軟件無線電技術(shù)在GSM基站中的實(shí)現(xiàn)

楊明極，張 宇

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

軟件無線電（SoftWare Radio）是近些年來隨著微電子、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的高速發(fā)展而應(yīng)運(yùn)而生的一種新的無線電技術(shù)。它最初起源于軍事通信，是為了解決多軍聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)通信互通互聯(lián)問題而提出來的。經(jīng)過這幾年的迅速發(fā)展，軟件無線電已從軍事領(lǐng)域的階段逐步發(fā)展稱為移動(dòng)通信發(fā)展的基石，特別是第3、4代移動(dòng)通信系統(tǒng)。個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)已從第1代模擬蜂窩系統(tǒng)發(fā)展到第2代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)（GSM、CDMA），目前正在向第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展，而且第四代移動(dòng)通信技術(shù)也已悄然問世。隨著越來越大的通信需求，一方面使通信產(chǎn)品的生存周期縮短，開發(fā)費(fèi)用上升；另一方面，新老體制通信共存，各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)變得更加復(fù)雜和困難、由于通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的通信體制與標(biāo)準(zhǔn)不斷提出，通信產(chǎn)品的生存周期減少，開發(fā)費(fèi)用上升，導(dǎo)致以硬件為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)通信體制無法適應(yīng)新的局面；同時(shí)，不同體制間互通的要求日趨強(qiáng)烈，并且隨著通信業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，無線頻段資源變得越來越擁擠，對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻帶利用率及抗煩擾能力提出了更高的要求。但是沿著現(xiàn)有通信體制的發(fā)展，很難對(duì)頻帶重新規(guī)劃。所以，尋求一種既能滿足新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)需求，又能兼容老體制，而且更具有擴(kuò)展能力的新的個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)成為人們努力的方向。而軟件無線電正好提供了解決這一問題的技術(shù)途徑，成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[1-2]。

軟件無線電是一種新的無線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代無線電工程的一種設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理念，它的基本思想是：將A/D和D/A盡可能靠近射頻前端，以開放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把盡可能多的無線電功能用可重構(gòu)、可升級(jí)的模塊化軟件來實(shí)現(xiàn)[3]。總之，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片，以軟件為核心的新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。為解決目前無線通信系統(tǒng)所存在的難兼容、難升級(jí)、開發(fā)周期長(zhǎng)等難題提供了選擇。

軟件無線電基站前端電路的一個(gè)主要特點(diǎn)是寬帶化，即它把基站所需要就收的整個(gè)上行頻段同時(shí)變換到中頻，實(shí)現(xiàn)寬帶處理。至于對(duì)寬帶內(nèi)位于某一特定信道上的信號(hào)進(jìn)行的解調(diào)、分析、識(shí)別等處理，將由后續(xù)的信號(hào)處理器及其軟件來完成。顯然這種處理方式對(duì)A/D變換的要求比較高，例如A/D的采樣速率要高，動(dòng)態(tài)范圍要大，特別是A/D動(dòng)態(tài)范圍（有效位數(shù)）不夠高，就無法同時(shí)接收信號(hào)電平相差很大的多個(gè)信號(hào)。

1 軟件無線電中的信號(hào)采樣

1.1 帶通采樣定理

設(shè)一個(gè)頻率帶限信號(hào) x（t），其頻帶限制在（fL，fH）內(nèi)，如果其采樣速率滿足：

式（1）中，n 取能滿足 fs≥2（ fH-fL）的最大正整數(shù)，則用 fs進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值 x（n）=x（nTs）能精確地確定原信號(hào) x（t）。

式（1）用帶通信號(hào)的中心頻率f0和頻帶寬度B也可以表示為：

1.2 過渡帶允許混疊時(shí)的帶通采樣定理

考慮過渡帶混疊時(shí)的采樣譜如圖1所示，根據(jù)矩形系數(shù)r的定義可知，濾波器的過渡帶為：

由圖可知，當(dāng)fs滿足fs≥2（B+B0）時(shí)通帶內(nèi)的信號(hào)才不會(huì)有混疊。將fs代入（4）得：

圖1 考慮過渡帶混疊時(shí)的采樣譜Fig.1 Considering the transition band aliasing when the sampling spectrum

