談無線與移動通信系統的移動運用

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根據軟件在無線電中參與的程度，我們可以將軟件無線電技術分為5個等級［2］：第1級為硬件無線電（digitalhardwareradio，DHR）：通過開關、撥號盤及其他按鈕來完成操作，僅支持單一或非常局限的功能，不存在軟件控制功能的改變。如第一代模擬制式手機MOTO－3200。第2級為軟件控制無線電（softwarecontrolledradio，SCR）：軟件實現有限的控制功能，其射頻前端電路、中頻和基帶部分由不同的ASIC芯片完成，但可以通過軟件控制通信路徑。如最早的同時支持PHS與GSM的雙模手機。第3級為軟件定義無線電（softwaredefinedradio，SCR）：軟件定義無線通信協議，頻帶、空中接口協議和功能都可通過軟件下載和更新來升級，而不用完全更換硬件。該平臺一般基于模塊化、開放性的架構，射頻、中頻、基帶部分由不同的模塊構成，基帶部分一般采用FPGA／DSP／CPU等，通過配置不同的軟件支持2G／3G／LTE／WiMAX等多種制式。ZTE自主研發的SDR基站便是工作在這一級。第4級為理想的軟件無線電（idealsoftwareradio，ISR）：在接收端或發射端無需任何下變頻或上變頻轉換，將RF前端的輸出直接接入ADC，然后進入到DSP，消除了大部分的模擬部件，從而降低了失真和噪聲。第5級為終極軟件無線電（ultimatesoftwareradio，USR）：這種無線電沒有天線、頻率及帶寬的限制，通過可編程能同時支持廣泛的頻率和功能，能快速的完成空中接口間的檢測和轉換。目前軟件無線電技術在移動通信測試領域應用處于第3級，就是軟件定義無線電SDR。

軟件無線電的結構

WIF（wirelessinnovationforum）定義了SDR的功能架構。如圖1所示，射頻天線、下變頻、A／D與D／A轉換、基帶信號處理、通用處理器等功能單元為模塊化形式，通過高性能的背板總線互連，組成一個模塊化、開放性、便于靈活擴展和重復利用的可編程硬件平臺。主要構成單元：1）寬帶／多頻段天線：軟件無線電要支持多種通信標準／制式，因而要在很寬的頻寬內工作，目前大多采用組合式的多頻段天線；2）射頻前端：射頻前端包括低噪聲放大器、功率放大器及濾波器等，其工作頻率范圍應當足夠寬，如LTE等對靈敏度和BER要求更嚴格，這也對LNA／PA的線性度、功耗、噪聲提出更高要求；3）A／D與D／A轉換：目前大多數無線通信標準都工作在VHF、UHF、SHF頻段，直接在射頻上進行A／D和D／A變化還難以實現，一般是通過混頻器完成模擬信號的上下變頻。ADC和DAC的采樣率／更新率、分辨率、動態范圍（SFDR）、抖動等都是影響SDR性能的關鍵因素；4）DSP／FPGA／GPP：DSP／FPGA／GPP都是實現SDR的主流處理硬件，DSP的處理速度低但適于復雜算法的實現，對于數字信號處理非常擅長；FPGA的工作速率高但復雜計算能力相對較弱，適用于復雜性不高的計算密集型任務；GPP難以保證算法實時性要求但通用性和靈活性高，因此在實際的應用中會按它們各自的特點組合使用；5）系統總線：背板總線將系統中各功能單元互連，組成一個模塊化、開放性、便于靈活擴展和重復利用的可編程硬件平臺。高速數據傳輸能力、同步、供電等都是重要因素，另外還要考慮到總線的延續性；6）軟件無線電系統和其他網絡的接口，可以和PSTN、ISDN及其他移動網絡實現互通。

