采用软件无线电技术多模接收机结构

2019-11-03 09:15:15

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供稿：网友

许华１，郭建新２，郑辉１
1.西南电子电信技术研究所
2郑州信息工程大学二系

　　摘要：对移动通信中采用多模手机的必要性及各种不同的软件无线电结构进行了描述，提出了采用软件无线电技术低中频原则，可接收多种移动通信体制信号的多模接收机结构，并对该结构的优缺点及决定资源需求的各种因素进行了讨论。

　　关键词：移动通信；软件无线电；多模手机；低中频方案 

一、引言

　　在中国，移动通信包括了移动和联通的GSM网、联通的CDMA（IS－95），及电信的（PAS）小灵通，各个系统之间不能共享资源。GSM和IS－95系统是蜂窝系统,可以覆盖全国，而PAS是微蜂窝系统，它的服务范围不能覆盖到偏远地区，但却可以利用其基站便宜的特点，在地下商场或地铁等封闭场合提供服务，并且由于其资费便宜，同样具有很强的竞争力。每个系统都有各自的特点，如果一个手机可以利用多个系统的优点，享受多个系统提供的服务，必将受到欢迎。在日本，NTT DOCOMO推出的称为DOCCIMO的双频双模（PDC/PHS）的移动电话非常受欢迎就证明了这一点。

　　第三代移动通信系统的研发已进行了好多年，各大通信公司早已有产品推出，估计几年内，移动通信系统就要升级换代。如果可以使用多模移动终端（2G和3G），那么在第三代移动通信系统刚引入的阶段就很可能减少初始投资的规模。现在“beyond 3G”或第四代移动通信的研究已经开始。由于新一代的移动通信需要更高频段来传输超高速率的数据，这样会使传输损耗增加，而射频功率是有限的，所以其小区半径会比三代的蜂窝系统小。这样它和PAS一样很难应用到偏远地区，服务范围限于城区等人口密集的地方。解决这个问题的方法之一就是在城区使用4G的同时，在偏远地区依然使用3G，那么第四代手机就必须是多模（4G和3G）的。

　　处于对移动终端体积、造价、可重配置性等考虑，多模手机必须利用的一项技术是软件无线电技术。软件无线电就是利用相同的硬件平台，尽量用软件定义无线通信系统的功能。由于其可以在军用和民用两方面都可以带来极大的效益，所以颇受人们关注。这些年我国对软件无线电的研究也相当热，软件无线电的思想早已应用到了各种通信系统的设计开发上，并且对软件无线电架构的探索研究也在积极的开展之中。本文对采用软件无线电技术、可接收多种标准的移动通信信号的多模接收机构架进行了研究，提出了采用低中频原则多模接收机（接收部分）的框架结构。

二、软件无线电硬件平台的结构

　　经典的软件无线电结构从全局的角度划分，包括实时信道处理流、环境管理流和辅助软件工具。实时信道处理流的处理对象是输入输出信息流，所以必须是实时的，它包括了信道编译码和无线接入协议。信道编译码是广义的（包括调制和解调的过程），它又可分为：天线单元、射频转换单元、中频处理单元、基带处理单元和比特流单元。环境管理流从频率、时间、空间三方面不间断地提供无线环境的特征，包括信道识别、估计干扰水平及用户定位等信息，供实时信道处理流使用，因而它是近实时的处理。辅助软件工具用于增强服务功能或承担部分分析无线电环境的功能，它包括在线和离线的系统分析工具、信号处理工具等［３］。信道编译码囊括了整个无线通信的处理流程，是研究的主体和重点，也是本文分析的主体。

　　仅从信道编译码来看，软件无线电的结构类型（接收机）按照下变频的种类不同（或者数模变换的位置不同）可分为：（１）传统的超外差式。传统的超外差式结构现在还广泛使用，但是由于RF和IF信号被固定的模拟器件处理，它很难改变象带宽这样的系统参数，因而灵活性和可重新配置性都很差；(2)中频采样。射频被下变频到某一中频，从中频到基带的下变频是数字的，考虑到器件的处理能力，必须要在带通中频信号的抽样中用到欠采样技术（即带通采样技术）；(3)低中频抽样。射频直接下变频到一个接近基带的低中频，低中频信号的抽样数字化不需要处理直接下变频的偏移问题；(4)直接下变频。信号从射频到基带（零中频）的变换必须要处理直接下变频的偏移问题。

