移動通信測試領(lǐng)域中軟件無線電技術(shù)應(yīng)用

韓健　于林韜

摘 要：當(dāng)今通信領(lǐng)域，2G、3G、LTE、WiMax等制式將長時間內(nèi)并存，這種不同模式、頻段多、功能強的通信制式，對無線基站和終端的測試來說是巨大挑戰(zhàn)。本文全面詳細(xì)介紹了軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，中頻頻譜儀分析儀等儀器的工作原理。

關(guān)鍵詞：軟件無線電 移動通信 頻譜分析

中圖分類號：TN929 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0006-02

由于網(wǎng)絡(luò)要求與用戶需求，多種移動通信制式將長期并存。中國移動2012年的集中采購中，其數(shù)據(jù)終端和語音終端規(guī)定必須要支持GSM，F(xiàn)DD-LTE，TD-LTE，WCDMA，TD-SCDMA五種制式，且每種制式的頻譜范圍不同。國內(nèi)4G終端也同時支持3-4種制式，與此同時，WiFi，GPS等功能也更多配于智能終端，從而給無線技術(shù)測試領(lǐng)域帶來巨大挑戰(zhàn)。于是提出通過軟件編程來完成無線通信設(shè)備的系統(tǒng)升級和功能測試，這將大大提高無線產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)效率，并大大節(jié)省儀器成本。

軟件無線電技術(shù)（SDR）將硬件與軟件結(jié)合，使設(shè)備可以任意重新配置，為完成多模式、多頻段、多功能無線通信測試提供了可行的解決方案。通過軟件編程，過去只能使用專用硬件平臺來完成的任務(wù)，軟件無線電技術(shù)也可以完成。利用具有強大信號處理能力的可編程器件，如：DSP/FPGA/CPU等，可實現(xiàn)支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)。

1 軟件無線電的結(jié)構(gòu)

軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)，是將A/D與D/A轉(zhuǎn)換器件安裝在盡可能靠近天線的位置，這是為了將模擬信號盡早數(shù)字化，并通過采用高速數(shù)字信號處理芯片（DSP等）處理輸出信號，最后通過軟件編程來實現(xiàn)無線通信的功能。理想軟件無線電系統(tǒng)如圖1所示。

由于各種因素限制，如天線與ADC器件帶寬等，理想軟件無線電目前無法實現(xiàn)。工程上實現(xiàn)的軟件無線電系統(tǒng)被稱為軟件定義的無線電（Software-defined radio）。在一個SDR系統(tǒng)中，我們將A/D器件的位置稱為數(shù)字接入點，這個位置至關(guān)重要，它表示信號數(shù)字化處理的開始。區(qū)別于多模式無線電等，軟件無線電系統(tǒng)中射頻（RF）頻帶、信道調(diào)制以及信道接入模式等等全部具有的可編程性。

2 軟件無線電在通信測試儀器中的應(yīng)用

由于ADC，F(xiàn)FT硬件和DSP的發(fā)展水平有限，目前“實時頻譜儀”僅能做到基帶部分?jǐn)?shù)字化，對移動通信測試來說非常不便。SDR要求A/D，D/A器件盡可能的靠近天線射頻端，從而將信號更早的數(shù)字化。近年來高性能ADC，F(xiàn)PGA/DSP等器件的推出使得數(shù)字中頻頻譜儀得以實現(xiàn)。

數(shù)字中頻頻譜儀與傳統(tǒng)模擬中頻頻譜儀相比，在射頻前端處理方面并沒有明顯的差別，主要區(qū)別在于下變頻后的中頻輸出信號是否直接通過AD器件實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。通過使用數(shù)字處理方式實現(xiàn)數(shù)字下變頻、中頻濾波器、包絡(luò)檢波器、等等，最終完成輸入信號頻譜的計算。相比于模擬中頻頻譜儀，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)頻譜儀極大地改善了測量的速度、精度及對于高性能FPGA/DSP測量復(fù)雜信號器件的能力。

3 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)

