趙秋明，沈 博，胡曉鵬

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

責(zé)任編輯:孫 卓

0 引言

隨著無線通信的發(fā)展，不同模式的通信體制相繼出現(xiàn)，而這些體制之間的兼容性較差，為了滿足不同通信體制之間的兼容性問題，軟件無線電的思想被提出來。所謂軟件無線電，是指用軟件定義的，能實(shí)現(xiàn)多種功能的無線通信方式的一種前沿技術(shù)。軟件無線電集現(xiàn)代通信理論、信號處理、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件技術(shù)、軟件技術(shù)和信號處理技術(shù)。軟件無線電的核心可以歸結(jié)為兩點(diǎn):寬帶A/D，D/A盡可能地靠近射頻端;利用DSP技術(shù)取代專用集成電路(ASIC)，盡可能多地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，如上下變頻、調(diào)制解調(diào)、編解碼、加解密、多址等。其中心思想是在一個(gè)開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺上，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)一種具有多通路、多層次和多模式無線通信功能的開放式體系結(jié)構(gòu)。其最終目標(biāo)是用軟件無線電技術(shù)使一個(gè)移動(dòng)終端可以在不同系統(tǒng)和平臺間暢通無阻地進(jìn)行通信。

1 軟件無線電的特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)

軟件無線電技術(shù)具有許多其他方式的無線通信技術(shù)所沒有的優(yōu)點(diǎn)。其具有以下特點(diǎn)［1］:

1)靈活性?？梢酝ㄟ^增加軟件模塊，方便地增加新功能，通過軟件工具分析無線通信環(huán)境、擴(kuò)展業(yè)務(wù)、定義所需增加的業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)環(huán)境測試，還可任意更換信道接入方式，改變調(diào)制方式和接收不同系統(tǒng)的信號。

2)開放性。由于系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要不斷升級。軟件無線電不僅能和新體制電臺通信，還能同舊體制的電臺兼容。

3)集中性。多個(gè)信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D－D/A變換器以獲取每一信道的相對廉價(jià)的信號處理性能。

由于軟件無線電可以通過增加軟件模塊來增加新的功能，并且硬件也可以隨著器件的發(fā)展而不斷地升級，所以這一概念一經(jīng)提出就受到了廣泛的關(guān)注［1］。

原則上軟件無線電系統(tǒng)硬件上的構(gòu)成有專用芯片和可編程器件兩種類型，用于研究和小量生產(chǎn)的一般都趨向于采用由可編程器件為主構(gòu)成，其中大部分都采用FPGA+DSP相結(jié)合的方案構(gòu)成實(shí)際硬件平臺。該方案研制的硬件平臺對于實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理能夠很好地解決并行性和速度問題，而且具有靈活的可配置特性，使得軟件無線電臺易于修改、維護(hù)、升級、測試和生產(chǎn)。通常軟件無線電均采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)，以利于硬件模塊的不斷升級和擴(kuò)展。理想的軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件無線電結(jié)構(gòu)框圖

理想的軟件無線電系統(tǒng)需要在天線處就將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化前期處理，也就是說，該系統(tǒng)要求有一個(gè)十分靈活的射頻前端來處理大范圍的載頻和調(diào)制方式，將輸入信號轉(zhuǎn)換為適合后續(xù)處理的信號，再將后續(xù)信號利用實(shí)時(shí)軟件和DSP進(jìn)行處理，從而使系統(tǒng)在數(shù)字域獲得完全的靈活性，最后將處理后的信號通過專用功能模塊處理為各種專用信號進(jìn)行傳輸。這也就是要求將寬帶A/D變換及D/A變換模塊盡可能地靠近天線，將接收到的模擬信號盡可能早地?cái)?shù)字化，將要發(fā)送的數(shù)字信號盡可能遲地模擬化?，F(xiàn)階段考慮到A/D，D/A器件的發(fā)展情況，實(shí)際采用較多的中頻軟件無線方式，本文亦采用此方式。

2 硬件平臺的設(shè)計(jì)

為了體現(xiàn)軟件無線電的靈活性和開放性，本文從基于SCA規(guī)范方面考慮，采用可編程邏輯器件(DSP和FPGA)代替專用集成芯片(ASIC)以完成基帶信號的處理的方案［2］，構(gòu)造一套通用的軟件無線電硬件平臺。

為了構(gòu)建一個(gè)單用戶通道的軟件無線電硬件平臺，首先應(yīng)對系統(tǒng)資源需求進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后根據(jù)分析的結(jié)果來選擇合適的器件。每一部分相應(yīng)的參數(shù)和所需的運(yùn)算資源的估計(jì)如表1所示。

表1 系統(tǒng)資源需求估計(jì)

所有數(shù)字運(yùn)算包括中頻處理、基帶處理、比特流處理、信源處理和信令處理等部分，對運(yùn)算量的估算應(yīng)該為每個(gè)采樣點(diǎn)所需的運(yùn)算量乘以每秒的采樣點(diǎn)數(shù)，表中所列的中頻處理中運(yùn)算約需每個(gè)采樣點(diǎn)100 I/s。由于本文所設(shè)計(jì)的硬件平臺是面向無線電臺的，從中頻信號起實(shí)現(xiàn)軟件無線電設(shè)計(jì)，并且目前的A/D和D/A器件對較高頻率的中頻信號進(jìn)行處理的效果不夠理想，所以選擇中頻頻率為10.7 MHz，中頻信號采樣一般采用過采樣方式，故選用26.75 MHz進(jìn)行采樣，因此中頻處理所需的運(yùn)算量DIF≈2675 MI/s;比特流處理的運(yùn)算需求DBS正比于數(shù)據(jù)速率，這里選取語音信號處理為參考，其比特流選擇為32 kbit/s;另外，基帶處理的運(yùn)算需求DBB正比于單個(gè)用戶的信道帶寬，信源處理部分的運(yùn)算需求DS正比于信源編碼與接口的復(fù)雜度，最后，運(yùn)行與管理的處理需求DO取決于信令系統(tǒng)。因此，對于一個(gè)單信道軟件無線電平臺的運(yùn)算量需求為

則系統(tǒng)單信道的資源需求為 D≈2683.3 MI/s。TMS320DM6446的運(yùn)算速度是4752 MI/s，完全滿足單信道軟件無線電平臺的運(yùn)算量需求，所以選用DSP芯片TMS320DM6446。

將軟件無線電的理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并對系統(tǒng)通過參數(shù)估算，本文選用TI公司的達(dá)芬奇(Davinci)技術(shù)的高端DSP芯片TMS320DM6446，以及Xilinx公司的Spartan－6系列的XC6SLX150－FG484芯片為主芯片，構(gòu)成基于SCA規(guī)范的軟件無線電的硬件平臺。其功能框圖如圖2所示。

圖2 基于SCA軟件無線電硬件平臺框圖

在該框圖中SCA規(guī)范主要體現(xiàn)在以DSP為核心處理框架，利用接口描述語言與CORBA中間件和各種功能組件相連接，并通過各種外部接口(如RS－232、音頻、USB等)傳輸對應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)各種通信功能，并且整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程是基于操作系統(tǒng)的。在本平臺上，CORBA中間件和各種功能組件都是基于核心處理框架的，而不是基于硬件平臺的。通過硬件語言編寫各種獨(dú)立的功能軟件模塊，用戶可以選擇所需的功能模塊，并通過軟加載實(shí)現(xiàn)各種通信，體現(xiàn)了平臺的通用性、靈活性和軟件的可移植性。

該平臺的主要功能是利用DSP芯片完成信號的基帶處理，F(xiàn)PGA做協(xié)助處理，并完成部分功能，大大緩解了系統(tǒng)對DSP處理速率的要求。該平臺DSP和FPGA通過外部存儲器接口(EMIF)相連接，從而使FPGA充當(dāng)一個(gè)協(xié)同處理器、高速數(shù)據(jù)處理器或高速數(shù)據(jù)傳輸接口，保證了系統(tǒng)的靈活性和有效性。

另外，A/D和D/A板的I/O數(shù)據(jù)端口和所需要的差分時(shí)鐘端口都是直接與FPGA相連接，使外部數(shù)據(jù)數(shù)字化后，經(jīng)過FPGA處理，F(xiàn)PGA的處理包括上下變頻處理和調(diào)制解調(diào)等，然后再進(jìn)入DSP進(jìn)行處理，這樣不但減緩了系統(tǒng)對DSP處理速度的要求，還使系統(tǒng)更靈活。

在該硬件平臺上可以通過編寫不同的軟件，實(shí)現(xiàn)軟加載，再通過按鍵選擇實(shí)現(xiàn)多種通信模式的轉(zhuǎn)換。例如該平臺可以實(shí)現(xiàn) ASK，F(xiàn)SK，PSK，QPSK，16QAM，OFDM 等調(diào)制模式之間的任意轉(zhuǎn)換，說明該平臺具有很大的靈活性。這些軟件的編寫既可以在DSP上實(shí)現(xiàn)，也可以在FPGA上實(shí)現(xiàn)。

