軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)的新趨勢（下）

2019-11-03 09:19:54

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

　　中國電子科技集團(tuán)第七研究所羅序梅

　　四數(shù)字信號處理ＤＳＰ技術(shù)

　　ＤＳＰ是限制軟件無線電發(fā)展的瓶頸問題，其數(shù)據(jù)處理速度和精度直接關(guān)系到軟件無線電臺能否實現(xiàn)。目前采用的技術(shù)方案主要是數(shù)字信號處理技術(shù)ＤＳＰ、專用集成電路ＡＳＩＣ、現(xiàn)場可編程門陣列ＦＰＧＡ以及這幾種技術(shù)的結(jié)合。高速ＤＳＰ芯片是軟件無線電的核心部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理器件在速度和性能上有了很大的提高。２００３年ＴＩ推出了業(yè)界速度最快的三款新型７２０ＭＨｚＤＳＰ，該速度打破了ＴＩ自己保持的６００ＭＨｚ全球最快速度ＤＳＰ的記錄，打破了性能極限。這些ＤＳＰ的指令執(zhí)行速度超過了５７００ＨＩＰＳ，適用于下一代無線基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字視頻、電信設(shè)備和成像應(yīng)用。ＴＩ推出的另一款ＤＳＰ，其速度達(dá)到１ＧＨｚ。據(jù)悉，目前最快的芯片處理速度已達(dá)到１０ＧＦＬＯＰＳ，但在性價比、功耗上仍很難滿足要求。為解決這一問題，采用了一種ＲＩＳＣ精簡指令集計算結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是尺寸小、功耗低、性能高。各ＤＳＰ廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)ＤＳＰ芯核，并將幾個ＤＳＰ芯核、ＭＰＵ芯核、專用處理單元，外圍電路單元、存儲單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個芯片上，成為ＤＳＰ系統(tǒng)級集成電路。

　　ＦＰＧＡ是可重編程器件，所實現(xiàn)的功能大大超過今天的ＤＳＰ微處理器，包括實現(xiàn)軟件的可編程性、高速的硬件，并可實時重構(gòu)。事實上，ＦＰＧＡ是真正的 “軟”硬件，能在定制硬件和靈活的全軟件方案之間折衷。近年來ＦＰＧＡ無論是在規(guī)模、處理速度還是功耗上，都得到了長足的進(jìn)步。ＦＰＧＡ器件的集成度已達(dá)到上千萬門，系統(tǒng)工作頻率達(dá)到幾百ＭＨｚ。高端ＦＰＧＡ的時鐘頻率已高達(dá)２５０ＭＨｚ，可提供２５Ｇ次ＭＡＣ的性能。

　　由于大規(guī)模ＦＰＧＡ既有傳統(tǒng)ＦＰＧＡ運(yùn)算速度快、功耗低的優(yōu)點，又具有可動態(tài)配置的靈活性，在軟件無線電中將發(fā)揮重大的作用，主要表現(xiàn)在：

　　●主要完成軟件無線電臺內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、調(diào)制解調(diào)和編碼解碼等工作

　　由于電臺內(nèi)部數(shù)據(jù)流量大，進(jìn)行濾波、變頻等處理運(yùn)算次數(shù)多。必須采用高速、實時、并行的數(shù)字信號處理器模塊或?qū)Ｓ眉呻娐凡拍苓_(dá)到要求。要完成這么艱巨的任務(wù)，必須要求硬件處理速度很高，芯片容量大，同時要求進(jìn)行針對處理器算法的優(yōu)化和改進(jìn)。只有這樣，才能實現(xiàn)電臺內(nèi)部軟件的高速運(yùn)行以及多種功能的靈活切換和控制。對于一些固定功能的模塊如濾波器、下變頻器等，可以用具有可編程能力的專用芯片來實現(xiàn)，而且這種芯片的處理速度要高于通用ＤＳＰ芯片。

　　利用ＦＰＧＡ可以同時滿足速度和靈活性兩方面的要求，支持軟件無線電中動態(tài)系統(tǒng)配置的功能。通常來說系統(tǒng)的分配方式是：計算密集型的部分在ＤＳＰ內(nèi)部完成；功能相對固定的部分，則由ＦＰＧＡ來完成。這樣，既可以滿足高速的數(shù)字信號處理器的要求，又可以實現(xiàn)對各種硬件的全方位配置。

　　●根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，對理想的軟件無線電進(jìn)行配置，并提供數(shù)字化終端

　　理想的軟件無線電是用ＡＤ變換器對天線上的信號或中頻信號進(jìn)行數(shù)字化，但數(shù)字化后的數(shù)據(jù)不只是靠軟件進(jìn)行處理，而是利用各種靈活的、可重新配置的ＡＳｌＣ和通用數(shù)字信號處理器ＤＳＰ來縮減系統(tǒng)功耗、體積和成本。這些ＡＳＩＣ是可編程的，可以針對不同頻道的特性和調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的實施方案包括現(xiàn)場可編程門陣列ＦＰＧＡ或ＡＳＩＣ，它們比完全靈活的ＤＳＰ實施方案更為經(jīng)濟(jì)。這些硬件模塊可以通過軟件進(jìn)行選擇，用作不同系統(tǒng)的公用硬件。

