隨著IEEE 802.11(WLAN)、IEEE 802.16(WMAN)、IEEE 802.15.4(WPAN)等無線通信網絡標準的建立，傳統的無線通信產品開發及生產方式已表現出不少問題，譬如：產品是針對特定的標準中一個版本開發 和製造，當新技術出現或版本升級或提供新業務時，只能開發新的專用芯片，製造新一代設備。結果是要麼限制了新技術和新業務的使用，要麼給製造商、運營商帶 來更大的投資風險，給用戶帶來諸多不便。面對此類問題，學術界和產業界已經進行了大量的研究，大部分專家認為，軟件無線電(Software- Defined Radio，簡稱軟件無線電)[1]是一個解決全球無線通信需求的方案，它將成為未來無線通信設備設計的核心所在。所謂軟件無線電，就是採用數字信號處理 技術，在可編程控制的通用硬件平台上，用軟件來定義實現無線電的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等，即整個無線電從高頻、中頻、基 帶及控制協議部分全部由軟件編程來完成。其核心思想是在儘可能靠近天線的地方使用寬帶的數字模擬轉換器，儘早地完成信號的數字化，從而使得無線電的功能儘 可能地用軟件來定義和實現。總之，軟件無線電是一種基於數字信號處理設備，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構。當前的軟件無線電結構的功耗大、成本 高，而功耗和成本是無線移動便攜設備的兩個關鍵參數，因而制約了軟件無線電的大推廣使用，隨著FPGA（現場可編程邏輯陣列）和模數數模變換器技術的不斷 發展，新一代SOPC（System on a programmable chip，可編程片上系統）正使軟件無線電從概念變為現實。
1 軟件無線電的基本結構
軟件無線電統的基本結構如圖1所示，它包括了寬帶/多頻段天線、多頻段射頻轉換器、寬帶AD（模數變換器）和DA（數模變換器）及數字信號處理 部分[1]。由圖1可以看出，數字信號處理部分是軟件無線電實用化過程中的核心和關鍵部分之一。數字信號處理部分通常包括分立的FPGA、 DSP（Digital Signal processor,數字信號處理器）及GPP(general purpose processor,通用微處理器)，FPGA和DSP在GPP的控制下完成中頻處理、調制解調、基帶處理以及信源處理等任務，GPP一般使用 RTOS（real time operation system,實時操作系統）進行任務調度和存儲器管理。當前的軟件無線電結構可以稱為專用資源結構，每個無線信道專用一套處理資源，包括AD、DA、 FPGA、DSP及GPP。實現N個信道，需要N套專用設備。這種專用資源結構對軟件無線電的功耗和成本極其不利，大大制約了軟件無線電的大規模使用，成 為軟件無線電實用化過程中的一大障礙。
圖1 軟件無線電節點基本結構
2 基於新一代SOPC的軟件無線電資源共享自適應結構
上個世紀90 年代末期到本世紀初,各個可編程邏輯器件廠商開始提出自己的SOPC的軟件和硬件一體化解決方案,並提供從低端消費電子到高端網絡通信等市場的全系列產 品。SOPC 構建在現有可編程邏輯基礎之上,除了具有縮短上市時間、設計靈活等通常可編程邏輯具有的優勢外,還增加了系統級的功能如高端處理器等,為現在越來越複雜的 產品所帶來的競爭壓力提供了高效的解決方案。業界提供SOPC 解決方案的廠商主要有Xilinx 和Altera 。
2．1 新一代SOPC的新特點
新一代SOPC具有以下等特點[2]：
1） 具有豐富的可編程邏輯多。以Xilinx公司為例，2005年發佈的Virtex- II 芯片XC2VP100具有約100K的邏輯單元（logic cells），每一個邏輯單元包含1個4輸入查找表、一個觸發器及進位邏輯。而最近(2006年10月)發佈的Virtex-5系列的 XC5VLX330T的可重配置邏輯塊包括約51K 的Virtex-5邏輯單元(每一個Virtex-5邏輯單元包含4個查找表、4個觸發器) 。
2）支持動態部分重配置。Xilinx公司的Virtex－II及Virtex－4系列支持基於幀的動態部分重配置，即每一個邏輯幀可以進行動態重配置而不會影響其他邏輯幀。
3） 內嵌GPP內核。Xilinx公司的Virtex-II的XC2VP100具有2個內嵌PowerPC微處理器硬核。。Altera 公司的高端SOPC 解決方案則在其FPGA 產品中集成了ARM 9 和MIPS 處理器硬核。
