软件无线电设计中的六个主要环节

    在短短的不到二十年的时间里,移动通信经历了从AMPS、NMT模拟移动通信,到D-AMPS,IS-94,GSM数字移动通信,再到第三代CDMA技术的发展过程。在移动通信技术的发展为生活带来方便的同时,也出现了多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的现象。以硬件为主的传统的通信体制难于适应这种局面,这些新标准由于射频载波频率和调制方式不同而限制了各种设备的互通和兼容,造成了资金浪费和重复投入。软件无线电(SDR,Software Defined Radio)技术能够解决这一问题。它是指多频段、多功能的无线通信系统(MBMMR,Multi-Band Multi-Mode Radio)。其主要功能主要由软件实现,是在通用的硬件平台上通过软件的不同算法,实时配置自己的信号波形、调制方式,提供不同的无线通信功能与业务。由于软件无线电的软、硬件便于升级,因而具有很强的适应性与兼容性。

    软件无线电技术,是多种技术的结合。按从前到后的顺序有:多频段天线技术、射频转换技术、宽带ADC和DAC、以及在通用可编程器件上实现中频信号、基带信号、比特流的处理等等。这一从前到后的顺序同时也是一个中频数字化的软件无线电的信号处理(接收时)流程。由于现阶段,A/D、D/A变换器取样率、数字信号处理能力的限制,大多数频段的RF变换部分还必须是模拟的。因此,只能在中频部分进行数字化。本文就以中频数字化的软件无线电为基础,讨论设计中的六个主要环节。  

第一、天线

    软件无线电的设计开始于天线。为了能够动态地接收多频段的射频信号(串行或并行),必须使用宽带天线。同时,要根据电波传播条件设计天线,使之具有一定的极化或方向图分集控制能力。智能天线是普遍被人们看好的一个解决方案。智能天线要实现所谓的智能化,就必须重点依靠算法,依靠软件来进行控制。它有以下优点:①减少接收到的多径信号的数量,降低衰落;②对接受到的多径信号进行最佳合并,充分利用多径信号的信息能量;③利用智能天线的较强的抑制多径干扰的能力,提高系统性能;④提高频谱的利用率。

    此外,智能天线的不少功能也是用数字的方法完成的,即采用各种DSP 技术,精确的测向、测频。因此它适合与多频段、多功能电台(MBMMR),即软件无线电台配套使用。在天线阵确定后,不同的准则或算法将导致不同的性能,软件无线电的模式开放结构使得可以在原有硬件条件下改善和更新智能天线系统。

第二、射频转换部分

    RF变换模块需要完成的任务包括:功率放大、接收预防大、RF信号与IF信号之间的变换。它的设计要使得下一步的ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)发挥最优性能。一个窄带超外差式接收机的射频部分与宽带软件无线电的射频部分相比有相似之处,但并不相同。宽带的软件无线电的射频部分要求:在滤波器的滚降特性的锐利程度受到损害的情况下,强调仍然能提供线性的功率放大。

第三、ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)

    ADC(模数转换器)和DAC(数模转换器)是软件无线电的关键部件之一,必须仔细地设计或选择。就性能指标而言,A/D变换器要求有较高的采样率与分辨率,以便在恢复时降低失真。除此之外,还要求大的线性动态范围,以减少互调失真,使接收的弱信号仍能在强的干扰信号中检测出来。它在移动通信中有远近效应时尤为重要。随频率和带宽的增加,采样速率和动态范围也将增大。

    在无线通信中,SNR(信噪比)与SFDR(无寄生动态范围)等技术指标也是非常重要的。SNR,它度量一个信号必须比噪声底值高多少,变换器仍能直接与分辨率有关。无寄生动态范围(SFDR),是度量变换器中的非线性误差源,用来评估强信号下A/D变换器同步检测弱信号的能力。而且往往是高速器件性能的限制因素。如果没有最高线性度,任何失真或谐波都会产生强信号的像频,而且这些像频与真正信号是难以区分的。 GSM系统的SFDR值要求达到91dB。

    在A/D和D/A器件上,一些产品已能工作在中频频段。如:AD6644是一种性能优良,具有14位分辨率、65MSPS抽样率的模数转换器,是继AD9042(12位,41MSPS)和AD6640(12位,65MSPS)之后,宽带ADC家族中的第三代产品。

第四、数字信号处理模块（DSP）

    在数字信号处理模块的实现上,基本的趋势为DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)和FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、ASIC(Application Specific Integra