在軟件上是以SCA軟件通信體系結(jié)構(gòu)為規(guī)范的，構(gòu)造了一種標(biāo)準(zhǔn)、開放、可互操作的無線電通信軟件平臺。在本質(zhì)上獨(dú)立于設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架，能夠?qū)崿F(xiàn)對通信軟件和硬件的可移植性、可配置性、可擴(kuò)充性和可重用性，并能確保與其他基于SCA開發(fā)的產(chǎn)品之間能互通、互連和互操作。SCA采用CORBA作為通信中間件，通過組合各種功能軟模塊，能實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)平臺和核心框架的互連，而不需要自底向上的開發(fā)流程創(chuàng)建新的軟件系統(tǒng)，從而減小了軟件系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且能夠很靈活地進(jìn)行軟件的升級和重用。

TMS320DM6446采用了達(dá)芬奇架構(gòu)，其重要特點(diǎn)是兩個(gè)處理器核之間的資源分配、通信方式及如何高效地實(shí)現(xiàn)資源共享。該芯片主頻最高能達(dá)到594 MHz，完全滿足中頻數(shù)字化處理，能夠完成基帶信號的處理，包括信道編碼、均衡、交織、信道復(fù)用等。該芯片集成1個(gè)ARM子系統(tǒng)、1個(gè)DSP子系統(tǒng)和1個(gè)視頻處理子系(VPSS)，同時(shí)還帶有圖像協(xié)處理器(VICP)和各種豐富的外部設(shè)備。通過外部存儲器接口EMIF以及視頻信號處理接口VPSS與FPGA單元連接，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對DDR2 SDRAM的訪問。DSP內(nèi)部集成的ARM子系統(tǒng)，主要完成平臺的資源管理和監(jiān)控。由此可知，該DSP芯片既可滿足系統(tǒng)中央單元的統(tǒng)一管理控制，又可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的數(shù)字信號處理，功能強(qiáng)大，適合在軟件無線電硬件平臺上使用。

FPGA使用的是Xilinx公司Spartan－6系列中的XC6SLX150，該FPGA器件內(nèi)含147443個(gè)邏輯單元，180個(gè)Xtreme DSP Slices(每個(gè)Xtreme DSP Slice包括1個(gè)18×18的乘法器，1個(gè)加法器和1個(gè)48位累加器)，可有效地完成部分DSP的功能，可使系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)更加高效、靈活。該FPGA芯片具有338個(gè)I/O引腳，一部分是專用I/O腳，例如時(shí)鐘管理I/O腳，主要用于管理系統(tǒng)時(shí)鐘，但也可以用作普通的I/O腳。由于該芯片有著豐富的I/O腳，能夠和很多外部接口相連接進(jìn)行各種擴(kuò)展。該硬件平臺上的ADC和DAC均與FPGA的I/O腳通過通用的FMC接口相連接，并由FPGA控制。另外，也可以很方便地在通用的FMC接口上做其他功能擴(kuò)展。

在設(shè)計(jì)高速電路方面，本文充分考慮到EMC和信號完整性的相關(guān)問題。在板層設(shè)置上，將板層設(shè)置為3層地層和2層電源層，確保每層信號走線層為穩(wěn)定層，并且將高速信號線盡量走在兩層地層之間，很大程度地消除電磁干擾;在元件布局上，電源與器件盡量靠近，高速處理芯片遠(yuǎn)離電源，并且去耦電容均在大器件旁邊;在走線上，將數(shù)字地和模擬地分開處理，盡量減小信號線的走線長度，并將差分信號線進(jìn)行差分走線，高速信號進(jìn)行等長走線，加寬高速信號線的線距，確保信號的完整性，從而充分地保證了該硬件平臺的可靠性。

3 小結(jié)

本文將軟件無線電的理論用于工程實(shí)踐中，根據(jù)通用的軟件無線電硬件平臺的結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)出一套具有獨(dú)立系統(tǒng)和功能的軟件無線電通用平臺。該平臺在硬件上采用FPGA+DSP的方案，在軟件上是基于SCA規(guī)范的，具有很強(qiáng)的靈活性和開放性。該平臺滿足多種通信電臺系統(tǒng)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)多模式、多頻段、多信道等多功能通信。

［1］楊小牛，樓才義.軟件無線電原理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［2］鈕心忻，楊義先.軟件無線電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2000.

［3］REED J H.軟件無線電［M］.陳強(qiáng)，譯.北京:人民郵電出版社，2004.

［4］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1992.

［5］黃碩，魏亞楠，安永麗.多采樣率數(shù)字信號處理及其MATLAB仿真［EB/OL］.［2011－01－06］.http://wenku.baidu.com/view/8a71870ff 12d2af90242e694.html.

［6］HASAN M，MEHEDY L，ZABIR M S.A middleware based network hot swapping solution for SCA compliantradio［J］.IEEE Trans.Consumer E-lectronics，2009，55(3):1315－1321.