第三代移动通信系统中的软件无线电技术

1、目目 录录 摘摘 要要 .I I ABSTRACT .I I 1 1 引言引言 .1 1 2 2 TD-SCDMA 的发展的发展 .2 2 2.1 TD-SCDMA 的优势 .2 2.2 TD-SCDMA 的关键技术 .3 3 3 软件无线电概述软件无线电概述 .5 5 3.1 软件无线电的概念 .5 3.2 软件无线电的体系结构 .5 3.2.1 软件无线电的硬件平台 .6 3.2.2 软件无线电的软件平台 .7 3.3 软件无线电的关键技术 .7 4 4 TD-SCDMA 对软件无线电技术的需求对软件无线电技术的需求 .1111 4.1 3G 系统中软件无线电的国内外研究 .11 4.2

2、软件无线电在 TD-SCDMA 中的功能实现 .12 5 5 软件无线电技术在软件无线电技术在 TD-SCDMA 的应用的应用 .1313 5.1 软件无线电与 TD-SCDMA 不对称数据业务的实现 .13 5.2 基于软件无线电的智能天线技术在 TD-SCDMA 中的应用 .13 5.3 TD-SCDMA 终端基带模块中软件无线电的实现 .14 5.3.1 移动终端的基本结构 .14 5.3.2 TD-SCDMA 基带模块的硬件方案.16 5.3.3 TD-SCDMA 基带模块的算法流程.17 结结 论论 .1919 致致 谢谢 .2020 参考文献参考文献 .2020 第三代移动通信系统

3、中的软件无线电技术研究第三代移动通信系统中的软件无线电技术研究 摘摘 要要 软件无线电技术是第三代移动通信系统 TD-SCDMA 中的核心技术之一。 TD-SCDMA 特有的 TDD 双工模式使得数字信号处理量大大降低，软件无线电把 系统的功能模块用数字信号处理技术(DSP)实现软件化，实现了系统整体的 可编程性。二者将相互融合、相得益彰。 采用软件无线电技术必定会使拥有中国自主知识产权的第三代移动通信 标准 TD-SCDMA 具有更强的竞争力。本文从 3G 系统和软件无线电技术的发展 入手，重点论述在 TD-SCDMA 通信系统中的软件无线电技术的应用。 关键词关键词：软件无线电，TD-SC

4、DMA，TDD，DSP Software Radio Technology Research in Third Generation Mobile Communication System Abstract Software radio technology is one of the core technology in TD-SCDMA, the third generation mobile communication system. The specific TDD duplex mode of TD-SCDMA makes the amount of digital signal p

5、rocessing significantly reduced. Using digital signal processing (DSP) technology, software radio makes the function module of the system realize software and the system programmable as a whole. Both will be of mutual integration, complementing each other. The use of software radio technology will c

6、ertainly makes TD-SCDMA, the third generation mobile communication standard, more competitive, which possesses independent intellectual property rights in China. This article starting from the 3G system and the development of software radio technology, emphasizes the application of software radio te

7、chnology in TD-SCDMA communication system. Key words: software radio , TD-SCDMA, TDD, DSP 1 1 引言引言 随着计算机、通信技术、微电子技术的发展，无线通信技术经 历了从单工通信到双工通信、模拟通信到数字通信、FDMA 到 TDMA 以及 CDMA 系统通信、固定通信到移动通信的快速发展历程。 但现代的无线通信系统仍存在许多局限性：互不兼容的多种通 信体制的并存造成互联的困难；不同制式的存在造成信源编码与解 码、信道调制与解调、加解密、网络协议、通信组网等方式的差异； 不同频段的使用既造成频率资源的紧张又

8、造成相邻频道间的干扰越 来越严重；移动环境的动态范围的非优化，导致物理层上处理器的 不灵活等。 软件无线电作为实现通信的新概念和新体制，为解决上述问题 提供了技术的支持。它被视为继模拟和数字技术后的又一次电子技 术革命，是当今计算机技术、超大规模集成电路和数字信号处理技 术在无线电通信中应用的产物，是目前国内外的研究热点。 TD-SCDMA Time Division-Synchronous CDMA,时分同步码分 多址接入,其中 CDMA 是 Code Division Multiple Access，码分多 址访问技术。它作为目前主流 3G 标准中惟一由我国自行提出并具有 知识产权的国际标

9、准，随着 3G 产业的发展日益引起通信行业的重视。 TD-SCDMA 的发展和软件无线电技术的应用是密不可分的，二者的融 合对改变我国移动通信产业现状，提高移动通信产业的自主创新能 力和核心竞争力具有十分重要的意义。 2 2 TD-SCDMATD-SCDMA 的发展的发展 2.12.1 TD-SCDMATD-SCDMA 的优势的优势 国际电信联盟(ITU)提出的第三代移动通信系统 ITM-2000，目 前提交了多种技术候选方案，而其中最有影响的三种技术方案为 WCDMA(包括日本的 WCDMA 和欧洲的 UTRA)、美国的 cdma2000 以及中 国的 TD-SCDMA。而 TD-SCDMA

