林少良 范宏宇

[摘要]文章從無線通信終端設備可重構性需求出發(fā)，論述了可重構無線終端設備的軟硬件體系結構，提出可重構射頻接收、射頻發(fā)射、基帶單元的設計思想及方案設想，為可重構無線終端設備的設計及實現(xiàn)提供參考。

[關鍵詞]無線通信終端設備可重構體系結構

1引言

在基于軟件無線電技術的通信系統(tǒng)中，常常將為了實現(xiàn)信息的無線傳輸而對信息所采取的一系列變換叫做波形，如GSM系統(tǒng)中的編碼、調制等參數(shù)的組合，可稱為G波形族；CDMA-IS95系統(tǒng)中的通信參數(shù)組合，可稱為C95波形族，等等。在2G和3G并存的今天，為了使用方便，人們研究制造了雙卡、三卡智能蜂窩手機，它可以根據(jù)通信質量，接入最佳的無線通信網絡。但隨著無線通信的迅猛發(fā)展，新的通信網絡不斷涌現(xiàn)，除了蜂窩移動通信系統(tǒng)外，還有WLAN、WiFi、集群移動通信系統(tǒng)等等。因此，一個能夠自動選擇最佳通信網絡，實現(xiàn)隨時隨地與任何人進行通信的無線智能終端(亦稱智能手機)已成為人們的迫切需求。

目前，智能手機的射頻電路通常采用組合式硬件架構，通過集成支持多種無線網絡所需的電路模塊，并激活硬件的不同狀態(tài)來完成不同系統(tǒng)之間的切換。這種組合無線電的體系結構需要不斷地擴展硬件才能支持更多的系統(tǒng)，結果是設備的尺寸膨脹、功耗增大。其主要原因是此類終端通信架構的開放性、可重構性差?？芍貥嬓允侵冈谝粋€終端系統(tǒng)中，其硬件模塊或軟件模塊均可按需進行配置(或重新設置)。因此，擺在工程師面前的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)一種無線終端以應對不同通信系統(tǒng)兼容或以盡可能快的速度升級擴展的需求，也就是通過配置某些軟硬件參數(shù)來實現(xiàn)通信波形的變換，即設備要具備可重構性。

無線通信設備體系結構的開放性、可重構性研究及波形組件庫的建立對開發(fā)可重構無線終端設備起著重要的作用，已成為通信領域研究的重點。

2可重構無線終端體系結構

可重構無線終端按體系結構劃分，主要由硬件與軟件兩大部分組成；按功能模塊劃分，主要由基帶處理電路、射頻電路與天線三部分組成。其突出特點是整機發(fā)射功率、信道編碼方式及調制參數(shù)、鏈路層及網絡層通信協(xié)議、信源壓縮方式及壓縮速率等需根據(jù)通信環(huán)境進行自適應調整，因此其基帶及射頻電路設計均需支持軟件可編程或參數(shù)可重配置的功能特性。

2.1可重構終端硬件體系結構

可重構無線終端硬件體系結構如圖1所示：

圖1中各部分的功能如下：

(1)寬帶天線由寬帶可重構天線、開關電路和寬帶匹配電路組成，可以通過開關選擇天線和匹配電路實現(xiàn)通信頻段、天線增益的控制；

(2)可重構射頻單元由可重構射頻前端、可重構收發(fā)信道組成，通過重配置實現(xiàn)頻段、帶寬、增益和功率等的實時或非實時的調整；

(3)可重構基帶單元硬件部分一般由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)、通用處理器(GPP)組成，軟件部分則由操作系統(tǒng)、驅動軟件和波形軟件組成，通過配置管理可進行不同調制方式、編碼方式及組網協(xié)議的靜態(tài)及動態(tài)加卸載，滿足通信系統(tǒng)的要求。

2.2可重構終端軟件體系結構

可重構終端軟件體系結構由配置管理面、業(yè)務面、基礎面，如圖2所示。

圖2中各面的功能如下：

(1)配置管理面：包括可重構管理器和應用、協(xié)議、物理層可重構控制器，完成對業(yè)務面各層組件的控制，由一系列可重構配置、可編程或參數(shù)化硬件／軟件資源的數(shù)據(jù)控制處理組成；