4）具有豐富的數字信號處理資源。Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX330T芯片具有192個數字信號處理單元DSP48E，每個DSP48E包含一個25x18乘法器、一個加法器和一個累加器。
新一代SOPC的這些特點有助於克服軟件無線電實用化過程中的功耗及成本障礙，基於這些新特徵，提出了軟件無線電的資源共享自適應結構。
2．2 基於新一代SOPC的軟件無線電的資源共享自適應結構
新一代SOPC的動態部分重配置技術使資源共享自適應結構成為可能。當SOPC內部的某一部分進行重配置時，其他部分正常工作。從宏觀上看，正 如GPP的動態任務切換一樣，一個SOPC中並行運行多個獨立應用。沒有這種能力，不同的應用必須對整個SOPC進行重新編程。動態重配置技術能夠實現 SOPC對信道波形的自適應。SOPC自動感知信道環境，動態地下載信道波形部分並且在不同的信道波形之間進行切換，而無需在運行開始時把所有的信道波形 部分都下載到SOPC中。以此為核心思想，提出的軟件無線電資源共享自適應結構如圖2所示，SOPC的豐富的編程邏輯部分及數字信號處理單元部分能夠處理 重負荷的數字信號處理任務，嵌入式GPP適合輕負荷數字信號處理（同步控制及上層協議如鏈路及網絡層）以及管理部分動態重配置邏輯。軟件無線電節點的基本 結構的N套數字信號處理部分現由一套SOPC代替，實現在一套處理資源上完成處理多個信道波形的能力，從而更加有效地使用資源，降低系統功耗及成本。
圖2 軟件無線電的資源共享自適應結構
2．3 軟件無線電資源共享自適應結構的一個實例
圖3所示的感知信道衰落、調製方式自適應的無線通信系統是軟件無線電資源共享自適應結構的一個實例。該實例根據信道衰落自適應調整發射機調製方 式傳送聲音和數據信息，如圖3所示，當前採用16-QAM調製方式進行信息發送，假設由於環境變化，信道開始衰落，系統的誤碼率升高到某一門限，系統決定 調整發射機調製波形以適應環境的變化。由於OFDM調製方式對信道的多徑衰落不敏感，選擇OFDM調製方式，必須對發射機的調製方式進行調整。
圖3感知信道衰落、調製方式自適應的軟件無線電系統
以上調製方式的調整，在一個不支持動態部分重配置的FPGA中，一種方法是暫時中斷通信，對整個FPGA進行重配置[3]，這在實際中是不現實 的；另一種方法是把所有的調製方式都配置在FPGA中，但某一時刻僅使用一種調製方式，這種方法要求FPGA足夠大，浪費了大量資源，在功耗和成本上極其 不利。
相比之下，支持動態部分重配置的SOPC僅在需要時把OFDM配置到某個區域然後把通信從16-QAM調製方式切換到OFDM調製方式；之後，原來的16-QAM調製方式所佔用資源可以空出。這種方式佔用資源要小得多，大大地節省了功耗及成本。
當信道恢復到衰落不嚴重時，軟件無線電發射機又可以動態重配置為16-QAM調製方式，切換至16-QAM，空出OFDM調製佔用的資源。從圖 3可以看出，作為多載波調製的OFDM佔用的資源要大大多於16-QAM調製方式（相應地，功耗及成本亦大），利用新一代SOPC的動態部分重配置技術， 軟件無線電能夠在系統通信質量和通信設備的功耗和成本之間取得統一。
3 結論
本文作者創新點是提出了基於新一代SOPC的軟件無線電資源共享自適應結構。採用Xilinx公司的FPGA開發環境ISE配合 Modelsim進行了16-QAM和OFDM兩種調製方式的功能仿真和時序仿真，初步的結果顯示大於64個子載波的OFDM調製使用的資源以百倍數量級 超過16-QAM調製使用的資源，證明採用資源共享自適應結構的軟件無線電能有效地降低整個系統的功耗和成本。隨著SOPC技術及軟件無線電理論的進一步 發展，本文所提出的軟件無線電資源共享自適應結構有望成為軟件無線電及感知無線電的支柱技術之一。
參考文獻：
[1] 邸平等.軟件無線電及其在數字電視中的應用[J].微計算機信息，2006年第22卷第1-2期；
[2] Virtex Data Sheet；
[3] 趙海潮等.基於FPGA的QPSK解調器的設計與實現[J]；微計算機信息，2004年第20卷第7期；
[4] Michalis D.Galanis etc. A design flow for speeding-up dsp applications in heterogeneous reconfigurable systems[J].Microelectronics Journal,37(2006
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