過渡帶允許混疊時(shí)的帶通采樣定理：任何一個(gè)中心頻率為f0，帶寬為B的某一帶通信號(hào)x（t），如果同時(shí)滿足以下條件：

式中，n=0，1，2，3， …為正整數(shù)；r為抗混疊濾波器的矩形系數(shù)。 則原始信號(hào) x（t）可以用其采樣信號(hào) x（n）=x（nTs）來表示。

2 移動(dòng)通信GSM基站接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

軟件無線電的思想目前已經(jīng)融入最新的無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，人們正在用軟件無線電改造基站，并且已經(jīng)有軟件化的基站產(chǎn)品投入使用。基于軟件無線電思想的基站結(jié)構(gòu)主要采用寬帶中頻帶通采樣方式，目前市場(chǎng)上A/D轉(zhuǎn)換器的性能，其工作帶寬已經(jīng)覆蓋到中頻，有很高的采樣率和動(dòng)態(tài)范圍，這就為實(shí)現(xiàn)基于帶通采樣定理的寬帶數(shù)字中頻軟件無線電系統(tǒng)提供了可能。

2.1 寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)：

蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作頻段一般在820～960 MHz和1 800～2 200 MHz兩個(gè)頻段，如此高的頻率直接進(jìn)行A/D采樣目前是比較困難的，所以必須首先進(jìn)行模擬下變頻，把高頻段信號(hào)搬移到頻率相對(duì)較低的中頻，然后進(jìn)行A/D采樣數(shù)字化，也就是寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)[4]，如圖2所示。其有兩大特點(diǎn)是射頻“寬帶化”和中頻“寬帶化”，完全符合移動(dòng)通信中信號(hào)頻率范圍的要求。射頻寬帶化是通過寬帶工作的頻合器實(shí)現(xiàn)的，中頻的寬帶化是通過一中頻和二中頻頻率的設(shè)計(jì)和濾波器、放大器來實(shí)現(xiàn)的。射頻前端的處理電路比較復(fù)雜，它的主要功能是把射頻信號(hào)變換為適合于A/D采樣的寬帶中頻信號(hào)，這樣為A/D的采樣大大減輕了負(fù)擔(dān)。通過相對(duì)復(fù)雜的射頻前端吧高頻信號(hào)變換為中心頻率適中、帶寬適中的寬帶中頻信號(hào)后，給A/D采樣大大減輕了負(fù)擔(dān)，這是軟件無線電中一種可行的技術(shù)體制[5]。

圖2 寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)Fig.2 Broadband bandpass sampling structure of software radio

2.2 基于軟件無線電的GSM基站的方案

在GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求接收支路的動(dòng)態(tài)范圍很高。通常為了符合系統(tǒng)指標(biāo)，目前可以通過軟件無線電的方式在中頻對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，王成數(shù)字化處理，采用的結(jié)構(gòu)多由專用的通信處理芯片和通用的DSP器件構(gòu)成，采用軟件無線電方案的示意圖如圖3所示。

圖3 GSM基站軟件無線電前端電路Fig.3 GSM software radio front-end circuit

來自接收天線的上行信號(hào)，首先經(jīng)過帶通濾波器濾除帶外信號(hào)，然后經(jīng)過放大和混頻，將射頻信號(hào)變換為中心頻率為f0，帶寬為B的中頻信號(hào)，并經(jīng)中頻濾波濾除鏡像頻率，最后進(jìn)行中頻放大，放大到A/D所需的足夠的信號(hào)電平，送到A/D變換器進(jìn)行采樣數(shù)字化。圖3所示電路的一個(gè)主要特點(diǎn)就是寬帶化，即它把基站所需接受的整個(gè)上行頻段同時(shí)變換到中頻，實(shí)現(xiàn)寬帶處理，這就對(duì)A/D提出了很高的要求。中頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入通信專用處理芯片的可編程下變頻（DDC）中處理，完成對(duì)中頻的選頻和濾波。圖3中 f0、fL、fs的選擇至關(guān)重要。