10、 相对 3G 的其他标准而言，具有其独特 的优势，因此更为引人注目。 在标准比较方面，具有的主要优势是: （1）TD-SCDMA 采用时分双工（TDD）模式，有效支持不对称业 务； （2）TD-SCDMA 频谱分配灵活，不需要占用成对的上下行频谱， 方便频率分配管理 部门进行频谱的规划； （3）成本低，无收发隔离要求，可以使用单片射频集成电路 （RFIC）实现 RF 收发 信机；低码片速率，频谱利用率高； （4）可与移动通信系统兼容。 其中 TDD 是一种通信系统的双工方式，在移动通信系统中用于 分离接收与传送信道（或上下行链路） 。TDD 模式的移动通信系统中 接收和传送是在同一频率信道即载

11、波的不同时隙，用保证时间来分 离接收与传送信道；而 FDD 模式的移动通信系统的接收和传送是在 分离的两个对称频率信道上，用保证频段来分离接收与传送信道。 在频率规划方面，我国 3G 频率规划中的 1880-1920 MHz ,2010-2025 MHz 以及 2300-2400 MHz 共 155 MHz 频段用于 TDD 模式， 对于 FDD 模式上下行各分配了 60 MHz 的频段，上行占用 1920-1980 MHz,下行占用 2110-2170 MHz,共 120 MHz，从 3G 频段的分配上体现 了国家对于 TDD 模式(即 TD-SCDMA )的重视。而美国 FCC 也为 TD

12、D 模式预留了 47 MHz 的频段，TD-SCDMA 作为 3G 标准中惟一使用 TDD 模式的标准将独享这一频段。 表 1 给出了三种 3G 标准的主要技术特性： 表 1 三种 3G 标准的主要技术特性 WCDMAcdma 2000TD-SCDMA 信道间隔 5MHz1.25MHz1.6MHz 接入方式 单载波带宽直接系 列扩频 CDMA 多址接 入 单载波直接序列 扩频 CDMA 多址接 入 时分同步+CDMA 多址 接入 双工方式 FDDFDDTDD 码片速率 3.84Mchip/s1.2288Mchip/s1.28Mchip/s 基站同步 方式 异步（不需 GPS） 同步为可选择 同

13、步（需 GPS） 同步（主从同步，需 GPS） WCDMAcdma 2000TD-SCDMA 调制方式 QPSK(向前)BPSK (向后) QPSK(向前)BPSK (向后) QPSK(向前)BPSK (向后) 帧长 10ms20ms10ms 切换 软切换、频间切换， 与 GSM 间的切换 软切换、频间切 换,与 IS-95B 间 切换 接力切换、频间切换, 与 GSM 间切换 语音编码自适应多速率可变速率可变速率 业务特性 适合于对称业务， 如语音、交互式实 时数据业务 适合于对称业务， 如语音、交互式 实时数据业务 尤其适合不对称业务 由上表可以看出，采用不同双工模式的移动通信系统特点与通

14、 信效益是不同的。TDD 模式的移动通信系统中上下行信道采用同样 的频率，因而具有上下行信道的互惠性，这给 TDD 模式的移动通信 系统带来许多优势。 2.22.2 TD-SCDMATD-SCDMA 的关键技术的关键技术 由于 TD-SCDMA 采用了智能天线、同步 CDMA、软件无线电、联 合检测等先进技术，使得设备的频谱利用率大大提高，系统容量增 大，基站射频功率大幅度下降，单基站的设备成本降低，系统建设 费用下降，因此分摊给用户的费用也随之下降，用户将得到很大的 实惠。 （1）TDD 双工方式 TDD 能使用各种频率资源，不需要成对的频率，便于频率安排； TDD 适应不对称的上/下行数据

15、速率传输，根据业务量大小可自动调 整上/下行时隙宽度，特别适用于 IP 数据业务；TDD 上/下行工作于 同一频带，对称的电波传播特性便于使用智能天线等新技术，达到 提高性能和降低成本的目的；TDD 系统设备成本较低。与 FDD 相比 较，无高收/发隔离的要求，可使用单片 IC 来实现 RF 收发信机，设 备费用比 FDD 方式降低 20%-30% 。 （2）智能天线技术 把天线阵与高速数字信号处理技术相结合，运用波束成形技术 为每一条码道提供一个天线波束，能动态地跟踪用户，确定其位置。 智能天线增益高，可扩大小区覆盖范围，减少多址干扰，增加通信 容量。由于 TDD 双工方式的上/下行链路使用

