8.4 软件无线电电路拓扑结构

8.4软件无线电电路拓扑结构软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式电路拓扑结构。软件无线电的关键思想是：将A/D尽可能靠近天线，用软件来完成尽可能多的无线电功能。软件无线电是近年发展起来的新兴技术，许多技术问题需要解决，其中的关键技术有下面几个方面：开放式总线结构及实现、宽带/多频段天线、模/数（A/D）和数/模（D/A）转换器、数字下变频、高速信号处理、信令处理等。8.4.1典型的软件无线电电路拓扑结构软件无线电系统按大框架划分可以分成三大部分：射频处理部分、中频及基带处理部分、控制管理和支持部分。射频处理部分包括所有射频的模拟器件，中频及基带处理部分完成所有数字化处理，而控制管理和支持部分完成整个系统的运行维护、提高服务质量及新业务的开发等任务。典型的软件无线电电路拓扑结构具体可分为天线、射频转换、模/数转换、中频处理、基带处理、位（比特）流处理和信源处理几个部分。图8.4.1典型的软件无线电电路拓扑结构软件无线电的天线需要具有接入多个频段的功能，可以在VHF/UHF频段、卫星通信等频段进行通信。射频转换包括输出功率的产生、信号预放大、射频信号转换为标准的中频信号等。在许多无线电频带内，射频转换都是用模拟器件实现的。对它们的要求包括：放大器的线性，对邻道的隔离，另外还要避免基带处理器的时钟频率调谐进入射频的模拟电路中去。模数转换部分根据被采样信号的频率和带宽决定采用何种A/D采样技术。根据Nyquist采样定律，对带限信号的采样率必须大于信号最高频率的两倍。实际系统通常采用过采样，即大于2.5倍。对于A/D采样的参数指标，除了采样率外，还有采样精度和采样信号的动态范围。中频处理部分接收的信号是一个含有多路信道的宽带信号，中频处理要将其中的某一特定信道提取出来，并且将这个信号转换到基带。中频处理部分的复杂性和大运算量就在于频率转换和滤波，使用通用的DSP芯片是无法完成的，通常是采用专用芯片实现。基带处理部分将单一信道的基带信号进行解调（或进行调制），有代表性的数字调制方式为BPSK，QPSK，GMSK，8-PSK等。运算量及复杂性取决于基带信号的带宽、调制方式及相应处理的复杂性，如解调的软判决算法，定时的恢复与提取等。位（比特）流部分完成将多个用户的信源比特进行复合（如GSM中的TDM帧），在位（比特）流上施加前向差错控制（FEC），包括比特交织、卷积编码和自动重发请求（ARQ）的检测和响应，以及比特填充、比特加密。另外，信令、控制与操作、运行管理与维护的功能也在这部分完成。信源部分在移动终端和基地台是不相同的。移动终端的信源部分包括用户和信源编译码器，通常，窄带的语音和传真的模/数转换器位于手机、掌上电脑或工作站中。而对于基地台，它的信源部分包括与公用电话交换网（PSTN）或其他通信网络的接口，例如实现GSM系统与PSTN网络的互通，就需要将GSM中的话音编码方式RPE－LTP与64kb/s的PCM编码方式互相转换。8.4.2典型软件无线电的移动台和基地台电路拓扑结构典型的软件无线电移动台和基地台电路拓扑结构如图8.4.2所示。它们包括天线、多频段射频转换器、宽带A/D、D/A转换器，以及通用可编程处理器和存储器等。移动软件无线电终端通过声音、数据、传真或多媒体等方式与用户及软件无线电基地台与公共电话交换网（PublicSwitchedTelephoneNetwork，PSTN）接口。基地台还包括支持运行和维护的软件系统，以及支持开发新业务的工作站。图8.4.2典型软件无线电的移动台和基地台电路拓扑结构8.4.3使用单一全向天线的软件无线电电路拓扑结构利用软件无线电可以快速地建立灵活的、多频段的无线电系统。使用单一全向天线的软件无线电电路拓扑结构的原理框图，如图8.4.3所示。在单一全向天线的软件无线电系统中，信号的发射和接收是通过一个全向天线完成的，接收信号通过一个下变频器将射频信号搬移到中频，再通过A/D（模/数转换）采样送入软件处理部分（见虚线框部分）。在软件处理部分，首先对中频宽带信号进行信道的分离，分离出每一路信道，然后每一路信道分别进行解调。同样，每一路需要发射的信号先分别进行调制，然后进行信道混合，组成一个在中频的具有全部信道的宽带信号。中频宽带信号通过D/A（数/模转换），再经过上变频通过多路器送入天线进行发射。这样的一个软件无线电系统可以动态地进行升级而不用改变硬件和电路拓扑结构，可以在信道的基带处理部分使用合适的编码方法提高比特差错率（BER）以得到更好的性能。从图8.4.3中可以看出，可用信道的个数就是物理信道的个数，而且不具有自动跟踪用户和自动抑制干扰的功能。图8.4.3使用单一全向天线的软件无线电基站电路拓扑结构8.4.4使用智能天线的软件无线电电路拓扑结构使用智能天线的L个信道的软件无线电电路拓扑结构如图8.4.4所示。在图8.4.4中，天线部分是由M个全向天线阵元组成的天线阵。每一个天线阵元有它自己的下变频器和宽带A/D采样，而且同样每一个阵元接收的信号经过信道的分离，分别得到L个信道的信号。换句话说，每一个信道的信号现在都有M个阵元接收的信号，这样就可以利用波束形成算法对接收信号进行处理，每一个信道使用一个波束形成模块。