頻譜分析儀／矢量信號分析儀基本結構

Fourierseries證明時域中的任何電信號都可以由一個或多個具有適當頻率、幅度和相位的正弦波疊加而成，這構成了頻率測量的基礎。頻域測量可以幫助我們確認信號的諧波分量，這在無線通信、頻譜監測、EMI分析中有重要應用。20世紀50年代HP發明超外差頻譜分析儀，從圖2中看到，射頻信號經過衰減器和低通濾波器到達混頻器，然后與來自本振（LO）的信號相混頻產生中頻信號，當輸入信號的頻率和本振頻率之差是中頻頻率時，信號就會在顯示屏上響應。超外差頻譜分析儀的原理基于完成多次掃描的同時被測信號沒有明顯變化，因而它容易漏掉瞬態信號，無法完成嚴格的實時頻譜分析。隨著半導體技術的發展，ADC、DSP、FPGA、GPP等被引入到測試測量行業中，“實時頻譜分析儀”就是最典型數字化改進，其利用DSP／FPGA／GPP對ADC后的數字信號做FFT；與超外差頻譜儀掃描過程不同，“實時頻譜儀”的頻帶處理是并行的、實時的，另外還可以完成觸發、流盤回放等測試功能。DSP／ASIC／FPGA等信號處理單元的引入也擴大了頻譜儀的功能，除快速、高分辨率頻譜測量外還可以分析數字調制信號（誤差矢量幅度、I／Q相位誤差、I／Q幅度誤差等）。受限于ADC、FFT硬件／DSP的發展水平，“實時頻譜儀”在一開始還僅能做到基帶部分數字化，如圖3所示：射頻信號要首先經過帶通濾波器抑制帶外雜散信號，然后通過低噪聲放大器、下變頻、中頻濾波器輸出中頻信號，中頻信號經過I／Q解調后生成2路低頻模擬信號，低頻模擬信號再通過2個ADC實現模數轉換，隨后再由DSP／ASIC／FPGA等實現數字基帶信號處理。模擬器件一致性缺陷會導致I／Q信號在幅度、相位不平衡，2路信號時延不一致帶來的判決點誤差也將影響信號的性能，另外模擬器件的溫度漂移也會影響系統的測試精度。SDR要求將A／D、D／A盡可能靠近射頻端從而使信號盡早的數字化（見圖4），而高性能ADC、FPGA／DSP的推出使得數字中頻頻譜儀實現。射頻前端處理方面，數字中頻頻譜儀與模擬中頻頻譜儀無明顯變化，重點在下變頻后的中頻輸出直接通過ADC實現模數轉換，使用數字處理方式實現數字下變頻、中頻濾波器、包絡檢波器、視頻濾波器及幅度定標等，最終完成輸入信號譜的計算和顯示。與模擬中頻頻譜儀比，數字中頻結構極大地改善了頻譜儀的測量速度、精度及利用高性能FPGA／DSP測量復雜信號的能力（見圖5）。雖然理想的SDR要求實現無線電信號的全帶寬數字化，但當前的放大器還無法滿足理想帶寬，ADC／DAC在轉換速度、分辨率及動態范圍上也達不到技術要求，即便可以研發出這樣水平的芯片，受限于高昂的成本、功耗和體積也很難普遍應用。

軟件無線電的關鍵技術

1）A／D和D／A模數轉換器和數模轉換器采樣速率和采樣精度等性能的提高實現了數字中頻結構，這使得距離理想的SDR更近一步。衡量A／D、D／A性能的主要指標是采樣率、分辨率、信噪比、無雜散動態范圍和總諧波失真等指標。大多數無線通信標準都工作在VHF、UHF、SHF頻段，直接在射頻上進行A／D變化還難以實現，一般先將射頻信號經過下變頻處理變為中頻輸出，然后再由ADC數字化。根據奈奎斯特定律，ADC的采樣率要至少高于信號最高頻率的2倍，否則將造成混疊。為了預防混疊現象的發生會在ADC前段增加抗混疊濾波器，但抗混疊濾波器的滾降速率有限造成在濾波器的通帶和截止帶之間有過渡帶存在，因此ADC的采樣率通常要高于信號帶寬的2．5倍。3G、LTE、WiMAX等通過高階調制來增強數據傳輸速率，復雜的相位和幅度調制對A／D的信噪比提出更嚴格的要求。作為衡量ADC性能的重要指標，信噪比的因素主要有量化噪聲、等效熱噪聲和孔徑抖動等［4］，其中量化噪聲又是影響ADC信噪比的主要因素。量化噪聲的信噪比為：SNR＝6．02N＋1．76＋101g（fs／2B）式中：N是分辨率，fs是采樣頻率，B是模擬輸入信號的帶寬。通過上面的公式可以發現增加分辨率或采樣頻率都可提高信噪比，但ADC的采樣率和分辨率是相互制約的，過高的采樣率會限制轉換精度的提高，反過來，同時高的轉換精度也是以犧牲采樣率為代價的。因此，將輸入的寬帶信號下變頻為IF中頻窄帶信號降低了對ADC采樣率的要求，這樣可以選擇更高的分辨率。以泰克RSA6000系列為例，其中頻A／D轉換器是14bit，采樣率是300MS／s。SFDR和總諧波失真是ADC的另一重要指標，這主要由A／D轉換器的微分非線性特性導致。以基本頻率為F0的射頻信號為例，經過ADC轉換后會產生以F0為倍數的諧波分量，而這些諧波之前互相調制又產生互調失真。一般通過改善A／D的線性特性來降低雜散信號帶來的失真。2）數字中頻技術隨著WiMAX／LTE等寬帶無線通信技術的逐漸成熟，對無線設備數字中頻帶寬和通道數的要求也越來越高。對于如此大的運算帶寬需求，許多DSP處理器難以滿足實際應用，引入數字中頻處理減輕DSP處理負擔成為關鍵。數字中頻技術包括數字上變頻（DUC）、數字下變頻（DDC）、波峰因子衰減（CFR）和數字預失真（DPD）等。

