基于FPGA的软件无线电接收机硬件平台的设计

基于FPGA的软件无线电接收机硬件平台的设计课题研究背景及意义：软件无线电技术最早是由军事通信发展而来的。

其概念最早起源于20世纪70年代末美军对VHF频段多模式无线电系统的开发。

一直以来军用无线设备都是针对某些特定用途而设计。

由于它们的发射单元和接受单元在射频载波频率、波形结构和调制方式的不统一，所以形成了军事无线装备系列多、互通差、协同难的局面很难适应未来海、陆、空一体化作战的要求[1]。

理想的军用通信系统一方面应该满足其调制模式、信道带宽和语音编码类型灵活可变的特点，另一方面还可以根据具体的工作环境较易地对系统参数进行重新配置，工作环境包括信道的传输特性等。

这样的系统能够有效阻止敌方的截获在战争的环境下具有很强的优势。

所以在军用无线电中采用软件无线电的优势就显而易见。

软件无线电在民用无线通信领域方面也有很强的需求。

20世纪80年代我国引入模拟制TACS系统(1G)，90年代初引进数字制的GSM和CDMA系统(2G)，到现在使用的3G，在不久的将来又将步入4G时代。

随着通信服务质量的日趋提高，通信系统的升级换代的速度是惊人的[2]。

如果采用硬件的直接替换而实现系统的更新换代，这将要牺牲巨大的经济成本。

如果现有的通信系统的基础硬件建立在软件无线电原理的基础上，那么随着服务质量和性能要求的不断提高现在乃至将来系统在更新换代的成本将会大幅度降低。

当前无线通信系统繁多，由于各种不同通信系统的工作频段、调制方式、波形结构、通信协议等原理、结构上存在差异，极大限制了不同系统之间的互通，这些系统间的互不兼容给通信带来极大的不便。

传统以硬件为主的通信体制已无法解决这一问题，这种情况下，1992年5月，MILTRE公司的Joseph Mitola提出了软件无线电技术，它突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路，极大的增强了各个不同系统间的互通性和兼容性。

这项技术得到了国内外广泛的关注和重视。

软件无线电是一种开放的模块化结构，物理实现上基于一个采用数字无线电技术的通用硬件平台，通过实时的软件控制，用户能定义该平台的工作模式，包括工作频带、信号速率、调制方法、多址方式、接口协议、业务种类等，从而使一个硬件平台能实时地转变为不同的技术标准的通信系统。

通过软件的升级，在硬件平台不变的前提下，软件无线电能及时适应技术标准的进展，可以灵活的支持多种业务[3]。

软件无线电技术的基本思想是将宽带的A/D转换器尽可能靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过DSP软件来实现通信系统的各种功能。

与传统的无线电系统相比，其主要特点就是开放性、可编程性和快速的可配置性。

软件无线电主要由天线，射频前端、宽带A/D和D/A转换器、通用DSP以及各种软件组成。

天线一般要覆盖比较宽的频带(2MHz~2GHz )，目前一般使用几副天线实现；射频前端主要完成上下变频、滤波、功率放大等任务；A/D和D/A转换器在软件无线电中的位置非常关键，要有足够的工作带宽、较高的采样频率和足够大的动态范围；最后对A/D量化之后的数字信号进行处理。

软件无线电在国内外的研究现状：尽管软件无线电这个名词在1992年才正式提出，但是美国军方在更早一些时候便开始了对多模式多波段电台的研究。

1990 年，在远景规划局(ARPA)基金会的资助下，美国空军Rome实验室与Hazeltine公司签订了研究多模式电台的计划，即Speakeasy计划。

其基本思想与软件无线电技术不谋而合，并具备很强的实用性和很广泛的应用前景，因而被认为是软件无线电工程项目的典范[4]。

其他发达国家也成立了专门的研究机构，并投入大量的研究经费，正在研究和开发软件无线电技术，有的已经进入了实用化研究阶段。

软件无线电(SDR)作为当今无线通信领域的新技术，正引起国内外越来越多的关注，在通信领域是继模拟技术到数字技术、固定通信到移动通信之后的新的无线电通信体制。

随着通信技术的发展，兼容各种不同制式类型的设备已经日益显露出其需求性，与传统的无线电系统相比，软件无线电系统具有结构通用、功能软件化、互操作性好等一系列优点。

目前以美国和西欧为主导的发达国家都在积极地致力于软件无线电技术的研究和系统的开发利用。

美国在其国防技术领域计划中，将软件无线电视为战场无缝通信的基石和首要的技术挑战，认为是用来解决多售主、多网络、联合多兵种合成部队和商业环境中通信设备互操作性问题的有效手段。

其最终目标是：在此基础上发展利用商业标准和协议，达到战术系统之间以及战术系统与全球通信系统之间的自动化无缝接口，实现数据与语音一体化传输和数字战场通信，确保战区基于数字信号处理的软件无线电平台的研究与实现内分散在各处的阵地，直到最低梯队步兵和每艘舰艇和每架飞机之间能够进行可靠、透明、安全的连通。

在美国防部计划的推动下，其它一些国防电子公司也展开了多频段多模式电台研制工作。

据报道，美国哈里斯公司已研制成功一种AN/VRC-94(E)的多频段车载收发信机，可与其它电台(如AN/PRC-117A 和AN/VRC-94A)互通。

美国马格纳斯克公司也研制出AN/GRC-206(V)多频段多模式电台，该系列产品是为美国三军实施前方地域控制、空中交通管制和空中补给支持行动而设计的，它是一种HF/VHF/UHF 综合通信系统。