16、相同的工作频率，能充 分发挥智能天线的优势。 （3）软件无线电技术 TD-SCDMA 的终端完全可用软件无线电来实现基带处理，可极大 地降低终端的成本和功耗，可有效解决专网应用特殊终端专用芯片 的用量小、价格下不来的矛盾，可用软件无线电来满足各种特殊应 用需求。 （4）联合检测技术 把一个时隙中传输的多个用户信号与多径信号一起处理，能精 确地解调出各个用户信号。同时智能天线与联合检测技术综合使用， 可降低发射功率，提高接收灵敏度，增加系统容量，减少系统内部 干扰，并能有效克服多径传播带来的干扰。 （5）接力切换技术 这也是目前其它 3G 系统所没有的。该系统能利用所获得的移动 用户位置信息，实

17、现接力切换，其优点是避免一般软切换过程中所 占用的大量无线资源及频繁切换，显著提高系统容量和效率。 （6）同步 CDMA 技术 自动调整各个用户发射信号的时间，使上行信号到达基站的时 间保持同步，从而降低码间干扰，提高系统容量，减少接收机的复 杂度。 同时，还采用低码片速率、时隙动态分配、可变扩频系数和自 动功率控制等先进技术，保证 TD-SCDMA 系统具有突出的特点和良好 的性能。 3 3 软件无线电软件无线电概述概述 3.13.1 软件无线电的概念软件无线电的概念 软件无线电(Software Radio)顾名思义是用现代化软件来操纵、 控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。软件无线电技术

18、的重要 价值在于:传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平 台,而许多的通信功能则是由软件来实现 ,打破了有史以来设备通 信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出 现是通信领域继固定通信到移动通信 ,模拟通信到数字通信之后 的第三次革命。 由于软件无线电技术可将模拟信号的数字化过程尽可能地接 近天线,即将 AD 转换器尽量靠近 RF 射频前端,利用 DSP 的强大处 理能力和软件的灵活性实现信道分离、 调制解调、信道编码译码 等工作，从而可为第二代移动通信系统向第三代移动通信系统的 平滑过渡提供一个良好的无缝解决方案。 （1）软件无线电的定义 软件无线电是将模块化、标准

19、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电功能的一种开放式体 系结构。 （2）软件无线电的特点 软件无线电系统可视为一种特殊的计算机系统，因为它类似于 计算机系统，是由硬件和软件两大平台构成，但软件无线电系统在 软、硬件平台以及软硬件构成等方面与一般的计算机系统也有明显 的区别：软件无线电系统的数据处理量大，实时性要求高，有着和 无线电密切相关的射频接口，常常需要采用多处理器，多数据流工 作，集计算、控制、管理和人机界面等于一体。 软件无线电的软件模块由各种算法库组成，通过加载软件算法 或是升级软件就可以实现业务功能的扩张和采用新的通信标准。所 以，软件无线电具有充

20、分数字化、灵活多编程、模块化设计、多频 段转换、多业务支持等特点。 综上，软件无线电的主要特点可以归纳如下: a具有很强灵活性的软件无线电可以通过增加软件模块，很容 易增加新的功能；可以与其他任何电台进行通信，并可以作为其他 电台的射频中继；可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件； 为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模块。 b具有较强开放性的软件无线电采用了标准化、模块化的结构， 其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需 要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体 制电台兼容。这样，既延长了旧体制电台的使用寿命，也保证了软 件无线电本身有很

21、长的生命周期。 3.23.2 软件无线电的体系结构软件无线电的体系结构 软件无线电所定义的结构是一个综合概念，它是基于宽带 A/D/A、高速数字信号处理器芯片（DSP）及宽带天线技术，以软件 为核心的体系结构。移动通信中标准软件无线电结构移动单元应在 无线电通信系统结构的基础上尽量地把软件应用到系统中去，实现 系统整体的可编程性，把系统的功能模块用数字信号处理技术(DSP) 实现软件化。这也引出了设计软件无线电体系结构的基本思想，即 把宽带模数变换器 (A/D) 及数模变换器(D/A) 尽可能地靠近射频 （RF）天线，将整个射频段或中频段进行 A/D 变换，建立一个具有 “A/D-DSP-D/

22、A”模型的通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台 上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。 3.2.13.2.1 软件无线电的硬件平台软件无线电的硬件平台 软件无线电系统的结构如图 1 所示。 宽带 天线 数据源 信息源编/解码 信道源编/解码 多路访问 RF 前端 调制/解调 上下变频 A / D/ A 图 1 软件无线电系统组成框图 发射的数据源可以是数据、被转换的语音或视频数据等；数据 源输出的数据，经过信源编码后，再进行信道编码；多路访问可使 用多种方法，如 TDMA ,CDMA 等；调制部分在不同的制式系统有不同 的调制方式如 FSK,PSK,QPSK,DQPSK 等应能互相兼容