數字上變頻器主要對低速率的基帶數字信號進行插值、濾波，形成更高速率的信號，然后再和數控振蕩器（NCO）產生的相互正交的正余弦數字載波信號混頻，完成頻譜搬移后的信號還要經過波峰因子消減（CFR）后進行D／A變換。如圖6、7所示，是Altera針對于WiMAX所設計的DDC／DUC，其基于1024點FFT的OFDM設計，工作帶寬是10MHz。通過圖示可以看到2路速率為11．424MSps的I／Q信號，經過3級FIR的插值濾波、NCO數字混頻、I／Q信號相加后形成91．392MSps中頻信號。數字下變頻是A／D變換后的數字信號處理器件，首先將數字化后的中頻信號與數控振蕩器（NCO）產生載波信號混頻，實現中頻到基帶信號的搬移；在對I／Q信號進行基帶處理之前還要經過抽取、濾波等。還是以Altera針對于WiMAX所設計的DDC／DUC為例，91．392MSps的中頻信號通過過采樣、NCO混頻，三級FIR，最終得到2路11．424MSps的I／Q信號。波峰因子衰減（CFR）和數字預失真（DPD）技術主要用于通過采用數字信號處理線性化功率放大器，來提高無線電單元的傳輸效率。例如在LTE、WiMAX中，多載波信號的線性組合會導致中頻信號產生較大的峰均比，而通常功放（PA）的線性區是有限的，這樣容易出現信號失真和帶外泄露。波峰因子衰減（CFR）和數字預失真（DPD）技術可以改善PA輸出的線性度，更好地滿足LTE、WiMAX對誤差矢量幅度（EVM）和鄰道泄露比（ACLR）的要求。數字中頻處理可以通過ASIC和可編程芯片方式實現，但因為頻譜儀要支持2G、3G和4G等多種無線通信協議，而不同標準所采用調制制式對中頻處理能力的要求不一樣，采用可編程芯片實現將兼顧處理能力和靈活性。數字中頻涉及的CIC／FIR濾波、NCO、插值／抽取、混頻等需高速處理且算法簡單，使用FPGA實現是一種很好的選擇。3）DSP／FPGADSP和FPGA都是實現軟件無線電的主流信號處理硬件，但在實際中一般根據它們的特點組合使用。以LTE、802．11ac標準為例，OFDM和MIMO技術的引入實現了高數據率和抗干擾能力，但矩陣分解及相乘對數字信號處理器提出很高要求，另外DDC／DUC中的有限脈沖響應（FIR）和級聯積分梳狀（CIC）濾波器使用DSP也難以實現，而FPGA的強大并行處理和密集計算可以滿足要求。對于編碼、交織、加擾、符號映射和子載波分配／導頻等算法比較復雜，適合使用DSP來完成。除了以上的物理層實現外，無線綜合測試儀等還包含協議棧及信令測試功能，比如LTE的呼叫建立和釋放、小區搜索、HARQ協議、鏈路自適應及工控等有著嚴格的定時要求，這一般由專門的通信協議處理模塊（DSP）來實現［6］。從成本、效率等方面來講，DSP和FPGA組合應用是比較成熟的方案。FPGA和DSP組合方式一般分為2種［7］，一種是FPGA和DSP作為2個獨立的單元；另一種是在FPGA芯片中嵌入DSP核，比如Xilinx的Virtex－6FPGA和AlteraStratixIII。與第一種方式組合方式相比，嵌入DSP核方式集成度高便于開發者調試。NIPXIe－5644R矢量信號收發儀采用了Virtex－6FPGALX195TFPGA，該FPGA與ADC、DAC、PCIExpress總線、DRAM、SRAM、PFI0、數字I／O和PXI觸發器直接連接，允許通過自定義編程完成數字上下變頻、IFFT／FFT、交織、擴頻、符號映射、編碼等物理層實現。雖然基于通用處理器（CPU）的頻譜儀最接近于理想軟件無線電的要求，但無線通信中直接利用CPU處理無線通信協議還難以實現。

