中頻軟件無線電系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)方案

 一、 引言?

現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，促進了無線通信技術(shù)從數(shù)字化走向軟件化。軟件無線電的出現(xiàn)掀起了無線通信技術(shù)的又一次革命，它已經(jīng)成為目前通信領(lǐng)域中最為重要的研究方向之一。所謂軟件無線電，是指構(gòu)造一個通用的、可重復(fù)編程的硬件平臺，使其工作頻段、調(diào)制解調(diào)方式、業(yè)務(wù)種類、數(shù)據(jù)速率與格式、控制協(xié)議等都可以進行重構(gòu)和控制，選用不同的軟件模塊就可以實現(xiàn)不同類型和功能的無線電臺，其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能地用軟件來定義無線功能[1]。

軟件無線電具有極大的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。在軍事上，不但可以解決不同無線設(shè)備間的互連互通，而且還可以現(xiàn)場開發(fā)新波形。在商業(yè)方面，可實現(xiàn)移動通信的無縫接入和完全自由的個人通信，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期和降低運營商的成本，現(xiàn)已成為3G和4G所采用的一項關(guān)鍵技術(shù)。

本文研究了中頻軟件無線電的實現(xiàn)方案，并設(shè)計了基于FPGA的通用硬件平臺。在此平臺上，通過PC機下載軟件，實時實現(xiàn)了軟件無線電中頻至基帶的波形處理和多種不同的調(diào)制解調(diào)方式。

二、 軟件無線電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件無線電賦予了無線電臺多種特性。如圖1所示，軟件無線電用軟件定義了包括RF信道接入和波形合成等空中接口的所有方面，寬帶ADC和DAC在中頻轉(zhuǎn)換每個RF業(yè)務(wù)頻段成為模擬和數(shù)字形式，帶寬為WS的寬帶數(shù)字接收機信號流包括了全部用戶信道，其中每個用戶的帶寬Wc《WS 。

在圖1所示的軟件無線電中，中頻ADC和DAC信道可以同時使用可編程的數(shù)字硬件和軟件來處理。中頻處理包括：用來分離用戶信道的濾波;數(shù)字波束成形;空時聯(lián)合均衡;空間分集、極化或頻率分集信道的綜合，以及捕獲高質(zhì)量波形的其它方法。一般情況下，需要多個中頻，或者用零中頻來處理。數(shù)字下變頻技術(shù)可以利用帶通波形抽樣信號的頻域周期性，將帶通波形直接變換到基帶。

在軟件無線電的發(fā)射機中，基帶信號由軟件實現(xiàn)的信道調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)換成抽樣后的信道波形，驅(qū)動高性能DAC。中頻處理軟件還可以對基帶信號進行預(yù)加重或非線性預(yù)編碼處理。具體實現(xiàn)時，調(diào)制解調(diào)功能、中頻處理和RF信道接入可以合并成一個部分，例如直接轉(zhuǎn)換接收機。另外，軟件或各種特性間實時轉(zhuǎn)換的動態(tài)編譯允許這些分立的功能集成到一個如FPGA這樣的器件中。

三、 中頻軟件無線電實現(xiàn)方案的研究

典型的中頻軟件無線電的通用硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括A/D變換器、D/A變換器、數(shù)字信號處理模塊和PC機，具有很強的靈活性和高度的開放性。

圖2中的數(shù)字信號處理模塊用來實現(xiàn)多媒體處理、調(diào)制解調(diào)、波形處理、上/下變頻和控制等功能。此模塊可以靈活擴展，滿足不同無線通信系統(tǒng)對數(shù)字信號處理的運算速度和運算量的要求。PC機具有良好的人機接口，可以完成如下功能：初始化系統(tǒng);提供軟件開發(fā)環(huán)境;實現(xiàn)在線/離線開發(fā)應(yīng)用軟件;下載軟件到數(shù)字信號處理模塊等等。

