軟件無線電技術解決無線通信的兼容問題

軟件無線電技術解決無線通信的兼容問題便攜式無線設備可能趨于一致，但是如果你愿意的話，它們的接口可以繼續(xù)分離或“進化”。要使手機在從美國到歐洲和亞洲的旅行途中能夠繼續(xù)使用，它需要兼容不斷增多的各種不同的協(xié)議、調制技術和頻帶，要能夠識別它們并進行無縫調整和匹配。對于手機制造商來說，這是一個挑戰(zhàn)；而對于基站供應商而言，這是一個噩夢。

這有多困難呢？TI公司無線研究高級主管BillKrenik說：“幾年前，雙頻帶GSM手機滿足了大部分市場的需要?，F(xiàn)在芯片組至少是GSM/GPRS的，不久將很有可能成為GSM/GPRS/EDGE的，涵蓋PCS和DCS；加入UMTS，增加對IMT-2000頻帶的WCDMA支持，頻率為2,100MHz。在調制前端，需要處理GSM的GMSK、用于EDGE的8-PSK的高階調制、以及寬帶CDMA所需的QPSK；接下來需要解決的難題是HSDPA、HSUPA和16-QAM；然后是基于OFDM的LTE（長期演進，或4G）標準，它被定為2010年的時間框架。到那時，我們將需要支持TDMA、CDMA和OFDM；支持至少六個不同的頻帶，而且很有可能更多；支持從GMSK到QPSK、16QAM和64QAM的調制技術。我們需要能夠解決上述所有技術問題的無線電技術和基站。”在這一點上，軟件無線電技術（SDR）要比眾多基于硬件的RF信號鏈更有吸引力。走進SDR

SDR背后的概念很簡單：首先是高帶寬、高線型度的FR前端，然后將其輸出直接進入高速ADC，再用高速DSP或FPGA在軟件中進行所有的信號處理。前面的描述中多次提到的“高速”一詞，正是挑戰(zhàn)所在。

軟件無線電設備是一種由軟件來定義其特征的寬帶收發(fā)器。ITU定義SDR為：“一種能夠通過軟件，和/或能夠完成同樣功能的技術，對包括RF的運行參數(shù)，但不限于頻率范圍、調制類型或輸出功率進行設置或修改的無線電系統(tǒng)?！盨DR能夠使手機或基站對硬件的需要降至最小，同時也能降低與不斷發(fā)展的無線標準相對應的“未來驗證”的基本設施的需要。SDR基本上是將一個接收器變成一個具有RF前端的計算機。不過SDR需要速度非常快的計算機才能夠對各種數(shù)G赫茲的信號進行過采樣，并準實時的處理所有這些信號。

SDR不是一個沒有中間過程的極端方法。SDR論壇定義了從“硬件無線電”——目前的方法——到“終極軟件無線電”的全部演變過程，其間包含了一些中間技術階段：

●0級－硬件無線電。系統(tǒng)不能做任何修改。系統(tǒng)操作由開關、撥號盤和按鈕來完成。

●1級－軟件控制無線電。軟件上可能實現(xiàn)了控制功能，但是在不改變硬件的條件下，這些無線通信設備是不能改變像頻帶或調制方式這樣的特征參量的。

●2級－軟件無線電。這種無線電技術由軟件來控制，不需要對硬件做任何修改就能夠提供很寬的操作范圍。它一般包括寬帶濾波前的獨立天線、放大器和A/D轉換之前的降頻器。在發(fā)送時，基帶信號進入DAC，然后轉換為中頻（IF）頻率，即依次外差為進行濾波和進入功率放大器之前所需的輸出頻率。盡管前端的帶寬是個限制因素，由于SDR技術能夠提供寬帶和窄帶兩種操作中的多種解調技術，因而利用軟件可以控制相當寬的頻率范圍。SDR技術能夠存儲大量的波形或空間接口，并可以通過從磁盤上傳或從空間下載來添加新的內容。