23、，多路访问和调 制部分还包括定时信息的处理，如帧同步、比特同步、码元同步； 最后经上变频、A/D 转换送至 RF 前端，由天线发射出去。接收过程 与发射过程正好相反。软件无线电的通用硬件平台设计通常采用基 于 VME(标准虚拟机环境)总线的硬件结构，支持并行流水线及异种 多处理机。 常见的硬件平台结构如图 2 所示。 阵列 天线 射频 单元 宽带高速 A / D/ A DDC DUC 高速 DSP FPGA 阵列 天线 图 2 软件无线电的硬件平台框图 各部分的功能如下： （1）软件无线电的射频前端电路的主要任务是把接收到的信号 变换至适合 A/D 转换器处理的信号频率和电平范围之内。同时把宽

24、 带 D/A 转换器的输出信号变换至能被其他电台接收的频率和电平范 围。软件无线电的结构不同，其射频前端电路的结构也有所区别。 （2）A/D、D/A 转换器用来实现软件无线电的模/数和数/模变 换。宽带 AD 变换技术可以使信道共享宽带 AD 变换器，降低每信道 的投资。 （3）数字下变频器 DDC(Digital Down Converter)是将宽带高 速数据流信号变成窄带低速数据流信号,这个过程就是信号的抽取， 把信号变至基带后，再把数据送给通用 DSP 处理。数字上变频器 DUC(Digital Up Converter)功能是对输入数据进行各种调制和频率 变换，即在数字域内实现调制和

25、混频。 （4）DSP 等软件用来完成数字信号处理(由 DSP 完成基带信号 的处理)，完成各种不同信号的调制、解调；根据系统的实际需要， 在软件中添加各种不同算法，可以完成特定功能。 3.2.23.2.2 软件无线电的软件平台软件无线电的软件平台 在软件无线电系统中，软件起了决定性作用，软件无线电技术 的核心是建立一个“A/D-DSP-D/A”公共硬件平台，尽量用软件来实 现收发信机（电台）的功能，即采用数字信号处理技术，对传送信 息抽样、量化、编码、调制变换成已调波的射频信号以实现发射功 能，对接收信号抽样、量化、波形变换、解调、译码以实现接收机 功能。 软件无线电不仅要求硬件模块化，软件也

26、要模块化。通过不同 软件模块和对软件模块编程实现不同的波形调制解调、编解码运算、 实现不同的信号频带宽度、保密结构、网络协议和控制终端功能等， 从而可以快速改变成为不同工作模式的电台。 软件无线电的软件设计采用基于开放系统互联( OSI)参考模型 的分层软件体系，支持面向对象的、开放的模块化设计，软件无线 电的软件模块包括： a信号处理软件：信道处理软件，如数字变频软件、数字滤波 软件、多速率信号处理软件、空间信道分析软件(最佳发射方向、功 率、多径分析等)、信道纠错编译码软件等；信号参数分析软件，如 FFT 处理软件、小波变换软件、高阶谱分析软件等；信号合成软件， 如调制样式识别软件、最佳调

27、制样式分析软件、调制解调算法软件、 扩频解扩算法软件、信源编解码算法软件等；各类软件库，如 DSP 的指令和函数库、无线信令规程库等。 b控制管理软件：软件接口管理软件；底层控制软件；编译连 接软件 。 灵活地应用这些模块，可使构成的软件无线电系统具有对传播 条件的多种自适应能力(包括频率、功率、速率、以及多径分集等)、 多种抗干扰能力(包括干扰抵消、扩频等)、灵活可变的多址方式(包 括 FDMA、 TDMA、 CDMA 及其混合等)，用户需要的多种业务(包括语 音、传真、数据及图像等)，以及多种组网和接口能力等。 3.33.3 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术 （1）宽带/多频段天线

28、 这是软件无线电不可替代的硬件出口，只能靠硬件本身来完成， 不能用软件加载实现其全部功能。 宽带多频段、多波束天线对软件无线电的天线要求工作带宽一 般在 1MHZ-3GHZ 左右，根据天线物理尺寸与信号波长的关系，这种 宽频段天线按传统方法，采用天线形式无法实现的。而实际应用中 并没有必要全频段覆盖，只需覆盖不同频段的几个窗口，因此可以 采用组合式多频段天线。 （2）宽带 A/D,D/A 转换技术 根据软件无线电要求，将适合的模数(A/D)和数模(D/A)宽带转 换器尽可能地靠近天线，尽可能移至 RF 前端，减少模拟环节，在较 高的中频乃至对射频信号直接进行数字化。这就要求 A/D 器件具有

29、适中的采样频率和很高的工作带宽。为适应复杂的电磁环境 A/D 器 件除了要有高速率、大带宽外，还要有大的动态范围，宽带 ADC 是 软件无线电所追求的目标，但是带宽越宽，则要求 ADC 采样率越高， 动态范围越大。一方面，信号的动态范围直接决定了 ADC 所必须支 持的分辨率；另一方面，在采样率和分辨率之间存在着平衡。一般 采样率越高，分辨率越低。在满足采样率的情况下，ADC 转换器要 实现所要求的分辨率是一个技术难点。 一般常用解决方案有两种方式:即并行采样和带通采样。并行采 样就是采用多个 ADC 并行工作的方法，每个 ADC 处理一定子带带宽 内的信号，这样就可降低对单个 ADC 采样率

