forever new代购:软件无线电技术专辑-数字信号处理技术在软件无线电中的应用

数字信号处理技术在软件无线电中的应用
夏　牧     [摘要] :初步探讨了宽带 A/ D变换、数字中频处理和高速 DSP等现代数字信号处理技术在软件无线电中的应用 ,根据器件的技术水平给出了具体的实现框图。
[关键词] :软件无线电 ;数字信号处理 ; A/ D变换 ; DSP;数字下变频
0　引　言
软件无线电 (Software Radio)是近几年才提出的一种新的无线通信体系结构 ,其基本思想是把硬件作为无线通信的基本平台 ,而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。
从软件无线电的技术实现来看 ,核心是在数字领域通过软件来实现各种无线通信功能。因此 ,决定性的步骤就在于将 A/ D, D/A变换器尽量向射频端靠拢 ,从目前的技术发展水平来看 ,应用宽带或多频段天线 ,将整个中频频段作 A/ D变换 ,中频之后的整个处理都用通用可编程数字器件和软件来实现 ,原理如图 1所示。
可看出 :这样一个系统中 ,数字信号处理部分是非常关键的 ,这就对高速 A/ D变换器 ,高速 DSP和数字中频处理以及 CPU等从设计到实现等诸环节都提出了很高要求 ,下面分别讨论。

1　A/ D部分
软件无线电接收的射频信号经射频前端的处理后 ,变成宽带中频信号。从现有的技术和器件水平来看 ,只能在中频对模拟射频信号进行量化处理 ,使之成为数字信号 ,这样一来 ,对 A/ D变换器的要求主要是采样速率和采样位数。
采样速率主要由信号带宽决定 , 2倍于信号带宽的采样速率只有理论意义 ,一般实用中至少应大于 2 . 5倍的信号带宽。采样速率高 ,会带来额外的信噪比增益 ,参考文献 [1 ]中指出 :SNR =6.0 2 B+1 . 76+1 0 lg(fs/ 2 fmax) ,其中 :fs是采样速率 , B是量化比特位数 , fmax为信号的最高频率。可见在 B一定的情况下 , fs每增加一倍 ,能带来 3 d B的 SNB增益。当然 fs也不能太高 ,因为还必须考虑到采样后系统和 A/ D变换器的处理能力。 A/ D变换器的位数则必须满足一定的动态范围要求及数字处理部分的精度要求 ,表 1给出了目前用于通信领域的几种 A/ D转换器的主要技术指标 ,从中可以看出 :一般 80 d B的动态范围 ,分辨率不小于 1 2位。

软件无线电在中频段对信号进行 A/ D转换 ,要求动态范围应在 60～ 80 d B之间 ,因此 , AD90 42和 AD6640比较合适 ,它们在宽带接收机中的典型应用如图 2所示。

AD6640是为宽带和多信道数字无线接收机而推出的 1 2 bit中频快速采样 ADC,其温度范围为 -40～ 1 85℃。
AD6640的高采样速率为“软件无线电”提供了新的机遇 ,采用一个 ADC将整个输入频段内的信号数字化 ,使设计者能够用一个宽带、多信道采样器来取代多个模拟前端。AD6640的应用范围十分广泛 ,从 CDMA, GSM及第 3代移动通信系统蜂窝 / PCS基站接收机到 GPS抗干扰接收机 ,相位阵接收机和其它类型的话音和数字通信接收机都可采用 AD6640芯片作为 ADC。
D6640芯片可提供高达 65MSPS的采样速率 , 80 d B的 SF-DR,它的所有差分模拟输入阶段具有 3 0 0 MHz输入带宽特征 ,直接采样的中频频率可高达 70 MHz(多信道时 )和 2 0 0 MHz(单道信时 )。

AD6640的功能模块图如图 3所示。由图 3可以看出 ADC所有需要的功能 ,包括输入缓冲 ,跟踪保持放大 ,数字纠错以及 2 . 4V参考电压都由芯片来提供。

采用 AD6640芯片作为一个典型宽带无线接收机的 ADC将简化接收机子系统的设计。其模块图如图 4所示。该模块包括宽带IF滤波、放大、ADC、锁定、分信道和 DSP接口。
2　数字下变频部分
数字下变频 (DDC)是 A/ D变换后首先要完成的处理工作 ,包括数字下变频、滤波和二次采样。一般认为要进行较好的滤波处理 ,需要每采样点 1 0 0次操作 ,对于一个系统带宽为 1 0 MHz的系统 ,采样率大于 2 5MHz,这就需要 2 50 0 MIPS的运算能力 ,即使用并行处理算法 ,也需要多个高性能 DSP。从现有关于软件无线电的文献中 ,都认为以现有 DSP的水平 ,将这部分工作交由专用可编程芯片来完成是合适的 ,如美国“Speakeasy”软件无线电中使用 Harris公司的 DDC芯片 HSP50 0 1 6。
HSP50 0 1 6的最大输入速率为 52 MSPS, 1 6bit数据输入 ,能提供大于 1 0 2 d B的无失真动态范围 (SFDR) ,通带波纹小于 0 . 0 4d B,阻带衰减大于 1 0 4d B,二次采样率从 64～ 1 3 1 0 72 ,能方便地通过改变各种控制参数来改变信道的中心频率、带宽和二次采样率 ,图 5给出了 HSP50 0 1 6的结构框图。

HSP50016用于下变频的频谱原理见图 6,设 DDC的输入信号为 X(n) =cos(ωkn) ,正交正弦信号发生器的信号为 e- jωcn ,则
相乘结果为 :
U(n) =X (n) . e- jωcn =X (n) [cos(ωcn) -jsin(ωcn) ]=12 [cos(ωk-ωc) n +cos(ωk +ωc) n]-12 j[sin(ωk +ωc) n -sin(ωk -ωc) n]
低通滤波后 ,
W(n) =12 [cos(ωk-ωc) n +jsin(ωk -ωc) n]

