所謂軟件無(wú)線電,就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),在可編程控制的應(yīng)用硬件平臺(tái)上,利用軟件來(lái)定義實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各部分功能:包括前端接收、中頻處理以及信號(hào)的基帶處理等。即整個(gè)無(wú)線電臺(tái)從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議全部由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,盡早地完成信號(hào)的數(shù)字化,使得無(wú)線電臺(tái)的功能盡可能地用軟件來(lái)定義和實(shí)現(xiàn)?？傊?軟件無(wú)線電是一種基于數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片,以軟件為核心的嶄新的無(wú)線電通信體系結(jié)構(gòu)。既然要采用數(shù)字技術(shù),必不可少的器件就是要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器,而A/D/A在軟件無(wú)線電中的位置是非常關(guān)鍵的,它直接影響到軟件無(wú)線電的軟件化程度。

1 轉(zhuǎn)換器(A/D、D/A)的位置

    目前轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用選擇方式有三種,即基帶(Baseband)、中頻(IF)和射頻(RF)。

1.1 基帶數(shù)字化

    傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)是一種模擬和數(shù)字電路相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖1所示),在這種接收機(jī)結(jié)構(gòu)中,它的前端全部采用模擬信號(hào),混頻器在RF級(jí)接收已調(diào)載波并下變頻到一中頻。與RF相比,在IF級(jí)更容易制作廉價(jià)濾波器電路,以衰減不需要的信號(hào)和混頻分量及噪聲。這時(shí)的RF級(jí)混頻器需要一個(gè)可變頻率振蕩器(VFO),可調(diào)整其頻率使之調(diào)諧于有用信號(hào),而IF級(jí)的混頻器則需要一個(gè)固定頻率振蕩器。對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化采樣處理僅僅是在基帶部分采用A/D/A,然后再用DSP進(jìn)行數(shù)字處理。

 這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)比較成熟,模擬低損耗的RF器件和IF器件比較容易實(shí)現(xiàn)。但接收支路的動(dòng)態(tài)范圍大,為了滿足整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo),要在接收支路設(shè)置AGC電路,來(lái)控制接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。這樣一來(lái),就對(duì)AGC電路的響應(yīng)速度提出了較高的要求,其速度必須適應(yīng)每個(gè)時(shí)隙的要求。另外,電路受元器件老化和溫度的影響,造成性能的變化,也是不可忽視的。而且,這種設(shè)計(jì)把整個(gè)接收鏈路只用于一個(gè)解調(diào)信號(hào)或信道,如果要增加一路載波,就要添加一整套相同的從RF變換到基帶的設(shè)備,代價(jià)很大。因此,在軟件無(wú)線電中,不采用這種電路結(jié)構(gòu)形式。

1.2 中頻數(shù)字化

    現(xiàn)在的A/D變換器已足以在中頻(IF)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,如圖2所示。此時(shí),由于LO(本地振蕩器)輸出一個(gè)固定頻率,不需要調(diào)諧IF混頻器,從而使電路更簡(jiǎn)單。

目前,已經(jīng)出現(xiàn)了一些在IF能使多個(gè)信道的信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的A/D變換器,這給必須同時(shí)處理多個(gè)信道的接收機(jī)(如基站)帶來(lái)了極大的好處。因?yàn)閿?shù)字化的IF中包含了來(lái)自所有相關(guān)信道的信息,只需要一個(gè)RF前端,體現(xiàn)了軟件無(wú)線電的通用性。由圖2可以看出,把寬帶數(shù)字化信號(hào)直接送入到DSP中,并用軟件實(shí)現(xiàn)其后的所有其它功能(如調(diào)制、解調(diào)、編/解碼、加/解密等)。由于DSP可以用軟件來(lái)調(diào)整和更新,從而可以適應(yīng)不同的空中信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)以及今后的技術(shù)更新,擺脫了更新硬件結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)。

    從目前的技術(shù)能力來(lái)看,從高速、高分辯率的A/D獲得數(shù)據(jù)后,再用DSP處理來(lái)完成所有的處理任務(wù)是不現(xiàn)實(shí)的。好在有公司開(kāi)發(fā)出了專用器件——下變頻器DDC來(lái)執(zhí)行大部分的IF處理工作。DDC對(duì)一個(gè)數(shù)字化的輸入進(jìn)行下變頻后,再抽取和低通濾波,從而輸出一個(gè)低比特率的基帶信號(hào),使得DSP擺脫了這些重復(fù)的處理工作,去完成其它處理任務(wù)。