無線通信涉及大量計算且要嚴格保證實時性，有時很多計算還是突發性的，CPU在信號處理能力上很難保證；無線通信中實時要求的精確度要達到μs級，而PC操作系統的實時性僅僅在毫秒級；綜上從運算能力和實時性上講，通用處理器很難直接代替DSP／FPGA。通用處理器雖然不是為實時信號處理設計的，但它的通用性很好且升級速度快，在傳統的封閉測試儀器中一般負責人機界面及部分測試測量算法的實現，同時提供USB／GPIB／LAN等接口以實現儀器控制。以NI為代表的開放式射頻測試廠商提供基于PXI總線平臺，在該平臺中通用處理器除完成以上功能外，用戶可以利用LabVIEW和不同的無線通信工具包開發測試程序，這些程序可以直接下載到FPGA／DSP上實現特定應用。

射頻測試廠家解決方案

自1992年美國科學家J．Mitole提出軟件無線電概念以來，很多采用SDR理念和技術的設備不斷涌現，但目前應用主要集中在軍用領域。經歷海灣戰爭后的美國意識到各軍兵種電子通信設備互聯互通的重要性，因此一直致力于基于“軟件無線電”的聯合戰術無線電系統，如通用動力的數字模塊化無線電（DMR）、雷神公司的聯合戰術終端（JTT－SR）、哈里斯的“獵鷹”。據美國軍事與航空航天電子網站披露，自2009年開始德國軍隊就和射頻測試巨頭R＆S一起開發軟件無線電應用［8］。在移動通信領域，軟件無線電技術已經應用到3G／LTE／Wimax／LTE－A等基站中，日本NTT、中興、華為、諾西等均已推出成熟產品并獲得廣泛應用，中興通訊B8200和R8860還獲得了由國際電工委員會（IEC）頒發的InfoVision大獎。限于功耗、成本、網絡封閉性等因素，手機終端基本還是依靠硬件處理不同制式信號。