（1）信道化發(fā)射機復(fù)信號數(shù)學(xué)模型。

將具有在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)的所有信道上同時發(fā)射信號的能力的發(fā)射機稱之為信道化發(fā)射機，

假設(shè)共有N個待發(fā)射的帶通信號m（t），每個帶寬均為B，用相同的采樣頻率fs進行帶通采樣后得到各自的等效低通數(shù)字頻譜Mk（0）。

上式中，N為分辨率，fs是采樣頻率，B為模擬輸入信號帶寬。通過公式可以發(fā)現(xiàn)，將輸入的寬帶信號下變頻，從而得到中頻窄帶信號，這就降低了對ADC采樣率的要求，從而可選擇更高的分辨率。

（3）數(shù)字信號處理技術(shù)。

在基帶處理單元，需要對各種波形進行調(diào)制/解調(diào)、擴頻/解擴以及同步和信道的自適應(yīng)均衡等各種處理，這就要求DSP器件應(yīng)該有很強的處理能力。對于完成話音和圖像等信源編碼/解碼的算法，會要求DSP應(yīng)該有更高的處理能力。

4 結(jié)語

隨著通信標(biāo)準(zhǔn)越來越多的出現(xiàn)和不斷演進，移動通信系統(tǒng)、終端及芯片廠商對測試成本、測試質(zhì)量、測試時間等要求會更加嚴(yán)格。市場上主流測試設(shè)備廠商將會推出更接近于SDR的測試儀器，從而推出更高指標(biāo)、更加靈活的射頻測試儀器。

參考文獻

[1] 徐贊.通過軟件無線電的架構(gòu)加速無線技術(shù)的開發(fā)與測試[J].國外電子測量技術(shù)，2009，7.

[2] 王際兵，等.軟件無線電發(fā)展動態(tài)[J].清華大學(xué)學(xué)報，2002，39（9）.

[3] Jay R.Moorman，Implementation of a 3G W-CDMA Software Radio，IEEE International Conference on Communications 2003.ICC03.

[4] 韋維，畢存強，吳興潔.淺談移動通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技術(shù)[J].中國無線電，2005，8.

[5] Joe Mitola，The soft ware radio architecture，IEEE Communications Magazine，May 2001.

[6] 王宏，王晶洋，林婧，等.DSP與FPGA在軟件無線注中的應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[7] 戴淑珍，軟件無線電在靶場移動終端中的應(yīng)用研究，2000年航天控技術(shù)研討會

[8] 鄒建宏.論基于軟件無線電的通信系統(tǒng)[J].數(shù)字技與應(yīng)用，2012（1）.

[9] Joe Mitola，Research on Soft ware Radio Fuze，IEEE JSAC VOL.17，NO.4，APRIL，2004.

摘 要：當(dāng)今通信領(lǐng)域，2G、3G、LTE、WiMax等制式將長時間內(nèi)并存，這種不同模式、頻段多、功能強的通信制式，對無線基站和終端的測試來說是巨大挑戰(zhàn)。本文全面詳細(xì)介紹了軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，中頻頻譜儀分析儀等儀器的工作原理。

關(guān)鍵詞：軟件無線電 移動通信 頻譜分析

中圖分類號：TN929 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0006-02

由于網(wǎng)絡(luò)要求與用戶需求，多種移動通信制式將長期并存。中國移動2012年的集中采購中，其數(shù)據(jù)終端和語音終端規(guī)定必須要支持GSM，F(xiàn)DD-LTE，TD-LTE，WCDMA，TD-SCDMA五種制式，且每種制式的頻譜范圍不同。國內(nèi)4G終端也同時支持3-4種制式，與此同時，WiFi，GPS等功能也更多配于智能終端，從而給無線技術(shù)測試領(lǐng)域帶來巨大挑戰(zhàn)。于是提出通過軟件編程來完成無線通信設(shè)備的系統(tǒng)升級和功能測試，這將大大提高無線產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)效率，并大大節(jié)省儀器成本。

