一種實(shí)現(xiàn)VEM總線結(jié)構(gòu)的軟件無(wú)線電方案

摘要：為了解決無(wú)線電通信領(lǐng)域內(nèi)多體系并存、不同體系間無(wú)法制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，在介紹了軟件無(wú)線電提出的背景、硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用WiMAX802．16技術(shù)給出了一種實(shí)現(xiàn)VEM總線結(jié)構(gòu)的軟件無(wú)線電基站方案，以便滿足用戶在任何時(shí)間、地點(diǎn)的通信需求。研究了其對(duì)多種軟件無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性，能夠覆蓋多個(gè)頻段，能進(jìn)行軟件重構(gòu)和復(fù)用。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；軟件無(wú)線電；基站；VEM總線；WiMAX802．16

1992年5月，MMTRE公司的Joe．Mitola首次明確提出了軟件無(wú)線電(SDR)的概念。其中心思想是構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，使A／D和D／A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，將接收機(jī)的各種功能(如變頻、濾波、加密解密、擴(kuò)頻和解擴(kuò)等)用軟件來(lái)完成，以研制出高度靈活和開(kāi)放的無(wú)線電通信系統(tǒng)。文中主要利用該系統(tǒng)的核心技術(shù)，利用了高速、高精度ADC和DAC、可編程ASIC和DSP等來(lái)構(gòu)造功能強(qiáng)大的軟硬件平臺(tái)，并通過(guò)選用和不斷開(kāi)發(fā)新的軟件模塊來(lái)滿足多種通信需求。提高無(wú)線電通信設(shè)備接收和處理信號(hào)的能力，縮短新型無(wú)線電通信設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期，延長(zhǎng)其使用壽命。

1 器件技術(shù)簡(jiǎn)介
隨著電路技術(shù)和器件技術(shù)的不斷發(fā)展，如寬帶高速A／D／A、寬帶大動(dòng)態(tài)接收機(jī)、高速DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陳列(FPGA)、高溫超導(dǎo)等，使軟件無(wú)線電的研究工作能在這些新器件的推動(dòng)下取得新的突破。
1．1 寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)
決定寬帶模／數(shù)性能的關(guān)鍵是采樣速率和位數(shù)，采樣速率由信號(hào)帶寬決定，量化位數(shù)則要滿足一定的動(dòng)態(tài)范圍和數(shù)字信號(hào)處理精度。A DC的分辨率越高(位數(shù)越多)，需要轉(zhuǎn)換的時(shí)間就越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換速率就越低，兩者相互制約。高速ADC的結(jié)構(gòu)主要采用全并行或閃爍型ADC；而高分辨率ADC主要采用∑-△結(jié)構(gòu)。軟件無(wú)線電中，在達(dá)到高速ADC的同時(shí)，兼顧高分辨率；同樣，在達(dá)到高分辨率的同時(shí)，也要兼顧高速。具體應(yīng)用時(shí)，還要考慮功耗、功能以及與外圍其它電路的接口等。因此，在軟件無(wú)線電的發(fā)展初期采用的ADC為AD9042，目前則有性能更為優(yōu)越的AD6640。
1．2 數(shù)字下變頻器(DDC)
數(shù)字下變頻器(DDC)是A／D變換后首先要完成的處理工作，包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣，由合成器、正交混頻器、低通濾波器和輸出格式化器組成，是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)字處理運(yùn)算量最大的部分。DDC的主要功能是從寬帶輸入中提取出所需的窄帶頻段，并將該窄帶頻段變換到基帶，以正交或?qū)嵭盘?hào)形式輸出。窄帶提取由下變頻和將有用頻帶中置到數(shù)據(jù)載波完成。即由正交正弦信號(hào)乘以輸入數(shù)據(jù)完成下變頻，同相(I)和正交(Q)處理支路都由高抽取濾波器(HDF)和FIR濾波器級(jí)聯(lián)組成，用來(lái)提取有用頻段。輸出格式化器對(duì)濾波器的輸出進(jìn)行整形，以提供各種串行數(shù)據(jù)格式。這部分的工作由專用可編程芯片完成，如美國(guó)Harris公司的HSP50016和HSP50214。
1．3 高速DSP
軟件無(wú)線電中，單片的DSP尚不能滿足處理速度和容量的要求，必須采用多芯片并行處理。目前已商業(yè)化的產(chǎn)品如TI公司的TMS320C40(第一代并行DSP)，AD公司的ADSP2106X為可并行擴(kuò)展的超級(jí)哈佛指令計(jì)算機(jī)(SHARC)，這種芯片內(nèi)四套獨(dú)立的總線，可完成雙向數(shù)據(jù)存取、指令存取、非指令性I／O，而且可方便地構(gòu)成多片并行的處理系統(tǒng)。另外，90年代中后期TI公司的TMS320C6X系列，也是專門為并行處理而設(shè)計(jì)的。TMS320C6X系列的主要特點(diǎn)是采用了甚長(zhǎng)指令字(VLIW)的體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，多個(gè)功能單元是并發(fā)工作的，所有的功能單元共享使用公用寄存器堆，由功能單元同時(shí)執(zhí)行的各種操作是由VLIW的長(zhǎng)指令來(lái)同步的，把長(zhǎng)指令中不同字段的操作碼分別送給不同的功能單元，這種代碼壓縮是由編譯器完成的。開(kāi)發(fā)工具在提供DSP系統(tǒng)的性能方面也起著重要的作用。

2 硬件體系結(jié)構(gòu)
2．1 流水線結(jié)構(gòu)
Joe．Mitola提出的理想軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種流水線結(jié)構(gòu)，包括天線、多頻段射頻、RF轉(zhuǎn)換、寬帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換器以及DSP處理器等。理想軟件無(wú)線電要求將A／DD／A盡量向RF靠攏，同時(shí)，用高速DSP／CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用數(shù)字電路和低速DSP／CPU做A／D后的一系列處理，從而建立一個(gè)相對(duì)通用的硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能。