一,、 引言

       現(xiàn)代通信技術(shù),、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,，促進(jìn)了無線通信技術(shù)從數(shù)字化走向軟件化,。軟件無線電的出現(xiàn)掀起了無線通信技術(shù)的又一次革命,，它已經(jīng)成為目前通信領(lǐng)域中最為重要的研究方向之一。所謂軟件無線電,，是指構(gòu)造一個(gè)通用的,、可重復(fù)編程的硬件平臺(tái)，使其工作頻段,、調(diào)制解調(diào)方式,、業(yè)務(wù)種類、數(shù)據(jù)速率與格式,、控制協(xié)議等都可以進(jìn)行重構(gòu)和控制,，選用不同的軟件模塊就可以實(shí)現(xiàn)不同類型和功能的無線電臺(tái)，其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器,，并盡可能地用軟件來定義無線功能^[1],。

       軟件無線電具有極大的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。在軍事上,，不但可以解決不同無線設(shè)備間的互連互通,，而且還可以現(xiàn)場開發(fā)新波形。在商業(yè)方面，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信的無縫接入和完全自由的個(gè)人通信,，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期和降低運(yùn)營商的成本,，現(xiàn)已成為3G和4G所采用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

     本文研究了中頻軟件無線電的實(shí)現(xiàn)方案,，并設(shè)計(jì)了基于FPGA的通用硬件平臺(tái),。在此平臺(tái)上，通過PC機(jī)下載軟件,，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了軟件無線電中頻至基帶的波形處理和多種不同的調(diào)制解調(diào)方式,。

       二、 軟件無線電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       軟件無線電賦予了無線電臺(tái)多種特性,。如圖1所示,，軟件無線電用軟件定義了包括RF信道接入和波形合成等空中接口的所有方面，寬帶ADC和DAC在中頻轉(zhuǎn)換每個(gè)RF業(yè)務(wù)頻段成為模擬和數(shù)字形式,，帶寬為WS的寬帶數(shù)字接收機(jī)信號(hào)流包括了全部用戶信道,，其中每個(gè)用戶的帶寬Wc《WS 。

       在圖1所示的軟件無線電中,，中頻ADC和DAC信道可以同時(shí)使用可編程的數(shù)字硬件和軟件來處理,。中頻處理包括：用來分離用戶信道的濾波；數(shù)字波束成形,；空時(shí)聯(lián)合均衡,；空間分集、極化或頻率分集信道的綜合,，以及捕獲高質(zhì)量波形的其它方法,。一般情況下，需要多個(gè)中頻,，或者用零中頻來處理。數(shù)字下變頻技術(shù)可以利用帶通波形抽樣信號(hào)的頻域周期性,，將帶通波形直接變換到基帶,。

       在軟件無線電的發(fā)射機(jī)中，基帶信號(hào)由軟件實(shí)現(xiàn)的信道調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換成抽樣后的信道波形,，驅(qū)動(dòng)高性能DAC,。中頻處理軟件還可以對基帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)加重或非線性預(yù)編碼處理。具體實(shí)現(xiàn)時(shí),，調(diào)制解調(diào)功能,、中頻處理和RF信道接入可以合并成一個(gè)部分，例如直接轉(zhuǎn)換接收機(jī),。另外,，軟件或各種特性間實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)編譯允許這些分立的功能集成到一個(gè)如FPGA這樣的器件中。

       三、 中頻軟件無線電實(shí)現(xiàn)方案的研究

       典型的中頻軟件無線電的通用硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示,，包括A/D變換器,、D/A變換器、數(shù)字信號(hào)處理模塊和PC機(jī),，具有很強(qiáng)的靈活性和高度的開放性,。

        圖2中的數(shù)字信號(hào)處理模塊用來實(shí)現(xiàn)多媒體處理、調(diào)制解調(diào),、波形處理,、上/下變頻和控制等功能。此模塊可以靈活擴(kuò)展,，滿足不同無線通信系統(tǒng)對數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算速度和運(yùn)算量的要求,。PC機(jī)具有良好的人機(jī)接口，可以完成如下功能：初始化系統(tǒng),；提供軟件開發(fā)環(huán)境,；實(shí)現(xiàn)在線/離線開發(fā)應(yīng)用軟件；下載軟件到數(shù)字信號(hào)處理模塊等等,。

       1． 軟件無線電中數(shù)字信號(hào)處理能力所面臨的挑戰(zhàn)

