軟件無線電在移動通信基站接收分系統(tǒng)中的實現(xiàn)

       所謂軟件無線電技術(shù)(Soltware Radio Technology)，就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)。

      在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的"數(shù)字/模擬"轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)。總之，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理(DSP)芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。

       軟件無線電技術(shù)是近年來隨著微電子及計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的無線電技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的基于ASIC的無線電技術(shù)，他具有靈活性、通用性強(qiáng)和升級方便等特點。他的技術(shù)核心是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步和芯片處理速度的不斷提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平臺上，利用軟件來完成以前用ASIC實現(xiàn)的多種數(shù)字信號處理的功能。

       軟件無線電采用開放式模塊化結(jié)構(gòu)，其硬件主要包括天線、射頻和基帶的模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換設(shè)備和以數(shù)字信號處理(DSP)為基礎(chǔ)的數(shù)字信號處理單元。在軟件無線電設(shè)備中所有的信號處理(包括放大、變頻、濾波、調(diào)制、信道編譯碼、信源編譯碼、信道和接口的協(xié)議、信令處理、加/解密、抗干擾處理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理等)都以數(shù)字信號的形式進(jìn)行。

       但是由于受寬帶天線、高速A/D及DSP等技術(shù)水平的限制，實現(xiàn)一個理想的軟件無線電平臺的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)在對軟件無線電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多的是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度地實現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用實踐中。

      2 寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)

      目前蜂窩移動通信系統(tǒng)的工作頻段一般在800～900 MHz和1 800～1 900 MHz兩個頻段?，F(xiàn)在的電子技術(shù)對如此高的頻率直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換是很困難的，比較可行的辦法就是對射頻信號進(jìn)行模擬下變頻，把高頻段信號搬移到頻率相對較低的中頻，然后再進(jìn)行數(shù)字化，也就是寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

       從圖1所示結(jié)構(gòu)可以看出，這種軟件無線電的射頻前端的預(yù)處理電路比較復(fù)雜，但是這種復(fù)雜是不可少的，他的主要功能是把射頻信號轉(zhuǎn)換為適合于A／D采樣的寬帶中頻信號或把D／A輸出的寬帶中頻信號變換為射頻信號。

     3 基于寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)的基站接收分系統(tǒng)模型

      如圖2所示，由天線接收到的上行信號，經(jīng)過了帶通濾波器濾除帶外信號后，再經(jīng)過放大和混頻，將無法對其進(jìn)行A／D采樣的射頻信號(800～900 MHz和1 800～1 900 MHz)轉(zhuǎn)換為中心頻率為f0，帶寬為B0(B0=20，25，60，75 MHz)的寬帶中頻信號，并且經(jīng)過中頻濾波器濾除鏡像頻率，再進(jìn)行中頻放大到A／D所需的足夠的信號電平，最后送到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字采樣。

       由此可見，圖2所示的軟件無線電基站前端電路的一個主要特點是寬帶化，即他將基站所需接收的整個上行頻段同時變換到中頻，實現(xiàn)寬帶處理。但是這樣就對A／D變換器的采樣速率和動態(tài)范圍等性能提出了比較高的要求，如采樣速率要高、動態(tài)范圍要大等。下面討論圖2中幾個關(guān)鍵參數(shù)(f0，fs，fι，B0)的選取問題。
 

      3.1 采樣頻率

       允許過渡帶混疊的頻譜圖如圖3所示，其中B0是中頻帶寬。根據(jù)矩形系數(shù)r的定義r一(2B＇0+B0)/B0可推導(dǎo)出濾波器的過渡帶B＇0為：

     由圖3可知，若要通帶內(nèi)的信號沒有混疊，則fs必須滿足下式：

 
      將式(1)代入式(2)可得：
 

       即：

      由式(3)可知，當(dāng)中頻濾波器的矩形系數(shù)r=2時，不同的中頻帶寬B0所需的采樣頻率fs也將不同。

      3.2 中頻頻率f0

      當(dāng)采樣頻率fs確定后，根據(jù)帶通信號的采樣理論，就可以確定中心頻率f0：
 

       式中n=0，1，2，…為整數(shù)，f0的選取除了滿足式(4)外，還有一個重要的原則就是要考慮互調(diào)產(chǎn)物以及本振的反向輻射。

       3.3 本振頻率fι

      本振頻率fι與中心頻率f0選取有關(guān)，由下式確定：
 

       式中fi為輸入信號的頻率，取"+"時采用高本振(fι>fi)，取"一"時采用低本振(fι

      3．4 中頻帶寬B0

      考慮到無本振反向輻射或無三階互調(diào)產(chǎn)物的要求和濾波器的矩形系數(shù)以及留一些富裕量，則有如下關(guān)系：
 

      4 多頻段基站接收分系統(tǒng)設(shè)計舉例

      由上面的推導(dǎo)可以設(shè)f0=5B0，則在800～900 MHz頻段(B0=20～25 MHz)'f0可取125 MHz；在1 800～1 900 MHz頻段(B0=60～75 MHz),f0可取375 MHz。如果2個頻段共用一個中頻，則f0的取值應(yīng)滿足后者，即337.5 MHz。這樣就可以根據(jù)下式來確定采樣頻率fs：

       由式(8)得，分別可以選取當(dāng)n=2和n=7時的2個采樣頻率270 MHz和90 MHz作為對1800～1900 MHz頻段和800～900 MHz頻段信號采樣的2個采樣頻率。多頻基站前端的組成框圖如圖4所示。本振頻率fL可以由式(5)，式(6)和輸入頻率確定。寬帶射頻信號經(jīng)過圖4所示的基站前端電路處理后，全部統(tǒng)一變換成為帶寬為B0、中心頻率為f0的中頻信號，然后經(jīng)后續(xù)的高速的A/D采樣后，送到由圖5所示的基頻軟件接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理。

       由圖5可見，A/D采樣信號首先通過2個正交本振cos(ωin)和sin(ωin)進(jìn)行正交數(shù)字下變頻把B0內(nèi)的信號Fi變換成2個正交基號X1(n)和XQ(n)。由于信號帶寬Bs相對于奈奎斯特(Nyquist)帶寬窄得多，所以可以對高采樣的基帶信號進(jìn)行抽取，以降低采樣頻率，便于后續(xù)信號處理。經(jīng)抽取濾波獲得的低采樣率基帶正交信號I(m)和Q(m)，再經(jīng)過如下變換：

      求出信號的φ(m)和瞬時頻率f(m)等特征參數(shù)，連同正交基帶分量I(m)和Q(m)共5個信號特征量送到后續(xù)的DSP進(jìn)行軟件解調(diào)、分析以及信號參數(shù)的估計、測量，最終輸出解調(diào)的信息比特流。

       5 結(jié) 語

       由上面的分析可知，通過基站接收天線感應(yīng)的移動通信上行信號經(jīng)模擬寬帶前端變換為中頻信號，再由高速的A/D進(jìn)行數(shù)字化和基站軟件接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字下變頻、抽取、濾波以及軟件解調(diào)，給出所需的解調(diào)信號比特流，最后送到基站控制器(BSC)進(jìn)行后續(xù)處理。