系統(tǒng)解讀無線通信之SDR和CR

　　美國國家半導(dǎo)體(現(xiàn)在是德州儀器)最近發(fā)布的ADC12Dxx00RF的采樣速率可以達到3.6 Gsamples/s(請參見www.electronicdesign.com網(wǎng)站上的“ADCs Sample RF Directly”一文)。這款雙通道12位ADC可與時鐘相移配合使用，實現(xiàn)交叉或交替通道采樣，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換。DAC采樣速率正緊跟這種趨勢。

　　快速轉(zhuǎn)換必不可少，而DSP也必須足夠快才能夠跟得上這種速度。由于大多數(shù)處理器都能夠輕松地跟上這種速度，因此這不是問題。當(dāng)然，雖然軟件定義無線電是軟件，但仍然需要以多種形式實現(xiàn)的硬件。

　　比如，你可以編寫在通用處理器(GPP)上運行的程序。由于某些算法需要在大多數(shù)GPP上難以處理的數(shù)學(xué)程序，因此這可能不是一個最佳方案。不過，大多數(shù)PC中使用的英特爾(Intel)或AMD雙核處理器如今在某些應(yīng)用中表現(xiàn)非常出色。某些GPP還有一些特殊指令，比如DSP算法中常用的乘和累加函數(shù)。

　　你還可以使用專為處理信號處理代碼而設(shè)計的DSP。這種DSP擁有特別的架構(gòu)(通常是Harvard架構(gòu))、內(nèi)存以及可以提高DSP的處理速度的算術(shù)邏輯單元(ALU)指令集。

　　德州儀器(TI)的C5000和C6000等暢銷DSP系列已經(jīng)在業(yè)界使用了多年。ADI和飛思卡爾(Freescale)也有通用DSP產(chǎn)品。就像處理器一樣，DSP是完全可編程器件，因此它們在將來可能需要更改、增加和更新的應(yīng)用中具有極高的靈活性。如今，時鐘頻率高達1GHz的DSP非常普遍。

　　越來越多的軟件定義無線電設(shè)計正在使用FPGA。快速傅立葉變換(FFT)等信號處理算法可以縮減成數(shù)字邏輯，并且能夠在GPGA中快速實現(xiàn)。由于FPGA成本已經(jīng)穩(wěn)步下降，因此FPGA已經(jīng)成為DSP的主要替代方案。FPGA比具有某些功能的某些其它處理器更快，并且仍然具有重編程序的靈活性。Altera和賽靈思(Xilinx)公司的FPGA支持軟件定義無線電。

　　最后，硬邏輯在如今也非常普遍。在實現(xiàn)蜂窩無線電規(guī)范等固定標(biāo)準(zhǔn)時，靈活性或重編程序的能力并不是必不可少的。因此，可以在固定的片上邏輯中實現(xiàn)各種算法。這種邏輯塊的速度更快，占用的芯片面積更少，并且可以大幅降低功耗。這種邏輯塊一般稱為加速度計。

　　許多蜂窩手機基站IC(比如TI的TMS320TC6614系統(tǒng)級芯片(SoC))就是使用加速度計的例子。圖5顯示了具有ARM GPP和四個66x通用浮點DSP內(nèi)核的6614。請注意右邊的加速度計邏輯。大多數(shù)第1層的加速度計都使用DSP算法來實現(xiàn)各種軟件定義無線電功能。

　　圖5：TI的TMS320TC6614是一款用于實現(xiàn)微微基站、微基站、地鐵基站和其他小型基站的片上基站IC。所有的基帶功能都在這顆芯片上進行。RF電路為外部電路。請注意右邊的硬件加速度計，該加速度計采用硬連線邏輯加快許多DSP軟件定義無線電功能。