2.2.1 采樣頻率、中心頻率

根據(jù)過渡帶允許混疊時(shí)的帶通采樣定理可知：

2.2.2 本振頻率fL

本振信號(hào)fL的選取與中心頻率f0有關(guān)，由（5）確定：

式中，fi為輸入信號(hào)的頻率，取“+”時(shí)采用高本振（fL＞fi），取“-”時(shí)采用低本振（fL＞fi）。設(shè) fimax和 fimin分別為輸入信號(hào)的最高和最低頻率，在進(jìn)行混頻時(shí)，式（5）中的fi為輸入信號(hào)頻段的中心頻率，即：

2.2.3 中頻帶寬B0

考慮到無本振反響輻射或無三階互調(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，則有以下關(guān)系：

2.3 A/D后的數(shù)字信號(hào)處理

在圖3中，因?yàn)樵谥蓄l就采用了數(shù)字信號(hào)，用可編程的中頻處理器件，使得基站應(yīng)用比較靈活，采用不同的軟件模塊就可以在不同的通信系統(tǒng)中使用。還可以更多地采用數(shù)字電路，多個(gè)載波可以共享前端電路，使基站減小體積，降低功耗，載波信道設(shè)備的成本也相對(duì)較低。另外，這種結(jié)構(gòu)在中頻對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，可以降低對(duì)濾波器的要求，降低中頻處理部分的成本，并可以用于多個(gè)場(chǎng)合。蜂窩系統(tǒng)中中頻處理的主要功能都在PDC中完成，可以完成信號(hào)的選頻濾波，輸出基帶信號(hào)，然后由后面的DSP多處理器來完成處理[6]。

寬帶射頻信號(hào)經(jīng)過圖3所示的GSM基站前端電路處理后，全部統(tǒng)一變換為帶寬為B0，中心頻率為f0的中頻信號(hào)，然后經(jīng)后續(xù)的高速A/D采樣后，送到圖4所示的軟件無線電基站接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

圖4 軟件無線電基站接收機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Software radio base station receiver structure model

由圖4可見，A/D進(jìn)行正交數(shù)字下變頻把B0內(nèi)的信號(hào)fi變換成2個(gè)正交基帶信號(hào)XI（n）和XQ（n）。由于信號(hào)帶寬Bs相對(duì)于奈奎斯特帶寬窄的多，所以可以對(duì)高采樣的基帶信號(hào)進(jìn)行抽取，以降低采樣頻率，便于后續(xù)信號(hào)的處理。經(jīng)抽取濾波獲得的低采樣率基帶正交信號(hào)I（m）和Q（m），再經(jīng)過如下變換：

求出信號(hào)的ψ（m）和瞬時(shí)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(gè)信號(hào)特征量送到后續(xù) DSP進(jìn)行軟件解調(diào)、分析以及信號(hào)參數(shù)的估計(jì)、測(cè)量，最終輸出解調(diào)的信息比特流。

3 結(jié) 論

由上面的分析可知，通過基站接收天線感應(yīng)的移動(dòng)通信上行信號(hào)經(jīng)過模擬寬帶前端變換為中頻信號(hào)，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(hào)比特流，最后送到基站控制器進(jìn)行后續(xù)處理。

軟件無線電基站就是一種多頻段、多模式、多功能、可擴(kuò)展的“軟”基站或叫“智能”基站（Smart Base Station），它根據(jù)不同時(shí)間、不同環(huán)境、不同的用戶，選擇最佳的工作頻段和工作模式與用戶進(jìn)行信息交換，以期極大地提高通信質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量，因此，這種智能基站（SBS）將成為未來移動(dòng)通信的發(fā)展主流。

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