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(tǒng)的無線通信產品開發(fā)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(fā)和制造，當新技術出現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，學術界和產業(yè)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，就是采用數字信號處理技術，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字模擬轉換器，盡早地完成信號的數字化，從而使得無線電的功能盡可能地用軟件來定義和實現?？傊?，軟件無線電是一種基于數字信號處理設備，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(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實。

　　1 軟件無線電的基本結構

　　軟件無線電統(tǒng)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(tǒng)）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(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)點基本結構

　　2 基于新一代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,并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?？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,為現在越來越復雜的產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構。

　　2．2 基于新一代SOPC的軟件無線電的資源共享自適應結構

　　新一代SOPC的動態(tài)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(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)重配置技術能夠實現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(xié)議如鏈路及網絡層）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(tǒng)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構的一個實例。該實例根據信道衰落自適應調整發(fā)射機調制方式傳送聲音和數據信息，如圖3所示，當前采用16-QAM調制方式進行信息發(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)決定調整發(fā)射機調制波形以適應環(huán)境的變化。由于OFDM調制方式對信道的多徑衰落不敏感，選擇OFDM調制方式，必須對發(fā)射機的調制方式進行調整。

以上調制方式的調整，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]，這在實際中是不現實的；另一種方法是把所有的調制方式都配置在FPGA中，但某一時刻僅使用一種調制方式，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調制方式切換到OFDM調制方式；之后，原來的16-QAM調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調制方式，切換至16-QAM，空出OFDM調制占用的資源。從圖3可以看出，作為多載波調制的OFDM占用的資源要大大多于16-QAM調制方式（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、調制方式自適應的軟件無線電系統(tǒng)

3 結論

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兩種調制方式的功能仿真和時序仿真，初步的結果顯示大于64個子載波的OFDM調制使用的資源以百倍數量級超過16-QAM調制使用的資源，證明采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(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構有望成為軟件無線電及感知無線電的支柱技術之一。