(2)業(yè)務面：包括應用層、協(xié)議層、物理層對應的應用插件、協(xié)議模塊、處理模塊，即波形組件庫；

(3)基礎面：包括系統(tǒng)軟件、中間件、設備驅動等，是波形運行的軟件環(huán)境。

3設計思路及方案設想

3.1可重構射頻接收單元

常用的接收機結構有三種：超外差式、直接變換式(零中頻或近零中頻)、射頻采樣式。根據(jù)可重構性和目前技術、器件所達到的水平，可重構射頻接收方案宜采用零中頻及近零中結合的直接變換式結構。該接收結構主要由正交解調、可變帶寬模擬濾波、可變增益放大及數(shù)／模變換等組成，如圖3所示。

射頻前端的接收信號通過正交下變頻器直接轉換為零中頻／近零中頻基帶信號。

當接收信號為窄帶信號時，采用近零中頻轉換方式，本振頻率與接收頻率相差一個低中頻。轉換后的兩路正交信號是具有一定帶寬的低中頻基帶IQ信號，低中頻的取值可根據(jù)接收信號的帶寬而定，以規(guī)避直接漂移及低頻噪聲干擾問題。當接收信號為寬帶信號時，則采用零中頻及交流耦合方式，本振頻率與接收頻率一致。因此時零中頻轉換輸出的基帶IQ信號頻譜較寬，直流附近信號分量較小，采用簡單的交流耦合方式即可消除直流漂移，又不會明顯損傷接收信號質量。

當采用零中頻接收方式時，基帶處理電路對接收到的基帶IQ信號進行數(shù)字濾波和基帶解調即可；但當采用近零中頻接收方式時，基帶部分首先需對接收到的基帶IQ信號進行鏡像抑制數(shù)字下變頻，然后再進行數(shù)字濾波和基帶解調。

圖3中，各部分工作原理如下：

(1)本振源部分一般采用高分辨率的△－∑小數(shù)分頻鎖相環(huán)，結合低相噪的寬頻覆蓋VCO，提供的本振信號具有換頻時間短、相噪特性好、頻率分辨率高等優(yōu)點，并且功耗低。

(2)基帶可變帶寬模擬濾波部分主要采用可編程開關電容有源濾波器實現(xiàn)，帶寬調整范圍大，通過與基帶部分的可編程FIR數(shù)字濾波相結合，可支持從窄帶到寬帶信號的接收解調。

(3)數(shù)／模變換部分一般采用△－∑型A／D變換器，取其高分辨率、低功耗的優(yōu)點。目前16bits △－∑型A／D變換器采樣率達80MHz以上，可支持3G、B3G等通信波形所需的信號采樣帶寬。

(4)整個接收通道中，射頻及基帶部分的低噪聲放大器均可進行增益控制，提供不小于100dB的可控增益范圍，以適應不同通信波形接收所需的增益要求。

上述接收結構，其工作頻率、接收帶寬、信號增益等均可重構，與基帶部分相配合，可實現(xiàn)不同通信波形的接收解調。

3.2可重構發(fā)射單元

發(fā)射機結構按調制方式分，常用的有：直接數(shù)字調制、正交調制、極坐標調制。極坐標技術是一種與功放結合的高效線性功放發(fā)射技術。它把發(fā)射信號按極坐標分解成幅度和相位兩個分量進行調制與功率放大，能夠對發(fā)射頻率、調制方式、發(fā)射功率、功率增益等進行軟件化處理，所以在很大程度上提高了發(fā)射信道射頻端的可重構性。

采用極坐標調制技術的功率放大器，極坐標轉換模塊將輸入的兩路正交信號I、Q分離為幅度信號p和相位信號θ。幅度信號反映發(fā)射信號幅度信息，用來調整功率放大器的供電電壓；相位信號與高頻載波進行相位調制，產生恒定包絡的射頻信號，推動大功率射頻信號放大器。其原理如圖4所示：

相位調制部分可采用兩點調制式△-∑小數(shù)分頻鎖相環(huán)實現(xiàn)，其優(yōu)點是調制精度高、信號輸出頻譜質量好，無需再外接帶通濾波器抑制遠端雜散。幅度調制部分可采用s類高效開關功放，其設計難點是需要兼顧開關效率與輸出的幅度包絡信號質量。

對于LTE通信波形中的OFDM類調制信號，以上的極坐標功放發(fā)射架構還需與自適應基帶數(shù)字預失真技術相結合，才能滿足其高線性放大要求。

3.3可重構基帶單元

可重構基帶單元的數(shù)字處理源通常由GPP、DSP和FPGA等主要芯片組成，如圖1中可重構基帶單元所示。基帶的可重構不僅要支持靜態(tài)可重構，還要支持動態(tài)可重構。靜態(tài)可重構必須在中斷程序的情況下運行，產生一個系統(tǒng)運行的初始配置和方案，主要用在跨頻段的波形加載。動態(tài)可重構其過程可與程序執(zhí)行同時進行，根據(jù)系統(tǒng)的對象的運行狀況和環(huán)境的變化產生一個優(yōu)化的配置和方案，主要用于同一頻段的波形變換。

要實現(xiàn)高速的動態(tài)重構，芯片的選擇非常重要，一般要求重新配置時間縮短到納秒量級。

處理器的選擇可考慮通用ARM處理器和專用DSP處理器。相對于GPP和DSP的可重構性而言，F(xiàn)PGA的可重構能力略弱。FPGA的可重構技術，就是利用可編程FPGA資源可以重復編程配置的特點，通過時分復用的方式復用FPGA內部的邏輯資源，使在時間上離散的邏輯電路功能模塊能在同一個FPGA中順序實現(xiàn)。典型的FPGA器件如XinliaX公司的FPGA Virtex／-／-E、Virtex-Ⅱ Pro和Virtex-Ⅳ。Vi rtex-Ⅱ Pro作為第一個平臺級FPGA，能夠實現(xiàn)超高帶寬的系統(tǒng)級芯片設計，它具有ASIC的優(yōu)點，又保留可編程邏輯器件所有的靈活性和低開發(fā)成本、低功耗的特點。

采用GPP、DsP和FPGA組合的可重構基帶單元能滿足基帶處理性能要求，同時有利于設備的小型化、低功耗設計。

3.4可重構基帶單元的軟件

運行于可重構基帶單元的基礎面軟件涉及到中間件、系統(tǒng)軟件、設備驅動?；A面的軟件可采用SCA架構或Android軟件平臺。

采用SCA架構的基礎面軟件由中間件、核心框架和操作系統(tǒng)組成。操作系統(tǒng)包括設備驅動，可采用Vxworks／Linux等嵌入式實時操作系統(tǒng)，占用資源相對較少。Vxworks適合于車載終端，Linux適合便攜或手持終端使用。核心框架可選擇OSSIE所提供的開源的核心框架，基于Linux系統(tǒng)，可進行自主的二次開發(fā)(包括裁剪和優(yōu)化)，滿足輕量型的要求。中間件應滿足中間的或輕量化、強實時性等要求，選用開放源碼的中間件產品，支持CORBA規(guī)范。

Android軟件平臺包括操作系統(tǒng)、中間件和應用，是運行在Linux2.6內核上的Java系統(tǒng)。Android應用框架可以重復使用，其組件也可以更換。Android軟件平臺的中間件是Dalvik虛擬機，針對移動設備進行優(yōu)化，適合便攜或手持終端的應用要求。

此外，還應重視業(yè)務面、配置管理面的波形組件及配置管理的開發(fā)，建立波形庫及波形加卸載管理，提高通信設備靈活應用的能力。

4小結

無線電通信設備的可重構性設計是軟件無線電工程化的重要組成部分，本文所提出的無線電通信設備可重構設計思想及方案設想，可為軟件無線電終端的可重構性研究提供參考。

作者簡介

林少良：高級工程師，碩士畢業(yè)于電子科技大學，現(xiàn)任中國電子科技集團公司第七研究所總體部副主任，長期從事無線通信、移動通信體系結構、傳輸技術研究及產品開發(fā)，主要研究方向為無線通信／移動通信技術體制、傳輸技術、軟件無線電技術及組網技術等。

范宏宇：高級工程師，碩士畢業(yè)于電子科技大學，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第七研究所，長期從事無線通信、移動通信、組網技術、傳輸技術研究及小型化產品開發(fā)，主要研究方向為無線通信技術、傳輸技術、小型化設計技術及基帶芯片設計技術等。