如信道1的波束形成器，它所处理的信号是第一个阵元接收的第一个信道的信号、第二个阵元接收的第一个信道的信号，……第M个阵元接收的第一个信道的信号。通过自适应调整波束形成算法中的权矢量，可以得到一个最佳的接收信号。这种方法虽说利用了智能天线，可以提高接收信号的质量，有效抑制干扰，但是还没有充分利用到智能天线的优势所在，它所能利用的信道个数仍然是物理信道个数，即L个信道。图8.4.4使用智能天线的L个信道的软件无线电基站电路拓扑结构利用智能天线的波束形成算法可以提高信道容量。将信道扩充K倍的方法如图8.4.5所示。在图8.4.5中，充分利用了智能天线可以调节权矢量，任意放置方向图主瓣方向和零点位置的特点，将简单的波束形成算法改为波束形成与信道分配算法，可以在同一个信道中，调节方向图主瓣分别对准K个方向，这样就可以在同一个信道中同时接收K个用户的信号。在图8.4.5中，“信道11”至“信道1K”代表在信道1中扩充的K个信道，这K个信道分别由信道分配算法形成不同方向的主瓣来构成，如果在信道1中同时有K个用户在通话，而每个用户在基站的不同方向上，在这种情况下，波束形成与信道分配算法可以将一个波束指向用户1的方向，而在其他方向上设置零点，构成了用户1在“信道11”上通话；同样“信道12”在用户2的方向上设置主波束，可以负责“信道12”的通话。因此，在同一个信道上同时产生了K个信道，即一个具有L个物理信道的系统可以最多为KL个用户服务。以一个蜂窝基站为例，K个用户使用同一个信道，但是用户分别在不同的方向，因此基站可以利用智能天线分别将主波束对准每一个用户，对每一个用户来讲，相当于独占一个信道，但是对系统来讲，用户的容量就增大了K倍。在一个具有智能天线的软件无线电系统中，宽带采样之后的处理都是由软件完成的，可以在固定的硬件平台上进行软件的升级，提高波束的个数和用户的个数。实现智能天线所需要的计算资源取决于蜂窝站的结构，对于一个中频采样的软件无线电结构，智能天线处理占用DSP资源的一部分，它可以实现KL个用户信道。图8.4.5使用智能天线形成KL个信道的软件无线电基站电路拓扑结构8.4.5采用超导微电子技术的“纯”软件无线电电路拓扑结构与“实用”软件无线电不同，“纯”软件无线电的概念是在天线端使信号数字化，即直接在天线端进行射频信号数字化转换。随着超导微电子器件的发展，超导微电子器件所体现出的速度和灵活性与所提出的“纯”软件无线电结构的目标非常匹配。“数字RF”超导逻辑门电路可以直接在RF上或数GHz的频率上处理数字信号。这样可以在一个RF载波上进行速率为数兆位每秒的数字数据调制，或者处理来自模/数转换器（ADC）的千兆位采样数字数据流。随着与超导微电子有关的“凝冰器”的出现，超导微电子的应用范围在不断扩大。在通信领域中，用于蜂窝式基站的无泄漏的超高Q值的超导微波滤波器现已被使用。超导材料的使用可以使系统获得非常高的Q值，同时使整个滤波器尺寸微型化。由此得到的超陡型滤波器使得系统能够满足不断增加的信道选择性要求，用冷却的低噪声放大器（LNA）还能降低噪声和提高灵敏度。已验证的一些RSFQ（快速单通量子）数字电路性能见表8.4.1。采用低温超导技术的超导接收机可以在RF前端直接进行宽带数字化处理。直接在天线之后对系统进行数字化，可以用通用灵活的和低噪声的数字部件来代替很多特定工作频率、噪声大和非线性的模拟部件。由于不需要下变频所需的各级模拟混频器，就可以大大减小接收信号的失真度。用一个接收机前端就可以对一个宽带频谱进行数字化，在这一宽带频谱上包含了多个信道，这样在不增加噪声的情况下，就能用数字的方法实现信道化。另一个优势是使用超导SQUID（超导量子干涉器件）前端具有高的灵敏度。超导SQUID完全可以不使用前置放大器。在其他要求检测极弱信号的场合，仍然可以采用一级冷却平台来减少前置放大器的噪声。使用超导RSFQ元件实现的“数字RF”接收机如图8.4.6所示，数字RF接收机的所有功能被集成到一个“单片无线电”芯片上，该芯片专门用于完成从已调RF信号到语音或数据之间双向转换的所有功能。芯片功能包括：处理模拟RF信号（即放大/衰减）、转换中频（IF）、滤波、波形调制/解调（包括误差校正、交织等）、基带信号处理（即增加网络协议、输出设备的路由选择等）。图8.4.6用超导RSFQ元件实现的“数字RF”接收机接收机链采用一个宽带RSFQADC来截获结点上的所有信道，该接收机使用一个数字混合器对数据流进行下变频，然后采用后端RSFQDSP部件对波形进行数字化解调。在发射端，首先以取样数字信号的形式产生波形，再将其数字上变频为RF，最后送到宽带RSFQDAC合成输出信号。另外，还有一个与数字预失真补偿器相连的反馈信道，通过直接在RF上对取样数据的数字化预失真补偿，来实现解决HPA（高功率放大器）转移函数非线性问题的各种算法。这种功能虽然可以保持FPGA结构的通用灵活性，但可能要超过现有ASIC的能力。带通ADC电路的模拟设计者面临两大问题。一个是宽频率和大动态范围下变频的线性问题。另一个是抗混淆低通滤波器和数字化器之间的匹配问题。抗混淆低通滤波器和数字化器必须进行理想匹配，或进行数字化补偿，以便能提供一个幅度和相位平衡的数字I/Q流。由于数字RF带通接收机在RF端只用了一个数字化器，数字下变频是在复频