軟件無線電技術(shù)（SDR）將硬件與軟件結(jié)合，使設(shè)備可以任意重新配置，為完成多模式、多頻段、多功能無線通信測試提供了可行的解決方案。通過軟件編程，過去只能使用專用硬件平臺來完成的任務(wù)，軟件無線電技術(shù)也可以完成。利用具有強大信號處理能力的可編程器件，如：DSP/FPGA/CPU等，可實現(xiàn)支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)。

1 軟件無線電的結(jié)構(gòu)

軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)，是將A/D與D/A轉(zhuǎn)換器件安裝在盡可能靠近天線的位置，這是為了將模擬信號盡早數(shù)字化，并通過采用高速數(shù)字信號處理芯片（DSP等）處理輸出信號，最后通過軟件編程來實現(xiàn)無線通信的功能。理想軟件無線電系統(tǒng)如圖1所示。

由于各種因素限制，如天線與ADC器件帶寬等，理想軟件無線電目前無法實現(xiàn)。工程上實現(xiàn)的軟件無線電系統(tǒng)被稱為軟件定義的無線電（Software-defined radio）。在一個SDR系統(tǒng)中，我們將A/D器件的位置稱為數(shù)字接入點，這個位置至關(guān)重要，它表示信號數(shù)字化處理的開始。區(qū)別于多模式無線電等，軟件無線電系統(tǒng)中射頻（RF）頻帶、信道調(diào)制以及信道接入模式等等全部具有的可編程性。

2 軟件無線電在通信測試儀器中的應(yīng)用

由于ADC，F(xiàn)FT硬件和DSP的發(fā)展水平有限，目前“實時頻譜儀”僅能做到基帶部分?jǐn)?shù)字化，對移動通信測試來說非常不便。SDR要求A/D，D/A器件盡可能的靠近天線射頻端，從而將信號更早的數(shù)字化。近年來高性能ADC，F(xiàn)PGA/DSP等器件的推出使得數(shù)字中頻頻譜儀得以實現(xiàn)。

數(shù)字中頻頻譜儀與傳統(tǒng)模擬中頻頻譜儀相比，在射頻前端處理方面并沒有明顯的差別，主要區(qū)別在于下變頻后的中頻輸出信號是否直接通過AD器件實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。通過使用數(shù)字處理方式實現(xiàn)數(shù)字下變頻、中頻濾波器、包絡(luò)檢波器、等等，最終完成輸入信號頻譜的計算。相比于模擬中頻頻譜儀，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)頻譜儀極大地改善了測量的速度、精度及對于高性能FPGA/DSP測量復(fù)雜信號器件的能力。

3 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)

（1）信道化發(fā)射機復(fù)信號數(shù)學(xué)模型。

將具有在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)的所有信道上同時發(fā)射信號的能力的發(fā)射機稱之為信道化發(fā)射機，

假設(shè)共有N個待發(fā)射的帶通信號m（t），每個帶寬均為B，用相同的采樣頻率fs進行帶通采樣后得到各自的等效低通數(shù)字頻譜Mk（0）。

上式中，N為分辨率，fs是采樣頻率，B為模擬輸入信號帶寬。通過公式可以發(fā)現(xiàn)，將輸入的寬帶信號下變頻，從而得到中頻窄帶信號，這就降低了對ADC采樣率的要求，從而可選擇更高的分辨率。

（3）數(shù)字信號處理技術(shù)。

在基帶處理單元，需要對各種波形進行調(diào)制/解調(diào)、擴頻/解擴以及同步和信道的自適應(yīng)均衡等各種處理，這就要求DSP器件應(yīng)該有很強的處理能力。對于完成話音和圖像等信源編碼/解碼的算法，會要求DSP應(yīng)該有更高的處理能力。

4 結(jié)語

隨著通信標(biāo)準(zhǔn)越來越多的出現(xiàn)和不斷演進，移動通信系統(tǒng)、終端及芯片廠商對測試成本、測試質(zhì)量、測試時間等要求會更加嚴(yán)格。市場上主流測試設(shè)備廠商將會推出更接近于SDR的測試儀器，從而推出更高指標(biāo)、更加靈活的射頻測試儀器。

參考文獻

[1] 徐贊.通過軟件無線電的架構(gòu)加速無線技術(shù)的開發(fā)與測試[J].國外電子測量技術(shù)，2009，7.

