数字信号处理技术在软件无线电中的应用.doc

数字信号处理技术在软件无线电中的应用 夏　 牧 [摘要] :初步探讨了宽带 A/ D 变换、数字中频处理和高速 DSP 等现代数字信号处理技术在软件无线电中的应用 ,根据器件的技术水平给出了具体的实现框图[关键词] :软件无线电 ;数字信号处理 ; A/ D 变换 ; DSP;数字下变频0　引　 言 软件无线电 (Software Radio)是近几年才提出的一种新的无线通信体系结构 ,其基本思想是把硬件作为无线通信的基本平台 ,而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现从软件无线电的技术实现来看 ,核心是在数字领域通过软件来实现各种无线通信功能因此 ,决定性的步骤就在于将 A/ D, D/A 变换器尽量向射频端靠拢 ,从目前的技术发展水平来看 ,应用宽带或多频段天线 ,将整个中频频段作 A/ D 变换 ,中频之后的整个处理都用通用可编程数字器件和软件来实现 ,原理如图 1所示可看出 :这样一个系统中 ,数字信号处理部分是非常关键的 ,这就对高速 A/ D 变换器 ,高速 DSP 和数字中频处理以及 CPU 等从设计到实现等诸环节都提出了很高要求 ,下面分别讨论1　A/ D 部分软件无线电接收的射频信号经射频前端的处理后 ,变成宽带中频信号。

从现有的技术和器件水平来看 ,只能在中频对模拟射频信号进行量化处理 ,使之成为数字信号 ,这样一来 ,对 A/ D 变换器的要求主要是采样速率和采样位数采样速率主要由信号带宽决定 , 2 倍于信号带宽的采样速率只有理论意义 ,一般实用中至少应大于 2 . 5 倍的信号带宽采样速率高 ,会带来额外的信噪比增益 ,参考文献 [1 ]中指出 :SNR =6.0 2 B+1 . 76+1 0 lg(fs/ 2 fmax) ,其中 :fs 是采样速率 , B 是量化比特位数 , fmax 为信号的最高频率可见在 B 一定的情况下 , fs 每增加一倍 ,能带来 3 d B 的 SNB 增益当然 fs 也不能太高 ,因为还必须考虑到采样后系统和 A/ D 变换器的处理能力 A/ D 变换器的位数则必须满足一定的动态范围要求及数字处理部分的精度要求 ,表 1 给出了目前用于通信领域的几种 A/ D 转换器的主要技术指标 ,从中可以看出 :一般 80 d B 的动态范围 ,分辨率不小于 1 2 位 软件无线电在中频段对信号进行 A/ D 转换 ,要求动态范围应在 60～ 80 d B 之间 ,因此 , AD90 42和 AD6640 比较合适 ,它们在宽带接收机中的典型应用如图 2 所示。

AD6640 是为宽带和多信道数字无线接收机而推出的 1 2 bit 中频快速采样 ADC,其温度范围为 -40～ 1 85℃ AD6640 的高采样速率为“软件无线电” 提供了新的机遇 ,采用一个 ADC 将整个输入频段内的信号数字化 ,使设计者能够用一个宽带、多信道采样器来取代多个模拟前端 AD6640 的应用范围十分广泛 ,从 CDMA, GSM 及第 3 代移动通信系统蜂窝 / PCS 基站接收机到 GPS 抗干扰接收机 ,相位阵接收机和其它类型的话音和数字通信接收机都可采用 AD6640 芯片作为 ADCD6640 芯片可提供高达 65MSPS 的采样速率 , 80 d B 的 SF-DR,它的所有差分模拟输入阶段具有 3 0 0 MHz 输入带宽特征 ,直接采样的中频频率可高达 70 MHz(多信道时 )和 2 0 0 MHz(单道信时 )AD6640 的功能模块图如图 3 所示由图 3 可以看出 ADC 所有需要的功能 ,包括输入缓冲 ,跟踪保持放大 ,数字纠错以及 2 . 4V 参考电压都由芯片来提供　　采用 AD6640 芯片作为一个典型宽带无线接收机的 ADC 将简化接收机子系统的设计。

其模块图如图 4 所示该模块包括宽带 IF 滤波、放大、ADC、锁定、分信道和 DSP 接口2　数字下变频部分数字下变频 (DDC)是 A/ D 变换后首先要完成的处理工作 ,包括数字下变频、滤波和二次采样一般认为要进行较好的滤波处理 ,需要每采样点 1 0 0 次操作 ,对于一个系统带宽为 1 0 MHz 的系统 ,采样率大于 2 5MHz,这就需要 2 50 0 MIPS 的运算能力 ,即使用并行处理算法 ,也需要多个高性能 DSP从现有关于软件无线电的文献中 ,都认为以现有 DSP 的水平 ,将这部分工作交由专用可编程芯片来完成是合适的 ,如美国“Speakeasy”软件无线电中使用 Harris 公司的 DDC 芯片 HSP50 0 1 6HSP50 0 1 6 的最大输入速率为 52 MSPS, 1 6bit 数据输入 ,能提供大于 1 0 2 d B 的无失真动态范围 (SFDR) ,通带波纹小于 0 . 0 4d B,阻带衰减大于 1 0 4d B,二次采样率从 64～ 1 3 1 0 72 ,能方便地通过改变各种控制参数来改变信道的中心频率、带宽和二次采样率 ,图 5 给出了 HSP50 0 1 6 的结构框图。

