[摘要]文章从无线通信终端设备可重构性需求出发，论述了可重构无线终端设备的软硬件体系结构，提出可重构射频接收、射频发射、基带单元的设计思想及方案设想，为可重构无线终端设备的设计及实现提供参考。
[关键词]无线通信 终端设备 可重构 体系结构
1 引言
在基于软件无线电技术的通信系统中，常常将为了实现信息的无线传输而对信息所采取的一系列变换叫做波形，如GSM系统中的编码、调制等参数的组合，可称为G波形族；CDMA-IS95系统中的通信参数组合，可称为C95波形族，等等。在2G和3G并存的今天，为了使用方便，人们研究制造了双卡、三卡智能蜂窝手机，它可以根据通信质量，接入最佳的无线通信网络。但随着无线通信的迅猛发展，新的通信网络不断涌现，除了蜂窝移动通信系统外，还有WLAN、WiFi、集群移动通信系统等等。因此，一个能够自动选择最佳通信网络，实现随时随地与任何人进行通信的无线智能终端(亦称智能手机)已成为人们的迫切需求。
目前，智能手机的射频电路通常采用组合式硬件架构，通过集成支持多种无线网络所需的电路模块，并激活硬件的不同状态来完成不同系统之间的切换。这种组合无线电的体系结构需要不断地扩展硬件才能支持更多的系统，结果是设备的尺寸膨胀、功耗增大。其主要原因是此类终端通信架构的开放性、可重构性差。可重构性是指在一个终端系统中，其硬件模块或软件模块均可按需进行配置(或重新设置)。因此，摆在工程师面前的挑战是如何开发一种无线终端以应对不同通信系统兼容或以尽可能快的速度升级扩展的需求，也就是通过配置某些软硬件参数来实现通信波形的变换，即设备要具备可重构性。
无线通信设备体系结构的开放性、可重构性研究及波形组件库的建立对开发可重构无线终端设备起着重要的作用，已成为通信领域研究的重点。
2 可重构无线终端体系结构
可重构无线终端按体系结构划分，主要由硬件与软件两大部分组成；按功能模块划分，主要由基带处理电路、射频电路与天线三部分组成。其突出特点是整机发射功率、信道编码方式及调制参数、链路层及网络层通信协议、信源压缩方式及压缩速率等需根据通信环境进行自适应调整，因此其基带及射频电路设计均需支持软件可编程或参数可重配置的功能特性。
2.1 可重构终端硬件体系结构
可重构无线终端硬件体系结构如图1所示：
图1中各部分的功能如下：
(1)宽带天线由宽带可重构天线、开关电路和宽带匹配电路组成，可以通过开关选择天线和匹配电路实现通信频段、天线增益的控制；
(2)可重构射频单元由可重构射频前端、可重构收发信道组成，通过重配置实现频段、带宽、增益和功率等的实时或非实时的调整；
(3)可重构基带单元硬件部分一般由现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、通用处理器(GPP)组成，软件部分则由操作系统、驱动软件和波形软件组成，通过配置管理可进行不同调制方式、编码方式及组网协议的静态及动态加卸载，满足通信系统的要求。
2.2 可重构终端软件体系结构
可重构终端软件体系结构由配置管理面、业务面、基础面，如图2所示。
图2中各面的功能如下：
(1)配置管理面：包括可重构管理器和应用、协议、物理层可重构控制器，完成对业务面各层组件的控制，由一系列可重构配置、可编程或参数化硬件／软件资源的数据控制处理组成；
(2)业务面：包括应用层、协议层、物理层对应的应用插件、协议模块、处理模块，即波形组件库；
(3)基础面：包括系统软件、中间件、设备驱动等，是波形运行的软件环境。
3 设计思路及方案设想
3.1 可重构射频接收单元
常用的接收机结构有三种：超外差式、直接变换式(零中频或近零中频)、射频采样式。根据可重构性和目前技术、器件所达到的水平，可重构射频接收方案宜采用零中频及近零中结合的直接变换式结构。该接收结构主要由正交解调、可变带宽模拟滤波、可变增益放大及数／模变换等组成，如图3所示。
射频前端的接收信号通过正交下变频器直接转换为零中频／近零中频基带信号。
当接收信号为窄带信号时，采用近零中频转换方式，本振频率与接收频率相差一个低中频。转换后的两路正交信号是具有一定带宽的低中频基带IQ信号，低中频的取值可根据接收信号的带宽而定，以规避直接漂移及低频噪声干扰问题。当接收信号为宽带信号时，则采用零中频及交流耦合方式，本振频率与接收频率一致。因此时零中频转换输出的基带IQ信号频谱较宽，直流附近信号分量较小，采用简单的交流耦合方式即可消除直流漂移，又不会明显损伤接收信号质量。
当采用零中频接收方式时，基带处理电路对接收到的基带IQ信号进行数字滤波和基带解调即可；但当采用近零中频接收方式时，基带部分首先需对接收到的基带IQ信号进行镜像抑制数字下变频，然后再进行数字滤波和基带解调。
图3中，各部分工作原理如下：
(1)本振源部分一般采用高分辨率的△－∑小数分频锁相环，结合低相噪的宽频覆盖VCO，提供的本振信号具有换频时间短、相噪特性好、频率分辨率高等优点，并且功耗低。
(2)基带可变带宽模拟滤波部分主要采用可编程开关电容有源滤波器实现，带宽调整范围大，通过与基带部分的可编程FIR数字滤波相结合，可支持从窄带到宽带信号的接收解调。