30、的要求，从而获得一定 的分辨率。带通采样是理想的带通信号在低于一定频率和高于一定 频率范围内的频率分量为零，只要采样率不低于两倍的信号带宽(采 样定理)，时域采样就不会导致信号频谱的重叠。可见带通采样可较 好地降低采样率，但应注意被采样信号的最高频率不能超过 ADC 的 全功率模拟输入带宽。 （3） 高速数字处理技术(DSP) DSP 是软件无线电的核心,它要完成全部基带处理功能，如信号 检测、同步获取、解调等等基本功能，还要完成加密、纠错、均衡、 信号环境评估、信道接入控制、网络管理等功能。在 DSP 的应用中， 往往有外部存储器、时钟、逻辑电路相配合。通常的 DSP 应用电路 如图 3 所

31、示。 理想软件无线电系统要求对整个高频波段进行数字化，并且其 后续的中频处理必须用软件来实现，而这些数据流量大，进行滤波、 高频等处理运算次数多，这就要求 DSP 必须采用高速、实时、并行 的数字处理器模块或专用集成电路来处理这些数据，但目前的 DSP 无论在功能还是在性能上还不能完全满足要求。例如，对一个带宽 为 12.5MHz 通信信号，以 30MHz 的采样速率进行采样，AD 输出的数 据用一个性能良好的 FIR/IIR 滤波器进行滤波，假使对每个采样值 运算 100 次的话，其运算量在 3000MIPS,再加上额外开销、控制的 处理负荷，所要求的处理能力是相当高的。而目前处理速度最快的

32、 单片 DSP 芯片是 TI 公司的 C6X 系列，其中 C62 的速率为 1600MIPS,C67 的速率为 1000MIPS。因而，很难用单片 DSP 直接处理 宽带射频或中频信号。由于实际通信往往是窄带的，其信号带宽为 几十或几百 KHz，GSM 为 200KHz,CDMA 信号为 1.25MHz。因此，可以 用多速率信号处理技术对采样 DSP 时钟 EPROM 外部逻辑电路 RAM 串行口 DMA 图 3 通用的 DSP 应用电路 信号进行预处理后，再用 DSP 来完成各种功能，这种预处理芯片就 是所谓的数字下变频器（DDC)。这种芯片如 HSP50214,HSP50016,GC401

33、4 等等，经过预处理后数据流速率可以降 低几倍到几万倍，极大地减轻了 DSP 的数据处理压力。 当然，也可以利用多个 DSP 并行处理的方法来提高 DSP 的数据 处理能力。假如计 4 片 C62 芯片相并行工作，其处理速度可以达到 6400MIPS。在使用多个处理器时必须采用合理有效的方法来连接和 协调它们之间的工作。例如共享中间结果、程序信息、协调工作内 容等。这时，多处理器间的通信结构显得尤为重要，往往需要在多 个处理器之间采用高速专用的数据链路。AD 公司的 ADSP2106X 系列 芯片就考虑了多个芯片的互连问题，它具有很强的互连功能，不需 要外部任何逻辑电路就可以把 6 片芯片连在

34、一起，芯片内含有很多 个高速数据链接接口，有的公司还推出了内部集成了几个 DSP 处理 核的芯片，例如 TI 公司的 C40、C80,AD 公司的 ADSP21160 等等。 下面给出一个多处理器的例子。由于 ADSP21062 具有强大的互 连功能，因此可以简便地用它构成强大的信号处理阵列，来并行处 理前端的数据。从而解决了在软件无线电中要处理的数据量较大， 处理的实时性要求又比较高的问题。如图 4 所示。 （4）高速总线 软件无线电系统的开放性、灵活性、可重配置和软件升级、更 新能力都与总线有关，总线结构和 I/O 接口是软件无线电系统的硬 件关键。工业控制的标准很多，如 VESA、PCI

35、、ISA、VME 总线等。 其中 VME（Versa Module Earocard）总线针对多处理器系统设计， 具有许多独特优点： a高速率 VME 总线支持独立 32 位地址和 32 位数据总线，地址空间为 4GB，总线带宽为几十 MHz。为了提高总线速度，VME 协议在数据传 输的方式上采用了独特的终端匹配技术，使总线速率达 40Mbps。 RF 信道 A/D 数字下变频 ADSP 21062 数字上变频 D/A ADSP 21062 数字下变频 数字上变频 A/D D/A RF 信道 ADSP 21062 后 处 理 图 4 基于 ADSP21062 的多芯片处理阵列 b并行性 VME

