中頻軟件無(wú)線(xiàn)電系統的FPGA實(shí)現方案

　　一、 引言

　　現代通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)從數字化走向軟件化。軟件無(wú)線(xiàn)電的出現掀起了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電，是指構造一個(gè)通用的、可重復編程的硬件平臺，使其工作頻段、調制解調方式、業(yè)務(wù)種類(lèi)、數據速率與格式、控制協(xié)議等都可以進(jìn)行重構和控制，選用不同的軟件模塊就可以實(shí)現不同類(lèi)型和功能的無(wú)線(xiàn)電臺，其核心思想是在盡可能靠近天線(xiàn)的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能地用軟件來(lái)定義無(wú)線(xiàn)功能[1]。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電具有極大的應用價(jià)值和廣泛的應用前景。在軍事上，不但可以解決不同無(wú)線(xiàn)設備間的互連互通，而且還可以現場(chǎng)開(kāi)發(fā)新波形。在商業(yè)方面，可實(shí)現移動(dòng)通信的無(wú)縫接入和完全自由的個(gè)人通信，縮短系統的開(kāi)發(fā)周期和降低運營(yíng)商的成本，現已成為3G和4G所采用的一項關(guān)鍵技術(shù)。

　　本文研究了中頻軟件無(wú)線(xiàn)電的實(shí)現方案，并設計了基于FPGA的通用硬件平臺。在此平臺上，通過(guò)PC機下載軟件，實(shí)時(shí)實(shí)現了軟件無(wú)線(xiàn)電中頻至基帶的波形處理和多種不同的調制解調方式。

　　二、 軟件無(wú)線(xiàn)電的系統結構

　　軟件無(wú)線(xiàn)電賦予了無(wú)線(xiàn)電臺多種特性。如圖1所示，軟件無(wú)線(xiàn)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在中頻轉換每個(gè)RF業(yè)務(wù)頻段成為模擬和數字形式，帶寬為WS的寬帶數字接收機信號流包括了全部用戶(hù)信道，其中每個(gè)用戶(hù)的帶寬Wc《WS 。

　　在圖1所示的軟件無(wú)線(xiàn)電中，中頻ADC和DAC信道可以同時(shí)使用可編程的數字硬件和軟件來(lái)處理。中頻處理包括：用來(lái)分離用戶(hù)信道的濾波;數字波束成形;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(lái)處理。數字下變頻技術(shù)可以利用帶通波形抽樣信號的頻域周期性，將帶通波形直接變換到基帶。

　　在軟件無(wú)線(xiàn)電的發(fā)射機中，基帶信號由軟件實(shí)現的信道調制解調器轉換成抽樣后的信道波形，驅動(dòng)高性能DAC。中頻處理軟件還可以對基帶信號進(jìn)行預加重或非線(xiàn)性預編碼處理。具體實(shí)現時(shí)，調制解調功能、中頻處理和RF信道接入可以合并成一個(gè)部分，例如直接轉換接收機。另外，軟件或各種特性間實(shí)時(shí)轉換的動(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(wú)線(xiàn)電實(shí)現方案的研究

　　典型的中頻軟件無(wú)線(xiàn)電的通用硬件平臺結構如圖2所示，包括A/D變換器、D/A變換器、數字信號處理模塊和PC機，具有很強的靈活性和高度的開(kāi)放性。

　　圖2中的數字信號處理模塊用來(lái)實(shí)現多媒體處理、調制解調、波形處理、上/下變頻和控制等功能。此模塊可以靈活擴展，滿(mǎn)足不同無(wú)線(xiàn)通信系統對數字信號處理的運算速度和運算量的要求。PC機具有良好的人機接口，可以完成如下功能：初始化系統;提供軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境;實(shí)現在線(xiàn)/離線(xiàn)開(kāi)發(fā)應用軟件;下載軟件到數字信號處理模塊等等。

　　1. 軟件無(wú)線(xiàn)電中數字信號處理能力所面臨的挑戰

　　數字信號處理模塊是軟件無(wú)線(xiàn)電的核心部分。軟件無(wú)線(xiàn)電要求數字信號處理模塊能實(shí)時(shí)處理ADC變換后的數字信號，并用軟件的方法來(lái)實(shí)現大量的無(wú)線(xiàn)電功能，這些功能包括：編解碼、調制解調、濾波、同步、盲均衡、檢測、數據加密、傳輸加密糾錯、跳擴頻及解擴和解跳、通信環(huán)境評估、信道選擇等，而單個(gè)DSP根本無(wú)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、解復用、差錯控制等等。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到了5000MIPS(每秒百萬(wàn)指令)。文獻[2]對單信道DSSS(直接序列擴頻)軍事波形的處理需求進(jìn)行了估計：此波形的碼片速率為10　Mchip/s，ADC的采樣率為40　MSPS，數據速率為9　600　bit/s，完成脈沖成形、PN(偽隨機)碼產(chǎn)生、解復用、解擴/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也與上述軍事波形相當，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 )達到上千GIPS(每秒十億指令)的量級。

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

　　2. 實(shí)現中頻軟件無(wú)線(xiàn)電系統的傳統方法

　　為解決數字信號處理資源匱乏這一問(wèn)題，目前實(shí)現中頻軟件無(wú)線(xiàn)電系統的傳統方法有2種，即用多個(gè)DSP實(shí)現和用DSP+參數化ASIC實(shí)現。

　　(1)多個(gè)DSP方法

　　這種方法一般采用多個(gè)DSP組成樹(shù)狀或網(wǎng)狀結構，并行處理數據流，但這種方法最大的弊端是系統體積大、供耗高、成本高。

　　(2)DSP+參數化ASIC方法

　　這種系統是目前較多采用的實(shí)現方法。在這種系統中，參數化ASIC可有限編程，完成對數字信號處理速度要求較高的部分，DSP做較低速的數字信號處理。這種方法雖然減小了系統的體積，降低了功耗，但是由于參數化ASIC可編程的限制較大，嚴重地限制了系統的靈活性和開(kāi)放性，難以體現軟件無(wú)線(xiàn)電的優(yōu)越性。