近年來軟件無線電技術發展取得了一些進展，但仍面臨許多技術挑戰，包括高速Ａ／Ｄ、ＤＳＰ數字處理、射頻前端、天線技術等問題，可以說這些技術決定著軟件無線電的發展和實現。多年來在這方面的努力也從未停止過，這些技術仍在不斷的發展，同時也出現了一些新的發展趨勢。

　　一、天線技術

 

　　理想的軟件無線電系統的天線部分應該能覆蓋全部無線通信頻段，要能在很寬的工作頻率范圍內實現無障礙通信。目前采用的是多頻段組合式天線，即在全頻段甚至每個頻段使用幾付天線組合起來形成寬帶天線。

 

　　寬帶天線被視為是實現理想軟件無線電系統的最佳天線方案，也被認為在目前技術條件水平下是不能實現的。近年來發展的ＲＦ ＲＭＥＭＳ微機電系統　是一種高度小型化的器件，可作為小型開關取代天線中的高成本、大體積的ＰＩＮ二級管、超寬帶場效應晶體管ＦＥＴ　和真空繼電器ＶＴＲ　，是實現寬帶可重構天線設計的一種具有突破性的技術。采用ＭＥＭＳ，可以電子的方式改變一方環形開槽天線的工作頻率。在一方型的開槽天線上，當周長近似為一個波長時，在某個頻率上可獲取良好的性能，要針對新頻段重構天線時，可通過交換不同的開槽天線單元的入口和出口。因此，在３—８ＧＨｚ范圍進行頻率變換成為可能。利用ＰＩＮ二極管開關實現的ＭＥＭＳ開關還具有低損耗、高隔離與體積小等優勢。

 

　　另外目前出現的新的天線單元技術，能設計和生產用于ＳＤＲ的寬帶ＷＢ　和超寬帶ＵＷＢ　天線，這包括超寬帶的“電阻”ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　天線和“曲線”天線ＭＬＡ　。ＭＥＭＳ技術的應用將使ＷＢ和ＵＷＢ天線的體積和成本降低多個數量級。另外建模和仿真方法的進步可實現對這些新天線單元的精確仿真。

 

　　二、ＲＦ前端技術

 

　　目前ＲＦ元器件的水平還只能支持２０％左右的帶寬，故在現有的軟件無線電系統中采用的技術方案是使用一組ＲＦ模塊覆蓋整個頻段。在支持多標準時還可能要求更換射頻模塊。隨著寬頻段合成技術、低噪聲高性能半導體工藝技術的成熟，出現非常靈活的ＲＦ模塊。高度小型化的多頻段多模式ＭＢＭＭ　ＲＦ芯片已于２００３年投入生產，超導ＲＦ技術有助于實現商用政府多頻段多模式前端所需的性能。這兩種技術在目前正成為ＳＤＲ主流技術，到２００５年開始通用。

 

　　ＲＦ ＭＥＭＳ技術是一種新的器件技術，具有低損耗、體積小等特點，可實現一種具有高集成度的高性能器件，它的應用將多頻段多模式ＲＦ芯片的體積、重量、功耗以及成本降低一個數量級，并提高了該芯片的處理速度和處理能力，使數字信號處理器能夠完成調制解調功能。另外ＭＥＭＳ器件的可移動特性可動態調整元件的參數值，從而大大提高了多個射頻器件的性能和靈活性，這包括基于ＭＥＭＳ高Ｑ諧振器的低相位噪聲電壓控制振蕩器、基于ＭＥＭＳ可變電容器和開關電容器網絡的寬帶變電器和相移器、基于ＭＥＭＳ可變電抗單元和開關的可調諧濾波器。可編程帶通濾波器在發射機和接收機中至為關鍵，它能確保信道的有效利用和高靈敏度，同時又是ＲＦ模塊組中價格最高靈活性最差的器件，軟件無線電需要這些單元以電子方式構成或者疊加起來組成一個濾波器庫。目前大多數軟件無線電系統采用后一種方式，據悉，對基于高Ｑ ＭＥＭＳ的濾波器已進行了演示。另外也考慮采用超導技術。該技術可實現具有超速滾降特性的可調諧帶通濾波器。目前利用超導溥膜工藝實現了中頻為３．５、調諧范圍為６２０ＭＨｚ的調諧濾波器。該工藝具有低損耗特點，可設計和實現具有低插入損耗和寬帶能力的多級溥膜濾波器。

 

　　三、ＡＤ和ＤＡ變換技術

 

