基于fpga的软件无线电接收机硬件平台的设计

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1、基于 FPGA 的软件无线电接收机硬件平台 的设计课题研究背景及意义：软件无线电技术最早是由军事通信发展而来的。其概念最早起源于 20 世纪 70 年代末美军对 VHF 频段多模式无线电系统的开发。一直以来军用无线设备 都是针对某些特定用途而设计。由于它们的发射单元和接受单元在射频载波频 率、波形结构和调制方式的不统一，所以形成了军事无线装备系列多、互通差、 协同难的局面很难适应未来海、陆、空一体化作战的要求1。理想的军用通信 系统一方面应该满足其调制模式、信道带宽和语音编码类型灵活可变的特点， 另一方面还可以根据具体的工作环境较易地对系统参数进行重新配置，工作环 境包括信道的传输特性等。这样

2、的系统能够有效阻止敌方的截获在战争的环境 下具有很强的优势。所以在军用无线电中采用软件无线电的优势就显而易见。 软件无线电在民用无线通信领域方面也有很强的需求。20 世纪 80 年代我 国引入模拟制 TACS 系统(1G)，90 年代初引进数字制的 GSM 和 CDMA 系统 (2G)，到现在使用的 3G，在不久的将来又将步入 4G 时代。随着通信服务质量 的日趋提高，通信系统的升级换代的速度是惊人的2。如果采用硬件的直接替 换而实现系统的更新换代，这将要牺牲巨大的经济成本。如果现有的通信系统 的基础硬件建立在软件无线电原理的基础上，那么随着服务质量和性能要求的 不断提高现在乃至将来系统在更新

3、换代的成本将会大幅度降低。 当前无线通信系统繁多，由于各种不同通信系统的工作频段、调制方式、 波形结构、通信协议等原理、结构上存在差异，极大限制了不同系统之间的互 通，这些系统间的互不兼容给通信带来极大的不便。传统以硬件为主的通信体 制已无法解决这一问题，这种情况下，1992 年 5 月，MILTRE 公司的 Joseph Mitola 提出了软件无线电技术，它突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展 性差的硬件为核心的设计局限，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能 用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路，极大的 增强了各个不同系统间的互通性和兼容性。这项技术得到了国内

4、外广泛的关注 和重视。 软件无线电是一种开放的模块化结构，物理实现上基于一个采用数字无线 电技术的通用硬件平台，通过实时的软件控制，用户能定义该平台的工作模式， 包括工作频带、信号速率、调制方法、多址方式、接口协议、业务种类等，从 而使一个硬件平台能实时地转变为不同的技术标准的通信系统。通过软件的升 级，在硬件平台不变的前提下，软件无线电能及时适应技术标准的进展，可以 灵活的支持多种业务3。 软件无线电技术的基本思想是将宽带的 A/D 转换器尽可能靠近射频天线， 即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过 DSP 软 件来实现通信系统的各种功能。与传统的无线电系统相比，其主

5、要特点就是开 放性、可编程性和快速的可配置性。 软件无线电主要由天线，射频前端、宽带 A/D 和 D/A 转换器、通用 DSP 以及各种软件组成。天线一般要覆盖比较宽的频带(2MHz2GHz )，目前一般使 用几副天线实现；射频前端主要完成上下变频、滤波、功率放大等任务；A/D和 D/A 转换器在软件无线电中的位置非常关键，要有足够的工作带宽、较高的 采样频率和足够大的动态范围；最后对 A/D 量化之后的数字信号进行处理。软件无线电在国内外的研究现状：尽管软件无线电这个名词在 1992 年才正式提出，但是美国军方在更早一些 时候便开始了对多模式多波段电台的研究。1990 年，在远景规划局(AR

6、PA)基 金会的资助下，美国空军 Rome 实验室与 Hazeltine 公司签订了研究多模式电台 的计划，即 Speakeasy 计划。其基本思想与软件无线电技术不谋而合，并具备 很强的实用性和很广泛的应用前景，因而被认为是软件无线电工程项目的典范4。 其他发达国家也成立了专门的研究机构，并投入大量的研究经费，正在研究和 开发软件无线电技术，有的已经进入了实用化研究阶段。软件无线电(SDR)作 为当今无线通信领域的新技术，正引起国内外越来越多的关注，在通信领域是 继模拟技术到数字技术、固定通信到移动通信之后的新的无线电通信体制。随 着通信技术的发展，兼容各种不同制式类型的设备已经日益显露出其

