基于软件无线电收发机前端设计方法的分析与研究

邱旦峰　于为　卜刚

摘要：软件无线电技术将很大程度上解决当前个人无线通信系统所面临的挑战如产品开发周期和生存期的挑战，移动终端功能多样化带来的系统集成和功耗的挑战。因而其被提出后很快成为国内外无线通信领域的研究热点，被普遍认为是继无线技术数字化之后的第二次技术革命。通过研究自适应电路设计方法，使软件无线电收发前端的性能可以随着信道质量的变化自适应地调整，从而使电路功耗最小。

关键词：软件无线电；收发前段；自适应调整；优化算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）12-0228-02

Analysis and Research the Front-end Design Method of Software Radio Transceiver

QIU Dan-feng， YU Wei， BU Gang

（School of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016，China）

Abstract：Software radio technology will largely address the challenges of the current personal wireless communication system faces. Such as product development cycle and survival challenges ，and mobile terminal functional diversity brings system integration and power challenges. The software radio technology was made soon after become a hot topic at home and abroad in the field of wireless communications， and it is generally regarded digital wireless technology after second technological revolution .By studying the adaptive circuit design that enables performance radio front-end software can change the channel with the quality of adaptively adjusted to minimize the power consumption of the circuit.

Key words： software defined radio； transceiver front-end； adaptive； optimization

随着器件尺寸的不断缩小、工作电压的下降，CMOS模拟/射频电路设计的挑战性不断增加，因而希望在收发机中模数转换器件离天线越近越好，直至直接在天线后进行数字化。软件无线电收发前端的设计有很大挑战性，除了不同标准之间性能指标的多样性使覆盖的频段范围宽、动态范围跨度大之外，功能的多样化、数据链路的宽带化导致的额外能耗，使如何降低移动终端的功耗、延长续航时间，成为软件无线电终端系统辄待解决的关键问题。本文的重点是研究降低系统功耗，同时将使无线收发机前端具有环境感知的智能性的实现。

1 软件无线电技术

软件无线电概念的正式提出是在上世纪九十年代初，其核心思想是用标准化、模块化、通用化和可编程的部件实现无线收发机的硬件部分，而其具体的功能以及性能参数用软件编程实现，从而实现不同体制和同一体制不同版本的通信标准的兼容性和灵活适应性。微电子技术的发展推动着软件无线电技术的不断前进。随着互补金属氧化物半导体工艺的不断演进，集成电路的规模和速度不断提高的同时，成本不断下降，使得功能强大的数字信号处理器（DSP）得以被使用在个人移动终端上，从而在其上可以实现复杂的信号处理功能。

目前，软件无线电收发前端的设计思路可归结为以下几种：

1） 性能指标固定的单路通用硬件；

2） 性能指标固定的多路专用硬件并联；

3） 是性能指标固定的单路-多路混合的硬件结构；

4） 是用可调的模块替代以上结构中被不同模式共享的硬件模块，使其性能指标根据特定应用模式进行调整，从而降低能耗。

上面几种收发机实现方案在系统设计方面都是沿用传统的设计方法，即系统的各项指标是按最坏信道质量的极端情况进行设计的。如果能够找出一种系统设计和电路实现的方法，根据特定的信道和电路PVT状态，动态调整CMOS电路的工作条件，使其性能恰好满足要求，即收发机前端性能是对信道质量和电路PVT是自适应的，则收发机的功耗将是最低的。

2 软件无线电收发前端设计思路

本文研究对信道质量和电路PVT状态的变化且性能能够自适应调整的软件无线电CMOS收发前端电路的设计方法，使其在满足信号接收质量要求的前提下，功耗最小。具体研究以下内容：

2.1 应用于软件无线电收发机前端的动态电压调节技术

动态电压调节是CMOS数字集成电路中重要的降低功耗的方法，如果能将这种技术用于射频/模拟/混合信号电路，则在电路电流恒定的情况下，电路功耗随电压的下降线性减小。这项技术的成功应用，将使电源电压成为主动调节手段，而非被动的电路状态条件，成为软件无线电收发机前端的自适应降低功耗的重要手段。