    在IF級(jí)采用數(shù)字化技術(shù)除了可以進(jìn)行多信道操作外,還可以獲得其它好處。如一個(gè)DDC根據(jù)公式10log其中Bw為信道帶寬,Fs為采樣頻率,可以增加處理增益,從而增大了鏈路的信噪比(SNR),一般認(rèn)為可有20dB的處理增益。

    當(dāng)然,在中頻進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí),要求DSP必須滿足下列要求:

    ·運(yùn)算速度快。DSP必須具有高指令執(zhí)行速度,同時(shí)還要具備功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng),支持單周期內(nèi)完成常用的浮點(diǎn)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的能力。

    ·高精度的數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)字信號(hào)處理中所固有的量化效應(yīng)和有限長(zhǎng)寄存器效應(yīng)的影響,在實(shí)際處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)誤差,并隨著運(yùn)算的增加遂漸積累。這就要求數(shù)據(jù)一定要有足夠的精度,并且處理器支持高精度運(yùn)算,才能減小這些誤差。DSP至少要支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。

    ·高速數(shù)據(jù)交換能力。軟件無(wú)線電各模塊之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換,DSP總線必須有足夠的數(shù)據(jù)傳輸和I/O吞吐能力,才能保證對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。另外,開(kāi)放的設(shè)計(jì)應(yīng)用條件是總線系統(tǒng)必備的特征要素。

    ·支持多SHARC同時(shí)工作。

    圖3給出了一個(gè)基站中中頻應(yīng)用軟件無(wú)線電的例子。它直接在中頻對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入專用處理芯片——可編程下變頻器(PDC)中處理,完成對(duì)IF的選頻和濾波。

當(dāng)采用一個(gè)12位、60dB動(dòng)態(tài)范圍的轉(zhuǎn)換器,從一個(gè)數(shù)字控制的可變?cè)鲆娣糯笃鳙@得40dB增益,另外,系統(tǒng)的數(shù)字下變頻器大約增加20dB處理增益。這樣,總的動(dòng)態(tài)范圍就達(dá)到120dB,扣除解調(diào)的6～7dB和峰值儲(chǔ)備(headroom)的6～7dB,還有100dB,能夠滿足GSM-900的要求。

    如果GSM-900要求消除一個(gè)比帶內(nèi)信號(hào)高91dB以上、并遠(yuǎn)離帶內(nèi)信號(hào)3MHz的干擾信號(hào),用數(shù)字技術(shù)消除此干擾,需要91dB動(dòng)態(tài)范圍來(lái)測(cè)定此信號(hào),再加上測(cè)定帶內(nèi)信號(hào)的30dB動(dòng)態(tài)范圍,在基帶中最強(qiáng)和最弱信號(hào)測(cè)量之間的差值為121dB。限定200kHz信道帶寬,并假定在70MHz對(duì)IF信號(hào)進(jìn)行取樣,根據(jù)前面的公式,下變頻器增加22.4dB,即真正的動(dòng)態(tài)范圍是98.6dB。數(shù)據(jù)變換器中每位大約等效于6dB,此動(dòng)態(tài)范圍就相當(dāng)于16位。目前還不能批量生產(chǎn)16位、70MHz的變換器。

1.3 射頻數(shù)字化

    一個(gè)真正的軟件無(wú)線電(見(jiàn)圖4),是在天線之后對(duì)寬帶RF模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,而且數(shù)字電路是通過(guò)軟件來(lái)完成所有的濾波、解調(diào)和其它操作,從而去除了所有的IF以及與之相關(guān)的混頻和濾波電路。這不僅使電路元件數(shù)顯著減少,提高了可靠性,而且變換器還數(shù)字化了包括很多信道的相關(guān)頻帶。根據(jù)變換器的帶寬,同一無(wú)線電可工作在寬頻帶,適合各種不同的空中信號(hào)接口,處理不同的業(yè)務(wù),這對(duì)DSP提出了更高的要求。目前的A/D和DSP等器件也正向這一方向努力,但要實(shí)現(xiàn)這一最終目標(biāo),恐怕還要等待幾年。

