无线电技术在移动通信的用途

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根据软件在无线电中参与的程度，我们可以将软件无线电技术分为5个等级［2］：第1级为硬件无线电（digitalhardwareradio，DHR）：通过开关、拨号盘及其他按钮来完成操作，仅支持单一或非常局限的功能，不存在软件控制功能的改变。如第一代模拟制式手机MOTO－3200。第2级为软件控制无线电（softwarecontrolledradio，SCR）：软件实现有限的控制功能，其射频前端电路、中频和基带部分由不同的ASIC芯片完成，但可以通过软件控制通信路径。如最早的同时支持PHS与GSM的双模手机。第3级为软件定义无线电（softwaredefinedradio，SCR）：软件定义无线通信协议，频带、空中接口协议和功能都可通过软件下载和更新来升级，而不用完全更换硬件。该平台一般基于模块化、开放性的架构，射频、中频、基带部分由不同的模块构成，基带部分一般采用FPGA／DSP／CPU等，通过配置不同的软件支持2G／3G／LTE／WiMAX等多种制式。ZTE自主研发的SDR基站便是工作在这一级。第4级为理想的软件无线电（idealsoftwareradio，ISR）：在接收端或发射端无需任何下变频或上变频转换，将RF前端的输出直接接入ADC，然后进入到DSP，消除了大部分的模拟部件，从而降低了失真和噪声。第5级为终极软件无线电（ultimatesoftwareradio，USR）：这种无线电没有天线、频率及带宽的限制，通过可编程能同时支持广泛的频率和功能，能快速的完成空中接口间的检测和转换。目前软件无线电技术在移动通信测试领域应用处于第3级，就是软件定义无线电SDR。

软件无线电的结构

WIF（wirelessinnovationforum）定义了SDR的功能架构。如图1所示，射频天线、下变频、A／D与D／A转换、基带信号处理、通用处理器等功能单元为模块化形式，通过高性能的背板总线互连，组成一个模块化、开放性、便于灵活扩展和重复利用的可编程硬件平台。主要构成单元：1）宽带／多频段天线：软件无线电要支持多种通信标准／制式，因而要在很宽的频宽内工作，目前大多采用组合式的多频段天线；2）射频前端：射频前端包括低噪声放大器、功率放大器及滤波器等，其工作频率范围应当足够宽，如LTE等对灵敏度和BER要求更严格，这也对LNA／PA的线性度、功耗、噪声提出更高要求；3）A／D与D／A转换：目前大多数无线通信标准都工作在VHF、UHF、SHF频段，直接在射频上进行A／D和D／A变化还难以实现，一般是通过混频器完成模拟信号的上下变频。ADC和DAC的采样率／更新率、分辨率、动态范围（SFDR）、抖动等都是影响SDR性能的关键因素；4）DSP／FPGA／GPP：DSP／FPGA／GPP都是实现SDR的主流处理硬件，DSP的处理速度低但适于复杂算法的实现，对于数字信号处理非常擅长；FPGA的工作速率高但复杂计算能力相对较弱，适用于复杂性不高的计算密集型任务；GPP难以保证算法实时性要求但通用性和灵活性高，因此在实际的应用中会按它们各自的特点组合使用；5）系统总线：背板总线将系统中各功能单元互连，组成一个模块化、开放性、便于灵活扩展和重复利用的可编程硬件平台。高速数据传输能力、同步、供电等都是重要因素，另外还要考虑到总线的延续性；6）软件无线电系统和其他网络的接口，可以和PSTN、ISDN及其他移动网络实现互通。

频谱分析仪／矢量信号分析仪基本结构

Fourierseries证明时域中的任何电信号都可以由一个或多个具有适当频率、幅度和相位的正弦波叠加而成，这构成了频率测量的基础。频域测量可以帮助我们确认信号的谐波分量，这在无线通信、频谱监测、EMI分析中有重要应用。20世纪50年代HP发明超外差频谱分析仪，从图2中看到，射频信号经过衰减器和低通滤波器到达混频器，然后与来自本振（LO）的信号相混频产生中频信号，当输入信号的频率和本振频率之差是中频频率时，信号就会在显示屏上响应。超外差频谱分析仪的原理基于完成多次扫描的同时被测信号没有明显变化，因而它容易漏掉瞬态信号，无法完成严格的实时频谱分析。随着半导体技术的发展，ADC、DSP、FPGA、GPP等被引入到测试测量行业中，“实时频谱分析仪”就是最典型数字化改进，其利用DSP／FPGA／GPP对ADC后的数字信号做FFT；与超外差频谱仪扫描过程不同，“实时频谱仪”的频带处理是并行的、实时的，另外还可以完成触发、流盘回放等测试功能。DSP／ASIC／FPGA等信号处理单元的引入也扩大了频谱仪的功能，除快速、高分辨率频谱测量外还可以分析数字调制信号（误差矢量幅度、I／Q相位误差、I／Q幅度误差等）。受限于ADC、FFT硬件／DSP的发展水平，“实时频谱仪”在一开始还仅能做到基带部分数字化，如图3所示：射频信号要首先经过带通滤波器抑制带外杂散信号，然后通过低噪声放大器、下变频、中频滤波器输出中频信号，中频信号经过I／Q解调后生成2路低频模拟信号，低频模拟信号再通过2个ADC实现模数转换，随后再由DSP／ASIC／FPGA等实现数字基带信号处理。模拟器件一致性缺陷会导致I／Q信号在幅度、相位不平衡，2路信号时延不一致带来的判决点误差也将影响信号的性能，另外模拟器件的温度漂移也会影响系统的测试精度。SDR要求将A／D、D／A尽可能靠近射频端从而使信号尽早的数字化（见图4），而高性能ADC、FPGA／DSP的推出使得数字中频频谱仪实现。射频前端处理方面，数字中频频谱仪与模拟中频频谱仪无明显变化，重点在下变频后的中频输出直接通过ADC实现模数转换，使用数字处理方式实现数字下变频、中频滤波器、包络检波器、视频滤波器及幅度定标等，最终完成输入信号谱的计算和显示。与模拟中频频谱仪比，数字中频结构极大地改善了频谱仪的测量速度、精度及利用高性能FPGA／DSP测量复杂信号的能力（见图5）。虽然理想的SDR要求实现无线电信号的全带宽数字化，但当前的放大器还无法满足理想带宽，ADC／DAC在转换速度、分辨率及动态范围上也达不到技术要求，即便可以研发出这样水平的芯片，受限于高昂的成本、功耗和体积也很难普遍应用。

软件无线电的关键技术

1）A／D和D／A模数转换器和数模转换器采样速率和采样精度等性能的提高实现了数字中频结构，这使得距离理想的SDR更近一步。衡量A／D、D／A性能的主要指标是采样率、分辨率、信噪比、无杂散动态范围和总谐波失真等指标。大多数无线通信标准都工作在VHF、UHF、SHF频段，直接在射频上进行A／D变化还难以实现，一般先将射频信号经过下变频处理变为中频输出，然后再由ADC数字化。根据奈奎斯特定律，ADC的采样率要至少高于信号最高频率的2倍，否则将造成混叠。为了预防混叠现象的发生会在ADC前段增加抗混叠滤波器，但抗混叠滤波器的滚降速率有限造成在滤波器的通带和截止带之间有过渡带存在，因此ADC的采样率通常要高于信号带宽的2．5倍。3G、LTE、WiMAX等通过高阶调制来增强数据传输速率，复杂的相位和幅度调制对A／D的信噪比提出更严格的要求。作为衡量ADC性能的重要指标，信噪比的因素主要有量化噪声、等效热噪声和孔径抖动等［4］，其中量化噪声又是影响ADC信噪比的主要因素。量化噪声的信噪比为：SNR＝6．02N＋1．76＋101g（fs／2B）式中：N是分辨率，fs是采样频率，B是模拟输入信号的带宽。通过上面的公式可以发现增加分辨率或采样频率都可提高信噪比，但ADC的采样率和分辨率是相互制约的，过高的采样率会限制转换精度的提高，反过来，同时高的转换精度也是以牺牲采样率为代价的。因此，将输入的宽带信号下变频为IF中频窄带信号降低了对ADC采样率的要求，这样可以选择更高的分辨率。以泰克RSA6000系列为例，其中频A／D转换器是14bit，采样率是300MS／s。SFDR和总谐波失真是ADC的另一重要指标，这主要由A／D转换器的微分非线性特性导致。以基本频率为F0的射频信号为例，经过ADC转换后会产生以F0为倍数的谐波分量，而这些谐波之前互相调制又产生互调失真。一般通过改善A／D的线性特性来降低杂散信号带来的失真。2）数字中频技术随着WiMAX／LTE等宽带无线通信技术的逐渐成熟，对无线设备数字中频带宽和通道数的要求也越来越高。对于如此大的运算带宽需求，许多DSP处理器难以满足实际应用，引入数字中频处理减轻DSP处理负担成为关键。数字中频技术包括数字上变频（DUC）、数字下变频（DDC）、波峰因子衰减（CFR）和数字预失真（DPD）等。

数字上变频器主要对低速率的基带数字信号进行插值、滤波，形成更高速率的信号，然后再和数控振荡器（NCO）产生的相互正交的正余弦数字载波信号混频，完成频谱搬移后的信号还要经过波峰因子消减（CFR）后进行D／A变换。如图6、7所示，是Altera针对于WiMAX所设计的DDC／DUC，其基于1024点FFT的OFDM设计，工作带宽是10MHz。通过图示可以看到2路速率为11．424MSps的I／Q信号，经过3级FIR的插值滤波、NCO数字混频、I／Q信号相加后形成91．392MSps中频信号。数字下变频是A／D变换后的数字信号处理器件，首先将数字化后的中频信号与数控振荡器（NCO）产生载波信号混频，实现中频到基带信号的搬移；在对I／Q信号进行基带处理之前还要经过抽取、滤波等。还是以Altera针对于WiMAX所设计的DDC／DUC为例，91．392MSps的中频信号通过过采样、NCO混频，三级FIR，最终得到2路11．424MSps的I／Q信号。波峰因子衰减（CFR）和数字预失真（DPD）技术主要用于通过采用数字信号处理线性化功率放大器，来提高无线电单元的传输效率。例如在LTE、WiMAX中，多载波信号的线性组合会导致中频信号产生较大的峰均比，而通常功放（PA）的线性区是有限的，这样容易出现信号失真和带外泄露。波峰因子衰减（CFR）和数字预失真（DPD）技术可以改善PA输出的线性度，更好地满足LTE、WiMAX对误差矢量幅度（EVM）和邻道泄露比（ACLR）的要求。数字中频处理可以通过ASIC和可编程芯片方式实现，但因为频谱仪要支持2G、3G和4G等多种无线通信协议，而不同标准所采用调制制式对中频处理能力的要求不一样，采用可编程芯片实现将兼顾处理能力和灵活性。数字中频涉及的CIC／FIR滤波、NCO、插值／抽取、混频等需高速处理且算法简单，使用FPGA实现是一种很好的选择。3）DSP／FPGADSP和FPGA都是实现软件无线电的主流信号处理硬件，但在实际中一般根据它们的特点组合使用。以LTE、802．11ac标准为例，OFDM和MIMO技术的引入实现了高数据率和抗干扰能力，但矩阵分解及相乘对数字信号处理器提出很高要求，另外DDC／DUC中的有限脉冲响应（FIR）和级联积分梳状（CIC）滤波器使用DSP也难以实现，而FPGA的强大并行处理和密集计算可以满足要求。对于编码、交织、加扰、符号映射和子载波分配／导频等算法比较复杂，适合使用DSP来完成。除了以上的物理层实现外，无线综合测试仪等还包含协议栈及信令测试功能，比如LTE的呼叫建立和释放、小区搜索、HARQ协议、链路自适应及工控等有着严格的定时要求，这一般由专门的通信协议处理模块（DSP）来实现［6］。从成本、效率等方面来讲，DSP和FPGA组合应用是比较成熟的方案。FPGA和DSP组合方式一般分为2种［7］，一种是FPGA和DSP作为2个独立的单元；另一种是在FPGA芯片中嵌入DSP核，比如Xilinx的Virtex－6FPGA和AlteraStratixIII。与第一种方式组合方式相比，嵌入DSP核方式集成度高便于开发者调试。NIPXIe－5644R矢量信号收发仪采用了Virtex－6FPGALX195TFPGA，该FPGA与ADC、DAC、PCIExpress总线、DRAM、SRAM、PFI0、数字I／O和PXI触发器直接连接，允许通过自定义编程完成数字上下变频、IFFT／FFT、交织、扩频、符号映射、编码等物理层实现。虽然基于通用处理器（CPU）的频谱仪最接近于理想软件无线电的要求，但无线通信中直接利用CPU处理无线通信协议还难以实现。

无线通信涉及大量计算且要严格保证实时性，有时很多计算还是突发性的，CPU在信号处理能力上很难保证；无线通信中实时要求的精确度要达到μs级，而PC操作系统的实时性仅仅在毫秒级；综上从运算能力和实时性上讲，通用处理器很难直接代替DSP／FPGA。通用处理器虽然不是为实时信号处理设计的，但它的通用性很好且升级速度快，在传统的封闭测试仪器中一般负责人机界面及部分测试测量算法的实现，同时提供USB／GPIB／LAN等接口以实现仪器控制。以NI为代表的开放式射频测试厂商提供基于PXI总线平台，在该平台中通用处理器除完成以上功能外，用户可以利用LabVIEW和不同的无线通信工具包开发测试程序，这些程序可以直接下载到FPGA／DSP上实现特定应用。

射频测试厂家解决方案

自1992年美国科学家J．Mitole提出软件无线电概念以来，很多采用SDR理念和技术的设备不断涌现，但目前应用主要集中在军用领域。经历海湾战争后的美国意识到各军兵种电子通信设备互联互通的重要性，因此一直致力于基于“软件无线电”的联合战术无线电系统，如通用动力的数字模块化无线电（DMR）、雷神公司的联合战术终端（JTT－SR）、哈里斯的“猎鹰”。据美国军事与航空航天电子网站披露，自2009年开始德国军队就和射频测试巨头R＆S一起开发软件无线电应用［8］。在移动通信领域，软件无线电技术已经应用到3G／LTE／Wimax／LTE－A等基站中，日本NTT、中兴、华为、诺西等均已推出成熟产品并获得广泛应用，中兴通讯B8200和R8860还获得了由国际电工委员会（IEC）颁发的InfoVision大奖。限于功耗、成本、网络封闭性等因素，手机终端基本还是依靠硬件处理不同制式信号。

目前在移动通信测试领域，很多厂家的产品都采集了软件无线电技术，但在细节方面还是有很多不同。根据测试仪器的开放程度一般分为以Agilent、R＆S、安立为主的传统仪器厂商和以NI、Areoflex等为主的开放式仪器厂商。以上2类射频测试仪器都具有“软件定义仪器”的特征，在维持硬件平台基本不变的情况下，通过更新软件完成功能的拓展。传统测试仪器内部结构不公开，通过GPIB／LAN等总线控制仪器完成测试；用户根据需求先购买带有部分测试功能的仪器，随后再通过购买选件拓展测试功能或协议，但底层代码和程序一般是不开放的，如R＆S的FSQ／SMU系列。开放式仪器一般基于PXI、VXI总线，这种模块化设计的思路更接近于SDR的要求。以NI提供的模块化射频测试方案为例，在基于PXI／PXIe标准总线的机箱中插入模块化的射频前端、中频及基带处理、本振单元，在实时性要求不高及算法不复杂的应用中，中频处理模块仅完成数字上下变频的功能，编解码、符号映射等依靠模块化的CPU完成，比如第一代RFID标签测试（ISO14443、ISO15693等）。针对于3G／LTE／WiMAX等通信测试，NI提供基于Xilinx的Virtex－5FPGA、Virtex－6FPGA的中频和基带处理模块，其中FPGA完成数字上下变频（DUC／DDC）、波峰因子衰减（CFR）和数字预失真（DPD），FPGA中的DSP内核完成编解码、交织、扩频、符号映射等复杂算法。可以选择PXIe－5641R这种将中频和基带处理集中在一起的板卡，也可以选择ADC和数字上下变频（ASIC）功能的PXI－5622，再使用单独的FPGA板卡完成基带处理。如图9和图10所示的2X2MIMO原型验证系统，PXIe－5673和PXIe－5663完成射频和中频处理功能，基带信号处理中密集算法都是在FlexRIO的FPGA上完成，包括FFT、符号映射、MMES均衡算法等，保证了系统的实时性。模块化的架构也使得单个PXI机箱中可实现多组RF信号生成和采集，因为同一机箱中的所有下变频器或上变频器可以共享同一本地振荡器实现相位相干（通道间载波抖动小于0．1°），这样能满足MIMO中空间数据流分离对同步的要求。NI提供P2P技术保证PXIe－5663／5673等射频收发模块和PXIe－7965R间高速传输数据，因为这些数据传输直接在模块间进行而不经过控制器，所以能减少数据延迟带来的问题。基于“虚拟仪器”概念的射频测试系统已经获得了广泛的认同和应用，安捷伦、Areoflex等都推出有基于PXI／PXIe总线的射频测试系统。2012年4月，Areoflex与移动芯片巨头Qualcomm签署授权许可协议［9］，PXI3000系统被更多的应用到移动通信测试中，截止到目前基于PXI／PXIe的射频测试平台也已支持2G／WCDMA／TD－SCDMA／CDMA2000／TDD－LTE／FDD－LTE／Wimax／Wifi／WLAN（802．11a－b－g－n）在内的各种无线通信标准。

软件无线电技术面临的挑战

虽然基于软件无线电的射频测试平台有巨大的优势和潜力，而且Agilent、NI、Areoflex、RS等厂家也推出了相应的测试平台，但目前还面临着很大的困难和挑战。1）R＆S、安立、Agilent等通信测试巨头还是不遗余力的推广传统测试仪器，同时不断的吸纳SDR思想并应用到产品中，其部分中频和基带处理还是采用ASIC芯片，相应的代码和协议对用户还是封闭的。而以PXI为代表的开发式射频测试平台主要实现射频特征参数的验证，而协议处理部分的缺失限制了PXI射频测试平台在通信设备设计和研发阶段的使用［10］，但其灵活性给射频终端制造厂商带来了巨大的便利。考虑到商业回报等因素，很多开放式测试设备厂商还在是否耗费精力开发复杂通信协议上犹豫，毕竟这需要很多的人来开发和维护，但协议测试软件同样也可以和射频测试软件一样，通过下载带有FPGA／DSP的实时基带处理卡实现信令／协议测试。2）开放式的软件无线电射频测试平台还需工程师做二次开发，通过部分自定义实现特定测试应用，这对部分习惯了直接使用传统仪器的中国工程师来讲是很大的挑战。软件学习、培训要占用工程师的一部分精力。3）ADC／DAC芯片的性能还很难做到不通过变频而直接在射频段工作，而移动通信对实时性、运算能力的要求很高，当前还必须借助于DSP、FPGA等完成处理，依靠通用处理器完成实时处理还很难实现。随着越来越多通信标准的推出和不断演进，移动通信系统、终端及芯片厂商对测试成本、测试时间要求会更严格，主流测试设备厂商面对压力会推出更接近于SDR的低成本、快速测试仪器，而以NI为代表的开放式平台测试厂家也会将更多的功能和应用引入PXI平台中，推出指标更高、更灵活的射频测试仪器。

作者：张鹏单位：美国国家仪器公司