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软件无线电关键技术的新趋势

2015-04-18   来源:互联网   点击:
近年来软件无线电技术发展取得了一些进展,但仍面临许多技术挑战,包括高速A/D、DSP数字处理、射频前端、天线技术等问题,可以说这些技术决定着软件无线电的发展和实现。多年来在这方面的努力也从未
    近年来软件无线电技术发展取得了一些进展,但仍面临许多技术挑战,包括高速A/D、DSP数字处理、射频前端、天线技术等问题,可以说这些技术决定着软件无线电的发展和实现。多年来在这方面的努力也从未停止过,这些技术仍在不断的发展,同时也出现了一些新的发展趋势。
  一、天线技术
 
  理想的软件无线电系统的天线部分应该能覆盖全部无线通信频段,要能在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信。目前采用的是多频段组合式天线,即在全频段甚至每个频段使用几付天线组合起来形成宽带天线。
 
  宽带天线被视为是实现理想软件无线电系统的最佳天线方案,也被认为在目前技术条件水平下是不能实现的。近年来发展的RF RMEMS微机电系统 是一种高度小型化的器件,可作为小型开关取代天线中的高成本、大体积的PIN二级管、超宽带场效应晶体管FET 和真空继电器VTR ,是实现宽带可重构天线设计的一种具有突破性的技术。采用MEMS,可以电子的方式改变一方环形开槽天线的工作频率。在一方型的开槽天线上,当周长近似为一个波长时,在某个频率上可获取良好的性能,要针对新频段重构天线时,可通过交换不同的开槽天线单元的入口和出口。因此,在3—8GHz范围进行频率变换成为可能。利用PIN二极管开关实现的MEMS开关还具有低损耗、高隔离与体积小等优势。
 
  另外目前出现的新的天线单元技术,能设计和生产用于SDR的宽带WB 和超宽带UWB 天线,这包括超宽带的"电阻"resistive 天线和"曲线"天线MLA 。MEMS技术的应用将使WB和UWB天线的体积和成本降低多个数量级。另外建模和仿真方法的进步可实现对这些新天线单元的精确仿真。
 
  二、RF前端技术
 
  目前RF元器件的水平还只能支持20%左右的带宽,故在现有的软件无线电系统中采用的技术方案是使用一组RF模块覆盖整个频段。在支持多标准时还可能要求更换射频模块。随着宽频段合成技术、低噪声高性能半导体工艺技术的成熟,出现非常灵活的RF模块。高度小型化的多频段多模式MBMM RF芯片已于2003年投入生产,超导RF技术有助于实现商用政府多频段多模式前端所需的性能。这两种技术在目前正成为SDR主流技术,到2005年开始通用。
 
  RF MEMS技术是一种新的器件技术,具有低损耗、体积小等特点,可实现一种具有高集成度的高性能器件,它的应用将多频段多模式RF芯片的体积、重量、功耗以及成本降低一个数量级,并提高了该芯片的处理速度和处理能力,使数字信号处理器能够完成调制解调功能。另外MEMS器件的可移动特性可动态调整元件的参数值,从而大大提高了多个射频器件的性能和灵活性,这包括基于MEMS高Q谐振器的低相位噪声电压控制振荡器、基于MEMS可变电容器和开关电容器网络的宽带变电器和相移器、基于MEMS可变电抗单元和开关的可调谐滤波器。可编程带通滤波器在发射机和接收机中至为关键,它能确保信道的有效利用和高灵敏度,同时又是RF模块组中价格最高灵活性最差的器件,软件无线电需要这些单元以电子方式构成或者叠加起来组成一个滤波器库。目前大多数软件无线电系统采用后一种方式,据悉,对基于高Q MEMS的滤波器已进行了演示。另外也考虑采用超导技术。该技术可实现具有超速滚降特性的可调谐带通滤波器。目前利用超导溥膜工艺实现了中频为3.5、调谐范围为620MHz的调谐滤波器。该工艺具有低损耗特点,可设计和实现具有低插入损耗和宽带能力的多级溥膜滤波器。
 
  三、AD和DA变换技术
 
  AD和DA变换器在软件无线电系统所处的位置是非常关键的,它直接反映了软件电台的软件化程度。对于理想的软件无线电而言,AD变换器的动态范围必须在100—120dB或者16-20位,最大输入信号频率要在1GHz和5GHz之间。就目前的技术发展水平,很难实现这些技术要求。近两年来,随着现代深亚微米技术的应用,出现了多种AD变换器结构:∑△结构和管状结构。∑△结构AD变换器的优势在于能提供较大的动态范围和高线性度,但变换速度有限。要提高速度,关键一点是改进结构,如降低重复取样速率,减少多比特环路和高阶环路稳定度问题以及优化所需的放大器的带宽等。管状AD变换器能实现最高的变换速率,但分辨率只能限于13—14位。通过优化整个结构,包括采用先进的校准电路和纠错算法可实现更高的分辨率和变换速率,最终实现更大的动态范围。据有关研究显示,混合结构的变换器,如管状∑△结构或管状折叠插入式AD变换器是很有希望的概念,这种结构不仅能综合不同结构在分辨率和变换速率方面的优势,而且还具有纠错算法、降低功耗和适应不同环境的能力。首个分辨率超过4位、变换速率超过1Gsampless的AD变换器已公布于众。尽管仍以牺牲功耗为代价,但向超高速AD变换器发展趋势是清晰可见的。
 