用 HSP50 0 1 6实现的下变频电路如图 7所示。图中A/ D输出的 1 2位数据接至DDC的高 1 2位 (即 DATA1 5～ 4) , DATA3～ 0接地。表 2给出了这种应用的控制字设置 ,此时抽取率为 64,无测试功能 ,故控制字 CW0和 CW7全为 0。


目前 , Harris公司推出了性能更加优越的 HSP50214作为DDC,见文献 [3 ],这里不再赘述。
3　高速 DSP部分
经过 DDC后信号一般为 1 0 k Hz至数 1 0 k Hz的窄带有用信号 ,这时用高速 DSP可以完成调制 /解调、编 /解码、加 /解密、扩频/解扩频等处理。高速 DSP部分可采用目前先进的共享存贮器方式的并行多处理器结构 ,如 TI公司的多芯片模块 (MCM) ,它以 4
片 TMS3 2 0 C40为核心 ,性能达到每秒 2亿次 MFL OPS、每秒 1 1亿次 GOPS和每秒 3亿字节的 I/ O,整个模块有 4MB全局SRAM、每片 C40还拥有 1 MB局部 SRAM和 3 2 KB的局部 E-PROM,单片 C40与其自己的全局 SRAM以 0等待周期传送数据 ,与其它全局共享 SRAM传送数据要有 1个等待周期 ,与自己的 EPROM传送数据则需要 3个等待周期。现在 TI公司又推出了性能更为优越的 TMS3 2 0 C6X系列。

根据参考文献 [4],由 4片 TMS3 2 0 C40组成的多芯片模块与主计算机 XDS-51 0及与 VME总线的联接如图 8所示。
4　软件无线电的硬件平台
软件无线电对硬件平台的要求是通用性好、可靠性高 ,一个高度灵活的宽带软件无线电硬件平台 ,应把先进的路由技术和 DSP系统技术融入硬件的设计之中 ,高速的转接单元允许数字信号与DSP有任意的对应关系 ,这样 ,多个通道的数据可以集中起来送进一个处理器 ,也可以令一个通道的数据发送到多个处理器 ,由于传送 ,接收信号的路由是任意可变的 ,设计人员可在同一平台上方便地设计出符合各种通信规程协议和多种工作波形的通信系统。图 9为一个单信道系统 ,系统由分立的 CPCI或 VME总线的DSP模块、数字收发板、网络接口卡、高速转接单元和软件组成。

4. 1　网络接口
本模块提供了与外部系统的通信方式 ,接口可以是 T1 / E1之类的标准接口 ,也可以是一个用户自定义的接口。

4. 2　处理器模块
处理器模块如图 1 0所示 ,采用 4个通用 C6X甚长指令字(VLIW) DSP,每个 DSP有最多 1 6MB一等待同步动态存储器(SDRAM)和 51 2 KB零等待同步簇发静态存储器 (SBSRAM) , 4
个 C6X能提供 6. 4GIPS的处理能力。每个 C6X的主机接口联至一个高度集成化的接口 ,这个接口包括一个总线桥 ,允许 DSP与本地或主机 PCI总线上的资源之间数据高效地传输。 PCI/ PCI桥作为中断信号发生器和 DMA,支持主机控制数据传输。 MPC860 Power QUICC处理器则用于实时板上控制、信令和管理。
4. 3　数字收发器模块
该模块是一个全双工宽带数字收发器 ,如图 1 1所示 ,与处理器模块组合可以构成一个软件无线电方案 ,能支持包括 AMPS,TDMA, GSM和 CDMA等各种无线通信协议。
该模块与处理器模块联接 ,收发的数据、控制状态字等均映象到处理器模块的存贮空间中 , DSP可以完全控制该模块 ,带有的软件库可以用于配置、控制该模块 ,完成数字收发功能 ,该软件库还提供用于该模块与 DSP通信的驱动程序。
该模块将 70 MHz的中频信号欠采样并数字化 , Harris的HSP50 2 1 4数字接收芯片通过数字方式将此信号移到基带并滤波、抽取 ,得到采样率降低后的基带 I& Q信号 ,这个基带数字信号经 PMC接口传送到 DSP处理器模块作进一步处理。
发送数据方式与上述的接收方式刚好相反 , Harris的HSP50 2 1 5数字发送器将处理器模块送来的数字信号上变频到1 0 MHz中频 ,并通过 DAC转化为模拟信号 ,经滤波后再调制到70 MHz中频上。

4. 4　软件
应用软件无线电的通用开发平台 ,要求能有一套完备的软件来支持。为此 ,软件无线电的软件应支持各硬件模块的控制 ,支持各种 DSP芯片以及主机平台和高级开发工具 ,可以用于开发标准和非标准的通信协议。这些软件一般应包括 :
1系统软件 (高层 )
· Framework Architecture for computing Telephony(FACT) ;
· Digital Transceiver Configuration;
· High speed switching Fabric Manager.
2板组软件 (低层 )
· Bout code, Board Support L ibraries;
· Drivers.
5　结束语
软件无线电很有可能成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后 ,无线通信领域的第 3次革命 ,国外近几年正在加紧研究 ,我国也将软件无线电列入“863”通信高科技项目中 ,也在积极开展研究。但这是一个中长期研究项目 ,需要将许多技术 (并行 DSP处理、总线 I/ O技术和软件技术等 )综合起来 ,要有很强的综合实力。