软件无线电技术在GSM基站中的实现

杨明极，张 宇

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

软件无线电（SoftWare Radio）是近些年来随着微电子、信号处理、计算机等技术的高速发展而应运而生的一种新的无线电技术。它最初起源于军事通信，是为了解决多军联合作战时通信互通互联问题而提出来的。经过这几年的迅速发展，软件无线电已从军事领域的阶段逐步发展称为移动通信发展的基石，特别是第3、4代移动通信系统。个人移动通信系统已从第1代模拟蜂窝系统发展到第2代数字蜂窝系统（GSM、CDMA），目前正在向第3代移动通信系统发展，而且第四代移动通信技术也已悄然问世。随着越来越大的通信需求，一方面使通信产品的生存周期缩短，开发费用上升；另一方面，新老体制通信共存，各种通信系统之间的互联变得更加复杂和困难、由于通信技术的迅猛发展，新的通信体制与标准不断提出，通信产品的生存周期减少，开发费用上升，导致以硬件为基础的传统通信体制无法适应新的局面；同时，不同体制间互通的要求日趋强烈，并且随着通信业务的不断增长，无线频段资源变得越来越拥挤，对现有通信系统的频带利用率及抗烦扰能力提出了更高的要求。但是沿着现有通信体制的发展，很难对频带重新规划。所以，寻求一种既能满足新一代移动通信系统需求，又能兼容老体制，而且更具有扩展能力的新的个人移动通信系统体系结构成为人们努力的方向。而软件无线电正好提供了解决这一问题的技术途径，成为第三代移动通信系统研究的热点[1-2]。

软件无线电是一种新的无线电系统体系结构，是现代无线电工程的一种设计方法、设计理念，它的基本思想是：将A/D和D/A尽可能靠近射频前端，以开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台，把尽可能多的无线电功能用可重构、可升级的模块化软件来实现[3]。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理（DSP）芯片，以软件为核心的新的无线通信体系结构。为解决目前无线通信系统所存在的难兼容、难升级、开发周期长等难题提供了选择。

软件无线电基站前端电路的一个主要特点是宽带化，即它把基站所需要就收的整个上行频段同时变换到中频，实现宽带处理。至于对宽带内位于某一特定信道上的信号进行的解调、分析、识别等处理，将由后续的信号处理器及其软件来完成。显然这种处理方式对A/D变换的要求比较高，例如A/D的采样速率要高，动态范围要大，特别是A/D动态范围（有效位数）不够高，就无法同时接收信号电平相差很大的多个信号。

1 软件无线电中的信号采样

1.1 带通采样定理

设一个频率带限信号 x（t），其频带限制在（fL，fH）内，如果其采样速率满足：

式（1）中，n 取能满足 fs≥2（ fH-fL）的最大正整数，则用 fs进行等间隔采样所得到的信号采样值 x（n）=x（nTs）能精确地确定原信号 x（t）。

式（1）用带通信号的中心频率f0和频带宽度B也可以表示为：

1.2 过渡带允许混叠时的带通采样定理

考虑过渡带混叠时的采样谱如图1所示，根据矩形系数r的定义可知，滤波器的过渡带为：

由图可知，当fs满足fs≥2（B+B0）时通带内的信号才不会有混叠。将fs代入（4）得：

图1 考虑过渡带混叠时的采样谱Fig.1 Considering the transition band aliasing when the sampling spectrum

过渡带允许混叠时的带通采样定理：任何一个中心频率为f0，带宽为B的某一带通信号x（t），如果同时满足以下条件：

式中，n=0，1，2，3， …为正整数；r为抗混叠滤波器的矩形系数。 则原始信号 x（t）可以用其采样信号 x（n）=x（nTs）来表示。

2 移动通信GSM基站接收机的实现

软件无线电的思想目前已经融入最新的无线通信系统的实现中，人们正在用软件无线电改造基站，并且已经有软件化的基站产品投入使用。基于软件无线电思想的基站结构主要采用宽带中频带通采样方式，目前市场上A/D转换器的性能，其工作带宽已经覆盖到中频，有很高的采样率和动态范围，这就为实现基于带通采样定理的宽带数字中频软件无线电系统提供了可能。

2.1 宽带中频带通采样软件无线电结构：

蜂窝移动通信系统的工作频段一般在820～960 MHz和1 800～2 200 MHz两个频段，如此高的频率直接进行A/D采样目前是比较困难的，所以必须首先进行模拟下变频，把高频段信号搬移到频率相对较低的中频，然后进行A/D采样数字化，也就是宽带中频带通采样软件无线电结构[4]，如图2所示。其有两大特点是射频“宽带化”和中频“宽带化”，完全符合移动通信中信号频率范围的要求。射频宽带化是通过宽带工作的频合器实现的，中频的宽带化是通过一中频和二中频频率的设计和滤波器、放大器来实现的。射频前端的处理电路比较复杂，它的主要功能是把射频信号变换为适合于A/D采样的宽带中频信号，这样为A/D的采样大大减轻了负担。通过相对复杂的射频前端吧高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信号后，给A/D采样大大减轻了负担，这是软件无线电中一种可行的技术体制[5]。