(3)数／模变换部分一般采用△－∑型A／D变换器，取其高分辨率、低功耗的优点。目前16bits △－∑型A／D变换器采样率达80MHz以上，可支持3G、B3G等通信波形所需的信号采样带宽。
(4)整个接收通道中，射频及基带部分的低噪声放大器均可进行增益控制，提供不小于100dB的可控增益范围，以适应不同通信波形接收所需的增益要求。
上述接收结构，其工作频率、接收带宽、信号增益等均可重构，与基带部分相配合，可实现不同通信波形的接收解调。
3.2 可重构发射单元
发射机结构按调制方式分，常用的有：直接数字调制、正交调制、极坐标调制。极坐标技术是一种与功放结合的高效线性功放发射技术。它把发射信号按极坐标分解成幅度和相位两个分量进行调制与功率放大，能够对发射频率、调制方式、发射功率、功率增益等进行软件化处理，所以在很大程度上提高了发射信道射频端的可重构性。
采用极坐标调制技术的功率放大器，极坐标转换模块将输入的两路正交信号I、Q分离为幅度信号p和相位信号θ。幅度信号反映发射信号幅度信息，用来调整功率放大器的供电电压；相位信号与高频载波进行相位调制，产生恒定包络的射频信号，推动大功率射频信号放大器。其原理如图4所示：
相位调制部分可采用两点调制式△-∑小数分频锁相环实现，其优点是调制精度高、信号输出频谱质量好，无需再外接带通滤波器抑制远端杂散。幅度调制部分可采用s类高效开关功放，其设计难点是需要兼顾开关效率与输出的幅度包络信号质量。
对于LTE通信波形中的OFDM类调制信号，以上的极坐标功放发射架构还需与自适应基带数字预失真技术相结合，才能满足其高线性放大要求。
3.3 可重构基带单元
可重构基带单元的数字处理源通常由GPP、DSP和FPGA等主要芯片组成，如图1中可重构基带单元所示。基带的可重构不仅要支持静态可重构，还要支持动态可重构。静态可重构必须在中断程序的情况下运行，产生一个系统运行的初始配置和方案，主要用在跨频段的波形加载。动态可重构其过程可与程序执行同时进行，根据系统的对象的运行状况和环境的变化产生一个优化的配置和方案，主要用于同一频段的波形变换。
要实现高速的动态重构，芯片的选择非常重要，一般要求重新配置时间缩短到纳秒量级。
处理器的选择可考虑通用ARM处理器和专用DSP处理器。相对于GPP和DSP的可重构性而言，FPGA的可重构能力略弱。FPGA的可重构技术，就是利用可编程FPGA资源可以重复编程配置的特点，通过时分复用的方式复用FPGA内部的逻辑资源，使在时间上离散的逻辑电路功能模块能在同一个FPGA中顺序实现。典型的FPGA器件如XinliaX公司的FPGA Virtex／-／-E、Virtex-Ⅱ Pro和Virtex-Ⅳ。Vi rtex-Ⅱ Pro作为第一个平台级FPGA，能够实现超高带宽的系统级芯片设计，它具有ASIC的优点，又保留可编程逻辑器件所有的灵活性和低开发成本、低功耗的特点。
采用GPP、DsP和FPGA组合的可重构基带单元能满足基带处理性能要求，同时有利于设备的小型化、低功耗设计。
3.4 可重构基带单元的软件
运行于可重构基带单元的基础面软件涉及到中间件、系统软件、设备驱动。基础面的软件可采用SCA架构或Android软件平台。
采用SCA架构的基础面软件由中间件、核心框架和操作系统组成。操作系统包括设备驱动，可采用Vxworks／Linux等嵌入式实时操作系统，占用资源相对较少。Vxworks适合于车载终端，Linux适合便携或手持终端使用。核心框架可选择OSSIE所提供的开源的核心框架，基于Linux系统，可进行自主的二次开发(包括裁剪和优化)，满足轻量型的要求。中间件应满足中间的或轻量化、强实时性等要求，选用开放源码的中间件产品，支持CORBA规范。
Android软件平台包括操作系统、中间件和应用，是运行在Linux2.6内核上的Java系统。Android应用框架可以重复使用，其组件也可以更换。Android软件平台的中间件是Dalvik虚拟机，针对移动设备进行优化，适合便携或手持终端的应用要求。
此外，还应重视业务面、配置管理面的波形组件及配置管理的开发，建立波形库及波形加卸载管理，提高通信设备灵活应用的能力。
4 小结
无线电通信设备的可重构性设计是软件无线电工程化的重要组成部分，本文所提出的无线电通信设备可重构设计思想及方案设想，可为软件无线电终端的可重构性研究提供参考。
作者简介
林少良：高级工程师，硕士毕业于电子科技大学，现任中国电子科技集团公司第七研究所总体部副主任，长期从事无线通信、移动通信体系结构、传输技术研究及产品开发，主要研究方向为无线通信／移动通信技术体制、传输技术、软件无线电技术及组网技术等。
范宏宇：高级工程师，硕士毕业于电子科技大学，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，长期从事无线通信、移动通信、组网技术、传输技术研究及小型化产品开发，主要研究方向为无线通信技术、传输技术、小型化设计技术及基带芯片设计技术等。