基于DDC/DUC+DSP结构的软件无线电系统研究

2022-09-10

软件无线电 (以下简称SR) , 作为一种新的无线通信技术, 在上世纪90年代初被提出以来, 被认为是继模拟通信、数字通信之后无线通信领域的又一次重大变革。SR在军事、商用通信中有着广泛的应用前景。其技术的优越性将给3G移动通信带来深远影响。

1 DDC/DUC+DSP结构及其SR系统整体架构

相比传统无线电系统, SR系统的A/D、D/A变换移到了中频并尽可能地靠近射频端, 对更为广泛的系统频带进行采样并经过软件化处理, 即从中频 (理想的SR技术甚至从射频) 开始就进行数字化处理。为实现这部分功能, 本文主张采用“D D C/DUC+DSP”结构。以下就其方案选择和系统整体架构予以初探。

1.1“DDC/DUC+DSP”结构的相对优势

据文献, 目前理论上主要有以下思路实现SR系统的中频和基带信息处理: (1) “参数化ASIC+DSP”组合;把主要处理量交给有限可编程性的参数化ASIC。DSP仅做较低速信息处理。 (2) “FPGA器件”实现数字上/下变频和基带处理一体化;把数字变频、滤波、调制/解调、扩频/解扩、载波以及各种比特流的处理等全部功能交给编程性强大的FPGA器件。 (3) “DDC (数字下变频器) /DUC (数字上变频器) +高速DSP”组合结构。不难推出以上各理论思路优缺点和可行性主要取决于目前参数化ASIC、FPGA和高速DSP三种器件的性能参数。在研究了它们的成本、体积功耗和可编程性几个参数后将不难获知如下信息:各方面性能指标表现最好的是FPGA;综合表现相对最差的是参数化ASIC;高速DSP各项性能表现介于两者之间。虽然FPGA从单个器件的综合参数性能是最好的, 但基于目前FPGA器件发展水平在处理功能和运算速度上的表现还难以达到完全支持从数字中频到基带处理一体化的需要。所以笔者认为方案3是相对最优的选择。对于方案3, 其思路是:模拟中频信号通过模/数 (A/D) 转换器件变换为数字中频信号, 再进入可编程DDC进行下变频运算, 使数字中频信号的载波频率进一步降低 (完成二次频率变换) , 变到基带信号。此外它还对输入的数字信号进行采样数据处理, 进一步降低之后高速DSP (一般采用多个DSP构成并行处理系统) 所需处理的数据量从而能有效地完成实时处理数据的任务。至于“DSP+DUC”组合结构, 其流程与上述过程相反。

1.2“DDC/DUC+高速DSP”结构的SR系统

架构图基于以上方案, 笔者构建了其S R系统结构图

注:1、多波束宽带天线;2、宽带、多频段智能天线;3、低噪放大 (接收) ;4、功率放大 (发送) ;5、模拟下变频 (接收) ;6、模拟上变频 (发送) ;7、中频数字信号输入/输出;8、宽带A/D、D/A转换;9、模拟中频输入/输出;10、中频 (IF) 数字滤波;11、数字下变频DDC (接收) ;12、数字上变频DUC (接收) ;13、基带 (BB) 信号输入/输出;14、基带解调 (接收) ;15、基带调制 (接收) ;16、比特流处理;17、通信网络;18、低速DSP处理;19、用户的最终数据;20、环境分析管理;21、总体控制;22、各层软件集合; (一) 、天线及射频前端; (二) 、射频RF处理; (三) 、中频IF处理; (四) 、基带BB处理。

如图1所示, 基于该结构的SR通信系统其几个关键核心技术包括宽带多波束智能天线技术、宽带射频 (RF) 前端技术、宽带A/D、D/A转换、数字中频 (IF) 处理、高速DSP技术。基于本文的主体和篇幅, 在此暂不予以进一步讨论。

2 SR系统可编程性和软件层次化模型分析

以上讨论了软件无线电通信系统的整体逻辑架构和硬件平台的构造方法的基本思路, 但在其可编程性和软件可重用性才是SR技术的核心优势。理想的SR通信系统不仅要求“空中接口功能由软件重构”, 同时还要求整个“系统各层面功能也能软件重构”。其硬件可编程性、软件可重用性以及其软件的跨硬件平台性, 已经成为其开放性评价的重要因素。为此我们需要引入SR层次化模型这一概念。最早提出这一概念的是Motorola公司的研究人员。笔者其基础上进行了补充并重构了这一层次化模型并对其每一层加以说明。见图2。Application Layer:该层用程序完成SR系统的功能、体制的描述, 并规定相应的指标、参数等。API Layer:此层, 应用程序接口支持应用软件层程序的再利用, 即采用相同的API层接口标准的应用程序可以应用在不同的SR系统中。这层也可以叫高层API层。Programmable Protocols Layer:这里所指的无线接口协议栈是由与上层应用无关、用来完成各种无线接口功能的一系列协议模块集合所组成。它也包含与提供API相关软件的模块, 如信源编码、调制解调算法、多址、DDC算法等。同时这些模块可以根据无限接口功能的变化灵活编程。Virtual Machine Layer:硬件抽象层。它使无线接口协议栈层与硬件平台无关。其作用就是“软连接”无线接口协议栈和通用硬件层。其向下的接口为低层API (通过它实现硬件跨平台通用性) 。但通常, 相应硬件对应其相应虚拟机。通用硬件平台层 (General Hardware Platform Layer) :该层次化模型中最后一层。此处本文推荐采用VEM主机板结构。其优点是通用性。基于VME总线结构的SR的硬件平台采用模块化设计。这点与PC的硬件系统结构很相似。它摒弃传统纵向集成和专用的系统结构而转向开放和模块化的系统结构。目前该层的另一个优秀结构是清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的基于交换网络的硬件平台结构。