软件无线电在智能天线中的应用

1、软件无线电在智能天线中的应用张辰光(西安电子科技大学陕西西安710071摘要:针对无线通信领域中存在的多种通信体系共存, 各种标准竞争激烈等问题提出软件无线电技术。简述软件无线电的概念及功能特点, 介绍了目前软件无线电的研究状况及无线电的关键技术之一智能天线, 采用软件无线电和智能天线融合的方法研究, 较好地解决了体系共存和频带资源使用问题, , 目前已得到了广泛的应用。关键词:软件无线电; 智能天线; 无线通信; FP GA中图分类号:TN821+191文献标识码:B-02Smart Antenna ased Def inition R adio T echnologyG Chenguang

2、(Xidian University ,Xi an ,710071,China Abstract :Aimingat the problem of current wireless communication field such as the co -existence of different communica 2tion systems ,the sharp competition of various standards ,and so on. The paper puts forward the software radios technique. This paper intro

3、duces briefly the concept and characteristics of software radio ,presents its situation and one of the key technol 2ogies of smart antenna. With adopting the method of amalgamation of software radio and smart antenna ,we have got a good so 2lution to the problems above ,this method has been used wid

4、ely in practice and recieve very good effect both in the fields of the 2ory and practice.K eywords :softwaredefinition radio ;smart antenna ;wireless communication ; FP GA 收稿日期:2006-06-20近年来, 无线电通信越来越受到基于数字化处理的新技术的影响, 软件无线电和智能天线正是这样的技术。当前各国的军方、机构、公司都在关注和研究软件无线电和智能天线技术, 希望在各自的领域取得这方面的优势。1软件无线电的概念和特点传

5、统的无线通信根据通信系统、调制方式、多址方式有很多的分类。通信系统有卫星通信系统, 蜂窝移动通信系统, 无线寻呼系统, 短波通信系统, 微波通信系统等; 调制有AM , FM ,L SB , USB , ISB , FSK , PSK , MSK , GMSK ,QAM 等; 多址方式有时分, 频分, 码分。由于通信系统及设备是根据特定的用途所设计的, 往往工作的频段不同, 调制的方式、通信的协议不同, 数字信息的编码方式、加密方式也不同, 导致各个平台之间的通联受到了限制。数字处理技术的发展, 促进通信系统由模拟调制向数字化体制过渡, 这便是软件无线电的由来。所谓软件无线电, 是用软件模块来

6、完成各种无线通信功能如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等。其硬件结构是一个开放性、标准化、模块化的通用平台, 其中宽带A/D 和D/A 转换器多采用数字技术, 如图1所示。图1软件无线电结构图软件无线电的关键在于软件的可重编程性, 当通信功能提升或硬件技术发展时, 允许更换单个软件模块或硬件模块, 从而使无线电设备有更大的灵活性和寿命周期。2智能天线的基本概念无线通信系统中, 无线电干扰是必须面对的重要问题。他主要有:(1 每个射频信号经过多个不同途径传输到接收端,引起信号衰落;(2 同一蜂窝区内, 多个用户用相同的频率引起干扰;(3 两个相隔较远的蜂窝使用相同的频率受到干

7、扰。5此外, 还有由于用户的移动引起的多普勒效应, 也会引起衰落。无线电干扰会对通信系统容量和性能产生不良的影响, 传统的天线是全向的, 影响尤为严重。各种新的通信和电子系统的出现, 相应的天线也会越来越多, 如何协调工作是一个重要的课题, 此外常常遭遇的外来电子干扰对天线提出了很高的要求。数字处理技术的发展, 使得智能天线浮出水面。智能天线是一种能够根据实际信道情况自动调节天线的方向图使本身性能最佳的一种天线。智能天线在传统的阵列天线的基础上增加了一种信号处理技术, 具有测向和自适应调零的功能, 可以将主波束对准入射信号并且实时跟踪, 把零响应点对准干扰信号, 提高输入的信噪比。采用多天线阵

8、列可以截获更多的空间信号, 同时获得阵列增益, 他还可以识别不同方向入射的直射波和反射波, 有空间分集的能力, 能力。, 应用自适应原理对抽头进行智能调整, 以达到某种性能的要求, 如最小均方误差等。需要注意的几个方面:(1 天线阵列:天线元序列数量及其排列方式对智能天线的性能有着直接的影响, 阵元序列的个数一般取8,16居多, 阵列形状可以分为线阵, 面阵, 圆阵。移动通信中, 通常采用线阵和圆阵。(2 模数(数模 转换。(3 波束形成网络和自适应数字信号处理是以数字信号处理器和自适应算法为核心的自适应数字处理单元, 用来产生自适应最优权, 他可以使天线波束在一定的范围内根据用户的需要和天线

9、传播环境的变化自适应调整, 指向特定的用户。3基于软件无线电的智能天线天线部分是由M 个全向天线阵元组成的天线阵。每一个天线阵元有自己的下变频器和宽带A/D 转换器, 每个阵元的接收信号经过信道分离, 得到P 个信道的信号, 即每个信道都有M 个阵元接收的信号, 这样就可以利用波束形成算法对接收信号进行处理, 波束形成算法的实质是通过自适应调整波束算法的权矢量得到一个最佳接收信号。宽带采样之后的处理都是软件实现的, 在固定的平台上进行软件的升级, 可以提高波束的个数和用户的容量。从软件智能天线的实现原理来看, 针对不同的通信标准会有不同的应用方案, 用户只需通过软件置换即可实现基站设备的重新配