7、需求性， 与传统的无线电系统相比，软件无线电系统具有结构通用、功能软件化、互操 作性好等一系列优点。目前以美国和西欧为主导的发达国家都在积极地致力于 软件无线电技术的研究和系统的开发利用。美国在其国防技术领域计划中，将 软件无线电视为战场无缝通信的基石和首要的技术挑战，认为是用来解决多售 主、多网络、联合多兵种合成部队和商业环境中通信设备互操作性问题的有效 手段。其最终目标是：在此基础上发展利用商业标准和协议，达到战术系统之 间以及战术系统与全球通信系统之间的自动化无缝接口，实现数据与语音一体 化传输和数字战场通信，确保战区基于数字信号处理的软件无线电平台的研究 与实现内分散在各处的阵地，直到

8、最低梯队步兵和每艘舰艇和每架飞机之间能 够进行可靠、透明、安全的连通。在美国防部计划的推动下，其它一些国防电 子公司也展开了多频段多模式电台研制工作。据报道，美国哈里斯公司已研制 成功一种 AN/VRC-94(E)的多频段车载收发信机，可与其它电台(如 AN/PRC- 117A 和 AN/VRC-94A)互通。美国马格纳斯克公司也研制出 AN/GRC-206(V) 多频段多模式电台，该系列产品是为美国三军实施前方地域控制、空中交通管 制和空中补给支持行动而设计的，它是一种 HF/VHF/UHF 综合通信系统。美 陆军正在研制新一代三频段的超高频战术卫星通信终端，以实现真正意义的互 通能力。然而

9、以上系统，限于当前技术的限制，与软件无线电在统一硬件平台 下由软件实现全部通信功能的要求还有很大差距。这主要的原因是，各系统在 数字处理方面采取了折中的方法。由于无法解决数字下变频中巨大的运算量与 DSP 处理速度之间的矛盾，不得以采用专用硬件芯片来进行处理，这无疑降低 了软件无线电系统的灵活性。 针对实现理想的软件无线电系统，目前研究人员提出了两种方案： 1采用多片 DSP 组成并行处理模块。TI 公司的 TMS320C40/C80， AD 公司生产的 ADSP2106x 以及 INMOS 公司的 TRANSPUTER 都适合多芯片并行 处理，由于受价格等因素制约，目前这方面的应用并不多。

10、2探索研究下变频处理的高效算法。该方案中下变频处理完全由软件来完 成，因而具有较大的灵活性和适应性。其中，正交数字混频理论、高效数字滤 波和多抽样率信号处理理论等成为研究的热点。如何消除振动杂散、设计及应 用高效滤波器、防止抽取产生的频谱混叠、信号的最终整形是设计中的重点和 难点。软件无线电技术有着广泛的发展空间，这一方面得益于终端用户、应用开 发服务提供商、网络运营商和设备制造商对无线通信系统的市场需求，另一方 是得益于技术的发展和提高。未来的无线通信系统将是多制式、多模式的通统， 可以提供包括多媒体在内的多种服务类型。软件无线电以其强大的可配力和可 编程能力将成为未来通信系统的首选。 随着

11、软件无线电理论的不断丰富，数字下变频理论也得到了不断的完善， 现在将射频信号数字下变频到低中频，而不是零中频，然后进行解调也成为新 的实现方向。传统的数字下变频结构己经不能有效的实现低中频方案，其中一 些基本算法己经不适用，需要对高效算法进行新的研究，同时低中频处理也对 硬件的处理速度提出了更高的要求。由于 FPGA 的可重复配置，用 FPGA 实现 两种下变频方式可以为系统提供更加灵活的应用方式和更广泛的应用环境，这 也成为未来的一个研究方向5。FPGA 越来越丰富的硬件资源和不断提高的处理 性能为高性能数字下变频设计提高了一个广阔的发挥空间，甚至只用一片 FPGA 就可以实现功能完善，性能

12、优良的软件无线电数字接收机，做到真正的 可编程片上系统。 由于 FPGA 的实现成本较高，将成熟可靠的数字下变频 FPGA 设计转成 ASIC 降低单片成本并实现产品化，将是一个可能的选择，这也对 FPGA 设计和 测试提出了更高的要求。 现阶段，软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应 用越来越成为研究的热点。欧洲的先进的通信技术与业务计划中，有三项计划 是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中的：FIRST(灵活的综合无线 电系统和技术)计划将软件无线电技术应用到设计多频，多模可编程手机。这种 手机可自动检测接收信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求； FRAM

13、ES(未来的无线宽带多址系统)计划的目标是定义、研究与评估宽带有效 的多址接入方案来满足 UMTS 要求，方法之一是采用软件无线电技术； SORT(软件无线电技术)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线 自适应接入功能，并符合 UMTS 的标准美国也正在研究基于软件无线电技术的 第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站，同时还注意到软件无线电技 术与计算机技术的融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面。 在国内，软件无线电技术受到相当重视，在“九五”和“十五”预研项目 和“863”计划中都将软件无线电技术列为重点研究项目。 “九五”期间立项的 “多频段多功能电台技术”突破了软件

14、无线电的部分关键技术，开发出了信道 多波形样机；我国提出的第三代移动通信系统方案 TD-SCDMA，就是利用软 件无线电技术完成设计。部分高校和科研机构也正在开展软件无线电的研究工 作，研究最多的是实现软件无线电系统的方案，其中大多数是建立基于总线结 构的软件无线电系统，如 VME 总线和 PCI 总线等，而且采用类似于流水方 式的体系结构是与无线通信的逻辑一致同时使系统各个模块之间的耦合相当严 密。清华大学软件无线电课题组等研究组织承担国家“863”软件无线电研究项 目，着手于网络结构等软件无线电的研制工作，克服了总线结构的不足，取得 了显著成果。软件无线电需要将现代先进的通信技术、微电子技

15、术和计算机技 术结合在一起，是一个中长期的研究项目，需要很强的综合实力。 民用方面的应用将成为软件无线电技术更为重要的应用领域，其应用包括： 多频多模式移动通用手机、多频多模式移动电话通用基站、无线局域网及无线 用户环的通用网关等。以多频多模式移动通用手机为例。移动电话作为无线个人通信的重要业务具有十分广阔的市场，而现在世界上存在着多种移动电话体 制，甚至在一个国家或地区也可能有多个系统共存，这对于想用一部手机走遍 全球的用户来说是非常不方便的；另一方面，某些人口高度密集的大城市，特 别是市中心地区，移动电话用户过于拥挤，很难满足要求。而目前这些不同的 系统还将长时间共存，并且将来的标准也很可

16、能类似于软件无线电的体系。因 此，用软件无线电实现多频多模式移动手机不仅可能解决以上问题，从长远看 也是很有意义的。但是要真正地实现多频多模式手机，最困难的将是功率、体 积和成本问题。目前来看较有可能首先实现的是软件无线电基站及车载移动台。FPGA 的主要优点：软件无线电中需要与多种硬件结合实现处理算法。利用器件在不同的应用 场合的优势，发挥其最大性能。以通用的硬件平台灵活地实现各种不同的通信 方式或功能。在进行实时信号处理时，虽然底层信号需要进行较大数据量的预 处理，同时要求满足较高的速度处理要求，可是运算在结构方面相对简单。因 为 FPGA 器件在工作速度和处理性能方面具有明显的优势所以可用 FPGA 实现。 由中频处理后的信号带宽达到几十赫兹，目前 DSP 不具备相应的处理能力，所 以 FPGA 是进行软件无线电基带处理的理想器件7。 目前主要的 FPGA，DSP，ASIC、等数字信号处理器中。高速、大容量的 FPGA 对于承担海量实时处理的任务来说是最佳的选择。高速、大容量的 FPGA 具有高性能的信号处理能力、很强的灵活性和可升级性。使其在极其