　　ＡＤ和ＤＡ變換器在軟件無線電系統所處的位置是非常關鍵的，它直接反映了軟件電臺的軟件化程度。對于理想的軟件無線電而言，ＡＤ變換器的動態范圍必須在１００—１２０ｄＢ或者１６－２０位，最大輸入信號頻率要在１ＧＨｚ和５ＧＨｚ之間。就目前的技術發展水平，很難實現這些技術要求。近兩年來，隨著現代深亞微米技術的應用，出現了多種ＡＤ變換器結構：∑△結構和管狀結構。∑△結構ＡＤ變換器的優勢在于能提供較大的動態范圍和高線性度，但變換速度有限。要提高速度，關鍵一點是改進結構，如降低重復取樣速率，減少多比特環路和高階環路穩定度問題以及優化所需的放大器的帶寬等。管狀ＡＤ變換器能實現最高的變換速率，但分辨率只能限于１３—１４位。通過優化整個結構，包括采用先進的校準電路和糾錯算法可實現更高的分辨率和變換速率，最終實現更大的動態范圍。據有關研究顯示，混合結構的變換器，如管狀∑△結構或管狀折疊插入式ＡＤ變換器是很有希望的概念，這種結構不僅能綜合不同結構在分辨率和變換速率方面的優勢，而且還具有糾錯算法、降低功耗和適應不同環境的能力。首個分辨率超過４位、變換速率超過１Ｇｓａｍｐｌｅｓｓ的ＡＤ變換器已公布于眾。盡管仍以犧牲功耗為代價，但向超高速ＡＤ變換器發展趨勢是清晰可見的。

 

　　根據最新資料顯示：將超導和光取樣技術應用于ＡＤ變換器已成為未來的發展趨勢。具有突破性的一項技術是“快速單通量”ＲＳＦＱ　技術。該技術基于超導基本量子機械特性，說明了離散的量化形式中存在著磁通。在該技術中，單磁通量子脈沖代表二進制值。因為一個完整的單磁通量子代表一個脈沖，所以這種技術的性能受到輸入信號最大轉速率的嚴格限制。因此可以通過對處理速度與分辨率進行折衷的方法來達到最佳技術性能。在一個重復取樣的基于超導ＡＤ變換器中，孔徑抖動的影響會大減少，使超寬頻段工作已切實可行。而且在這樣的ＡＤ變換器中，其輸入端的取樣速率與輸出端不同，其內部的可編程抽取器可根據比特數和帶寬進行折衷來設置。

 

　　基于超導技術的ＡＤ變換器另一個重要特性是高靈敏度。驅動單磁通量子電路所需的最小功率是１ｍＷ，即比高速半導體ＡＤ變換器所需的１ ｍＷ小了三個數量級。這一特性加上高取樣速率最終可使系統無需使用低噪聲放大器ＬＮＡ　，并可直接在天線端取樣，由此可以得到更高的系統增益。盡管超導ＡＤ變換器與半導體ＡＤ變換器相比，在性能上還沒有顯著的優越性，但主要的技術精華還是非常有前途的。目前工作于１９．６Ｇｌｔｚ頻段的超導ＡＤ變換器已有演示。

 

　　在光取樣ＡＤ變換器中，取樣與量化功能分別是在光域和電子域中完成的。光取樣ＡＤ變換器的主要優點在于模式鎖定激光源的定時抖動小。目前已報道，信噪比ＳＮＲ　為５１ｄＢ的光取樣ＡＤ變換器就相當于速率為５０５Ｍｓｓ，有效分辨率為８．２比特的傳統半導體ＡＤ變換器。在不遠的將來，通過進一步的改進，預計可以實現取樣率達到數ＧＨｚ且具有１２比特分辨率的光取樣ＡＤ變換器。另外，鎖定在１０ＧＨｚ激光模式已實現了光時鐘脈沖的產生，每３ｐｓ３皮秒　寬脈沖的定時抖動為１６ｆｓ０．０１６％　， 幅度抖動為０．０５８％。這些標準的抖動值可使光取樣率在１０Ｇｓｓ時，精度達到１１比特。

 

　　下面對不同的ＡＤ變換器技術進行了比較：（其中，超導ＡＤ變換器分辨率位數和速率都不是固定的值，可以進行折衷，以達到所期望的性能。）

 

　　目前ＤＡ的發展水平是：高精度ＤＡ１６ｂｉｔｓ ５ＭＳＰＳ，高速度ＤＡ１４ｂｉｔｓ １ＧＳＰＳ，速度和精度兼顧ＤＡ １４ｂｉｔｓ ３００ＭＳＰＳ。ＤＡ技術可用變換器，還需要高速存儲器，現在集成電路技術的發展已有１ｎｓ的砷化嫁ＲＡＭ商品，但將大量砷化嫁ＲＡＭ用到任意波形發生器上顯然價格過高，而且也消耗大量功率，比較經濟的做法是用多路轉換的方案，允許波形存儲在相對低速的ＣＯＭＳＲＡＭ。

 

ＤＳＰ是限制軟件無線電發展的瓶頸問題，其數據處理速度和精度直接關系到軟件無線電臺能否實現。目前采用的技術方案主要是數字信號處理技術ＤＳＰ　、專用集成電路ＡＳＩＣ　、現場可編程門陣列ＦＰＧＡ　以及這幾種技術的結合。高速ＤＳＰ芯片是軟件無線電的核心部分。隨著微電子技術的發展，數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的指令執行速度超過了５７００ＨＩＰＳ，適用于下一代無線基礎設施、數字視頻、電信設備和成像應用。ＴＩ推出的另一款ＤＳＰ，其速度達到１ＧＨｚ。據悉，目前最快的芯片處理速度已達到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　結構，這種結構的優點是尺寸小、功耗低、性能高。各ＤＳＰ廠商紛紛采用新工藝，改進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、存儲單元統統集成在一個芯片上，成為ＤＳＰ系統級集成電路。