[2] 王際兵，等.軟件無線電發(fā)展動態(tài)[J].清華大學(xué)學(xué)報，2002，39（9）.

[3] Jay R.Moorman，Implementation of a 3G W-CDMA Software Radio，IEEE International Conference on Communications 2003.ICC03.

[4] 韋維，畢存強，吳興潔.淺談移動通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技術(shù)[J].中國無線電，2005，8.

[5] Joe Mitola，The soft ware radio architecture，IEEE Communications Magazine，May 2001.

[6] 王宏，王晶洋，林婧，等.DSP與FPGA在軟件無線注中的應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[7] 戴淑珍，軟件無線電在靶場移動終端中的應(yīng)用研究，2000年航天控技術(shù)研討會

[8] 鄒建宏.論基于軟件無線電的通信系統(tǒng)[J].數(shù)字技與應(yīng)用，2012（1）.

[9] Joe Mitola，Research on Soft ware Radio Fuze，IEEE JSAC VOL.17，NO.4，APRIL，2004.

摘 要：當(dāng)今通信領(lǐng)域，2G、3G、LTE、WiMax等制式將長時間內(nèi)并存，這種不同模式、頻段多、功能強的通信制式，對無線基站和終端的測試來說是巨大挑戰(zhàn)。本文全面詳細(xì)介紹了軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，中頻頻譜儀分析儀等儀器的工作原理。

關(guān)鍵詞：軟件無線電 移動通信 頻譜分析

中圖分類號：TN929 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0006-02

由于網(wǎng)絡(luò)要求與用戶需求，多種移動通信制式將長期并存。中國移動2012年的集中采購中，其數(shù)據(jù)終端和語音終端規(guī)定必須要支持GSM，F(xiàn)DD-LTE，TD-LTE，WCDMA，TD-SCDMA五種制式，且每種制式的頻譜范圍不同。國內(nèi)4G終端也同時支持3-4種制式，與此同時，WiFi，GPS等功能也更多配于智能終端，從而給無線技術(shù)測試領(lǐng)域帶來巨大挑戰(zhàn)。于是提出通過軟件編程來完成無線通信設(shè)備的系統(tǒng)升級和功能測試，這將大大提高無線產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)效率，并大大節(jié)省儀器成本。

軟件無線電技術(shù)（SDR）將硬件與軟件結(jié)合，使設(shè)備可以任意重新配置，為完成多模式、多頻段、多功能無線通信測試提供了可行的解決方案。通過軟件編程，過去只能使用專用硬件平臺來完成的任務(wù)，軟件無線電技術(shù)也可以完成。利用具有強大信號處理能力的可編程器件，如：DSP/FPGA/CPU等，可實現(xiàn)支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)。

1 軟件無線電的結(jié)構(gòu)

軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)，是將A/D與D/A轉(zhuǎn)換器件安裝在盡可能靠近天線的位置，這是為了將模擬信號盡早數(shù)字化，并通過采用高速數(shù)字信號處理芯片（DSP等）處理輸出信號，最后通過軟件編程來實現(xiàn)無線通信的功能。理想軟件無線電系統(tǒng)如圖1所示。

由于各種因素限制，如天線與ADC器件帶寬等，理想軟件無線電目前無法實現(xiàn)。工程上實現(xiàn)的軟件無線電系統(tǒng)被稱為軟件定義的無線電（Software-defined radio）。在一個SDR系統(tǒng)中，我們將A/D器件的位置稱為數(shù)字接入點，這個位置至關(guān)重要，它表示信號數(shù)字化處理的開始。區(qū)別于多模式無線電等，軟件無線電系統(tǒng)中射頻（RF）頻帶、信道調(diào)制以及信道接入模式等等全部具有的可編程性。