       數(shù)字信號(hào)處理模塊是軟件無線電的核心部分,。軟件無線電要求數(shù)字信號(hào)處理模塊能實(shí)時(shí)處理ADC變換后的數(shù)字信號(hào)，并用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)大量的無線電功能,，這些功能包括：編解碼,、調(diào)制解調(diào)、濾波,、同步,、盲均衡、檢測,、數(shù)據(jù)加密,、傳輸加密糾錯(cuò)、跳擴(kuò)頻及解擴(kuò)和解跳,、通信環(huán)境評估,、信道選擇等，而單個(gè)DSP根本無法完成這些功能,，對于基站則差距更大,。  考慮單個(gè)信道的情況，最基本的解調(diào)需要10次操作/秒,，一個(gè)性能良好的FIR/IIR信道選擇濾波器需要100次操作/秒,，再加上均衡、解交織,、信道解碼,、解復(fù)用,、差錯(cuò)控制等等。對于一個(gè)采樣率為30～50MHz的信道,，所需要的處理速度很容易就達(dá)到了5000MIPS(每秒百萬指令),。文獻(xiàn)［2］對單信道DSSS（直接序列擴(kuò)頻）軍事波形的處理需求進(jìn)行了估計(jì)：此波形的碼片速率為10　Mchip/s，ADC的采樣率為40　MSPS,，數(shù)據(jù)速率為9　600　bit/s,，完成脈沖成形、PN（偽隨機(jī)）碼產(chǎn)生,、解復(fù)用,、解擴(kuò)/相關(guān)、載波同步,、跟蹤,、Viterbi譯碼、盲均衡和控制等功能,；全部所需要的處理速度大約為12.78　GFLOPS（每秒十億次浮點(diǎn)操作）?，F(xiàn)在3G所使用的寬帶CDMA技術(shù)，單信道所需要的處理速度的量級(jí)也與上述軍事波形相當(dāng),，甚至更高,。對于基站，由于需要處理很多信道,，所需要的處理速度會(huì)達(dá)到上千GIPS（每秒十億指令）的量級(jí),。

       然而目前可用的一些高速DSP的性能，最快的也不超過5 GIPS,，與實(shí)際需求相差巨大,。這種處理資源的匱乏，被稱之為DSP瓶頸^［３］,，是影響軟件無線電發(fā)展的一個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)挑戰(zhàn),。

  2． 實(shí)現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法

       為解決數(shù)字信號(hào)處理資源匱乏這一問題，目前實(shí)現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法有2種,，即用多個(gè)DSP實(shí)現(xiàn)和用DSP+參數(shù)化ASIC實(shí)現(xiàn),。

        (1)多個(gè)DSP方法

       這種方法一般采用多個(gè)DSP組成樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并行處理數(shù)據(jù)流,，但這種方法最大的弊端是系統(tǒng)體積大、供耗高,、成本高,。

        (2)DSP+參數(shù)化ASIC方法

       這種系統(tǒng)是目前較多采用的實(shí)現(xiàn)方法。在這種系統(tǒng)中,，參數(shù)化ASIC可有限編程,，完成對數(shù)字信號(hào)處理速度要求較高的部分，DSP做較低速的數(shù)字信號(hào)處理。這種方法雖然減小了系統(tǒng)的體積,，降低了功耗,，但是由于參數(shù)化ASIC可編程的限制較大，嚴(yán)重地限制了系統(tǒng)的靈活性和開放性,，難以體現(xiàn)軟件無線電的優(yōu)越性,。

       3．用FPGA實(shí)現(xiàn)中頻軟件無線電的優(yōu)勢

       本文采用FPGA來實(shí)現(xiàn)中頻軟件無線電。表1和表2所示的比較分析表明,，F(xiàn)PGA與參數(shù)化ASIC,、DSP比較有很多優(yōu)勢，它不但在功耗,、體積,、成本方面優(yōu)于參數(shù)化ASIC、DSP,，而且處理效率高,、現(xiàn)場可編程性能良好。不同于DSP的單流處理方式,，F(xiàn)PGA是多流并行處理,，這種處理方式使FPGA能完成DSP難以實(shí)現(xiàn)的許多功能，如FIR/IIR濾波器,、擴(kuò)頻,、跳頻模式。因此,，F(xiàn)PGA能很好地體現(xiàn)軟件無線電的靈活性和開放性,，很適合在軟件無線電中做高速數(shù)字信號(hào)處理，是實(shí)現(xiàn)中頻軟件無線電的理想選擇,。

       4．采用FPGA實(shí)現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)

       圖3為所實(shí)現(xiàn)的中頻軟件無線電系統(tǒng)框圖,。系統(tǒng)從IF（中頻）進(jìn)行A/D和D/A變換。下面就系統(tǒng)的各部分做一介紹,。

        1 寬帶D/A和A/D轉(zhuǎn)換器

        D/A和A/D轉(zhuǎn)換器分別把中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),，中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。D/A變換器和A/D變換器的選擇,，直接關(guān)系到軟件無線電的總體性能,。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)的要求,，綜合考慮D/A變換器和A/D變換器的各方面性能,，做出選擇。

        (1)寬帶D/A轉(zhuǎn)換器

       選用了AD公司的AD9713B,，性能指標(biāo)如下:

        1)具有12 bit精度,；

        2)轉(zhuǎn)換速率最快為80 MSPS,；

        3)SFDR（無雜散動(dòng)態(tài)范圍）為70 dBc。

        這里,，DAC鎖存時(shí)鐘為40 MHz,。AD9713B后接兩級(jí)放大器，將模擬信號(hào)放大后輸出,。

        (2)寬帶A/D轉(zhuǎn)換器

       在軟件無線電中,，對ADC的性能要求很高，ADC的選擇比DAC更為重要,。選擇ADC時(shí),，需要考慮其采樣頻率、帶寬,、轉(zhuǎn)換位數(shù)和SFDR,。而這幾個(gè)性能指標(biāo)是互為約束的，必須綜合考慮確定,。

        在此,，ADC選用AD公司生產(chǎn)的AD9042。AD9042是高速,、高性能,、低功耗的單片12位模/數(shù)變換器，其性能指標(biāo)如下：

       1)最大采樣速率41 MSPS,；

        2)SFDR為80 dBc,；

        3)信噪比為68 dB。

        實(shí)際使用中,，采樣時(shí)鐘為40 MHz,，AD9042的性能很好。

         2  FPGA——數(shù)字信號(hào)處理模塊

        FPGA選用了Altera公司的APEX EP20K200E器件,，這個(gè)器件為20萬門容量,，1.8 V低功耗，具有多種I/O接口和多鐘配置方式的單片系統(tǒng)級(jí)集成的可編程邏輯器件,。

        FPGA主要完成數(shù)字上/下變頻,、濾波、調(diào)制/解調(diào),、擴(kuò)頻/解擴(kuò),、載波以及PN（偽隨機(jī)碼）的同步和跟蹤等功能。

        FPGA的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示,。在此,，以DSSS（直接序列擴(kuò)頻）信號(hào)為例說明。發(fā)射的設(shè)計(jì)為,，系統(tǒng)將125 kbit/s的數(shù)據(jù)映射成上下支路各62.5 kbit/s的數(shù)據(jù)與PN碼產(chǎn)生器輸出的4Mchip/s的PN碼相乘擴(kuò)頻,，然后由14 bit 的FIR濾波器完成內(nèi)插濾波，濾波器輸出的信號(hào)為20 MHz,，與NCO相乘上變頻至中頻,，并取高12 bit輸出至D/A變換器。接收的設(shè)計(jì)與發(fā)射相對應(yīng),，A/D變換器輸出的40 MHz的12 bit中頻數(shù)字信號(hào)與NCO相乘正交下變頻成I,、Q兩路信號(hào)，這2路信號(hào)經(jīng)抽取濾波變?yōu)?0 MHz的基帶信號(hào),，輸入到解擴(kuò)電路完成PN碼的捕獲,、解擴(kuò)（用[HJ71mm]匹配濾波器相關(guān)器實(shí)現(xiàn)）以及信號(hào)相關(guān)后的功率檢測，解擴(kuò)后的信號(hào)和檢測到的功率信號(hào)輸入到碼跟蹤電路完成碼元跟蹤,，最后完成解碼,，恢復(fù)數(shù)據(jù)。完成這些功能,，所占的FPGA資源為：7142個(gè)LE（邏輯單元）,，16896 ESB(嵌入式邏輯塊) bits。

        3 PC機(jī)及其接口

        PC機(jī)為FPGA提供軟件開發(fā)環(huán)境,，完成在線/離線的軟件開發(fā)和調(diào)試,，并通過RS232口與FPGA通信，實(shí)時(shí)下載軟件到FPGA,。

        五,、 系 統(tǒng) 性 能

       系統(tǒng)采用FPGA完全實(shí)現(xiàn)了中頻軟件無線電系統(tǒng)的軟件可編程，具有很高的靈活性,、開放性和通用性,。設(shè)計(jì)的FPGA軟件模塊，如NCO,、數(shù)字濾波器等可為多種調(diào)制/解調(diào)模式所使用,。各種調(diào)制/解調(diào)模式相應(yīng)的配置軟件以文件的形式存儲(chǔ)在微機(jī)里，可根據(jù)具體要求下載到FPGA,，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)模式的實(shí)時(shí)改變,。經(jīng)測試，系統(tǒng)采用的時(shí)鐘為40 MHz時(shí),，可達(dá)到的工作性能如下：       （1）中頻載波：可以任意設(shè)置,，最高可達(dá)16 MHz，最大頻率誤差為0.009 Hz,；

       （2）信息速率：可變,，最高可達(dá)4 Mbit/s；

       （3）調(diào)制/解調(diào)模式：通過更換軟件,，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)AM,、PM,、FM、BPSK,、QPSK,、DSSS等模式。

        六,、 結(jié)論

        FPGA在軟件無線電中的應(yīng)用已經(jīng)越來越被人們所重視,。用FPGA來實(shí)現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)具有很高的靈活性和開放性，充分體現(xiàn)了軟件無線電的優(yōu)越性,，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)軟件無線電技術(shù)的理想方案,。