软件无线电关键技术的新趋势（下）

2019-11-03 09:19:54

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供稿：网友

　　中国电子科技集团第七研究所罗序梅

　　四数字信号处理ＤＳＰ技术

　　ＤＳＰ是限制软件无线电发展的瓶颈问题，其数据处理速度和精度直接关系到软件无线电台能否实现。目前采用的技术方案主要是数字信号处理技术ＤＳＰ、专用集成电路ＡＳＩＣ、现场可编程门阵列ＦＰＧＡ以及这几种技术的结合。高速ＤＳＰ芯片是软件无线电的核心部分。随着微电子技术的发展，数字信号处理器件在速度和性能上有了很大的提高。２００３年ＴＩ推出了业界速度最快的三款新型７２０ＭＨｚＤＳＰ，该速度打破了ＴＩ自己保持的６００ＭＨｚ全球最快速度ＤＳＰ的记录，打破了性能极限。这些ＤＳＰ的指令执行速度超过了５７００ＨＩＰＳ，适用于下一代无线基础设施、数字视频、电信设备和成像应用。ＴＩ推出的另一款ＤＳＰ，其速度达到１ＧＨｚ。据悉，目前最快的芯片处理速度已达到１０ＧＦＬＯＰＳ，但在性价比、功耗上仍很难满足要求。为解决这一问题，采用了一种ＲＩＳＣ精简指令集计算结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各ＤＳＰ厂商纷纷采用新工艺，改进ＤＳＰ芯核，并将几个ＤＳＰ芯核、ＭＰＵ芯核、专用处理单元，外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为ＤＳＰ系统级集成电路。

　　ＦＰＧＡ是可重编程器件，所实现的功能大大超过今天的ＤＳＰ微处理器，包括实现软件的可编程性、高速的硬件，并可实时重构。事实上，ＦＰＧＡ是真正的 “软”硬件，能在定制硬件和灵活的全软件方案之间折衷。近年来ＦＰＧＡ无论是在规模、处理速度还是功耗上，都得到了长足的进步。ＦＰＧＡ器件的集成度已达到上千万门，系统工作频率达到几百ＭＨｚ。高端ＦＰＧＡ的时钟频率已高达２５０ＭＨｚ，可提供２５Ｇ次ＭＡＣ的性能。

　　由于大规模ＦＰＧＡ既有传统ＦＰＧＡ运算速度快、功耗低的优点，又具有可动态配置的灵活性，在软件无线电中将发挥重大的作用，主要表现在：

　　●主要完成软件无线电台内部的数据处理、调制解调和编码解码等工作

　　由于电台内部数据流量大，进行滤波、变频等处理运算次数多。必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务，必须要求硬件处理速度很高，芯片容量大，同时要求进行针对处理器算法的优化和改进。只有这样，才能实现电台内部软件的高速运行以及多种功能的灵活切换和控制。对于一些固定功能的模块如滤波器、下变频器等，可以用具有可编程能力的专用芯片来实现，而且这种芯片的处理速度要高于通用ＤＳＰ芯片。

　　利用ＦＰＧＡ可以同时满足速度和灵活性两方面的要求，支持软件无线电中动态系统配置的功能。通常来说系统的分配方式是：计算密集型的部分在ＤＳＰ内部完成；功能相对固定的部分，则由ＦＰＧＡ来完成。这样，既可以满足高速的数字信号处理器的要求，又可以实现对各种硬件的全方位配置。

　　●根据不同的标准，对理想的软件无线电进行配置，并提供数字化终端

　　理想的软件无线电是用ＡＤ变换器对天线上的信号或中频信号进行数字化，但数字化后的数据不只是靠软件进行处理，而是利用各种灵活的、可重新配置的ＡＳｌＣ和通用数字信号处理器ＤＳＰ来缩减系统功耗、体积和成本。这些ＡＳＩＣ是可编程的，可以针对不同频道的特性和调制方式进行调节。具体的实施方案包括现场可编程门阵列ＦＰＧＡ或ＡＳＩＣ，它们比完全灵活的ＤＳＰ实施方案更为经济。这些硬件模块可以通过软件进行选择，用作不同系统的公用硬件。

　　另外，ＦＰＧＡ提供了“芯片上的系统” 特征。它包含了连续的收发技术、ＲＩＳＣ处理器和一定数量的可编程存储器，为软件配置无线电信号处理提供数字化终端。

　　●同ＤＳＰ组合，可以提供较大的可编程能力

　　可编程门阵列ＦＰＧＡ在实际中的可编程性比ＡＳＩＣ高，但ＦＰＧＡ要受门的个数和连线多少的限制，当电台在功能上需要扩展时，受门连接的限制，其可编程性要比ＤＳＰ小。采用ＦＰＧＡ与ＤＳＰ混合结构，具有较大的可编程能力。

　　●在软件无线电系统中实现转换、滤波等功能

　　ＦＰＧＡ同ＤＳＰ、ＦＩＲ专用芯片、存储器、Ｉ０接口组成可编程ＤＳＰ模块，用以实现ｘ．２５物理层中数据比特流的透明传输。按照不同的数据处理流程，ＤＳＰ模块的功能可划分为：与终端的数据交换、自适应调制解调、信道环境分析和管理、自适应频率估计选择和校正、单边带ＳＳＢ调制解调、频率交换等。整个ＤＳＰ模块在软件无线电系统中通常用来满足频率变换和滤波的需求，实现转换、滤波、扩频、调制等功能。

　　五互连技术

　　互连结构是用来解决如何实现系统中各单元互连，组成一个开放、可扩展、标准，具有较高数据吞吐量的硬件平台的问题。目前主要的互连结构有总线结构、交换网结构和树型结构。在总线结构中，各功能模块通过统一的、开放的标准接口相连接，使系统具有良好的开放性和通用性。但是总线结构的特点是只能有一个功能单元在总线上传输数据，即它是时间共享。这种时分复用机制限制了带宽，制约了互连总线结构的可扩展性。总线结构，包括ＶＭＥ和ＰＣＩ等，在工业界已有广泛使用，且实现起来较容易。再加上其特有的一些优势使其在近期内很难被其它技术完全取代。在交换网结构中，每个功能单元有一个适配器，用来将数据打包传送给交换网。其原理类似于ＩＰ或ＡＴＭ交换。与总线结构相比，交换网技术有以下一些优势：

　　●在时隙数和综合性能两方面有很好的可扩缩性

　　●物理配置和规模上的灵活性

　　●费效比高，实用性强，系统不出现局部故障

　　●有效满足各种通信系统和通信协议的要求

　　该结构在软件无线电中应用时，对数据吞吐量和包延迟方面的性能有严格的要求。树型结构优化了互连技术的应用，免除功能块之间的互连，但实现起来有一定的难度，灵活性也有限。下表为这三种结构性能比较：

　　在这三种结构中，总线结构享有广泛的使用和认可；而交换网结构速率更高、更具灵活性，树型结构更是优化了互连技术，但是目前这三种互连技术中，任何一种还都不能满足所有的应用和技术要求。因此，在近期内软件无线电系统的互连结构将不会锁定在任何单一的技术方案上。

　　正如任何技术都要经历一个起步、发展和成熟的过程，软件无线电技术也在不断地发展、成熟。可以相信，随着这些关键技术的进一步发展，软件无线电将在未来得到更为广泛的应用。

----《通信世界报》