10、置, 其他硬件不需要进行调整。基于软件无线电思想来设计智能天线, 其优越性主要体现在以下几个方面:软件无线电结构为智能天线提供了极大的灵活性, 模块化的设计便于组合及调试、维护; 智能天线在设计完成之后, 通过修改软件来改变系统的功能; 在不同的具体环境中采用不同的算法, 提高系统的适 应性。, 设计一种智能天线, 此天线是在中频将接收信号数字化后变换为基带信号进行处理完成波束形成, 然后再变换到中频。此系统可以在不改变原接收系统的情况下, 直接加入智能天线模块, 有利于系统的扩容升级。系统天线由16单元圆阵构成(如图3所示 , 接收机混频电路实现天线接收信号由射频到中频的变换, 高速宽带A/

11、D 模块将中频信号变换成数字信号, 数字信号经过数字下变频芯片进行速率抽取滤波和正交分解为基带信号(I ,Q 两路 ;16路信号在两片FP GA (FP GA1, FP GA2 中与输入的权重进行相乘运算, 然后进行相加, 结果送入FP GA3中, 进行合成相加, 两级的FP GA 中都要完成译码功能及和DSP 通信, 得到1路基带信号送到上变频和D/A 器件中, 最终得到中频输出, 从而得到经过处理的最佳接收信号, 作为输出观察使用。图3基于软件无线电的智能天线实现框图DSP 中实现波束形成, 其完成权值的计算, 得到权值后输入到FP GA 的波束形成网络, 加权运算完成波束形成,DSP 完

12、成算法运算所需要的数据样本由FP GA 中的内置双口RAM 提供, DSP 和FP GA 通过异步接口进行连接。(下转第60页 15(2 基于代码的优化LDPC 解码存在大量的循环,必须重视循环的优化。循环体内尽量不要有if 语句, 否则代码执行不连续, 会使得流水效率低下;用pragma 告诉编译器关于循环次数的信息; 不可避免的if 跳转可以通过expected 内联函数告诉编译器默认的选择分支;Blackfin533有一个4指令的零开销硬件循环缓冲, 因此小的循环体运算速度快;程序最耗时的部分考虑用汇编语言实现。(3 基于Blackfin533芯片结构的优化片外的SDRAM 访问速度相比

13、片内要慢很多, 所以应该尽量减少SDRAM 的访问。顺序执行, 减少判断与跳转; 打开cache 改进Min -Sum 需要100万cycles ,C 48万cy 2cles , 全部改写为汇编代码后进行一次迭代平均只需要13万cycles 。按照平均迭代8次来统计, 完成2304信息位的解码需要100万cycles , 因此对一套码率为384kb/s 的视频节目进行解码所需要的主频大约为160M Hz 。6结语通过引入规范化因子并采用高斯逼近密度进化算法寻优, 所得到的改进算法与Log 2BP 算法的性能差异甚微。通过在定点DSP 上优化该算法, 当主频为600M Hz , 解码平均迭代8次

14、时可以达到1. 4Mb/s 的数据吞吐量。参考文献1G allager R G. Low Density Parity Check Dode J .IRETrans. Inform. Theory ,1962:IT -8,21-28.2Chung S Forney G D J r T , et al . On the DesignLow -within 0. 0045dB of the Lett. ,2001(5 :58-60. 3T , Tanner R M. Low Density Parity Checkf rom Permutation Matrices C .in Proc. Con

15、f. Infor 2mation Sciences and Systems ,Baltimore ,MD ,2001.4J un Heo , Keith Chugg M. Optimization of Scaling Soft Infor 2mation in Iterative Decoding via Density Evolution Methods , IEEE Trans. Commun. ,2005.5Chen J ,Fossorier M. Near Optimum Universal Belief Propa 2gation -based Decoding of Low De

16、nsity Parity Check Codes J.IEEE Trans. Commun. ,2002, (50 :406-414.作者简介张赟男,1981年出生, 东南大学信息科学与工程学院硕士。研究方向为通信信号处理。(上接第51页建议DSP 采用ADI 公司的TS101系列(如TS101SAB1-000 ,FP GA 采用Altera 公司的Stratix II FP GA 产品系列(如EP2S60ES , 模数转换器采用AD6645, 数字正交上变频器采用AD9857, 数字下变频器件采用GC1012A 。4结语软件无线电和智能天线的发展使他在军用和民用方面都有着广阔的前景。在民用方

17、面他可以帮助运营商经济高效地完成系统的部署, 通过较低的费用获得清晰的通话质量。在军用方面可以解决日益复杂的电磁环境干扰兼容的问题, 并极大地提高军用电子系统的性能。这都极大地推动通信技术的不断发展。尽管智能天线还停留在实验平台的开发上, 真正走向实用还有很长的一段路要走, 但是可以相信, 随着软件无线电技术的成熟及应用, 将会极大地推动智能天线的实用化进程。参考文献1Joseph C ,Liveri J r. Smart Antennas For Wireless Comunica 2tion :ls95and Third Generation CDMA Application M .Prentice Hall ,1999.2Ahmed EL Z ooghby. Potentials of Smart Antenna in com 2munication System J .IEEE Antennas and Propagation Magazine ,2001,43(5 :172-177.3Mitola J. The Software Rad