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  [组图]案例研究:设计通用的软件无线电平台           ★★★ 【字体:
案例研究:设计通用的软件无线电平台
作者:互联网    文章来源:互联网    点击数:    更新时间:2014-2-12    

今天的软件无线电技术与1984年E-Systems实验室刚刚发明软件无线电(SDR)术语时相比已经有了天壤之别。直到最近这种技术主要还是由无线电发烧友和部队在使用。

然而,今天的软件无线电在无线通信发展中已经是优先考虑的对象,并得到了许多国际和国家项目以及诸如无线创新论坛、法国CONTACT计划、意大利Forza NEC战场指挥系统、ESSOR、EULER、美国军队联合作战无线电系统(JTRS)等组织机构的大力支持。

许多专家相信软件无线电技术将成为电信市场的新标准。许多成功使用软件无线电和认知无线电设备的商用项目已经实现。例子包括通信设备制造商哈里斯和阿尔卡特朗讯;硬件网状网开发商和集成商Firetide;在无线网络中成功实现认知无线电的新创企业xG Technology;通用软件无线电平台开发商Promwad Innovation公司(独立电子设计中心)的诸多项目。

对软件无线电感兴趣背后的原因

这种快速变化背后的原因有多个方面。主要原因是一些重要的电信设备制造商和消费者的兴趣,因为推出具有软件无线电功能的设备有助于他们提高效率、降低升级成本和材料成本并缩短引入新通信标准的时间。

另外一个因素是现代基本单元的发展:提供高速和良好动态性能的ADC/DAC,具有可编程特性的多标准宽带收发器,集成有专用加速器的高性能通信处理器等。

遗憾的是,俄罗斯的软件无线电产品市场由于其特殊性而关闭了。工程师和技术专家很难找到有关这个主题的新信息,这是为何对新开发的任何数据特别感兴趣的原因。例如,Promwad Innovation公司在这方面有许多宝贵的经验。2011年,Promwad专家们启动了一个项目,打算为俄罗斯市场设计相当独特的产品——用于多标准无线通信设备开发的开放软件无线电平台(如下图1所示)。本文将讨论这个特殊的产品。

开放的软件无线电平台

这个项目的特殊性表现在哪里呢?首先,对开发人员来说特别开放。这是其他公司可以使用所供软件和自己的开发成果在它之上搭建自己产品的一个平台。这个平台可以用于开发符合DVB-T、DVB-T2(470-862MHz)的发射器;符合802.22 (470–862 MHz)、LTE (791–862 MHz, 1710–1880 MHz, 1710-1880 MHz和 2.5–2.7 GHz)标准的接入点和基站;教育机构中的雷达站、调试与实验室设备等。

从开发者的角度看,先进的软件无线电平台基本上是一个完全可配置的系统,包括天线、带最少数量模拟高频元件、低功耗和理想情况下无限频率范围的数字处理单元。这种架构化解决方案允许开发人员根据待解决的问题改造和定制设备,删除不必要的单元和增加必要的单元。在这种情况下,所有工作将专注于改善软件,硬件则保持不变。

从用户角度看,软件无线电平台是一种多标准设备,能够通过最少的设置在任何网络中工作,并且无需用户的帮助。开发人员和用户的利益在多标准设备中趋于一致。这种设备可以在不同通信网络中工作,并能以编程方式改变各种特性,从射频参数到支持的通信标准和协议。

在开发能够满足所有标准的设备时,Promwad开发人员必须面对在平台性能和成本之间找到平衡点的问题。问题是,设备的所选功能和任务为所需资源设定了一道很高的门槛。

在本例中,对系统资源的评估依据的是对实现数字信号处理方法的需求:直接和反向傅里叶变换、Reader-Solomon编码、LDPC、维特比变换、线性预测等以及对各种标准的软件支持。因此对要素的分析和选择是与设备架构工程同时进行的。

基本模型

作为基本模型,开发人员考虑的是软件无线电设备的典型架构:包括一个输出I/Q信号的收发器和一个数字处理单元。射频通道要求的提出依据是对现有通信标准、数字电视和射频识别的分析。对802.11标准的硬件支持特意没有实现,因为在这种平台上的实现没有商业意义。

此外,与高频信号相比,当频率范围转移到低频段时的重要考虑因素是城市区域的最佳信号传播和长距离。图2显示了在300MHz(顶部)至3000MHz频率范围内步距为100MHz时信号衰减与距离之间的关系。从图中可以看出,频率为300MHz和3000MHz的两个信号在距离为2000米时的衰减相差约40dB。

选择元件

根据要求的带宽,专家们选择了TI公司的双通道ADC(14位,250MSPS),这种器件具有优异的动态性能、高速度和低功耗。反向变换用DAC3283(双通道、16位、800MSPS)完成。基本信号处理功能和收发器系统射频参数控制用FPGA实现。根据OSI模型,在分析过系统中的资源分布之后,物理层任务也被转移到FPGA执行。

开发人员还分析了GPP处理器(ARM DSP)和高性能DSP处理器的应用程序,用于提供各种通信协议栈MAC级别的支持,以及对外设和业务流产生的支持。除了TI的处理器外,还考虑了专门的飞思卡尔解决方案。最终开发人员选择的是四核DSP处理器TMS320C6674c,每个内核的工作频率是1.25GHz,因此可以提供卓越的处理器性能以及对开发工作的良好技术支持。

值得注意的是,TMS320C6674处理器支持高速SRIO接口,这种接口为板间连接问题以及与FPGA的集成提供了最佳解决方案。另外,该处理器还支持作为KeyStone处理器架构一部分的安全加速引擎。通信通道在这种架构上可以完全封闭,这对在无线网络上传送保密信息显得尤其重要(事实上所有信息都会直接或间接地影响我们生活的各个方面)。

软件无线电平台如今已被应用于许多领域。MESH、SMARTGRID、SMARTANTENNA、MIMO、WRAN、DVB、DRM和LTE只是现在高效引入这种技术的众多领域中的几个。Promwad公司开发的这种平台也会找到合适的现场应用,因为它有助于成功解决与设备升级有关的重要问题,比如时间、成本和风险。从头开始设计和制造这种级别的产品常常需要花上两至三年的时间,而现在只需花半年到一年的时间就能设计出基于软件无线电平台的新设备。

原文作者:Aleksandr Kondratiev,Promwad Innovation公司

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