2 轉(zhuǎn)換器的特性

    決定A/D性能的因素主要有以下幾個(gè):

2.1 采樣率和分辨率

    采樣率由信號(hào)帶寬決定,分辨率(位數(shù))則要滿足一定的動(dòng)態(tài)范圍和數(shù)字信號(hào)處理精度,A/D的分辨率越高(位數(shù)越多),需要轉(zhuǎn)換的時(shí)間越長(zhǎng),轉(zhuǎn)換速率就越低,兩者相互制約。高速A/D的結(jié)構(gòu)主要采用全并行或閃爍式,而高分辨率A/D主要采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)。有關(guān)A/D的具體應(yīng)用可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

2.2 無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍的信噪比

    無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)用來(lái)度量轉(zhuǎn)換器中的非線性誤差源,常是高速器件性能的限制因素。如果沒(méi)有最高線性度,任何失真或諧波都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)信號(hào)的像頻,與真正的信號(hào)難以區(qū)分。信噪比(SNR)則是度量一個(gè)信號(hào)不論它比噪聲底值高多少,轉(zhuǎn)換器必須仍能檢測(cè)到它。與SFDR有很大關(guān)系的是近遠(yuǎn)(near-far)問(wèn)題。在某些系統(tǒng),無(wú)線電即使只在幾個(gè)信道外出現(xiàn)很強(qiáng)信號(hào)的情況下,也必須能檢測(cè)到一個(gè)弱信號(hào),而強(qiáng)信號(hào)的失真分量所產(chǎn)生的大寄生信號(hào)可能淹沒(méi)弱邊緣信號(hào)。SFDR性能指標(biāo)允許對(duì)靠近噪聲底值的信號(hào)進(jìn)行SNR評(píng)估。解決近遠(yuǎn)問(wèn)題的一個(gè)基本方法是采用可編程增益級(jí)。AGC的調(diào)節(jié)可以適合接收信號(hào)的強(qiáng)度,從而A/D總是接收一個(gè)同樣強(qiáng)度的信號(hào),降低對(duì)其動(dòng)態(tài)范圍的要求,但不適合接收多個(gè)不同強(qiáng)度信號(hào)的寬帶接收機(jī)。

    軟件無(wú)線電寬波段設(shè)計(jì)的另一個(gè)困難是數(shù)據(jù)變換器的SFDR在數(shù)字化一個(gè)全標(biāo)度信號(hào)時(shí)與較小信號(hào)工作時(shí)是不同的。對(duì)于較低電平的信號(hào),SFDR比一般較好,因?yàn)樽儞Q器在其范圍內(nèi)的其余部分具有更高的線性度,而在全標(biāo)度上變換器的非線性和跟蹤/保持轉(zhuǎn)換率受限制。因此,在全標(biāo)度的附近減小信號(hào)也可以改善SFDR。

    為了提取強(qiáng)信號(hào)環(huán)境下的弱信號(hào),可選的A/D轉(zhuǎn)換器主要有兩種:A.管道式(pipeline)結(jié)構(gòu),其SFDR和SNR分別可以達(dá)到100dB(20MHz輸入時(shí))和75dB以上;B.粗細(xì)調(diào)整型A/D,采用稱為數(shù)字兩端式兩級(jí)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行粗采樣、細(xì)采樣,并對(duì)細(xì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,從而實(shí)現(xiàn)極低的采樣抖動(dòng)(達(dá)0.3ps)。

2.3 與處理器的接口

    隨著A/D和D/A速度的提高,轉(zhuǎn)換結(jié)果到MCU和DSP的數(shù)據(jù)速度也需要提高。目前主要采用如下技術(shù):①在A/D內(nèi)部集成FIFO存儲(chǔ)器和與處理器兼容的SPI串行接口;②采用并行接口;③直接把A/D或D/A集成在處理器內(nèi)部。

    由于處理器的數(shù)字噪聲對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器性能有重要影響,在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中,幾乎都用與MCU或DSP分離的方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

    本文探討了軟件無(wú)線電中的數(shù)據(jù)變換器應(yīng)用的若干問(wèn)題,涉及不夠全面。由于數(shù)據(jù)變換器的高速、大容量應(yīng)用,在電路設(shè)計(jì)方面還有很多技巧。器件的不斷發(fā)展也在提供著更好的處理方法。