  根据最新资料显示:将超导和光取样技术应用于AD变换器已成为未来的发展趋势。具有突破性的一项技术是"快速单通量"RSFQ 技术。该技术基于超导基本量子机械特性,说明了离散的量化形式中存在着磁通。在该技术中,单磁通量子脉冲代表二进制值。因为一个完整的单磁通量子代表一个脉冲,所以这种技术的性能受到输入信号最大转速率的严格限制。因此可以通过对处理速度与分辨率进行折衷的方法来达到最佳技术性能。在一个重复取样的基于超导AD变换器中,孔径抖动的影响会大减少,使超宽频段工作已切实可行。而且在这样的AD变换器中,其输入端的取样速率与输出端不同,其内部的可编程抽取器可根据比特数和带宽进行折衷来设置。
 
  基于超导技术的AD变换器另一个重要特性是高灵敏度。驱动单磁通量子电路所需的最小功率是1mW,即比高速半导体AD变换器所需的1 mW小了三个数量级。这一特性加上高取样速率最终可使系统无需使用低噪声放大器LNA ,并可直接在天线端取样,由此可以得到更高的系统增益。尽管超导AD变换器与半导体AD变换器相比,在性能上还没有显著的优越性,但主要的技术精华还是非常有前途的。目前工作于19.6Gltz频段的超导AD变换器已有演示。
 
  在光取样AD变换器中,取样与量化功能分别是在光域和电子域中完成的。光取样AD变换器的主要优点在于模式锁定激光源的定时抖动小。目前已报道,信噪比SNR 为51dB的光取样AD变换器就相当于速率为505Mss,有效分辨率为8.2比特的传统半导体AD变换器。在不远的将来,通过进一步的改进,预计可以实现取样率达到数GHz且具有12比特分辨率的光取样AD变换器。另外,锁定在10GHz激光模式已实现了光时钟脉冲的产生,每3ps3皮秒 宽脉冲的定时抖动为16fs0.016% , 幅度抖动为0.058%。这些标准的抖动值可使光取样率在10Gss时,精度达到11比特。
 
  下面对不同的AD变换器技术进行了比较:(其中,超导AD变换器分辨率位数和速率都不是固定的值,可以进行折衷,以达到所期望的性能。)
 
  目前DA的发展水平是:高精度DA16bits 5MSPS,高速度DA14bits 1GSPS,速度和精度兼顾DA 14bits 300MSPS。DA技术可用变换器,还需要高速存储器,现在集成电路技术的发展已有1ns的砷化嫁RAM商品,但将大量砷化嫁RAM用到任意波形发生器上显然价格过高,而且也消耗大量功率,比较经济的做法是用多路转换的方案,允许波形存储在相对低速的COMSRAM。
 
DSP是限制软件无线电发展的瓶颈问题,其数据处理速度和精度直接关系到软件无线电台能否实现。目前采用的技术方案主要是数字信号处理技术DSP 、专用集成电路ASIC 、现场可编程门阵列FPGA 以及这几种技术的结合。高速DSP芯片是软件无线电的核心部分。随着微电子技术的发展,数字信号处理器件在速度和性能上有了很大的提高。2003年TI推出了业界速度最快的三款新型720MHzDSP,该速度打破了TI自己保持的600MHz全球最快速度DSP的记录,打破了性能极限。这些DSP的指令执行速度超过了5700HIPS,适用于下一代无线基础设施、数字视频、电信设备和成像应用。TI推出的另一款DSP,其速度达到1GHz。据悉,目前最快的芯片处理速度已达到10GFLOPS,但在性价比、功耗上仍很难满足要求。为解决这一问题,采用了一种RISC精简指令集计算 结构,这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺,改进DSP芯核,并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元,外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上,成为DSP系统级集成电路。
 
FPGA是可重编程器件,所实现的功能大大超过今天的DSP微处理器,包括实现软件的可编程性、高速的硬件,并可实时重构。事实上,FPGA是真正的 "软"硬件,能在定制硬件和灵活的全软件方案之间折衷。近年来FPGA无论是在规模、处理速度还是功耗上,都得到了长足的进步。FPGA器件的集成度已达到上千万门,系统工作频率达到几百MHz。高端FPGA的时钟频率已高达250MHz,可提供25G次MAC的性能。
 