 

ＦＰＧＡ是可重編程器件，所實現的功能大大超過今天的ＤＳＰ微處理器，包括實現軟件的可編程性、高速的硬件，并可實時重構。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無論是在規模、處理速度還是功耗上，都得到了長足的進步。ＦＰＧＡ器件的集成度已達到上千萬門，系統工作頻率達到幾百ＭＨｚ。高端ＦＰＧＡ的時鐘頻率已高達２５０ＭＨｚ，可提供２５Ｇ次ＭＡＣ的性能。

 

由于大規模ＦＰＧＡ既有傳統ＦＰＧＡ運算速度快、功耗低的優點，又具有可動態配置的靈活性，在軟件無線電中將發揮重大的作用，主要表現在：

 

●主要完成軟件無線電臺內部的數據處理、調制解調和編碼解碼等工作 由于電臺內部數據流量大，進行濾波、變頻等處理運算次數多。必須采用高速、實時、并行的數字信號處理器模塊或專用集成電路才能達到要求。要完成這么艱巨的任務，必須要求硬件處理速度很高，芯片容量大，同時要求進行針對處理器算法的優化和改進。只有這樣，才能實現電臺內部軟件的高速運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，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系統配置的功能。通常來說系統的分配方式是：計算密集型的部分在ＤＳＰ內部完成；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字信號處理器的要求，又可以實現對各種硬件的全方位配置。

 

●根據不同的標準，對理想的軟件無線電進行配置，并提供數字化終端

 

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行數字化，但數字化后的數據不只是靠軟件進行處理，而是利用各種靈活的、可重新配置的ＡＳｌＣ和通用數字信號處理器ＤＳＰ　來縮減系統功耗、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制方式進行調節。具體的實施方案包括現場可編程門陣列ＦＰＧＡ　或ＡＳＩＣ， 它們比完全靈活的ＤＳＰ實施方案更為經濟。這些硬件模塊可以通過軟件進行選擇，用作不同系統的公用硬件。

 

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

 

●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要受門的個數和連線多少的限制，當電臺在功能上需要擴展時，受門連接的限制，其可編程性要比ＤＳＰ小。采用ＦＰＧＡ與ＤＳＰ混合結構，具有較大的可編程能力。

 

●在軟件無線電系統中實現轉換、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ｘ．２５物理層中數據比特流的透明傳輸。按照不同的數據處理流程，ＤＳＰ模塊的功能可劃分為：與終端的數據交換、自適應調制解調、信道環境分析和管理、自適應頻率估計選擇和校正、單邊帶ＳＳＢ　調制解調、頻率交換等。整個ＤＳＰ模塊在軟件無線電系統中通常用來滿足頻率變換和濾波的需求，實現轉換、濾波、擴頻、調制等功能。

 

五 互連技術

 

互連結構是用來解決如何實現系統中各單元互連，組成一個開放、可擴展、標準，具有較高數據吞吐量的硬件平臺的問題。目前主要的互連結構有總線結構、交換網結構和樹型結構。在總線結構中，各功能模塊通過統一的、開放的標準接口相連接，使系統具有良好的開放性和通用性。但是總線結構的特點是只能有一個功能單元在總線上傳輸數據，即它是時間共享。這種時分復用機制限制了帶寬，制約了互連總線結構的可擴展性。總線結構，包括ＶＭＥ和ＰＣＩ等，在工業界已有廣泛使用，且實現起來較容易。再加上其特有的一些優勢使其在近期內很難被其它技術完全取代。在交換網結構中，每個功能單元有一個適配器，用來將數據打包傳送給交換網。其原理類似于ＩＰ或ＡＴＭ交換。與總線結構相比，交換網技術有以下一些優勢：

 

●在時隙數和綜合性能兩方面有很好的可擴縮性

 

●物理配置和規模上的靈活性

 

●費效比高，實用性強，系統不出現局部故障

 

●有效滿足各種通信系統和通信協議的要求

 

該結構在軟件無線電中應用時，對數據吞吐量和包延遲方面的性能有嚴格的要求。樹型結構優化了互連技術的應用，免除功能塊之間的互連，但實現起來有一定的難度，靈活性也有限。下表為這三種結構性能比較： 在這三種結構中，總線結構享有廣泛的使用和認可；而交換網結構速率更高、更具靈活性，樹型結構更是優化了互連技術，但是目前這三種互連技術中，任何一種還都不能滿足所有的應用和技術要求。因此，在近期內軟件無線電系統的互連結構將不會鎖定在任何單一的技術方案上。

 

正如任何技術都要經歷一個起步、發展和成熟的過程，軟件無線電技術也在不斷地發展、成熟。可以相信，隨著這些關鍵技術的進一步發展，軟件無線電將在未來得到更為廣泛的應用。

 

摘自“通信世界報”2004年6月