●3級－理想SDR。這種SDR將RF前端的輸出直接接入ADC，然后進入到DSP，消除了大部分的模擬部件，從而降低了失真和噪聲。

●4級－終極SDR。這種SDR沒有外置天線、沒有運行頻率或帶寬的限制。它直接傳送數(shù)字基帶輸出信號，在幾毫秒的時間內進行空中接口間的檢測和轉換。這是一種低功耗又極為快速的SDR，但要以商業(yè)產(chǎn)品的形式出現(xiàn)，估計正在學說話的孩子大學畢業(yè)之前是不太可能的。從天線到DSP

一般的SDR系統(tǒng)（如圖1所示）包括各種RF前端，它們?yōu)閷拵DC提供輸入信號。信號再由ADC進入可編程DSP引擎。在發(fā)射模式下，數(shù)字基帶信號先要依次通過DAC和中頻/射頻（IF/RF）升頻轉換器，再傳入輸入功率放大器（PA）和天線。

圖1.一般的SDR接收器。要建立可配置的、寬帶的、高靈敏度的甚至是防彈的RF前端，是事情變得復雜的開始。ADI公司RF和無線系統(tǒng)的商業(yè)研發(fā)主管DougGrant說：“即使關注的是小信號，也必須提供非常大的數(shù)據(jù)處理能力。當?shù)玫讲煌瑤挼男盘枙r，要既能看到最寬的帶寬又能看到最窄的帶寬，并能容納足夠的動態(tài)范圍。這最終歸結回功率，因為要得到寬的無線前端動態(tài)范圍，勢必就會增加功耗。”如果前端被一個大的帶外信號損壞了，再多的下級濾波器都無法糾正。Grant說，“功率問題被一致歸結為研究SDR的任何方法都面臨的最大障礙?！?/p>

在理想的SDR系統(tǒng)中，射頻RF前端的輸出在處理之前將直接進入ADC。然而ADC是SDR所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。在1GHz時，ADC的動態(tài)范圍的上限是20位或120dB。頻率更高的時候，問題變得更有挑戰(zhàn)性，因為ADC的采樣率要滿足奈奎斯特采樣定律，必須至少為最高頻率（fmax）的兩倍。因此，接收器一般將信號通過帶通濾波器去掉不需要的信號，再通過外差將信號頻率降至ADC能夠處理的范圍。然后將信號通過低噪聲放大器（LNA），進入ADC。具有多RF前端和天線的超級外差接收器很可能一段時間后會出現(xiàn)。

圖2.SDR的軟件控制任務。純粹的數(shù)字RF結構，比如TI公司的數(shù)字射頻處理器（DRP），在天線上裝有ADC，其余所有的事情都有DSP來完成。由于從RF電路中消除了模擬部分，這種結構需要高寬帶的Σ-ΔADC和非?？斓腄SP，而這兩個部分的功耗都很大，因此這種方法更適用于基站，而不適于手機。軟件處理

當信號進入數(shù)字領域，DSP引擎可以完成相當大的處理量，包括處理不同的調制類型、信道存取、擴頻處理、網(wǎng)絡界面定義、安全、波束形成、前向糾錯和數(shù)字降頻/升頻轉換。

圖3.SCA的軟件體系結構。SDR的軟件結構是由軟件通訊架構定義的（SCA；如圖3所示），最初在20世紀90年代為美國軍方的聯(lián)合戰(zhàn)術無線通信系統(tǒng)（JTRS）而制定，其目的是希望讓所有的軍隊能夠相互實時的通信，得到彼此所在地區(qū)的火情、警力、救護車和林務人員的信息。（不論相信與否，他們沒能做到）。SCA是一個開放的結構框架，它告訴設計者硬件和軟件單元是如何在JTRSSDR中協(xié)同運行的。SCA的規(guī)范具體說明了能夠配置波形的軟件運行環(huán)境，以及詳細說明了波形必須支持的界面。它還詳述了操作系統(tǒng)OS（POSIX）、中間設備（CORBAORB）以及界面的框架。JTRS組和SDR論壇都在與對象管理組織的SWRADIO領域特別興趣小組合作，為基于SCA的SDR系統(tǒng)建立一個開放的國際工業(yè)標準。同時，SCA事實上也成為了SDR的國際標準。

