隨著IEEE 802.11(WLAN)、IEEE 802.16(WMAN)、IEEE 802.15.4(WPAN)等無線通信網(wǎng)絡標準的建立，傳統(tǒng)的無線通信產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)方式已表現(xiàn)出不少問題，譬如：產(chǎn)品是針對特定的標準中一個版本開發(fā)和制造，當新技術出現(xiàn)或版本升級或提供新業(yè)務時，只能開發(fā)新的專用芯片，制造新一代設備。結(jié)果是要么限制了新技術和新業(yè)務的使用，要么給制造商、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(chǎn)業(yè)界已經(jīng)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，就是采用數(shù)字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，用軟件來定義實現(xiàn)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(xié)議部分全部由軟件編程來完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)。總之，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理設備，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構。當前的軟件無線電結(jié)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(shù)，因而制約了軟件無線電的大推廣使用，隨著FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）和模數(shù)數(shù)模變換器技術的不斷發(fā)展，新一代SOPC（System on a programmable chip，可編程片上系統(tǒng)）正使軟件無線電從概念變?yōu)楝F(xiàn)實。

      1 軟件無線電的基本結(jié)構

      軟件無線電統(tǒng)的基本結(jié)構如圖1所示，它包括了寬帶/多頻段天線、多頻段射頻轉(zhuǎn)換器、寬帶AD（模數(shù)變換器）和DA（數(shù)模變換器）及數(shù)字信號處理部分[1]。由圖1可以看出，數(shù)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(shù)字信號處理部分通常包括分立的FPGA、DSP（Digital Signal processor,數(shù)字信號處理器）及GPP(general purpose processor,通用微處理器)，F(xiàn)PGA和DSP在GPP的控制下完成中頻處理、調(diào)制解調(diào)、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(tǒng)）進行任務調(diào)度和存儲器管理。當前的軟件無線電結(jié)構可以稱為專用資源結(jié)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(xiàn)N個信道，需要N套專用設備。這種專用資源結(jié)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(guī)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(jié)點基本結(jié)構

       2基于新一代SOPC的軟件無線電資源共享自適應結(jié)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,并提供從低端消費電子到高端網(wǎng)絡通信等市場的全系列產(chǎn)品。SOPC 構建在現(xiàn)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?？删幊踢壿嬀哂械膬?yōu)勢外,還增加了系統(tǒng)級的功能如高端處理器等,為現(xiàn)在越來越復雜的產(chǎn)品所帶來的競爭壓力提供了高效的解決方案。業(yè)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(fā)布的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(fā)器及進位邏輯。而最近(2006年10月)發(fā)布的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(fā)器) 。

      2）支持動態(tài)部分重配置。Xilinx公司的Virtex－II及Virtex－4系列支持基于幀的動態(tài)部分重配置，即每一個邏輯幀可以進行動態(tài)重配置而不會影響其他邏輯幀。

      3） 內(nèi)嵌GPP內(nèi)核。Xilinx公司的Virtex-II的XC2VP100具有2個內(nèi)嵌PowerPC微處理器硬核。。Altera 公司的高端SOPC 解決方案則在其FPGA 產(chǎn)品中集成了ARM 9 和MIPS 處理器硬核。

      4）具有豐富的數(shù)字信號處理資源。Xilinx公司的Virtex-5系列的XC5VLX330T芯片具有192個數(shù)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的這些特點有助于克服軟件無線電實用化過程中的功耗及成本障礙，基于這些新特征，提出了軟件無線電的資源共享自適應結(jié)構。

      2．2 基于新一代SOPC的軟件無線電的資源共享自適應結(jié)構

      新一代SOPC的動態(tài)部分重配置技術使資源共享自適應結(jié)構成為可能。當SOPC內(nèi)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(tài)任務切換一樣，一個SOPC中并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(tài)重配置技術能夠?qū)崿F(xiàn)SOPC對信道波形的自適應。SOPC自動感知信道環(huán)境，動態(tài)地下載信道波形部分并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(jié)構如圖2所示，SOPC的豐富的編程邏輯部分及數(shù)字信號處理單元部分能夠處理重負荷的數(shù)字信號處理任務，嵌入式GPP適合輕負荷數(shù)字信號處理（同步控制及上層協(xié)議如鏈路及網(wǎng)絡層）以及管理部分動態(tài)重配置邏輯。軟件無線電節(jié)點的基本結(jié)構的N套數(shù)字信號處理部分現(xiàn)由一套SOPC代替，實現(xiàn)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(tǒng)功耗及成本。[!--empirenews.page--]

                         圖2 軟件無線電的資源共享自適應結(jié)構

      2．3 軟件無線電資源共享自適應結(jié)構的一個實例

      圖3所示的感知信道衰落、調(diào)制方式自適應的無線通信系統(tǒng)是軟件無線電資源共享自適應結(jié)構的一個實例。該實例根據(jù)信道衰落自適應調(diào)整發(fā)射機調(diào)制方式傳送聲音和數(shù)據(jù)信息，如圖3所示，當前采用16-QAM調(diào)制方式進行信息發(fā)送，假設由于環(huán)境變化，信道開始衰落，系統(tǒng)的誤碼率升高到某一門限，系統(tǒng)決定調(diào)整發(fā)射機調(diào)制波形以適應環(huán)境的變化。由于OFDM調(diào)制方式對信道的多徑衰落不敏感，選擇OFDM調(diào)制方式，必須對發(fā)射機的調(diào)制方式進行調(diào)整。

      以上調(diào)制方式的調(diào)整，在一個不支持動態(tài)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(xiàn)實的；另一種方法是把所有的調(diào)制方式都配置在FPGA中，但某一時刻僅使用一種調(diào)制方式，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(tài)部分重配置的SOPC僅在需要時把OFDM配置到某個區(qū)域然后把通信從16-QAM調(diào)制方式切換到OFDM調(diào)制方式；之后，原來的16-QAM調(diào)制方式所占用資源可以空出。這種方式占用資源要小得多，大大地節(jié)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(fā)射機又可以動態(tài)重配置為16-QAM調(diào)制方式，切換至16-QAM，空出OFDM調(diào)制占用的資源。從圖3可以看出，作為多載波調(diào)制的OFDM占用的資源要大大多于16-QAM調(diào)制方式（相應地，功耗及成本亦大），利用新一代SOPC的動態(tài)部分重配置技術，軟件無線電能夠在系統(tǒng)通信質(zhì)量和通信設備的功耗和成本之間取得統(tǒng)一。

           圖3感知信道衰落、調(diào)制方式自適應的軟件無線電系統(tǒng)

      3 結(jié)論

      本文作者創(chuàng)新點是提出了基于新一代SOPC的軟件無線電資源共享自適應結(jié)構。采用Xilinx公司的FPGA開發(fā)環(huán)境ISE配合Modelsim進行了16-QAM和OFDM兩種調(diào)制方式的功能仿真和時序仿真，初步的結(jié)果顯示大于64個子載波的OFDM調(diào)制使用的資源以百倍數(shù)量級超過16-QAM調(diào)制使用的資源，證明采用資源共享自適應結(jié)構的軟件無線電能有效地降低整個系統(tǒng)的功耗和成本。隨著SOPC技術及軟件無線電理論的進一步發(fā)展，本文所提出的軟件無線電資源共享自適應結(jié)構有望成為軟件無線電及感知無線電的支柱技術之一。