软件无线电技术在无线通信兼容问题的相关解析

　　便携式无线设备可能趋于一致，但是如果你愿意的话，它们的接口可以继续分离或“进化”。要使手机在从美国到欧洲和亚洲的旅行途中能够继续使用，它需要兼容不断增多的各种不同的协议、调制技术和频带，要能够识别它们并进行无缝调整和匹配。对于手机制造商来说，这是一个挑战;而对于基站供应商而言，这是一个噩梦。

　　这有多困难呢 TI公司无线研究高级主管Bill KreNIk说：“几年前，双频带GSM手机满足了大部分市场的需要。现在芯片组至少是GSM/GPRS的，不久将很有可能成为GSM/GPRS/EDGE的，涵盖PCS和DCS;加入UMTS，增加对IMT-2000频带的WCDMA支持，频率为2,100MHz。在调制前端，需要处理GSM的GMSK、用于EDGE的 8-PSK 的高阶调制、以及宽带CDMA所需的QPSK;接下来需要解决的难题是HSDPA、HSUPA和16-QAM;然后是基于OFDM 的LTE(长期演进，或4G)标准，它被定为2010年的时间框架。到那时，我们将需要支持TDMA、CDMA和OFDM;支持至少六个不同的频带，而且很有可能更多;支持从GMSK到QPSK、16QAM和64QAM的调制技术。我们需要能够解决上述所有技术问题的无线电技术和基站。”在这一点上，软件无线电技术(SDR)要比众多基于硬件的RF信号链更有吸引力。

　　走进SDR

　　SDR背后的概念很简单：首先是高带宽、高线型度的FR前端，然后将其输出直接进入高速ADC，再用高速DSP或FPGA在软件中进行所有的信号处理。前面的描述中多次提到的“高速”一词，正是挑战所在。

　　软件无线电设备是一种由软件来定义其特征的宽带收发器。ITU定义SDR为：“一种能够通过软件，和/或能够完成同样功能的技术，对包括RF的运行参数，但不限于频率范围、调制类型或输出功率进行设置或修改的无线电系统。”SDR能够使手机或基站对硬件的需要降至最小，同时也能降低与不断发展的无线标准相对应的“未来验证”的基本设施的需要。SDR基本上是将一个接收器变成一个具有RF前端的计算机。不过SDR需要速度非常快的计算机才能够对各种数G赫兹的信号进行过采样，并准实时的处理所有这些信号。

　　SDR不是一个没有中间过程的极端方法。SDR论坛定义了从“硬件无线电”——目前的方法——到“终极软件无线电”的全部演变过程，其间包含了一些中间技术阶段：

　　● 0级-硬件无线电。系统不能做任何修改。系统操作由开关、拨号盘和按钮来完成。

　　●1级-软件控制无线电。软件上可能实现了控制功能，但是在不改变硬件的条件下，这些无线通信设备是不能改变像频带或调制方式这样的特征参量的。

　　●2级-软件无线电。这种无线电技术由软件来控制，不需要对硬件做任何修改就能够提供很宽的操作范围。它一般包括宽带滤波前的独立天线、放大器和A/D转换之前的降频器。在发送时，基带信号进入DAC，然后转换为中频(IF)频率，即依次外差为进行滤波和进入功率放大器之前所需的输出频率。尽管前端的带宽是个限制因素，由于SDR技术能够提供宽带和窄带两种操作中的多种解调技术，因而利用软件可以控制相当宽的频率范围。SDR技术能够存储大量的波形或空间接口，并可以通过从磁盘上传或从空间下载来添加新的内容。

　　●3级-理想SDR。这种SDR将RF前端的输出直接接入ADC，然后进入到DSP，消除了大部分的模拟部件，从而降低了失真和噪声。

　　●4级-终极SDR。这种SDR没有外置天线、没有运行频率或带宽的限制。它直接传送数字基带输出信号，在几毫秒的时间内进行空中接口间的检测和转换。这是一种低功耗又极为快速的SDR，但要以商业产品的形式出现，估计正在学说话的孩子大学毕业之前是不太可能的。

　　从天线到DSP

　　一般的SDR系统(如图1所示)包括各种RF前端，它们为宽带ADC提供输入信号。信号再由ADC进入可编程DSP引擎。在发射模式下，数字基带信号先要依次通过DAC和中频/ 射频(IF/RF)升频转换器，再传入输入功率放大器(PA)和天线。

　　图1. 一般的SDR接收器。

　　要建立可配置的、宽带的、高灵敏度的甚至是防弹的RF前端，是事情变得复杂的开始。ADI公司RF和无线系统的商业研发主管Doug Grant说：“即使关注的是小信号，也必须提供非常大的数据处理能力。当得到不同带宽的信号时，要既能看到最宽的带宽又能看到最窄的带宽，并能容纳足够的动态范围。这最终归结回功率，因为要得到宽的无线前端动态范围，势必就会增加功耗。”如果前端被一个大的带外信号损坏了，再多的下级滤波器都无法纠正。Grant说，“功率问题被一致归结为研究SDR的任何方法都面临的最大障碍。”

