一種實現VEM總線結構的軟件無線電方案

摘要：為了解決無線電通信領域內多體系并存、不同體系間無法制訂統一標準等問題，在介紹了軟件無線電提出的背景、硬件系統結構和軟件系統結構的基礎上，采用WiMAX802．16技術給出了一種實現VEM總線結構的軟件無線電基站方案，以便滿足用戶在任何時間、地點的通信需求。研究了其對多種軟件無線電標準的適應性，能夠覆蓋多個頻段，能進行軟件重構和復用。
關鍵詞：數字信號處理；軟件無線電；基站；VEM總線；WiMAX802．16

1992年5月，MMTRE公司的Joe．Mitola首次明確提出了軟件無線電(SDR)的概念。其中心思想是構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，使A／D和D／A轉換器盡可能靠近天線，將接收機的各種功能(如變頻、濾波、加密解密、擴頻和解擴等)用軟件來完成，以研制出高度靈活和開放的無線電通信系統。文中主要利用該系統的核心技術，利用了高速、高精度ADC和DAC、可編程ASIC和DSP等來構造功能強大的軟硬件平臺，并通過選用和不斷開發新的軟件模塊來滿足多種通信需求。提高無線電通信設備接收和處理信號的能力，縮短新型無線電通信設備的開發周期，延長其使用壽命。

1 器件技術簡介
隨著電路技術和器件技術的不斷發展，如寬帶高速A／D／A、寬帶大動態接收機、高速DSP、現場可編程門陳列(FPGA)、高溫超導等，使軟件無線電的研究工作能在這些新器件的推動下取得新的突破。
1．1 寬帶模數轉換器(ADC)
決定寬帶模／數性能的關鍵是采樣速率和位數，采樣速率由信號帶寬決定，量化位數則要滿足一定的動態范圍和數字信號處理精度。A DC的分辨率越高(位數越多)，需要轉換的時間就越長，轉換速率就越低，兩者相互制約。高速ADC的結構主要采用全并行或閃爍型ADC；而高分辨率ADC主要采用∑-△結構。軟件無線電中，在達到高速ADC的同時，兼顧高分辨率；同樣，在達到高分辨率的同時，也要兼顧高速。具體應用時，還要考慮功耗、功能以及與外圍其它電路的接口等。因此，在軟件無線電的發展初期采用的ADC為AD9042，目前則有性能更為優越的AD6640。
1．2 數字下變頻器(DDC)
數字下變頻器(DDC)是A／D變換后首先要完成的處理工作，包括數字下變頻、濾波和二次采樣，由合成器、正交混頻器、低通濾波器和輸出格式化器組成，是整個系統數字處理運算量最大的部分。DDC的主要功能是從寬帶輸入中提取出所需的窄帶頻段，并將該窄帶頻段變換到基帶，以正交或實信號形式輸出。窄帶提取由下變頻和將有用頻帶中置到數據載波完成。即由正交正弦信號乘以輸入數據完成下變頻，同相(I)和正交(Q)處理支路都由高抽取濾波器(HDF)和FIR濾波器級聯組成，用來提取有用頻段。輸出格式化器對濾波器的輸出進行整形，以提供各種串行數據格式。這部分的工作由專用可編程芯片完成，如美國Harris公司的HSP50016和HSP50214。
1．3 高速DSP
軟件無線電中，單片的DSP尚不能滿足處理速度和容量的要求，必須采用多芯片并行處理。目前已商業化的產品如TI公司的TMS320C40(第一代并行DSP)，AD公司的ADSP2106X為可并行擴展的超級哈佛指令計算機(SHARC)，這種芯片內四套獨立的總線，可完成雙向數據存取、指令存取、非指令性I／O，而且可方便地構成多片并行的處理系統。另外，90年代中后期TI公司的TMS320C6X系列，也是專門為并行處理而設計的。TMS320C6X系列的主要特點是采用了甚長指令字(VLIW)的體系結構。該結構中，多個功能單元是并發工作的，所有的功能單元共享使用公用寄存器堆，由功能單元同時執行的各種操作是由VLIW的長指令來同步的，把長指令中不同字段的操作碼分別送給不同的功能單元，這種代碼壓縮是由編譯器完成的。開發工具在提供DSP系統的性能方面也起著重要的作用。

2 硬件體系結構
2．1 流水線結構
Joe．Mitola提出的理想軟件無線電結構如圖1所示，是一種流水線結構，包括天線、多頻段射頻、RF轉換、寬帶A／D和D／A轉換器以及DSP處理器等。理想軟件無線電要求將A／DD／A盡量向RF靠攏，同時，用高速DSP／CPU代替傳統的專用數字電路和低速DSP／CPU做A／D后的一系列處理，從而建立一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現不同的通信功能。