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1、移动通信 2002 年第 10 期1软件无线电及其在第三代移动通信中的应用邓军华钟兵郑建宏重庆邮电学院移动中心摘要 ：本文介绍了软件无线电的概念、特点、关键技术及其在第三代移动通信系统中的应用。1 软件无线电的概念及特点软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能通过一个通用硬件平台（比如用总线方式连接），再通过软件加载的方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种开放式结构。要实现它，数字化硬件平台是基础，软件可编程可重复使用是核心，实现多波段、多体制、多制式、通用式接收才是目的。移动通信中通信体制、制式、频段的频繁更换（比如移动通信特别是目前研制的第三代移动通信中，业务的多媒体性、信道的时变性、通信
2、体制的多样性以及与第二代移动通信体制的兼容性等等）大大促进了软件无线电技术的产生和发展。随着经济的全球化，信息技术全球化是必然的发展趋势。信息全球化要求统一频段、统一制式、统一体制，这就需要采用软件无线电来实现互连互通。数字无线电的数字化进程是从基带的终端设备开始，逐步向中频、射频推进，逐步实现通信系统全部数字化的目标。硬件设备的数字化是以专用集成电路ASIC 芯片为基础来实现的， 实现数字化硬件平台的器件是以数字信号处理器件DSP 和现场可编程器件FPGA 为主体。 DSP 和 FPGA 的引入，大大增强了硬件平台的软件可编程和可重复利用的能力。由于软件所具有的灵活、廉价等特点，在软件无线电
3、通信系统中可以实现多种通信协议的兼容，便于通信技术的升级，因而使无线通信的实现具有极大的灵活性和开放性。软件无线电的基本思想有两点：第一是将A/D/A （模 /数/模 转换）尽可能靠近天线端；第二是用软件完成尽量多的无线电功能。软件无线电有模块化、标准化、开放性、实现灵活、软件升级、系统配置灵活等优点，因而广泛的应用在第三代移动通信系统中。2 软件无线电中的关键技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 移动通信 200
4、2 年第 10 期2软件无线电按照功能划分可以分为三大部分：射频处理部分、中频及基带处理部分以及控制管理和支持部分。图1 给出了软件无线电的关键模块图：多波束天线阵多频段 RF 转换宽带 A/D/A 转换中频处理调制比特流处理网络比特流处理解调中频处理高级控制图 1 软件无线电系统的关键模块典型的软件无线电系统根据功能及自身特点的不同，可以划分为如下几个关键技术模块：多波束智能天线、射频转换、模数转换、数字中频处理和基带和比特流处理，下面对每一部分的特点和技术逐一进行介绍。2.1 多波束智能天线智能天线就是在基站端使用自适应的天线阵，并运用可靠的自适应算法，达到提高信噪比、增大系统容量的目的。
5、将智能天线运用到软件无线电系统中，可以提高系统的增益。理想的使用智能天线的软件无线电系统使用的是由P 个全向天线组成的天线阵。对应于每一个天线阵元，都有一套下变频器和宽带A/D/A 采样器。接收信号通过下变频器将射频信号搬移至中频，再通过宽带A/D 采样形成数字信号。此信号经过信道分离，分别得到Q 个信道的信号。也就是说，每个信道都包含有P个天线阵元接收到的信号，这样就可以利用自适应波束形成算法对接收信号进行处理。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 -
6、 - - - - - - - - 移动通信 2002 年第 10 期3每个信道独立使用一个波束形成模块，比如信道1 的波束形成器是将P 个天线阵元接收到的信道1 的信号通过自适应的调整波束形成算法中的加权矢量合并，从而得到一个最佳的接收信号，提高接收信号的质量，有效的抑制干扰，增加系统容量。2.2 射频转换射频段应具有接入多个波段甚至覆盖全波段功能。它具有频率高、 带宽宽两大特点，比如对于GSM，应工作于900MHz 的高频段，占有带宽25MHz 。显然在这样高频率和如此宽的带宽下直接进行数字化处理，目前器件还不具备条件，只能靠传统的高频模拟器件的硬件设备来完成射频段的主要功能。射频段主要包括
7、模块化通用化收发双工技术、多倍频程宽带低噪声接收放大器技术、线性高功率放大器技术、宽带上/下变频器技术。2.3 模数转换由于在射频段直接取样进行数字化处理，在目前条件下几乎不可行，所以一般将射频信号进行一次或两次混频搬至几十兆赫的中频段，再进行 A/D/A 变换进行数字化处理。目前的器件水平已可以达到在几百兆赫的取样率，因此完全可以在中频取样并实现数字化处理。由Nyquist 抽样定理我们知道，对带限信号的采样率必须大于信号带宽的2 倍。实际系统中通常采用过采样来抗频谱混叠，一般要求A/D/A 的采样率大于2.5 倍的中频数字化带宽，采样信号动态范围取80dB，采样精度不低于12 位。 A/D
