基于FPGA的通用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)中頻軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)

?? 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(wú)線通信技術(shù)從數(shù)字化走向軟件化。軟件無(wú)線電的出現(xiàn)掀起了無(wú)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(wú)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(lèi)、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(lèi)型和功能的無(wú)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(lái)定義無(wú)線功能[1]。

軟件無(wú)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(wú)線設(shè)備間的互連互通，而且還可以現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)新波形。在商業(yè)方面，可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和降低運(yùn)營(yíng)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(wú)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(guò)PC機(jī)下載軟件，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了軟件無(wú)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(wú)線電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件無(wú)線電賦予了無(wú)線電臺(tái)多種特性。如圖1所示，軟件無(wú)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(wú)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(lái)處理。中頻處理包括：用來(lái)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(lái)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(wú)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(wú)線電實(shí)現(xiàn)方案的研究

典型的中頻軟件無(wú)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(kāi)放性。

圖2中的數(shù)字信號(hào)處理模塊用來(lái)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(wú)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(kāi)發(fā)環(huán)境；實(shí)現(xiàn)在線/離線開(kāi)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(wú)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(wú)線電的核心部分。軟件無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)大量的無(wú)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(wú)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(wàn)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）?，F(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)。