1. 軟件無線電中數(shù)字信號處理能力所面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字信號處理模塊是軟件無線電的核心部分。軟件無線電要求數(shù)字信號處理模塊能實時處理ADC變換后的數(shù)字信號，并用軟件的方法來實現(xiàn)大量的無線電功能，這些功能包括：編解碼、調(diào)制解調(diào)、濾波、同步、盲均衡、檢測、數(shù)據(jù)加密、傳輸加密糾錯、跳擴頻及解擴和解跳、通信環(huán)境評估、信道選擇等，而單個DSP根本無法完成這些功能，對于基站則差距更大。考慮單個信道的情況，最基本的解調(diào)需要10次操作/秒，一個性能良好的FIR/IIR信道選擇濾波器需要100次操作/秒，再加上均衡、解交織、信道解碼、解復(fù)用、差錯控制等等。對于一個采樣率為30～50MHz的信道，所需要的處理速度很容易就達到了5000MIPS(每秒百萬指令)。文獻[2]對單信道DSSS(直接序列擴頻)軍事波形的處理需求進行了估計：此波形的碼片速率為10　Mchip/s，ADC的采樣率為40　MSPS，數(shù)據(jù)速率為9　600　bit/s，完成脈沖成形、PN(偽隨機)碼產(chǎn)生、解復(fù)用、解擴/相關(guān)、載波同步、跟蹤、Viterbi譯碼、盲均衡和控制等功能;全部所需要的處理速度大約為12.78　GFLOPS(每秒十億次浮點操作)?，F(xiàn)在3G所使用的寬帶CDMA技術(shù)，單信道所需要的處理速度的量級也與上述軍事波形相當(dāng)，甚至更高。對于基站，由于需要處理很多信道，所需要的處理速度會達到上千GIPS(每秒十億指令)的量級。

然而目前可用的一些高速DSP的性能，最快的也不超過5 GIPS，與實際需求相差巨大。這種處理資源的匱乏，被稱之為DSP瓶頸[3]，是影響軟件無線電發(fā)展的一個至關(guān)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2. 實現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法

為解決數(shù)字信號處理資源匱乏這一問題，目前實現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法有2種，即用多個DSP實現(xiàn)和用DSP+參數(shù)化ASIC實現(xiàn)。

(1)多個DSP方法

這種方法一般采用多個DSP組成樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并行處理數(shù)據(jù)流，但這種方法最大的弊端是系統(tǒng)體積大、供耗高、成本高。

(2)DSP+參數(shù)化ASIC方法

這種系統(tǒng)是目前較多采用的實現(xiàn)方法。在這種系統(tǒng)中，參數(shù)化ASIC可有限編程，完成對數(shù)字信號處理速度要求較高的部分，DSP做較低速的數(shù)字信號處理。這種方法雖然減小了系統(tǒng)的體積，降低了功耗，但是由于參數(shù)化ASIC可編程的限制較大，嚴重地限制了系統(tǒng)的靈活性和開放性，難以體現(xiàn)軟件無線電的優(yōu)越性。

3.用FPGA實現(xiàn)中頻軟件無線電的優(yōu)勢

本文采用FPGA來實現(xiàn)中頻軟件無線電。表1和表2所示的比較分析表明，F(xiàn)PGA與參數(shù)化ASIC、DSP比較有很多優(yōu)勢，它不但在功耗、體積、成本方面優(yōu)于參數(shù)化ASIC、DSP，而且處理效率高、現(xiàn)場可編程性能良好。不同于DSP的單流處理方式，F(xiàn)PGA是多流并行處理，這種處理方式使FPGA能完成DSP難以實現(xiàn)的許多功能，如FIR/IIR濾波器、擴頻、跳頻模式。因此，F(xiàn)PGA能很好地體現(xiàn)軟件無線電的靈活性和開放性，很適合在軟件無線電中做高速數(shù)字信號處理，是實現(xiàn)中頻軟件無線電的理想選擇。

4.采用FPGA實現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)?

圖3為所實現(xiàn)的中頻軟件無線電系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)從IF(中頻)進行A/D和D/A變換。下面就系統(tǒng)的各部分做一介紹。?

1 寬帶D/A和A/D轉(zhuǎn)換器

D/A和A/D轉(zhuǎn)換器分別把中頻數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，中頻模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。D/A變換器和A/D變換器的選擇，直接關(guān)系到軟件無線電的總體性能。因此，必須根據(jù)系統(tǒng)的要求，綜合考慮D/A變換器和A/D變換器的各方面性能，做出選擇。

(1)寬帶D/A轉(zhuǎn)換器

選用了AD公司的AD9713B，性能指標如下:

1)具有12 bit精度;

2)轉(zhuǎn)換速率最快為80 MSPS;

3)SFDR(無雜散動態(tài)范圍)為70 dBc。

這里，DAC鎖存時鐘為40 MHz。AD9713B后接兩級放大器，將模擬信號放大后輸出。

(2)寬帶A/D轉(zhuǎn)換器?