2.2 性能优化友好的功耗有意识软件无线收发机前端设计方法

功耗有意识是指设计者在设计中采用的电路结构和参数等，尽可能用较少的功耗实现所期望的电路功能和性能。同时，通过选择合理电路结构，使电路基底噪声、线性度、增益、信号最大摆幅等性能的提高与电路中的功率损耗成正相关，这样如果电路性能恰好满足要求，则功耗能接近最小。

功耗有意识的、性能优化友好的射频/模拟电路模块设计方法的研究，不仅使模块性能优化更高效，而且可以使优化摆脱手工作业、用算法实现，符合软件无线电模块化、通用化设计的思想，这是通向具有自适应性的智能射频前端的途径。

2.3 软无线电收发前端系统功率动态优化算法

动态优化算法能够根据信道质量，实时地在线对各个模块的性能按照一定的规则进行调整，使系统能够恰好满足性能要求，并且功耗接近最小。这套对模块性能进行调整的“规则”，即性能优化算法，应该对所有的不同通信标准、信道状态、电路PVT状态普遍适用。而系统需要满足的性能要求可以是误码率，也可以是与其相关的参数，如误差向量幅度。在不同通信模式下，系统性能期望达到的性能标准可能不同，而这可以作为算法中的可配置参数进行传递。

3 软件无线电收发前段设计方案

由于工艺的不断演进，CMOS集成电路的规模和速度不断提高，使复杂的信号处理功能得以在个人无线通信终端上实现。本项目拟利用数字信号处理技术，解决软件无线电收发前端信道质量自适应问题，降低系统功耗。

3.1 应用于软件无线电收发机前端的动态电压调节技术

对于接收机，本项目拟利用最小均方自适应信号处理算法，在数字基带对开关噪声进行抵消，如图1所示。因为电源上的开关噪声与开关电源中的时钟信号正相关，本项目拟利用时钟信号作为噪声源参考信号，通过LMS自适应噪声算法，将接收到的信号中与其相关的部分消除。当然，此方案如需奏效还有一定的前提条件，电源上的噪声引入的乘法性的干扰可忽略，即前端电路的设计对有电源电压变化有“友好性”。如果需要消除乘法性的干扰，也可能可以人为地对电源注入经过自适应滤波的开关时钟信号，经过LMS算法在基带获得最小能量时，可认为噪声消除最彻底。

在包络调制器的输出端接开关频率陷波器的方法滤除开关频率，系统框图如图2所示。传统的包络调制器是针对特定的通信模式，开关频率固定，因而滤波器的频率特性也是固定的。而对于具有自适应性的软件无线电发射机，为达到最佳效率，希望包络调制器开关频率可变，传统的滤波方案则不能满足要求。本项目拟利用时域离散信号在频域随采样频率周期延拓的特性，采用连续时间域与离散域滤波器混合的方式，实现自动跟踪包络调制器开关频率的自适应陷波滤波器

图3为拟采用的自适应开关频率陷波器结构，其由高通滤波器与时间离散域的低通滤波器串联而成，而离散域滤波器的开关时钟是由开关型包络调制器的开关时钟产生的同频时钟。时域离散的滤波器在频域随采样频率周期延拓，因此连续时间域的低通特性时间离散化后变为自动跟踪开关频率的陷波滤波器。为了保持包络调制器输出中直流附近的低频信号，在陷波滤波器前引入高通滤波器，以隔绝低频信号。

3.2 软无线电收发前端系统性能动态优化算法

本项目拟采用基带信号解调后的误差向量幅度（EVM）作为信号接收质量的判断标准，相比于误码率（BER），其可以通过一帧数据迅速地得到结果。软件无线电收发前端信道质量自适应算法框图如图5所示，其中EVMmax 是对于某个通信模式，要满足通信质量要求所能容忍的最大误差向量幅度。该算法可以在通信是不断循环调用，以保证实时性；也可以定时调用，以减小算法本身带来的能耗。

以上算法是建立在性能与功耗正相关的前提下，如果性能最恰好满足要求，则功耗最低。但实际情况下，不同调节方式对同一性能产生的相同的影响，但功耗却不一定相同，因而需要考虑性能调节方式的功耗成本问题。

4 结束语

在上述设计过程中，我们将动态电压调整技术应用于软件无线电收发机前端，利用极坐标发射机包络调制器使软件无线电的多工作模式自适应，设计出CMOS软件无线电收发前端性能优化友好的模块化方法和对信道质量自适应的软件无线电收发前端性能优化算法。

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