由于大规模FPGA既有传统FPGA运算速度快、功耗低的优点,又具有可动态配置的灵活性,在软件无线电中将发挥重大的作用,主要表现在:
 
●主要完成软件无线电台内部的数据处理、调制解调和编码解码等工作 由于电台内部数据流量大,进行滤波、变频等处理运算次数多。必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务,必须要求硬件处理速度很高,芯片容量大,同时要求进行针对处理器算法的优化和改进。只有这样,才能实现电台内部软件的高速运行以及多种功能的灵活切换和控制。对于一些固定功能的模块如滤波器、下变频器等,可以用具有可编程能力的专用芯片来实现,而且这种芯片的处理速度要高于通用DSP芯片。
 
利用FPGA可以同时满足速度和灵活性两方面的要求,支持软件无线电中动态系统配置的功能。通常来说系统的分配方式是:计算密集型的部分在DSP内部完成;功能相对固定的部分,则由FPGA来完成。这样,既可以满足高速的数字信号处理器的要求,又可以实现对各种硬件的全方位配置。
 
●根据不同的标准,对理想的软件无线电进行配置,并提供数字化终端
 
理想的软件无线电是用AD变换器对天线上的信号或中频信号进行数字化,但数字化后的数据不只是靠软件进行处理,而是利用各种灵活的、可重新配置的ASlC和通用数字信号处理器DSP 来缩减系统功耗、体积和成本。这些ASIC是可编程的,可以针对不同频道的特性和调制方式进行调节。具体的实施方案包括现场可编程门阵列FPGA 或ASIC, 它们比完全灵活的DSP实施方案更为经济。这些硬件模块可以通过软件进行选择,用作不同系统的公用硬件。
 
另外,FPGA提供了"芯片上的系统" 特征。它包含了连续的收发技术、RISC处理器和一定数量的可编程存储器,为软件配置无线电信号处理提供数字化终端。
 
●同DSP组合,可以提供较大的可编程能力
 
可编程门阵列FPGA 在实际中的可编程性比ASIC高,但FPGA要受门的个数和连线多少的限制,当电台在功能上需要扩展时,受门连接的限制,其可编程性要比DSP小。采用FPGA与DSP混合结构,具有较大的可编程能力。
 
●在软件无线电系统中实现转换、滤波等功能
 
FPGA同DSP、FIR专用芯片、存储器、I0接口组成可编程DSP模块,用以实现x.25物理层中数据比特流的透明传输。按照不同的数据处理流程,DSP模块的功能可划分为:与终端的数据交换、自适应调制解调、信道环境分析和管理、自适应频率估计选择和校正、单边带SSB 调制解调、频率交换等。整个DSP模块在软件无线电系统中通常用来满足频率变换和滤波的需求,实现转换、滤波、扩频、调制等功能。
 
五 互连技术
 
互连结构是用来解决如何实现系统中各单元互连,组成一个开放、可扩展、标准,具有较高数据吞吐量的硬件平台的问题。目前主要的互连结构有总线结构、交换网结构和树型结构。在总线结构中,各功能模块通过统一的、开放的标准接口相连接,使系统具有良好的开放性和通用性。但是总线结构的特点是只能有一个功能单元在总线上传输数据,即它是时间共享。这种时分复用机制限制了带宽,制约了互连总线结构的可扩展性。总线结构,包括VME和PCI等,在工业界已有广泛使用,且实现起来较容易。再加上其特有的一些优势使其在近期内很难被其它技术完全取代。在交换网结构中,每个功能单元有一个适配器,用来将数据打包传送给交换网。其原理类似于IP或ATM交换。与总线结构相比,交换网技术有以下一些优势:
 
●在时隙数和综合性能两方面有很好的可扩缩性
 
●物理配置和规模上的灵活性
 
●费效比高,实用性强,系统不出现局部故障
 
●有效满足各种通信系统和通信协议的要求
 
该结构在软件无线电中应用时,对数据吞吐量和包延迟方面的性能有严格的要求。树型结构优化了互连技术的应用,免除功能块之间的互连,但实现起来有一定的难度,灵活性也有限。下表为这三种结构性能比较: 在这三种结构中,总线结构享有广泛的使用和认可;而交换网结构速率更高、更具灵活性,树型结构更是优化了互连技术,但是目前这三种互连技术中,任何一种还都不能满足所有的应用和技术要求。因此,在近期内软件无线电系统的互连结构将不会锁定在任何单一的技术方案上。
 
正如任何技术都要经历一个起步、发展和成熟的过程,软件无线电技术也在不断地发展、成熟。可以相信,随着这些关键技术的进一步发展,软件无线电将在未来得到更为广泛的应用。
 
摘自"通信世界报"2004年6月

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