36、 总线和 PC 机总线的最大区别在于其支持多处理器的并行处 理能力。在单 CPU 系统中，没有仲裁要求，单 CPU 占用所有系统总 线和中断源，但在多 CPU 系统中，每个 CPU 只能遵循一定的协议共 享系统总线。VME 总线提供了 4 种不同的总线申请级别，采用了先 进的总线仲裁和资源共享技术，可以支持包含多达 21 个主机 (master)的大系统。 c实时性 VME 总线是具有优异的中断处理结构，在其内部采用了独特的 优先中断总线，可以很好地服务于多 CPU 的分布中断系统。为了获 得实时响应能力，VME 总线采用仲裁算法，给重要的任务分配高的 优先权，可提高系统的实时响应能力。 d可

37、靠性 VME 总线的模板具有优良的防震结构和物理特性，可满足工控 机和军用的要求。 因此在软件无线电中，多采用 VME 总线。 4 4 TD-SCDMATD-SCDMA 对软件无线电技术的需求对软件无线电技术的需求 4.14.1 3G3G 系统中软件无线电的国内外研究系统中软件无线电的国内外研究 目前，软件无线电概念早已从数字电台的应用中衍生出来应用 到不同的无线系统，而在 3G 系统(基站、手机)中更是希望能够以软 件无线电作为基本平台，同时兼容几种不同的 3G 标准。应用软件无 线电技术，3G 通信系统可以自动检测接收信号，也可接入不同的网 络，而且能满足不同接续时间的要求。软件无线电技术

38、可用不同的 软件来实现无线电设备的各种功能，可任意改变信道接入方式或调 制方式。采用不同软件即可适应不同的标准，以构成多模手机和多 功能基站，具有高度的灵活性。 第三代移动通信系统的主要目标是要将包括卫星在内的所有网 络融合为可以替代众多网络功能的统一系统，它能提供宽带业务实 现全球无缝覆盖。该系统具有以下特点： （1）提供全球无缝覆盖； （2）提供多媒体业务(速率高达 2Mbps)； （3）适应多种业务环境：蜂窝、无绳、卫星移动、PSTN 数据 网、IP 等； （4）具有单一个人通信号码； （5）提供高质量服务、按需要分配带宽； （6）多频多模通用手机； （7）频谱利用率高、容量大； （8）

39、网络结构能适应有线、无线多种业务要求； （9）系统起始配置能充分利用第二代设备，随后可平滑升级。 在上述诸多特点中，核心问题是提供不同环境下多媒体业务及 提供全球覆盖，因而它要求实现多种网络的综合，又适应多种业务 环境，且与第二代系统兼容便于升级。对于通信终端而言，它面对 的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端。软件无 线电为通信系统提供一种新型的结构，在一个完全可以编程的的硬 件平台上，注入不同的软件就形成不同标准的移动用户终端(手机) 和基站，从而保证了各种移动设备之间的无缝集成。因此软件无线 电以其独特的优势让世界各国都投入了大量人力物力研究它在未来 移动通信中的应用。 中国

40、提交的第三代移动通信系统 TD-SCDMA 相对于 cdma2000 和 WCDMA 而言，在 3G 标准中处于相对劣势的位置，因为将要建立的 TD-SCDMA 通信系统是一个全新的系统；cdma2000 通信系统将以原有 的第二代 CDMA 系统为基础，实现平滑过渡；欧洲将从现有的 GSM 系 统向 WCDMA 通信系统发展。 目前，全球移动通信市场中已存在的庞人用户基础群中，部分 用户将继续使用第一代系统(CDMA 和 GSM)，部分用户将选择使用 cdma2000 和 WCDMA 系统，这些既有的网络和用户对于新出现的 TD- SCDMA 系统来说是相当不利的。因此，设计和开发 TD-S

41、CDMA 通信系 统，必须依托灵活、可重构的软件无线电平台：一方面可以兼容多 种无线标准，体现 TD-SCDMA 的优势；另一方面可以有效规避开发、 投资风险。 4.24.2 软件无线电在软件无线电在 TD-SCDMATD-SCDMA 中的功能实现中的功能实现 SCDMA 系统的基站和终端都采用了高速数字处理器和高速 A/D 转换器，处理速度高达 5000 万次/秒，全部基带信号处理和变换都 用软件来完成。在我国的 TD-SCDMA 移动通信技术中，响亮地提出了 利用软件无线电技术完成设计的观点。SCDMA(同步码分多址)是一种 同步的直接扩频 CDMA 技术，它结合了智能天线、软件无线电及全

42、质 量话音压缩编码技术等通信技术。其中软件无线电是 TD-SCDMA 的核 心技术之一。在 SCDMA 中软件无线电将实现如下功能： （1）提供一个开放的模块化的系统结构； （2）智能天线的实现； （3）同步检测、建立和保持； （4）D-QPSK 差分正交移相键控解调器中的载波恢复、频率校准 和跟踪； （5）每码道功率的检测和发射功率控制的实现； （6）接收通道的电平检测和接收增益控制； （7）扩频调制与解调，包括 Walsh(沃尔什)码和 PN(伪随机)码 的产生； （8）语音编译码； （9）DTMF(双音多频)及各种信号的产生和检测； （10）信道编码、复接和分接； （11）发射脉冲成形滤