　　真正的SDR收發(fā)器

　　目前已經(jīng)開發(fā)出了許多用于聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)下的軍事應(yīng)用的軟件定義無線電。這個美國國防部的計劃旨在開發(fā)一整套用于語音、數(shù)據(jù)和視頻的軟件定義無線電，從而用來實現(xiàn)戰(zhàn)場上的自組網(wǎng)絡(luò)。此計劃從上世紀(jì)90年代末期就已經(jīng)開始實施，十多年來已經(jīng)取得了相當(dāng)快的進展。

　　JTRS系統(tǒng)的整個基礎(chǔ)是軟件通信架構(gòu)(SCA)。這種開放架構(gòu)的平臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了硬件和軟件配合工作的方式。其中一個主要目標(biāo)是開發(fā)可在不同硬件平臺之間全面轉(zhuǎn)換的軟件，從而使所有的軍事無線電都具有多功能和互操作性。

　　最近發(fā)布的最新版本SCA 2.2.2進一步提高了程序員的能力，從而提高了軟件的靈活性和可擴展性。SCA Next軟件有助于減小程序規(guī)模和減少測試工作。

　　軟件通信架構(gòu)沒有提供具體的認識功能。不過在過去幾年里，美國國防高級硬件規(guī)劃局(DARPA)一直在對軟件通信架構(gòu)的認知增強功能進行測試，比如動態(tài)頻譜接入功能，該功能有望在即將發(fā)布的下一代JTRS無線電中實現(xiàn)。

　　泰雷茲通信(Thales Communications)的AN/PRC-148 JTRS增強型多頻帶內(nèi)部/外部團隊無線電覆蓋從30MHz至512MHz的所有HF、VHF和UHF軍用頻率(圖6)。功率輸出的選擇范圍為0.1W至5W。提供各種模式和波形。

　　認知無線電

　　認知無線電(CR)進一步擴展了SDR的定義，它包含為無線電提供智能的功能。無線創(chuàng)新論壇(Wireless Innovation Forum)將認知無線電定義為“通信系統(tǒng)可感知其環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)，并且能夠根據(jù)無線電工作行為和預(yù)定義的目標(biāo)作出有關(guān)該信息的決策的無線電。環(huán)境信息可能包含也可能不包含與通信系統(tǒng)相關(guān)的位置信息?！?/p>

　　認知無線電有時候也稱為自適應(yīng)無線電，這種無線電可以通過自動調(diào)整其行為或操作來實現(xiàn)具體的目標(biāo)。它們可以感測、了解和調(diào)整。它們具有可存儲用于各種不同情況的指令的內(nèi)存。借助存儲的有關(guān)其自身功能的知識，這些無線電可以進行自行決策。

　　認知無線電還可以訪問外部數(shù)據(jù)庫，以獲得額外的決策智能。它通過偵聽通道進行感測，從而評估是否存在其他信號、其特性和噪聲背景。認知無線電還可以根據(jù)經(jīng)驗來了解情況。認知無線電借助已經(jīng)獲得或能夠訪問到的所有知識而成為超級智能無線電。

　　發(fā)射器(TX)和接收器(RX)是具有各種適用波形和所有相關(guān)軟件定義無線電軟硬件的全面捷頻軟件定義無線電(圖7)。獨立的認知處理器引擎運行無線電的各種認識功能。該引擎從RX和TX獲取輸入(M)，以監(jiān)控其狀況和參數(shù)。它通過這些輸入以及其他輸入進行決策。

　　圖7：典型的認知無線電中的發(fā)射器和接收器都是捷頻軟件定義無線電裝置。認知處理器通過來自策略內(nèi)存的輸入、外部數(shù)據(jù)庫和GPS位置信息(某些情況下)管理認知過程。

　　其他輸入來自存儲在內(nèi)存中的策略指令，這些指令定義在不同情況下的工作方式。還可以訪問外部數(shù)據(jù)庫。一些認知無線電裝置通過GPS獲取位置信息。然后進行決策，并將控制(C)發(fā)布至無線電，從而達到理想的結(jié)果。