　　现在运用较广的结构是中频采样结构。首先射频信号通过模拟器件变换为某一中频信号，然后经过AD带通采样数字化，经过AD的数字信号直接由数字下变频（DDC）变换到基带进行处理。直接数字下变频器通过改变输入本地载波的频率、低通滤波器的带宽及抽取滤波器的抽取率来选择所需的信道，这样做的好处是使用专用数字芯片极大地降低了通用数字信号处理器件的运算负担，也保证了一定的灵活性。但是软件无线电的思想要求尽量用通用数字信号处理器件来定义系统的功能，使用专用数字器件的同时，会降低系统的灵活性，如DDC的参数设定后就基本固定并且不便调整，那么它自由地选择不同频段，不同标准的通信系统的某一信道将会很困难。

　　使用直接下变频将射频信号直接变换到基带，用更灵活的数字可编程器件来进行信道选择，会方便得多。但正如前面提到的直接下变频会面临不得不处理下变频的偏移问题，这使后面的数字器件有了额外的处理负担，而且直接下变频方法一般只能实现30～40 dB的镜像信号的抑制能力。

　　而如果采用低中频方法，它不但可以用更灵活的数字可编程器件来进行信道选择以保证灵活性，也不需要处理下变频的偏移问题，而且它又可比较容易地实现60～70 dB的镜像信号抑制。从射频变换到低中频（一般小于等于10 MHz）的信号，可以进行过采样，低通滤波器也会工作在较低的频率，这样的处理负担现在的通用数字器件是可以承受的。这是我们选择低中频采样结构的原因。

三、采用低中频原则的多模接收机结构

　　整个结构采用“模拟系统选择，数字信道选择”的方法［２］实现宽带信号的接收，在系统的模拟电路部分选出整个系统的信号，然后在数字电路部分选出需处理的信道进行处理。模拟系统选择的结构如图1所示。由于采用低中频原则，所需信号的镜像信号不在系统的带宽内，所以在射频前端就可采用一个带通滤波器（RFfL）进行镜像抑制滤波，再加上在AD变换后面采用的I、Q信道的相位抵消镜像信号抑制，就现有的器件水平，整个对镜像信号的抑制能力可达到70～80 dB。由于要求接收多个系统的信号，而各系统的工作频段不同，这就要求模拟频率振荡器（Afc）可根据接收系统的不同产生几个固定的频率，频率的选择根据系统的中频、带宽及设计要求决定，一般选择比所需系统的最低频率低10 MHz的频率，进行系统选择的带通滤波器则是按照变换后的系统中频和带宽滤出所需系统的信号，其频率和带宽在几个可选值之间可变，整个模拟系统选择的过程如图2所示。　　

　　当选出了所需系统信号后，就要选出所需的信道，这部分被设计在数字电路部分中处理，所以称为数字信道选择。现有的移动通信的体制分为：频分多址、时分多址和码分多址。采用频分方式的移动通信系统已属淘汰行列，现有数量很少；采用时分和码分方式的移动通信系统是现有移动通信的主体技术，由于三者使用的多址方式不同，它们之间完全不能兼容。下面就对3种多址情况分别进行讨论（图3）。

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　　因为码分多址是下一代移动通信的首选技术，下面就以采用码分多址技术的IS－95为例说明数字信道选择的过程。数字处理的部分采用通用数字可编程器件（FPGA＋DSP），FPGA进行解调、解扩处理，DSP进行基带数据处理。

　　在模拟射频处理及A/D变换后，所需系统的信号就在一个很低的已知中频上，我们首先要对它进行解调，利用数控振荡器（NCO）产生与已知中频（可变）同频的载波信号进行正交解调，匹配滤波器则根据系统的带宽、波形参数的不同是可变的。从模拟射频处理到模数变换再到正交解调这一部分电路的整个结构是不变的，它适用于各种标准的移动通信系统，可变的只是NCO和匹配滤波器及模拟滤波器的参数；之后的电路结构则是根据不同的系统需要改变的。图4中的同步电路主要是用于时钟同步和载波同步，对于不同的多址方式算法基本相同，也可以采用结构不变、参数可变的方法。去信道引导序列和Walsh码相关器（解扩过程）是CDMA的独特处理过程，如果将它放在DSP中处理会使DSP的处理负担过重，所以将它们放在FPGA中，但这样也会影响到接收机的灵活性，因为对于频分和时分系统的信号，这一部分电路是用不上的，而FPGA中的电路不象DSP中的代码可变性很强。同时由于IS-95（还包括宽带CDMA系统）用RAKE接收机来解决多径干扰的问题，这部分电路需要有多个支路和其它的一些辅助电路。我们可以将这一部分电路在FPGA中保留，接收频分和时分信号时则将其短路，这样就可以多用一些资源来保证接收机的灵活性。对于不同的CDMA系统这部分电路是可以根据参数改变来满足要求的。时分多址和频分多址要用均衡电路来对抗由于移动信道的多径干扰引起的码间串扰问题，而码分多址不需要这种处理，如果这部分电路在DSP中完成不能保证实时性，那么也必须采用和上面相同的处理方法。以上的处理最大限度地保证了接收机的灵活性和可重置性。DSP中的基带数据处理部分是完全可编程的，只要根据接收系统的变化，载入不同的软件即可。