JTRSSCA3.0為信號處理子系統(tǒng)（SPS）增加了一個硬件抽象層（HAL）。SPS為SDR的OSI層1（調制解調器、擴展、代碼）和應用級功能塊（音頻、視頻）提供高速的計算。可以用DSP和、或FPGA的聯(lián)合來實現(xiàn)SPS。

SDR信號處理的需求Xilinx和Altera公司都提出：“數(shù)字信號處理”未必等同于DSP。高頻商業(yè)SDR接收器所需的信號處理事實上是令人生畏的（見表）。Xilinx公司的高級DSP市場經(jīng)理ManuelUhm認為：在控制功能塊中使用MCU，在低MIPS的應用中使用DSP以及在高MIPS的應用中使用FPGA都是有意義的。Xilinx公司做出一套JTRSSDR工具，它將用于信息通過的包含RTOS的CORBAORB，和加入SCA核框架的用于窄帶和寬帶波形的應用層，還有物理層（EMAC、PHY、數(shù)字升或降頻轉換器）集成在一個“能實現(xiàn)SCA的SoC中”（akaVirtex-4）。SDR目前的應用

現(xiàn)在我們離理想的SDR還很遠，但是商用的SDR已經(jīng)在多?；旧祥_始使用了，這些產(chǎn)品至少使用了部分的SDR技術。ADI公司的Grant說：“我們雖有所發(fā)展，但是必須限定對SDR的定義。如果是指可編程信號處理完成了除空間接口以外所有的解調、均衡和探測過程，那么我們已經(jīng)做到了。如果在定義中加入‘使用通用的無線電前端’，那么我們還沒有完成?！?/p>

第一個將FCC批準的SDR基站市場化的公司是VanuInc。它在1994年建立了Vanu軟件無線通信GSM基站。Vanu公司采用了一種與眾不同的方法實現(xiàn)SDR：在使用通用CPU的電腦上運行便攜式應用軟件，完全由軟件來完成信號處理。Vanu公司的首席技術總監(jiān)（CTO）JohnChapin說，“需要建立所設想的系統(tǒng)：真正增加的價值就是軟件。我們編寫了便攜式代碼，這些代碼無需太多花費就可以移植到下一代的處理器上?！盋hapin指出：使用Intel的處理器要比使用DSP或FPGA更為簡單。Vanu公司的下一代AnywaveGSM基站將在Intel的Xeon雙核處理器平臺上運行。

Mid-TexCellular公司是美國第一個基于SDR操作的手機運營商。Mid-Tex在HP的運行Linux系統(tǒng)的ProLiant平臺上建立了Vanu公司的軟件無線電基站，這使得它在鄉(xiāng)村的800MHz的TDMA系統(tǒng)增加了處理GSM和WCDMA的能力。該軟件基站能夠同時運行多個空間標準，動態(tài)分配系統(tǒng)以支持2G和發(fā)展中的3G兩種標準。

此外，SDR在被動RFID系統(tǒng)上得到了應用。ThingMagic公司的Mercury4是一個多協(xié)議的RFID系統(tǒng)，它利用SDR技術可以同時讀取任何標簽，如EPCClass1和EPCClass0標簽、可重復寫入Class0標簽，ISO18000-6B和UCODEEPC1.19的標簽。Mercury4的作用象一個路由器，將標簽的信息傳入網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫和應用軟件。這個系統(tǒng)更像是一個基站，而不是一個標簽閱讀器。便攜式SDR？

將SDR從基站移到手機上還要多久？手機具有很好的市場，但是不是最好的目標。因為SDR的所需的功率—