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軟件無(wú)線電及其實(shí)現(xiàn)方案
江蘇省邗江中等專業(yè)學(xué)校 馬秋 徐正來(lái) 2013/11/18 18:50:27
摘 要：本文介紹軟件無(wú)線電技術(shù)，并分析了實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的關(guān)鍵，給出了基于目前器件技術(shù)水平的中頻軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的最佳方案，最后指出軟件無(wú)線電技術(shù)的美好前景。
關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電、FPGA、DSP、實(shí)現(xiàn)方案
一、軟件無(wú)線電技術(shù)
軟件無(wú)線電是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)及微電子技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種是全新的無(wú)線電技術(shù)。1992年，約瑟夫•米托拉首次提出了“軟件無(wú)線電”的概念。軟件無(wú)線電就是將寬帶模數(shù)變換器(A/D)及數(shù)模變換器(D/A)盡可能地靠近射頻天線,建立一個(gè)具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺(tái),在這個(gè)硬件平臺(tái)上盡量利用軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能模塊。軟件無(wú)線電技術(shù)打破了有史以來(lái)設(shè)備的通信功能的實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局。因?yàn)楦偷某杀�、更大的靈活性和更高的性能，已迅速應(yīng)用到軍事、公共安全和商用無(wú)線等領(lǐng)域。
二、軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)及其現(xiàn)行解決方案
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1所示，其中包括A/D變換器、D/A變換器、數(shù)字信號(hào)處理模塊和PC機(jī)，其中PC機(jī)具有良好的人機(jī)接口，可以完成如初始化系統(tǒng)；提供軟件開發(fā)環(huán)境；實(shí)現(xiàn)在線/離線開發(fā)應(yīng)用軟件；下載軟件到數(shù)字信號(hào)處理模塊的功能。
圖1 中頻軟件無(wú)線電的通用硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)
數(shù)字信號(hào)處理模塊是軟件無(wú)線電的核心部分。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。目前用于數(shù)字信號(hào)處理的器件有三種：ASIC，F(xiàn)PGA，DSP。
ASIC即專用集成電路，它的優(yōu)點(diǎn)是速度高、體積小以及低功耗，缺點(diǎn)在于可編程能力較弱。
FPGA具備現(xiàn)場(chǎng)可編程能力，速度高，適合處理順序邏輯，功耗較低；缺點(diǎn)在于處理復(fù)雜算法時(shí)程序設(shè)計(jì)難度大。
DSP也具備可編程能力，其特殊的硬件結(jié)構(gòu)非常適合數(shù)字信號(hào)處理算法，且程序設(shè)計(jì)相對(duì)于FPGA要容易；缺點(diǎn)在于功耗高，速度較低，也不適合比特流的順序處理。目前實(shí)現(xiàn)中頻軟件無(wú)線電系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法有：
1、采用多個(gè)DSP組成樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并行處理數(shù)據(jù)流，但這種方法最大的弊端是系統(tǒng)體積大、供耗高、成本高。
2、ASIC +DSP組合結(jié)構(gòu)，DSP僅進(jìn)行較低速的數(shù)字信號(hào)處理，而把數(shù)字上/下變頻等高速、大運(yùn)算量的處理移嫁給可有限編程的參數(shù)化ASIC來(lái)完成。此法受可編程的限制，難以體現(xiàn)軟件無(wú)線電所要求的靈活性和開放性；并且對(duì)于支持更多的模式和頻帶，也將使ASIC的個(gè)數(shù)隨之增加。
基于對(duì)運(yùn)算能力和可編程能力的考慮，目前比較優(yōu)越的方法是DSP+FPGA組合結(jié)構(gòu)。FPGA實(shí)現(xiàn)大計(jì)算量的信號(hào)處理數(shù)據(jù)通道和控制，讓系統(tǒng)延遲最小，而DSP處理器則完成基帶處理的算法實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)從一種標(biāo)準(zhǔn)切換至另一種標(biāo)準(zhǔn)。具有體積小、功耗小、現(xiàn)場(chǎng)可編程能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可完成數(shù)字上/下變頻、濾波、調(diào)制/解調(diào)、擴(kuò)頻/解擴(kuò)、載波以及PN（偽隨機(jī)碼）的同步和跟蹤等功能。
三、采用FPGA實(shí)現(xiàn)中頻軟件無(wú)線電的方案
圖2為所實(shí)現(xiàn)的中頻軟件無(wú)線電系統(tǒng)框圖。主要由A／D轉(zhuǎn)換及DDC模塊、D／A及DUC轉(zhuǎn)換模塊、DSP信號(hào)處理模塊、PCI總線接口、FPGA高速數(shù)字傳輸、存儲(chǔ)器等幾部分組成。
圖2 系統(tǒng)總體框圖
1 、D/A和A/D轉(zhuǎn)換器
D/A和A/D轉(zhuǎn)換器分別把中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。D/A變換器和A/D變換器的選擇，直接關(guān)系到軟件無(wú)線電的總體性能。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)的要求，綜合考慮D/A變換器和A/D變換器的各方面性能，做出選擇。
DAC選用AD公司的AD9857。AD9857是一種單片混合信號(hào)的14位積分?jǐn)?shù)字上行轉(zhuǎn)換器，集成數(shù)字上變頻DUC功能與DA轉(zhuǎn)換功能的DDS芯片。具有200 MHz內(nèi)部時(shí)鐘速度，內(nèi)部32位正交DDS，可實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制功能；14位DDS和DAC的數(shù)據(jù)路徑結(jié)構(gòu)，可接受復(fù)合I／Q輸入數(shù)據(jù)。選擇ADC時(shí)，需要考慮其采樣頻率、帶寬、轉(zhuǎn)換位數(shù)和SFDR。在此，ADC選用AD公司生產(chǎn)的AD9042。AD9042是高速、高性能、低功耗的單片12位模/數(shù)變換器。
2. 數(shù)字信號(hào)處理模塊
信號(hào)處理模塊由FPGA 和DSP組成，DSP完成復(fù)雜算法的計(jì)算，而FPGA完成路徑選擇、工作配置等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的工作。經(jīng)信號(hào)處理模塊處理后的數(shù)字信號(hào)送到數(shù)字上變頻及抽取濾波處理模塊，經(jīng)處理后再送到高速DAC傳送給發(fā)射系統(tǒng)。輸入的模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)（未完，下一頁(yè)）
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