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　　这种结构的缺点是最大通带受限于模拟带通滤波器和ADC的采样速率，因此为了适用于带宽超过几十兆赫的多媒体移动通信系统，就必须开发出新的更高速率器件；这种结构也需要模拟处理部分在所有相关的移动通信系统的整个带宽内提供线性，因为系统中的所有信道都直接输入到了滤波器进行处理。

四、系统资源

　　对于软件无线电来说，系统资源是至关重要的，它包括I/O带宽、存储能力和处理能力，也就是I/O总线的带宽（传输速率）、存储器组的大小、FPGA规模的大小、CPU和DSP的处理能力。按照文献［３］的观点，系统要具有鲁棒性资源利用率不能超过0.5，所以必须对决定系统资源需求的因素进行研究，在系统设计时，必须对系统资源需求进行估计。

　　总线资源是软件无线电硬件平台非常重要的一环，它决定了数字器件之间的数据传输能力。如果总线的带宽（传输速率）不够将严重影响整个平台的处理能力。通用总线的类型有PCI总线和VME总线，现在这两种总线形式的能力对高速复杂系统的处理，已显得比较紧张。有的公司已经开发的专用的总线类型，并应用到了软件无线电通用硬件平台上，例如加拿大Spectrum Signals PRocessing 公司的SONANO总线可以支持高于200 Mbit/s的全双工数据传输，新一代的产品会达到400 Mbit/s。在设计中对总线能力需求的估计涉及到整个系统的数据流量分析和硬件平台上具体的任务分配，必须进行认真细致的考虑。

　　存储器用来存储程序代码和需处理的和处理后的临时数据，这些数据会不断更新。存储器的大小的选择决定于程序代码的大小和这些临时数据的大小。

　　系统运算资源包括FPGA规模的大小还有CPU和DSP的运算能力。根据现在通用数字信号处理器件的运算能力有限，一般把象解调解扩这样运算量很大的处理放到FPGA上面。决定FPGA规模需求的因素包括匹配滤波器的带宽和性能指标、同步算法的复杂度、相关处理的复杂度等。根据软件无线电的思想，最好是能够使用通用数字信号处理器件（DSP）实现所有的系统功能，但是现有的DSP能力一般只能在比特流阶段进行处理，所以一般都认为DSP是软件无线电发展的瓶颈。一方面DSP的数据速率在提高，另一方面多DSP处理已成为发展的趋势，可见DSP的处理能力大大增强。但是我们还应看到新的无线通信系统的速率和复杂性也是越来越高，要实现理想的软件无线电结构还很遥远。从图4中可以分析出，决定CPU和DSP的处理能力需求的因素包括数据速率、前向纠错算法、比特填充和交织、信令和控制、信源编译码算法，最后还有管理系统开销和其它运营功能的实现等。

五、结束语

　　基于移动通信和软件无线电技术的发展，能接收多种标准的移动通信系统的信号并采用软件无线电技术的多模手机，具有了很大的研究必要性和可能性。本文从这一点出发，比较了各种结构的优缺点，提出了采用低中频原则的多模手机（接收部分）的框架结构，它使用“模拟系统选择，数字信道选择”的方法，具有70～80 dB的镜像信号抑制能力，并且最大限度地保证了接收机的灵活性和可重置性，同时以IS-95为例进行了数字信道选择的具体说明，并对系统资源的需求进行了细致分析，保证了这种结构的鲁棒性。　　

参考文献

［１］N　Nakajima,R　Kohno, S　Kubota．Research and Developments of Software-Defined Radio Technologies in Japan［Ｊ］．IEEE. Commun. Magazine,2001，(8)：１４６～１５５．

［２］H　Tsurumi, H　Yoshida, S　Otaka,et al.Broadband and FlexibleReceiver Architecture for Software Defined Radio Teerminal Direct Conversion andLow-IF Principle［Ｊ］．IEICE Trans. Commun.,2000,Ｅ８３－８（６）：１２４６～１２５２．

［３］J Mitola．The software radio arichitecture［Ｊ］．IEEE Mag.，1995，(5)：２６～３８．

［４］Sungbin, Woncheol, Chonghoon,et al.Implementation of SDR-based Digtal IF Channelizer/De-Channelizer for Multiple CDMA Signals［Ｊ］．IEICE. Tran. Commun.,2000，Ｅ８３－Ｂ（６）：１２８２～１２８９．

摘自　北极星电技术网

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