图2 宽带中频带通采样软件无线电结构Fig.2 Broadband bandpass sampling structure of software radio

2.2 基于软件无线电的GSM基站的方案

在GSM移动通信系统设计中，要求接收支路的动态范围很高。通常为了符合系统指标，目前可以通过软件无线电的方式在中频对模拟信号进行A/D转换，王成数字化处理，采用的结构多由专用的通信处理芯片和通用的DSP器件构成，采用软件无线电方案的示意图如图3所示。

图3 GSM基站软件无线电前端电路Fig.3 GSM software radio front-end circuit

来自接收天线的上行信号，首先经过带通滤波器滤除带外信号，然后经过放大和混频，将射频信号变换为中心频率为f0，带宽为B的中频信号，并经中频滤波滤除镜像频率，最后进行中频放大，放大到A/D所需的足够的信号电平，送到A/D变换器进行采样数字化。图3所示电路的一个主要特点就是宽带化，即它把基站所需接受的整个上行频段同时变换到中频，实现宽带处理，这就对A/D提出了很高的要求。中频信号进行A/D转换后的数字信号送入通信专用处理芯片的可编程下变频（DDC）中处理，完成对中频的选频和滤波。图3中 f0、fL、fs的选择至关重要。

2.2.1 采样频率、中心频率

根据过渡带允许混叠时的带通采样定理可知：

2.2.2 本振频率fL

本振信号fL的选取与中心频率f0有关，由（5）确定：

式中，fi为输入信号的频率，取“+”时采用高本振（fL＞fi），取“-”时采用低本振（fL＞fi）。设 fimax和 fimin分别为输入信号的最高和最低频率，在进行混频时，式（5）中的fi为输入信号频段的中心频率，即：

2.2.3 中频带宽B0

考虑到无本振反响辐射或无三阶互调产物的要求和滤波器的矩形系数以及留一些富裕量，则有以下关系：

2.3 A/D后的数字信号处理

在图3中，因为在中频就采用了数字信号，用可编程的中频处理器件，使得基站应用比较灵活，采用不同的软件模块就可以在不同的通信系统中使用。还可以更多地采用数字电路，多个载波可以共享前端电路，使基站减小体积，降低功耗，载波信道设备的成本也相对较低。另外，这种结构在中频对信号进行数字滤波，可以降低对滤波器的要求，降低中频处理部分的成本，并可以用于多个场合。蜂窝系统中中频处理的主要功能都在PDC中完成，可以完成信号的选频滤波，输出基带信号，然后由后面的DSP多处理器来完成处理[6]。

宽带射频信号经过图3所示的GSM基站前端电路处理后，全部统一变换为带宽为B0，中心频率为f0的中频信号，然后经后续的高速A/D采样后，送到图4所示的软件无线电基站接收机进行数字信号处理。

图4 软件无线电基站接收机结构模型Fig.4 Software radio base station receiver structure model

由图4可见，A/D进行正交数字下变频把B0内的信号fi变换成2个正交基带信号XI（n）和XQ（n）。由于信号带宽Bs相对于奈奎斯特带宽窄的多，所以可以对高采样的基带信号进行抽取，以降低采样频率，便于后续信号的处理。经抽取滤波获得的低采样率基带正交信号I（m）和Q（m），再经过如下变换：

求出信号的ψ（m）和瞬时频率f（m）等特征参数，连同正交基带分量 I（m）和 Q（m）共 5个信号特征量送到后续 DSP进行软件解调、分析以及信号参数的估计、测量，最终输出解调的信息比特流。

3 结 论

由上面的分析可知，通过基站接收天线感应的移动通信上行信号经过模拟宽带前端变换为中频信号，再由高速的A/D进行数字化和基站软件接收机进行数字下变频、抽取、滤波以及软件解调，给出所需的解调信号比特流，最后送到基站控制器进行后续处理。

软件无线电基站就是一种多频段、多模式、多功能、可扩展的“软”基站或叫“智能”基站（Smart Base Station），它根据不同时间、不同环境、不同的用户，选择最佳的工作频段和工作模式与用户进行信息交换，以期极大地提高通信质量和服务质量，因此，这种智能基站（SBS）将成为未来移动通信的发展主流。

[1]杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电技术与应用[M].北京:北京理工大学出版社，2010.

[2]粟欣，许希斌.软件无线电原理与技术[M].北京:人民邮电出版社，2010.

[3]郝博雅.软件无线电在移动通信中的应用 [J].大众科技，2010（5）:58-59.

HAO Bo-ya.Software radio in mobile communication application[J].Popular Science&Technology，2010（5）:58-59.

[4]陈旗，宋士琼，邓鹏飞.基于软件无线电技术的通信信号接收与数据采集系统研究[J].船舶科学技术，2010，32（5）:60-61.

CHEN Qi，SONG Shi-qiong，DENG Peng-fei.Research of communication signal receving and data acquisition system based on technology of software radio[J].Ship Science and Technology，2010，32（5）:60-61.

[5]陶玉柱，胡建旺，崔佩璋.软件无线电技术综述[J].通信技术，2011，44（1）:38-39.

TAO Yu-zhu，HU Jian-wang，CUI Pei-zhang.An overview of software radio[J].Communications Technology，2011，44（1）:38-39.

[6]成叶琴，刘桂英.软件无线电的理论研究[J].上海电机学院学报，2010，13（3）:148-149.

CHENG Ye-qin，LIU Gui-ying.Discussion of the software radio theory[J].Journal of Shanghai Dianji University，2010，13（3）:148-149.