43、波； （12）SWAP(交换)信令的差错检测； （13）接收信令的差错检测； （14）发射通道的数字预失真； （15）基站收发信机的校准。 可以看出软件无线电技术在 TD-SCDMA 系统中的应用是非常广泛 的，而且只有软件无线电技术才能解决多频多模及网络互通问题。 正因如此，软件无线电和 TD-SCDMA 的融合是必然的。特别是近几年 来软件无线电的发展呈现出新的趋势，主要体现在体系结构层次化、 软件模块化、结构数学分析化、计算机化、网络化、信息安全化等 方面。可以相信软件无线电技术将随着技术的发展日臻完善，其对 TD-SCDMA 通信系统的推动作用不可估量。 5 5 软件无线电技术在软件无

44、线电技术在 TD-SCDMATD-SCDMA 的应用的应用 由于 TD-SCDMA 系统的 TDD 模式和低码片速率的特点使得数字信 号处理量大大降低，适合采用软件无线电技术在通用芯片上用软件 实现专用芯片的功能。采用软件无线电技术降低了系统设备的成本， 提高了系统的灵活性，适应多业务环境且与第二代通信系统兼容便 于平滑升级。 5.15.1 软件无线电与软件无线电与 TD-SCDMATD-SCDMA 不对称数据业务的实现不对称数据业务的实现 TD-SCDMA 通信系统可以根据上、下行业务量来自适应调整上、 下行时隙个数。实现对不对称数据业务的支持，这对于 IP 型的数据 业务比例越来越大的今天

45、尤其重要。 TD-SCDMA 将 5ms 的子帧分解为 7 个主时隙和 3 个特殊时隙：下 行导引时隙( DwPTS )、上行导引时隙(UpPTS)和保护时隙(GP)。TS0 和 TS1 分别用作下行和上行链路，其他时隙可以根据转换点的灵活 配置来确定时隙类型。TD-SCDMA 系统的帧结构如图 5 所示。 帧# i+1 子帧# 2i 子帧# 2i+1 TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 帧# i 转换点 时隙（0.675ms） DwPTS (75s) GP （75s） UpPTS (125s) 转换点 无线帧（10ms） 子帧（5ms） 图 5 TD-SCDMA 系统的帧

46、结构 软件无线电的应用可以使 TD-SCDMA 系统根据移动终端用户的不 同业务需求灵活分配时隙，同时软件算法可以高效、可靠地保证时 隙分配的准确性。使得 3G 的不对称数据业务(移动 Internet 接入、 IP 多媒体域业务、流媒体业务等)获得更高的利用率。 5.25.2 基于软件无线电的智能天线技术在基于软件无线电的智能天线技术在 TD-SCDMATD-SCDMA 中的应用中的应用 TD-SCDMA 标准采用智能天线新技术以及波束形成算法，通过对 N 个复加权矢量天线的输出信号进行加权处理，得到 M 个不同指向 的窄波束，从而实现空间分离，提高输出信噪比，有效地提高 TD- SCDMA

47、 系统的抗干扰能力，改善通信质量。图 6 描述了一个具有智 能天线、工作于 TDD 方式 CDMA 基站的示意图。 图 6 智能天线示意图 智能天线中多波束的形成可以采用模拟方法实现也可采用数字 方法实现。随着微电子技术和高速数字信号处理（DSP）技术的迅速 发展，多波束形成的数字方法实现已成为主流。数字方法实现不仅 具有组成结构简单，成本相对较低，可靠性高等优点，而且具有更 高的灵活性和功能扩展性。因此，TD-SCDMA 通信系统中智能天线的 应用由软件无线电平台中的数字信号处理部分来完成，使用 1 片或 多片高速 DSP，采用波束形成算法，完成最终的数字波束形成。同 时，智能天线的算法也在

48、不断的发展和优化，软件无线电的特点可 以在不增加系统成本的情况下，保证算法的灵活和不断升级。 5.35.3 TD-SCDMATD-SCDMA 终端基带模块中软件无线电的实现终端基带模块中软件无线电的实现 5.3.15.3.1 移动终端的基本结构移动终端的基本结构 （1）小区制 小区制是将整个通信服务区划分为若干个小区，每个小区的半 径为 2-10km，每个小区设置一个基站负责与小区内移动用户的通信。 小区基站与移动交换中心相连，通过移动交换中心来控制多个基站 协调工作，满足服务区内每个移动用户的通信要求。 （2）基本结构 在第三代移动通信系统中，移动终端的发展方向就是要发展一 种建立在软件无线