2 軟件無線電在通信測試儀器中的應(yīng)用

由于ADC，F(xiàn)FT硬件和DSP的發(fā)展水平有限，目前“實時頻譜儀”僅能做到基帶部分?jǐn)?shù)字化，對移動通信測試來說非常不便。SDR要求A/D，D/A器件盡可能的靠近天線射頻端，從而將信號更早的數(shù)字化。近年來高性能ADC，F(xiàn)PGA/DSP等器件的推出使得數(shù)字中頻頻譜儀得以實現(xiàn)。

數(shù)字中頻頻譜儀與傳統(tǒng)模擬中頻頻譜儀相比，在射頻前端處理方面并沒有明顯的差別，主要區(qū)別在于下變頻后的中頻輸出信號是否直接通過AD器件實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。通過使用數(shù)字處理方式實現(xiàn)數(shù)字下變頻、中頻濾波器、包絡(luò)檢波器、等等，最終完成輸入信號頻譜的計算。相比于模擬中頻頻譜儀，數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)頻譜儀極大地改善了測量的速度、精度及對于高性能FPGA/DSP測量復(fù)雜信號器件的能力。

3 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)

（1）信道化發(fā)射機復(fù)信號數(shù)學(xué)模型。

將具有在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)的所有信道上同時發(fā)射信號的能力的發(fā)射機稱之為信道化發(fā)射機，

假設(shè)共有N個待發(fā)射的帶通信號m（t），每個帶寬均為B，用相同的采樣頻率fs進行帶通采樣后得到各自的等效低通數(shù)字頻譜Mk（0）。

上式中，N為分辨率，fs是采樣頻率，B為模擬輸入信號帶寬。通過公式可以發(fā)現(xiàn)，將輸入的寬帶信號下變頻，從而得到中頻窄帶信號，這就降低了對ADC采樣率的要求，從而可選擇更高的分辨率。

（3）數(shù)字信號處理技術(shù)。

在基帶處理單元，需要對各種波形進行調(diào)制/解調(diào)、擴頻/解擴以及同步和信道的自適應(yīng)均衡等各種處理，這就要求DSP器件應(yīng)該有很強的處理能力。對于完成話音和圖像等信源編碼/解碼的算法，會要求DSP應(yīng)該有更高的處理能力。

4 結(jié)語

隨著通信標(biāo)準(zhǔn)越來越多的出現(xiàn)和不斷演進，移動通信系統(tǒng)、終端及芯片廠商對測試成本、測試質(zhì)量、測試時間等要求會更加嚴(yán)格。市場上主流測試設(shè)備廠商將會推出更接近于SDR的測試儀器，從而推出更高指標(biāo)、更加靈活的射頻測試儀器。

參考文獻

[1] 徐贊.通過軟件無線電的架構(gòu)加速無線技術(shù)的開發(fā)與測試[J].國外電子測量技術(shù)，2009，7.

[2] 王際兵，等.軟件無線電發(fā)展動態(tài)[J].清華大學(xué)學(xué)報，2002，39（9）.

[3] Jay R.Moorman，Implementation of a 3G W-CDMA Software Radio，IEEE International Conference on Communications 2003.ICC03.

[4] 韋維，畢存強，吳興潔.淺談移動通信系統(tǒng)數(shù)字調(diào)制技術(shù)[J].中國無線電，2005，8.

[5] Joe Mitola，The soft ware radio architecture，IEEE Communications Magazine，May 2001.

[6] 王宏，王晶洋，林婧，等.DSP與FPGA在軟件無線注中的應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[7] 戴淑珍，軟件無線電在靶場移動終端中的應(yīng)用研究，2000年航天控技術(shù)研討會

[8] 鄒建宏.論基于軟件無線電的通信系統(tǒng)[J].數(shù)字技與應(yīng)用，2012（1）.

[9] Joe Mitola，Research on Soft ware Radio Fuze，IEEE JSAC VOL.17，NO.4，APRIL，2004.