　　在理想的SDR系统中，射频RF前端的输出在处理之前将直接进入ADC。然而ADC是SDR所面临的主要挑战之一。在1GHz时，ADC的动态范围的上限是20位或120dB。频率更高的时候，问题变得更有挑战性，因为ADC的采样率要满足奈奎斯特采样定律，必须至少为最高频率(fmax)的两倍。因此，接收器一般将信号通过带通滤波器去掉不需要的信号，再通过外差将信号频率降至ADC能够处理的范围。然后将信号通过低噪声放大器(LNA)，进入ADC。具有多RF前端和天线的超级外差接收器很可能一段时间后会出现。

　　图2. SDR的软件控制任务。

　　纯粹的数字RF结构，比如TI公司的数字射频处理器(DRP)，在天线上装有ADC，其余所有的事情都有DSP来完成。由于从RF电路中消除了模拟部分，这种结构需要高宽带的Σ-ΔADC和非常快的DSP，而这两个部分的功耗都很大，因此这种方法更适用于基站，而不适于手机。

　　软件处理

　　当信号进入数字领域，DSP引擎可以完成相当大的处理量，包括处理不同的调制类型、信道存取、扩频处理、网络界面定义、安全、波束形成、前向纠错和数字降频/升频转换。

　　图3. SCA的软件体系结构。

　　SDR的软件结构是由软件通讯架构定义的(SCA;如图3所示)，最初在20世纪90年代为美国军方的联合战术无线通信系统(JTRS)而制定，其目的是希望让所有的军队能够相互实时的通信，得到彼此所在地区的火情、警力、救护车和林务人员的信息。(不论相信与否，他们没能做到)。SCA是一个开放的结构框架，它告诉设计者硬件和软件单元是如何在JTRS SDR中协同运行的。SCA的规范具体说明了能够配置波形的软件运行环境，以及详细说明了波形必须支持的界面。它还详述了操作系统OS(POSIX)、中间设备(CORBA ORB)以及界面的框架。JTRS组和SDR论坛都在与对象管理组织的SWRADIO领域特别兴趣小组合作，为基于SCA的SDR系统建立一个开放的国际工业标准。同时，SCA事实上也成为了SDR的国际标准。

　　JTRS SCA 3.0 为信号处理子系统(SPS)增加了一个硬件抽象层(HAL)。SPS为SDR的OSI层1(调制解调器、扩展、代码)和应用级功能块(音频、视频)提供高速的计算。可以用DSP和、或FPGA的联合来实现SPS。

　　SDR信号处理的需求

　　Xilinx和 Altera公司都提出：“数字信号处理”未必等同于DSP。高频商业SDR接收器所需的信号处理事实上是令人生畏的(见表)。Xilinx公司的高级DSP市场经理Manuel Uhm认为：在控制功能块中使用MCU，在低MIPS的应用中使用DSP以及在高MIPS的应用中使用FPGA都是有意义的。Xilinx公司做出一套JTRS SDR工具，它将用于信息通过的包含RTOS的CORBA ORB，和加入SCA核框架的用于窄带和宽带波形的应用层，还有物理层(EMAC、PHY、数字升或降频转换器)集成在一个“能实现SCA的SoC中”(aka Virtex-4)。

　　SDR目前的应用

　　现在我们离理想的SDR还很远，但是商用的SDR已经在多模基站上开始使用了，这些产品至少使用了部分的SDR技术。ADI公司的Grant说：“我们虽有所发展，但是必须限定对SDR的定义。如果是指可编程信号处理完成了除空间接口以外所有的解调、均衡和探测过程，那么我们已经做到了。如果在定义中加入‘使用通用的无线电前端’，那么我们还没有完成。”

　　第一个将FCC批准的SDR基站市场化的公司是Vanu Inc。它在1994年建立了Vanu软件无线通信GSM基站。Vanu公司采用了一种与众不同的方法实现SDR：在使用通用CPU的电脑上运行便携式应用软件，完全由软件来完成信号处理。Vanu公司的首席技术总监(CTO) John Chapin说，“需要建立所设想的系统：真正增加的价值就是软件。我们编写了便携式代码，这些代码无需太多花费就可以移植到下一代的处理器上。” Chapin指出：使用Intel的处理器要比使用DSP或FPGA更为简单。Vanu公司的下一代Anywave GSM基站将在Intel 的Xeon双核处理器平台上运行。

　　Mid-Tex Cellular公司是美国第一个基于SDR操作的手机运营商。Mid-Tex在HP的运行Linux系统的ProLiant平台上建立了Vanu公司的软件无线电基站，这使得它在乡村的800MHz的TDMA系统增加了处理GSM和WCDMA的能力。该软件基站能够同时运行多个空间标准，动态分配系统以支持2G和发展中的3G两种标准。

　　此外，SDR在被动RFID系统上得到了应用。ThingMagic公司的Mercury4是一个多协议的RFID系统，它利用SDR技术可以同时读取任何标签， 如EPC Class 1 和EPC Class 0标签、可重复写入C