美陆军正在研制新一代三频段的超高频战术卫星通信终端，以实现真正意义的互通能力。

然而以上系统，限于当前技术的限制，与软件无线电在统一硬件平台下由软件实现全部通信功能的要求还有很大差距。

这主要的原因是，各系统在数字处理方面采取了折中的方法。

由于无法解决数字下变频中巨大的运算量与DSP处理速度之间的矛盾，不得以采用专用硬件芯片来进行处理，这无疑降低了软件无线电系统的灵活性。

针对实现理想的软件无线电系统，目前研究人员提出了两种方案：1．采用多片DSP组成并行处理模块。

TI公司的TMS320C40/C80，AD公司生产的ADSP2106x以及INMOS公司的TRANSPUTER都适合多芯片并行处理，由于受价格等因素制约，目前这方面的应用并不多。

2．探索研究下变频处理的高效算法。

该方案中下变频处理完全由软件来完成，因而具有较大的灵活性和适应性。

其中，正交数字混频理论、高效数字滤波和多抽样率信号处理理论等成为研究的热点。

如何消除振动杂散、设计及应用高效滤波器、防止抽取产生的频谱混叠、信号的最终整形是设计中的重点和难点。

软件无线电技术有着广泛的发展空间，这一方面得益于终端用户、应用开发服务提供商、网络运营商和设备制造商对无线通信系统的市场需求，另一方是得益于技术的发展和提高。

未来的无线通信系统将是多制式、多模式的通统，可以提供包括多媒体在内的多种服务类型。

软件无线电以其强大的可配力和可编程能力将成为未来通信系统的首选。

随着软件无线电理论的不断丰富，数字下变频理论也得到了不断的完善，现在将射频信号数字下变频到低中频，而不是零中频，然后进行解调也成为新的实现方向。

传统的数字下变频结构己经不能有效的实现低中频方案，其中一些基本算法己经不适用，需要对高效算法进行新的研究，同时低中频处理也对硬件的处理速度提出了更高的要求。

由于FPGA的可重复配置，用FPGA实现两种下变频方式可以为系统提供更加灵活的应用方式和更广泛的应用环境，这也成为未来的一个研究方向[5]。

FPGA越来越丰富的硬件资源和不断提高的处理性能为高性能数字下变频设计提高了一个广阔的发挥空间，甚至只用一片FPGA就可以实现功能完善，性能优良的软件无线电数字接收机，做到真正的可编程片上系统。

由于FPGA的实现成本较高，将成熟可靠的数字下变频FPGA设计转成ASIC 降低单片成本并实现产品化，将是一个可能的选择，这也对FPGA设计和测试提出了更高的要求。

现阶段，软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。

欧洲的先进的通信技术与业务计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中的：FIRST(灵活的综合无线电系统和技术)计划将软件无线电技术应用到设计多频，多模可编程手机。

这种手机可自动检测接收信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求；FRAMES(未来的无线宽带多址系统)计划的目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足UMTS要求，方法之一是采用软件无线电技术；SORT(软件无线电技术)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合UMTS的标准美国也正在研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站，同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面。

在国内，软件无线电技术受到相当重视，在“九五”和“十五”预研项目和“863”计划中都将软件无线电技术列为重点研究项目。

“九五”期间立项的“多频段多功能电台技术”突破了软件无线电的部分关键技术，开发出了信道多波形样机；我国提出的第三代移动通信系统方案TD-SCDMA，就是利用软件无线电技术完成设计。

部分高校和科研机构也正在开展软件无线电的研究工作，研究最多的是实现软件无线电系统的方案，其中大多数是建立基于总线结构的软件无线电系统，如VME 总线和PCI 总线等，而且采用类似于流水方式的体系结构是与无线通信的逻辑一致同时使系统各个模块之间的耦合相当严密。

清华大学软件无线电课题组等研究组织承担国家“863”软件无线电研究项目，着手于网络结构等软件无线电的研制工作，克服了总线结构的不足，取得了显著成果。

软件无线电需要将现代先进的通信技术、微电子技术和计算机技术结合在一起，是一个中长期的研究项目，需要很强的综合实力。

民用方面的应用将成为软件无线电技术更为重要的应用领域，其应用包括：多频多模式移动通用手机、多频多模式移动电话通用基站、无线局域网及无线用户环的通用网关等。

以多频多模式移动通用手机为例。

移动电话作为无线个人通信的重要业务具有十分广阔的市场，而现在世界上存在着多种移动电话体制，甚至在一个国家或地区也可能有多个系统共存，这对于想用一部手机走遍全球的用户来说是非常不方便的；另一方面，某些人口高度密集的大城市，特别是市中心地区，移动电话用户过于拥挤，很难满足要求。

而目前这些不同的系统还将长时间共存，并且将来的标准也很可能类似于软件无线电的体系。

因此，用软件无线电实现多频多模式移动手机不仅可能解决以上问题，从长远看也是很有意义的。

但是要真正地实现多频多模式手机，最困难的将是功率、体积和成本问题。

目前来看较有可能首先实现的是软件无线电基站及车载移动台。