8、/A采样器的原理框图如图2 所示：模拟输入去数字信号处理抗 混 叠滤波器采样保持量化器缓冲器时钟图 2 A/D 变换器原理图图 2 中的抗混叠滤波器的目的是将进入A/D 变换器的模拟信号变为带限信号，这样才能保证信号频谱不发生混叠。为了满足宽带多波段模拟信号数字化，往往将模拟信号按波段划分，对每个波段模拟信号进行带通取样，也可以采样并行取样的方式降低取样率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 移动通信 2002 年第
9、 10 期42.4 中频处理数字中频处理就是将信道提取出来，并经过抗混叠中频数字滤波和数字下变频的处理，将这个信号转换到基带，然后进行基带的数字信号处理。数字下变频的任务是将A/D输出的含有多路信道的高速数字信号进行信道划分和提取，包括变频、滤波和降采样等处理。数字上变频是其逆过程。实现上下变频所要求的运算量很大，是系统实现中最困难的部分。在移动通信系统中，基站和移动台在中频处理部分面临的问题和采用的技术不完全相同。由于基站一般要求同时处理多个来自不同频带的信号，因此，理想的方式是采用宽带接收机，利用多速率信号处理技术来提高计算效率，例如使用基于FFT 的信道划分技术来提取所有信道。对于移动台
10、和手机，由于只接收自身的一路信号，因此一般可采用专用器件来实现数字下变频，如Harris 公司的 HSP50214B 等。2.5 基带和比特流处理基带和比特流处理主要完成单一信道信号基带可编程处理，包括调制解调、编码译码、交织去交织、扩频解扩、加密解密、信源编码解码、信道均衡定时与同步等。这部分要求具有高度的可编程、可重新配置等特点，我们可以将DSP、FPGA 和通用 CPU 结合使用来进行基带和比特流处理。3 、软件无线电在第三代移动通信系统中的运用第三代移动通信系统兼容第二代移动通信系统，要求实现多种网络的综合，为用户提供全球无缝覆盖，提供高速数据业务和多媒体业务。对于通信终端来说，它面对
11、的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端。软件无线电能够有效的解决多频多模式多业务的终端问题，它在第三代移动通信系统中的应用如下：3.1 智能天线与多用户检测的软件无线电实现其中包括DOA（来波方向） 的估计， 每射频信道权重因子的计算和天线的波束赋形。当前的软件无线电多用户检测器研究尚处于功能实现阶段，通常采用全DSP 结构或 DSP加 FPGA 的混合结构来实现。 在采用 DSP 和 FPGA 混合结构实现的软件无线电多用户检测器中，用FPGA 来实现软法中计算量大、实时性要求高的部分，而DSP 则实现算法中结构复杂的部分，如矩阵求逆。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -
12、 - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 移动通信 2002 年第 10 期53.2 各种信号处理软件的实现其中包括信源的编码译码（如语音编译码、MPEG-4 的压缩编码译码） 、信道的编码译码（如卷积编码维特比译码、Turbo 编译码）、调制解调（如TD-SCDMA中的 QPSK调制解调）等。4 、结束语软件无线电可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特点，实施采用最佳接入模式，灵活分配无限资源，实现移动通信系统的动态管理和优化多种 3G
13、移动通信标准（主要是CDMA2000,WCDMA和 TD-SCDMA ）使得已经十分庞大的移动通信标准族变得更加的繁杂。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供方便；从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可以根据无线电环境的变化而自适应的配置收发信机的数据速率，调制解调方式，信道编译码方式，调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化，从而更加充分的利用频谱资源，在满足用户QoS 要求的基础上使系统容量最大。参考文献1、移动通信中的关键技术北京邮电大学出版社 2000 2、J Mitola III,David Chester,Shinichiro Haruy
14、ama ,etal. Globalization of Software Radio .IEEE Communication Magazine ,Feb 1999 3、 Seskar I P ,Mandayam N B. A software radio architecture for linear multiuser detection. IEEE JSAC, 1999,17(5) :814823 4、Mitola J .The software radio architecture . IEEE Communication Mag,1995,33(5) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -