無線電通信終端設(shè)備可重構(gòu)技術(shù)探討

林少良 范宏宇

[摘要]文章從無線通信終端設(shè)備可重構(gòu)性需求出發(fā)，論述了可重構(gòu)無線終端設(shè)備的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，提出可重構(gòu)射頻接收、射頻發(fā)射、基帶單元的設(shè)計(jì)思想及方案設(shè)想，為可重構(gòu)無線終端設(shè)備的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)提供參考。

[關(guān)鍵詞]無線通信終端設(shè)備可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)

1引言

在基于軟件無線電技術(shù)的通信系統(tǒng)中，常常將為了實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸而對信息所采取的一系列變換叫做波形，如GSM系統(tǒng)中的編碼、調(diào)制等參數(shù)的組合，可稱為G波形族；CDMA-IS95系統(tǒng)中的通信參數(shù)組合，可稱為C95波形族，等等。在2G和3G并存的今天，為了使用方便，人們研究制造了雙卡、三卡智能蜂窩手機(jī)，它可以根據(jù)通信質(zhì)量，接入最佳的無線通信網(wǎng)絡(luò)。但隨著無線通信的迅猛發(fā)展，新的通信網(wǎng)絡(luò)不斷涌現(xiàn)，除了蜂窩移動通信系統(tǒng)外，還有WLAN、WiFi、集群移動通信系統(tǒng)等等。因此，一個能夠自動選擇最佳通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)隨時隨地與任何人進(jìn)行通信的無線智能終端(亦稱智能手機(jī))已成為人們的迫切需求。

目前，智能手機(jī)的射頻電路通常采用組合式硬件架構(gòu)，通過集成支持多種無線網(wǎng)絡(luò)所需的電路模塊，并激活硬件的不同狀態(tài)來完成不同系統(tǒng)之間的切換。這種組合無線電的體系結(jié)構(gòu)需要不斷地?cái)U(kuò)展硬件才能支持更多的系統(tǒng)，結(jié)果是設(shè)備的尺寸膨脹、功耗增大。其主要原因是此類終端通信架構(gòu)的開放性、可重構(gòu)性差?？芍貥?gòu)性是指在一個終端系統(tǒng)中，其硬件模塊或軟件模塊均可按需進(jìn)行配置(或重新設(shè)置)。因此，擺在工程師面前的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)一種無線終端以應(yīng)對不同通信系統(tǒng)兼容或以盡可能快的速度升級擴(kuò)展的需求，也就是通過配置某些軟硬件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)通信波形的變換，即設(shè)備要具備可重構(gòu)性。

無線通信設(shè)備體系結(jié)構(gòu)的開放性、可重構(gòu)性研究及波形組件庫的建立對開發(fā)可重構(gòu)無線終端設(shè)備起著重要的作用，已成為通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

2可重構(gòu)無線終端體系結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)無線終端按體系結(jié)構(gòu)劃分，主要由硬件與軟件兩大部分組成；按功能模塊劃分，主要由基帶處理電路、射頻電路與天線三部分組成。其突出特點(diǎn)是整機(jī)發(fā)射功率、信道編碼方式及調(diào)制參數(shù)、鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議、信源壓縮方式及壓縮速率等需根據(jù)通信環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，因此其基帶及射頻電路設(shè)計(jì)均需支持軟件可編程或參數(shù)可重配置的功能特性。

2.1可重構(gòu)終端硬件體系結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)無線終端硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1中各部分的功能如下：

(1)寬帶天線由寬帶可重構(gòu)天線、開關(guān)電路和寬帶匹配電路組成，可以通過開關(guān)選擇天線和匹配電路實(shí)現(xiàn)通信頻段、天線增益的控制；

(2)可重構(gòu)射頻單元由可重構(gòu)射頻前端、可重構(gòu)收發(fā)信道組成，通過重配置實(shí)現(xiàn)頻段、帶寬、增益和功率等的實(shí)時或非實(shí)時的調(diào)整；

(3)可重構(gòu)基帶單元硬件部分一般由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)、通用處理器(GPP)組成，軟件部分則由操作系統(tǒng)、驅(qū)動軟件和波形軟件組成，通過配置管理可進(jìn)行不同調(diào)制方式、編碼方式及組網(wǎng)協(xié)議的靜態(tài)及動態(tài)加卸載，滿足通信系統(tǒng)的要求。

2.2可重構(gòu)終端軟件體系結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)終端軟件體系結(jié)構(gòu)由配置管理面、業(yè)務(wù)面、基礎(chǔ)面，如圖2所示。

圖2中各面的功能如下：

(1)配置管理面：包括可重構(gòu)管理器和應(yīng)用、協(xié)議、物理層可重構(gòu)控制器，完成對業(yè)務(wù)面各層組件的控制，由一系列可重構(gòu)配置、可編程或參數(shù)化硬件／軟件資源的數(shù)據(jù)控制處理組成；

(2)業(yè)務(wù)面：包括應(yīng)用層、協(xié)議層、物理層對應(yīng)的應(yīng)用插件、協(xié)議模塊、處理模塊，即波形組件庫；

(3)基礎(chǔ)面：包括系統(tǒng)軟件、中間件、設(shè)備驅(qū)動等，是波形運(yùn)行的軟件環(huán)境。

3設(shè)計(jì)思路及方案設(shè)想

3.1可重構(gòu)射頻接收單元

常用的接收機(jī)結(jié)構(gòu)有三種：超外差式、直接變換式(零中頻或近零中頻)、射頻采樣式。根據(jù)可重構(gòu)性和目前技術(shù)、器件所達(dá)到的水平，可重構(gòu)射頻接收方案宜采用零中頻及近零中結(jié)合的直接變換式結(jié)構(gòu)。該接收結(jié)構(gòu)主要由正交解調(diào)、可變帶寬模擬濾波、可變增益放大及數(shù)／模變換等組成，如圖3所示。

射頻前端的接收信號通過正交下變頻器直接轉(zhuǎn)換為零中頻／近零中頻基帶信號。

當(dāng)接收信號為窄帶信號時，采用近零中頻轉(zhuǎn)換方式，本振頻率與接收頻率相差一個低中頻。轉(zhuǎn)換后的兩路正交信號是具有一定帶寬的低中頻基帶IQ信號，低中頻的取值可根據(jù)接收信號的帶寬而定，以規(guī)避直接漂移及低頻噪聲干擾問題。當(dāng)接收信號為寬帶信號時，則采用零中頻及交流耦合方式，本振頻率與接收頻率一致。因此時零中頻轉(zhuǎn)換輸出的基帶IQ信號頻譜較寬，直流附近信號分量較小，采用簡單的交流耦合方式即可消除直流漂移，又不會明顯損傷接收信號質(zhì)量。

當(dāng)采用零中頻接收方式時，基帶處理電路對接收到的基帶IQ信號進(jìn)行數(shù)字濾波和基帶解調(diào)即可；但當(dāng)采用近零中頻接收方式時，基帶部分首先需對接收到的基帶IQ信號進(jìn)行鏡像抑制數(shù)字下變頻，然后再進(jìn)行數(shù)字濾波和基帶解調(diào)。

圖3中，各部分工作原理如下：

(1)本振源部分一般采用高分辨率的△－∑小數(shù)分頻鎖相環(huán)，結(jié)合低相噪的寬頻覆蓋VCO，提供的本振信號具有換頻時間短、相噪特性好、頻率分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且功耗低。

(2)基帶可變帶寬模擬濾波部分主要采用可編程開關(guān)電容有源濾波器實(shí)現(xiàn)，帶寬調(diào)整范圍大，通過與基帶部分的可編程FIR數(shù)字濾波相結(jié)合，可支持從窄帶到寬帶信號的接收解調(diào)。

(3)數(shù)／模變換部分一般采用△－∑型A／D變換器，取其高分辨率、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。目前16bits △－∑型A／D變換器采樣率達(dá)80MHz以上，可支持3G、B3G等通信波形所需的信號采樣帶寬。

(4)整個接收通道中，射頻及基帶部分的低噪聲放大器均可進(jìn)行增益控制，提供不小于100dB的可控增益范圍，以適應(yīng)不同通信波形接收所需的增益要求。

上述接收結(jié)構(gòu)，其工作頻率、接收帶寬、信號增益等均可重構(gòu)，與基帶部分相配合，可實(shí)現(xiàn)不同通信波形的接收解調(diào)。

3.2可重構(gòu)發(fā)射單元

發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)按調(diào)制方式分，常用的有：直接數(shù)字調(diào)制、正交調(diào)制、極坐標(biāo)調(diào)制。極坐標(biāo)技術(shù)是一種與功放結(jié)合的高效線性功放發(fā)射技術(shù)。它把發(fā)射信號按極坐標(biāo)分解成幅度和相位兩個分量進(jìn)行調(diào)制與功率放大，能夠?qū)Πl(fā)射頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率、功率增益等進(jìn)行軟件化處理，所以在很大程度上提高了發(fā)射信道射頻端的可重構(gòu)性。

采用極坐標(biāo)調(diào)制技術(shù)的功率放大器，極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊將輸入的兩路正交信號I、Q分離為幅度信號p和相位信號θ。幅度信號反映發(fā)射信號幅度信息，用來調(diào)整功率放大器的供電電壓；相位信號與高頻載波進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生恒定包絡(luò)的射頻信號，推動大功率射頻信號放大器。其原理如圖4所示：

相位調(diào)制部分可采用兩點(diǎn)調(diào)制式△-∑小數(shù)分頻鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制精度高、信號輸出頻譜質(zhì)量好，無需再外接帶通濾波器抑制遠(yuǎn)端雜散。幅度調(diào)制部分可采用s類高效開關(guān)功放，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)是需要兼顧開關(guān)效率與輸出的幅度包絡(luò)信號質(zhì)量。

對于LTE通信波形中的OFDM類調(diào)制信號，以上的極坐標(biāo)功放發(fā)射架構(gòu)還需與自適應(yīng)基帶數(shù)字預(yù)失真技術(shù)相結(jié)合，才能滿足其高線性放大要求。

3.3可重構(gòu)基帶單元

可重構(gòu)基帶單元的數(shù)字處理源通常由GPP、DSP和FPGA等主要芯片組成，如圖1中可重構(gòu)基帶單元所示?；鶐У目芍貥?gòu)不僅要支持靜態(tài)可重構(gòu)，還要支持動態(tài)可重構(gòu)。靜態(tài)可重構(gòu)必須在中斷程序的情況下運(yùn)行，產(chǎn)生一個系統(tǒng)運(yùn)行的初始配置和方案，主要用在跨頻段的波形加載。動態(tài)可重構(gòu)其過程可與程序執(zhí)行同時進(jìn)行，根據(jù)系統(tǒng)的對象的運(yùn)行狀況和環(huán)境的變化產(chǎn)生一個優(yōu)化的配置和方案，主要用于同一頻段的波形變換。

要實(shí)現(xiàn)高速的動態(tài)重構(gòu)，芯片的選擇非常重要，一般要求重新配置時間縮短到納秒量級。

處理器的選擇可考慮通用ARM處理器和專用DSP處理器。相對于GPP和DSP的可重構(gòu)性而言，F(xiàn)PGA的可重構(gòu)能力略弱。FPGA的可重構(gòu)技術(shù)，就是利用可編程FPGA資源可以重復(fù)編程配置的特點(diǎn)，通過時分復(fù)用的方式復(fù)用FPGA內(nèi)部的邏輯資源，使在時間上離散的邏輯電路功能模塊能在同一個FPGA中順序?qū)崿F(xiàn)。典型的FPGA器件如XinliaX公司的FPGA Virtex／-／-E、Virtex-Ⅱ Pro和Virtex-Ⅳ。Vi rtex-Ⅱ Pro作為第一個平臺級FPGA，能夠?qū)崿F(xiàn)超高帶寬的系統(tǒng)級芯片設(shè)計(jì)，它具有ASIC的優(yōu)點(diǎn)，又保留可編程邏輯器件所有的靈活性和低開發(fā)成本、低功耗的特點(diǎn)。

采用GPP、DsP和FPGA組合的可重構(gòu)基帶單元能滿足基帶處理性能要求，同時有利于設(shè)備的小型化、低功耗設(shè)計(jì)。

3.4可重構(gòu)基帶單元的軟件

運(yùn)行于可重構(gòu)基帶單元的基礎(chǔ)面軟件涉及到中間件、系統(tǒng)軟件、設(shè)備驅(qū)動?；A(chǔ)面的軟件可采用SCA架構(gòu)或Android軟件平臺。

采用SCA架構(gòu)的基礎(chǔ)面軟件由中間件、核心框架和操作系統(tǒng)組成。操作系統(tǒng)包括設(shè)備驅(qū)動，可采用Vxworks／Linux等嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，占用資源相對較少。Vxworks適合于車載終端，Linux適合便攜或手持終端使用。核心框架可選擇OSSIE所提供的開源的核心框架，基于Linux系統(tǒng)，可進(jìn)行自主的二次開發(fā)(包括裁剪和優(yōu)化)，滿足輕量型的要求。中間件應(yīng)滿足中間的或輕量化、強(qiáng)實(shí)時性等要求，選用開放源碼的中間件產(chǎn)品，支持CORBA規(guī)范。

Android軟件平臺包括操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用，是運(yùn)行在Linux2.6內(nèi)核上的Java系統(tǒng)。Android應(yīng)用框架可以重復(fù)使用，其組件也可以更換。Android軟件平臺的中間件是Dalvik虛擬機(jī)，針對移動設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，適合便攜或手持終端的應(yīng)用要求。

此外，還應(yīng)重視業(yè)務(wù)面、配置管理面的波形組件及配置管理的開發(fā)，建立波形庫及波形加卸載管理，提高通信設(shè)備靈活應(yīng)用的能力。

4小結(jié)

無線電通信設(shè)備的可重構(gòu)性設(shè)計(jì)是軟件無線電工程化的重要組成部分，本文所提出的無線電通信設(shè)備可重構(gòu)設(shè)計(jì)思想及方案設(shè)想，可為軟件無線電終端的可重構(gòu)性研究提供參考。

作者簡介

林少良：高級工程師，碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所總體部副主任，長期從事無線通信、移動通信體系結(jié)構(gòu)、傳輸技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)，主要研究方向?yàn)闊o線通信／移動通信技術(shù)體制、傳輸技術(shù)、軟件無線電技術(shù)及組網(wǎng)技術(shù)等。

范宏宇：高級工程師，碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，長期從事無線通信、移動通信、組網(wǎng)技術(shù)、傳輸技術(shù)研究及小型化產(chǎn)品開發(fā)，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)、傳輸技術(shù)、小型化設(shè)計(jì)技術(shù)及基帶芯片設(shè)計(jì)技術(shù)等。