在軟件無線電中，對ADC的性能要求很高，ADC的選擇比DAC更為重要。選擇ADC時，需要考慮其采樣頻率、帶寬、轉(zhuǎn)換位數(shù)和SFDR。而這幾個性能指標是互為約束的，必須綜合考慮確定。

在此，ADC選用AD公司生產(chǎn)的AD9042。AD9042是高速、高性能、低功耗的單片12位模/數(shù)變換器，其性能指標如下：

1)最大采樣速率41 MSPS;

2)SFDR為80 dBc;

3)信噪比為68 dB。

實際使用中，采樣時鐘為40 MHz，AD9042的性能很好。

2 FPGA——數(shù)字信號處理模塊

FPGA選用了Altera公司的APEX EP20K200E器件，這個器件為20萬門容量，1.8 V低功耗，具有多種I/O接口和多鐘配置方式的單片系統(tǒng)級集成的可編程邏輯器件。

FPGA主要完成數(shù)字上/下變頻、濾波、調(diào)制/解調(diào)、擴頻/解擴、載波以及PN(偽隨機碼)的同步和跟蹤等功能。

FPGA的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。在此，以DSSS(直接序列擴頻)信號為例說明。發(fā)射的設(shè)計為，系統(tǒng)將125 kbit/s的數(shù)據(jù)映射成上下支路各62.5 kbit/s的數(shù)據(jù)與PN碼產(chǎn)生器輸出的4Mchip/s的PN碼相乘擴頻，然后由14 bit 的FIR濾波器完成內(nèi)插濾波，濾波器輸出的信號為20 MHz，與NCO相乘上變頻至中頻，并取高12 bit輸出至D/A變換器。接收的設(shè)計與發(fā)射相對應(yīng)，A/D變換器輸出的40 MHz的12 bit中頻數(shù)字信號與NCO相乘正交下變頻成I、Q兩路信號，這2路信號經(jīng)抽取濾波變?yōu)?0 MHz的基帶信號，輸入到解擴電路完成PN碼的捕獲、解擴(用[HJ71mm]?匹配濾波器相關(guān)器實現(xiàn))以及信號相關(guān)后的功率檢測，解擴后的信號和檢測到的功率信號輸入到碼跟蹤電路完成碼元跟蹤，最后完成解碼，恢復(fù)數(shù)據(jù)。完成這些功能，所占的FPGA資源為：7142個LE(邏輯單元)，16896 ESB(嵌入式邏輯塊) bits。

3 PC機及其接口

PC機為FPGA提供軟件開發(fā)環(huán)境，完成在線/離線的軟件開發(fā)和調(diào)試，并通過RS232口與FPGA通信，實時下載軟件到FPGA。

五、 系 統(tǒng) 性 能

系統(tǒng)采用FPGA完全實現(xiàn)了中頻軟件無線電系統(tǒng)的軟件可編程，具有很高的靈活性、開放性和通用性。設(shè)計的FPGA軟件模塊，如NCO、數(shù)字濾波器等可為多種調(diào)制/解調(diào)模式所使用。各種調(diào)制/解調(diào)模式相應(yīng)的配置軟件以文件的形式存儲在微機里，可根據(jù)具體要求下載到FPGA，從而實現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)模式的實時改變。經(jīng)測試，系統(tǒng)采用的時鐘為40 MHz時，可達到的工作性能如下： (1)中頻載波：可以任意設(shè)置，最高可達16 MHz，最大頻率誤差為0.009 Hz;

(2)信息速率：可變，最高可達4 Mbit/s;

(3)調(diào)制/解調(diào)模式：通過更換軟件，系統(tǒng)可實現(xiàn)AM、PM、FM、BPSK、QPSK、DSSS等模式。

六、 結(jié)論

FPGA在軟件無線電中的應(yīng)用已經(jīng)越來越被人們所重視。用FPGA來實現(xiàn)中頻軟件無線電系統(tǒng)具有很高的靈活性和開放性，充分體現(xiàn)了軟件無線電的優(yōu)越性，是當(dāng)前實現(xiàn)軟件無線電技術(shù)的理想方案。