目前在移動通信測試領域，很多廠家的產品都采集了軟件無線電技術，但在細節方面還是有很多不同。根據測試儀器的開放程度一般分為以Agilent、R＆S、安立為主的傳統儀器廠商和以NI、Areoflex等為主的開放式儀器廠商。以上2類射頻測試儀器都具有“軟件定義儀器”的特征，在維持硬件平臺基本不變的情況下，通過更新軟件完成功能的拓展。傳統測試儀器內部結構不公開，通過GPIB／LAN等總線控制儀器完成測試；用戶根據需求先購買帶有部分測試功能的儀器，隨后再通過購買選件拓展測試功能或協議，但底層代碼和程序一般是不開放的，如R＆S的FSQ／SMU系列。開放式儀器一般基于PXI、VXI總線，這種模塊化設計的思路更接近于SDR的要求。以NI提供的模塊化射頻測試方案為例，在基于PXI／PXIe標準總線的機箱中插入模塊化的射頻前端、中頻及基帶處理、本振單元，在實時性要求不高及算法不復雜的應用中，中頻處理模塊僅完成數字上下變頻的功能，編解碼、符號映射等依靠模塊化的CPU完成，比如第一代RFID標簽測試（ISO14443、ISO15693等）。針對于3G／LTE／WiMAX等通信測試，NI提供基于Xilinx的Virtex－5FPGA、Virtex－6FPGA的中頻和基帶處理模塊，其中FPGA完成數字上下變頻（DUC／DDC）、波峰因子衰減（CFR）和數字預失真（DPD），FPGA中的DSP內核完成編解碼、交織、擴頻、符號映射等復雜算法。可以選擇PXIe－5641R這種將中頻和基帶處理集中在一起的板卡，也可以選擇ADC和數字上下變頻（ASIC）功能的PXI－5622，再使用單獨的FPGA板卡完成基帶處理。如圖9和圖10所示的2X2MIMO原型驗證系統，PXIe－5673和PXIe－5663完成射頻和中頻處理功能，基帶信號處理中密集算法都是在FlexRIO的FPGA上完成，包括FFT、符號映射、MMES均衡算法等，保證了系統的實時性。模塊化的架構也使得單個PXI機箱中可實現多組RF信號生成和采集，因為同一機箱中的所有下變頻器或上變頻器可以共享同一本地振蕩器實現相位相干（通道間載波抖動小于0．1°），這樣能滿足MIMO中空間數據流分離對同步的要求。NI提供P2P技術保證PXIe－5663／5673等射頻收發模塊和PXIe－7965R間高速傳輸數據，因為這些數據傳輸直接在模塊間進行而不經過控制器，所以能減少數據延遲帶來的問題。基于“虛擬儀器”概念的射頻測試系統已經獲得了廣泛的認同和應用，安捷倫、Areoflex等都推出有基于PXI／PXIe總線的射頻測試系統。2012年4月，Areoflex與移動芯片巨頭Qualcomm簽署授權許可協議［9］，PXI3000系統被更多的應用到移動通信測試中，截止到目前基于PXI／PXIe的射頻測試平臺也已支持2G／WCDMA／TD－SCDMA／CDMA2000／TDD－LTE／FDD－LTE／Wimax／Wifi／WLAN（802．11a－b－g－n）在內的各種無線通信標準。

軟件無線電技術面臨的挑戰

雖然基于軟件無線電的射頻測試平臺有巨大的優勢和潛力，而且Agilent、NI、Areoflex、RS等廠家也推出了相應的測試平臺，但目前還面臨著很大的困難和挑戰。1）R＆S、安立、Agilent等通信測試巨頭還是不遺余力的推廣傳統測試儀器，同時不斷的吸納SDR思想并應用到產品中，其部分中頻和基帶處理還是采用ASIC芯片，相應的代碼和協議對用戶還是封閉的。而以PXI為代表的開發式射頻測試平臺主要實現射頻特征參數的驗證，而協議處理部分的缺失限制了PXI射頻測試平臺在通信設備設計和研發階段的使用［10］，但其靈活性給射頻終端制造廠商帶來了巨大的便利。考慮到商業回報等因素，很多開放式測試設備廠商還在是否耗費精力開發復雜通信協議上猶豫，畢竟這需要很多的人來開發和維護，但協議測試軟件同樣也可以和射頻測試軟件一樣，通過下載帶有FPGA／DSP的實時基帶處理卡實現信令／協議測試。2）開放式的軟件無線電射頻測試平臺還需工程師做二次開發，通過部分自定義實現特定測試應用，這對部分習慣了直接使用傳統儀器的中國工程師來講是很大的挑戰。軟件學習、培訓要占用工程師的一部分精力。3）ADC／DAC芯片的性能還很難做到不通過變頻而直接在射頻段工作，而移動通信對實時性、運算能力的要求很高，當前還必須借助于DSP、FPGA等完成處理，依靠通用處理器完成實時處理還很難實現。隨著越來越多通信標準的推出和不斷演進，移動通信系統、終端及芯片廠商對測試成本、測試時間要求會更嚴格，主流測試設備廠商面對壓力會推出更接近于SDR的低成本、快速測試儀器，而以NI為代表的開放式平臺測試廠家也會將更多的功能和應用引入PXI平臺中，推出指標更高、更靈活的射頻測試儀器。

作者：陳巍單位：南昌大學科學技術學院