HSP50016 用于下变频的频谱原理见图 6,设 DDC 的输入信号为 X(n) =cos(ωkn) ,正交正弦信号发生器的信号为 e- jωcn ,则相乘结果为 :U(n) =X (n) . e- jωcn =X (n) [cos(ωcn) -jsin(ωcn) ]=12 [cos(ωk-ωc) n +cos(ωk +ωc) n]-12 j[sin(ωk +ωc) n -sin(ωk -ωc) n]低通滤波后 ,W(n) =12 [cos(ωk-ωc) n +jsin(ωk -ωc) n]　　用 HSP50 0 1 6 实现的下变频电路如图 7 所示图中 A/ D 输出的 1 2 位数据接至 DDC 的高 1 2位 (即 DATA1 5～ 4) , DATA3～ 0 接地表 2 给出了这种应用的控制字设置 ,此时抽取率为 64,无测试功能 ,故控制字 CW0 和 CW7 全为 0目前 , Harris 公司推出了性能更加优越的 HSP50214 作为 DDC,见文献 [3 ],这里不再赘述3　高速 DSP 部分经过 DDC 后信号一般为 1 0 k Hz 至数 1 0 k Hz 的窄带有用信号 ,这时用高速 DSP 可以完成调制 /解调、编 /解码、加 /解密、扩频/解扩频等处理。

高速 DSP 部分可采用目前先进的共享存贮器方式的并行多处理器结构 ,如 TI 公司的多芯片模块 (MCM) ,它以 4片 TMS3 2 0 C40 为核心 ,性能达到每秒 2 亿次 MFL OPS、每秒 1 1 亿次 GOPS 和每秒 3 亿字节的 I/ O,整个模块有 4MB 全局 SRAM、每片 C40 还拥有 1 MB 局部 SRAM 和 3 2 KB 的局部 E-PROM,单片 C40 与其自己的全局 SRAM 以 0 等待周期传送数据 ,与其它全局共享 SRAM 传送数据要有 1 个等待周期 ,与自己的 EPROM 传送数据则需要 3 个等待周期现在 TI 公司又推出了性能更为优越的 TMS3 2 0 C6X 系列 根据参考文献 [4],由 4 片 TMS3 2 0 C40 组成的多芯片模块与主计算机 XDS-51 0 及与 VME 总线的联接如图 8 所示4　软件无线电的硬件平台软件无线电对硬件平台的要求是通用性好、可靠性高 ,一个高度灵活的宽带软件无线电硬件平台 ,应把先进的路由技术和 DSP 系统技术融入硬件的设计之中 ,高速的转接单元允许数字信号与 DSP 有任意的对应关系 ,这样 ,多个通道的数据可以集中起来送进一个处理器 ,也可以令一个通道的数据发送到多个处理器 ,由于传送 ,接收信号的路由是任意可变的 ,设计人员可在同一平台上方便地设计出符合各种通信规程协议和多种工作波形的通信系统。

图 9 为一个单信道系统 ,系统由分立的 CPCI 或 VME 总线的DSP 模块、数字收发板、网络接口卡、高速转接单元和软件组成4. 1　网络接口本模块提供了与外部系统的通信方式 ,接口可以是 T1 / E1 之类的标准接口 ,也可以是一个用户自定义的接口4. 2　处理器模块处理器模块如图 1 0 所示 ,采用 4 个通用 C6X 甚长指令字(VLIW) DSP,每个 DSP 有最多 1 6MB 一等待同步动态存储器(SDRAM)和 51 2 KB 零等待同步簇发静态存储器 (SBSRAM) , 4个 C6X 能提供 6. 4GIPS 的处理能力每个 C6X 的主机接口联至一个高度集成化的接口 ,这个接口包括一个总线桥 ,允许 DSP 与本地或主机 PCI 总线上的资源之间数据高效地传输 PCI/ PCI 桥作为中断信号发生器和 DMA,支持主机控制数据传输 MPC860 Power QUICC 处理器则用于实时板上控制、信令和管理4. 3　数字收发器模块该模块是一个全双工宽带数字收发器 ,如图 1 1 所示 ,与处理器模块组合可以构成一个软件无线电方案 ,能支持包括 AMPS,TDMA, GSM 和 CDMA 等各种无线通信协议。

该模块与处理器模块联接 ,收发的数据、控制状态字等均映象到处理器模块的存贮空间中 , DSP 可以完全控制该模块 ,带有的软件库可以用于配置、控制该模块 ,完成数字收发功能 ,该软件库还提供用于该模块与 DSP 通信的驱动程序该模块将 70 MHz 的中频信号欠采样并数字化 , Harris 的 HSP50 2 1 4 数字接收芯片通过数字方式将此信号移到基带并滤波、抽取 ,得到采样率降低后的基带 I& Q 信号 ,这个基带数字信号经 PMC 接口传送到 DSP 处理器模块作进一步处理发送数据方式与上述的接收方式刚好相反 , Harris 的 HSP50 2 1 5 数字发送器将处理器模块送来的数字信号上变频到 1 0 MHz 中频 ,并通过 DAC 转化为模拟信号 ,经滤波后再调制到 70 MHz 中频上4. 4　软件应用软件无线电的通用开发平台 ,要求能有一套完备的软件来支持为此 ,软件无线电的软件应支持各硬件模块的控制 ,支持各种 DSP 芯片以及主机平台和高级开发工具 ,可以用于开发标准和非标准的通信协议这些软件一般应包括 :1 系统软件 (高层 )· Framework Architecture for computing Telephony(FACT) ;· Digital Transceiver Configuration;· High speed switching Fabric Manager.2 板组软件 (低层 )· Bout code, Board Support L ibraries;· Drivers.5　结束语软件无线电很有可能成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后 ,无线通信领域的第 3 次革命 ,国外近几年正在加紧研究 ,我国也将软件无线电列入“863”通信高科技项目中 ,也在积极开展研究。

但这是一个中长期研究项目 ,需要将许多技术 (并行 DSP 处理、总线 I/ O 技术和软件技术等 )综合起来 ,要有很强的综合实力。