中頻軟件無線電系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案

　　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(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)、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(píng)估、信道選擇等，而單個(gè)DSP根本無法完成這些功能，對(duì)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(duì)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(duì)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)。現(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(duì)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(duì)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。