49、电技术基础上的双模或多模终端，使其能够满足 在不同网络中使用的需要。而软件无线电中的基带数字信号处理部 分恰恰能实现这一目标，其核心是采用一个通用的 DSP 硬件平台并 通过软件的方式来实现各种功能。由于微电子技术的限制，DSP 芯 片的处理能力尚无法完成中频部分的处理，但在通过 DDC 下变频之 后，可由 DSP 完成整个基带部分的处理。移动通信的终端如图 7 所 示。 交 换 机 RF 收 发 信 机 A/D D/A 控制 I/O 音频 I/O DSP 硬件 逻辑 MCU MEM 测试 调试 数据 模拟基带 数字基带 图 7 移动终端的典型结构 图 7 中 RF 部分完成无线信号的收发功能

50、，模拟基带（ABB）部 分完成 A/D 和 D/A 的变换及控制接口等，数字基带(DBB )部分则完 成移动通信系统的通信协议的软件运行，实现其各种功能。 数字基带部分的基本体系结构是以多个可编程处理器为基础的。 基带 DSP 资源必须同时支持实时通信与用户交互式多媒体应用。因 此，为了处理大量的数据，系统对 DSP 芯片 MIPS 的消耗将大为增加， 达到 400MIPS 以上。通信时，根据处理器 MIPS 的负荷与环境的需求 不同，可采用多个 DSP 芯片。此时，DSP 将不再是一个固定的嵌入 式处理器，它将开始呈现出许多类似于通用处理器的特征。它要求 具备诸如超高速指令缓冲存储器和内存管

51、理单元等功能，而且，为 了实现动态任务管理，它还需要一个实时操作系统。 在增加了大量的处理资源后，为了降低系统的功耗，必须设计 合理的终端体系结构。首先，要使处理资源和算法相适应，在需要 混合使用通用型 MCU 和 DSP 资源的时候，应该让 DSP 完成信号处理 任务，并用 MCU 完成控制任务；其次，可以将 DSP 芯片与附加的、 可编程的协处理器一起使用，既提高系统效率，而又不失灵活性。 （3）以 DSP 为核心的软件无线电的硬件平台作为移动通信终端 的主要特点： a硬件耗费低。由于多个信道的基站可以建立在相同基本设置 的硬件上，这样就简化了设计过程，降低了生产和维护费用。 b软硬件升级

52、简单。当协议变动或是加入一个新功能时，只需 要对新的软件进行下载，降低了维护和更新费用。硬件的升级也比 较简单，只需要将具备新功能的插板插入底板中而不需要改变现有 设备。 c通用性强。以 DSP 为核心的软件无线电结构支持所有主要协 议。该硬件平台为所有的通信协议提供了统一的平台，而不必为某 个特殊协议设计专门的平台。 5.3.25.3.2 TD-SCDMA 基带模块的硬件方案基带模块的硬件方案 DSP 芯片 TMS320C5510 具有很高的性能，其理论定点运算能力 为 400MIPS ,是功耗最低的 DSP 之一，功耗低于 25 mw。因此，可以 采用多块 TMS320C5510 芯片并行

53、处理的办法来实现 TD-SCDMA 的基带 模块。 基于 DSP 的 TD-SCDMA 软件无线电功能模块，如图 8 所示。TD- SCDMA 功能模块的 DSP 的硬件结构主要由 2 片 DSP,2 片 FPGA 和接口 适配电路、主控制器 MCU、SRAM、FLASH 等构成。 DSP 完成物理层的基带处理，2 片 TMS320C5510 分别并行处理上 行、下行基带信号；利用 1 片 FPGA 实现小区初搜、下行同步，1 片 FPGA 与下行 DSP 共同实现联合检测算法；MCU 完成高层信令处理及 人机接口、数据打包/拆包处理等。 每片 DSP 通过 EHPI 和 McBSP 串口与主

54、控 MCU 相连，其中 MCU 通 过 EHPI 来控制 DSP 的上电自举，McBSP 串口用于正常工作时在 DSP 与 MCU 之间传送话音数据和信令，DSP 以中断的方式通过 EMIF 口向 数据缓冲 Buffer 区中写入或者读取数据，射频前端的 I/Q 路数据通 过 A/D 和 D/A 器件与接口适配器相连，数据缓冲 Buffer 区与接口适 配器通过数据总线互相通信。另外，在硬件结构中采用了基于全局 存储器的多处理器并行处理技术，它可以加快数据处理的速度，统 一的地址空间和专用的控制操作简化了存储器的访问和处理过程。 接 口 适 配 数 据 缓 冲 TMS320C5510 （上行) TMS320C5510 （下行) FPGA FPGA MCU SRAM FLASH 图 8 TD-SCDMA 基带模块的软件无线电硬件结构 5.3.35.3.3 TD-SCDMA 基带模块的算法流程基带模块的算法流程 （1）移动终端定位并建立同步 先来描述基带信号的处理过程，刚开机时，终端并不知道自己 所在小区所使用的频点，DwPTS 时隙主要用于终端快速地进行小区 初搜和同步，其结构如图 9 所示。 GP（32 chips） SYNC-DL（64chips） 图 9 DwPTS 时隙结构 TD-SCDMA系统中一共有32个不同的S