技術(shù)的飛速發(fā)展,3G無線通信系統(tǒng)要求具有高度的
8、靈活性和擴展升級能力。軟件無線電技術(shù)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 都采用碼分多址接入方式, 且具有信道帶寬寬,數(shù)據(jù)速率多樣且支持高速率,不同業(yè)務(wù)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(tǒng)容量,在3G中將采用的智能天線技術(shù)(Smart Antenna)、多用戶檢測技術(shù)(MUD)等,使得軟件無線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用空間。首先,智能天線技術(shù)在我國的TD-SCDMA的方案中,利用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達方向,形成天線主波束;引入空分
9、多址(SDMA)方式,根據(jù)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(shù)字方法對陣元接收信號進行加權(quán)處理,形成多個波束賦形,每一個波瓣對應(yīng)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(shù)也用到了設(shè)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(wǎng)絡(luò),而且能滿足不同的接續(xù)時間要求。軟件無線電技術(shù)可用不同軟件實現(xiàn)不同無線電設(shè)備的各種功能,可任意改變信道接入方式或調(diào)制方式,利用不同軟件即可適應(yīng)不同標準,構(gòu)成多模手機和多功能基站
10、,具有高度的靈活性。除此之外,軟件無線電出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢:主要表現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)分層化、軟件模塊化、結(jié)構(gòu)數(shù)學分析化、面向?qū)ο蠡⒂嬎銠C化、網(wǎng)絡(luò)化和安全化。四、4G中的軟件無線電技術(shù)隨著3G技術(shù)不斷地成熟并最終進入市場進行運營,國際電信聯(lián)盟(ITU)已經(jīng)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(tǒng)同其他系統(tǒng)(例如無限局域網(wǎng)、WLAN等)結(jié)合起來,產(chǎn)生4G技術(shù),2010年之前使數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率達到100Mb/s,以提供更有效的多種業(yè)務(wù),最終實現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍牙、廣播、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互兼容。4G的關(guān)鍵技術(shù)主要有:OFDM(正交頻分復(fù)用)、軟件無線電、智能天線和IP
11、v6技術(shù)。在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)之中,軟件無線電技術(shù)是通向未來4G的橋梁。由于各種技術(shù)的交迭有利于減少開發(fā)的風險,所以未來的4G技術(shù)需要適應(yīng)不同種類的產(chǎn)品的要求。而軟件無線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)。它不僅能減少開發(fā)風險,還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)可彌補其在靈活性上的不足。在網(wǎng)絡(luò)支持方面,由于4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方
12、式傳送數(shù)據(jù)流,因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。而大量鏈路類型(如data,voip)的不同鏈接可通過SDR進行互聯(lián)。同時,動態(tài)頻譜的分配也有利于在已占用帶寬上實現(xiàn)新的服務(wù)。智能天線技術(shù)也是4G中的關(guān)鍵,它與SDR技術(shù)同樣緊密相連。它是在軟件無線電基礎(chǔ)上提出的天線設(shè)計新概念,是數(shù)字多波束形成(DBF)技術(shù)與軟件無線電完美結(jié)合的產(chǎn)物。一方面,軟件無線電為智能天線的實現(xiàn)提供了一條有效可行的技術(shù)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。基于軟件無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(yīng)的射頻信號,首先經(jīng)過前端模擬預(yù)處理變換為適合于
13、A/D采樣的寬帶中頻信號,該寬帶中頻信號經(jīng)A/D數(shù)字化后送到數(shù)字下變頻器(DDC),對寬帶數(shù)字中頻內(nèi)某一感興趣的信號進行數(shù)字正交下變頻和采樣率變換,變換為與信號帶寬相適應(yīng)的低采樣率的基帶正交(I/Q)數(shù)字信號,這N路I/Q基帶數(shù)據(jù)被同時送到M個數(shù)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(diào)模塊(DEMOD)要么對所形成的這M個波束同時進行解調(diào),要么選取其中信噪比最大的波束進行解調(diào),前者可以實現(xiàn)同頻空分復(fù)用,后者則可以實現(xiàn)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(shè)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?qū)崿F(xiàn)頻域空域上的全波束形成。五、結(jié)束語由于多種移動通信標準的加入,使得現(xiàn)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
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