　　另外，ＦＰＧＡ提供了“芯片上的系統(tǒng)” 特征。它包含了連續(xù)的收發(fā)技術(shù)、ＲＩＳＣ處理器和一定數(shù)量的可編程存儲器，為軟件配置無線電信號處理提供數(shù)字化終端。

　　●同ＤＳＰ組合，可以提供較大的可編程能力

　　可編程門陣列ＦＰＧＡ在實際中的可編程性比ＡＳＩＣ高，但ＦＰＧＡ要受門的個數(shù)和連線多少的限制，當(dāng)電臺在功能上需要擴(kuò)展時，受門連接的限制，其可編程性要比ＤＳＰ小。采用ＦＰＧＡ與ＤＳＰ混合結(jié)構(gòu)，具有較大的可編程能力。

　　●在軟件無線電系統(tǒng)中實現(xiàn)轉(zhuǎn)換、濾波等功能

　　ＦＰＧＡ同ＤＳＰ、ＦＩＲ專用芯片、存儲器、Ｉ０接口組成可編程ＤＳＰ模塊，用以實現(xiàn)ｘ．２５物理層中數(shù)據(jù)比特流的透明傳輸。按照不同的數(shù)據(jù)處理流程，ＤＳＰ模塊的功能可劃分為：與終端的數(shù)據(jù)交換、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)、信道環(huán)境分析和管理、自適應(yīng)頻率估計選擇和校正、單邊帶ＳＳＢ調(diào)制解調(diào)、頻率交換等。整個ＤＳＰ模塊在軟件無線電系統(tǒng)中通常用來滿足頻率變換和濾波的需求，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換、濾波、擴(kuò)頻、調(diào)制等功能。

　　五互連技術(shù)

　　互連結(jié)構(gòu)是用來解決如何實現(xiàn)系統(tǒng)中各單元互連，組成一個開放、可擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)，具有較高數(shù)據(jù)吞吐量的硬件平臺的問題。目前主要的互連結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)。在總線結(jié)構(gòu)中，各功能模塊通過統(tǒng)一的、開放的標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，使系統(tǒng)具有良好的開放性和通用性。但是總線結(jié)構(gòu)的特點是只能有一個功能單元在總線上傳輸數(shù)據(jù)，即它是時間共享。這種時分復(fù)用機(jī)制限制了帶寬，制約了互連總線結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性。總線結(jié)構(gòu)，包括ＶＭＥ和ＰＣＩ等，在工業(yè)界已有廣泛使用，且實現(xiàn)起來較容易。再加上其特有的一些優(yōu)勢使其在近期內(nèi)很難被其它技術(shù)完全取代。在交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，每個功能單元有一個適配器，用來將數(shù)據(jù)打包傳送給交換網(wǎng)。其原理類似于ＩＰ或ＡＴＭ交換。與總線結(jié)構(gòu)相比，交換網(wǎng)技術(shù)有以下一些優(yōu)勢：

　　●在時隙數(shù)和綜合性能兩方面有很好的可擴(kuò)縮性

　　●物理配置和規(guī)模上的靈活性

　　●費(fèi)效比高，實用性強(qiáng)，系統(tǒng)不出現(xiàn)局部故障

　　●有效滿足各種通信系統(tǒng)和通信協(xié)議的要求

　　該結(jié)構(gòu)在軟件無線電中應(yīng)用時，對數(shù)據(jù)吞吐量和包延遲方面的性能有嚴(yán)格的要求。樹型結(jié)構(gòu)優(yōu)化了互連技術(shù)的應(yīng)用，免除功能塊之間的互連，但實現(xiàn)起來有一定的難度，靈活性也有限。下表為這三種結(jié)構(gòu)性能比較：

　　在這三種結(jié)構(gòu)中，總線結(jié)構(gòu)享有廣泛的使用和認(rèn)可；而交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)速率更高、更具靈活性，樹型結(jié)構(gòu)更是優(yōu)化了互連技術(shù)，但是目前這三種互連技術(shù)中，任何一種還都不能滿足所有的應(yīng)用和技術(shù)要求。因此，在近期內(nèi)軟件無線電系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)將不會鎖定在任何單一的技術(shù)方案上。

　　正如任何技術(shù)都要經(jīng)歷一個起步、發(fā)展和成熟的過程，軟件無線電技術(shù)也在不斷地發(fā)展、成熟。可以相信，隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，軟件無線電將在未來得到更為廣泛的應(yīng)用。

----《通信世界報》