軟件無線電能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便升級和跟蹤新技術。本文介紹了一種軟件無線電體系結構，并闡述了目前存在的技術難點，相信對中國工程師的工作會有一定幫助。?

　　軟件無線電是一種用軟件來實現物理層連接的無線通信設計。軟件無線電的主要優點是它的靈活性。在軟件無線電中，諸如信道帶寬、調制以及編碼等可以動態調整，以適應不同的標準和環境、網絡通信負荷以及用戶需求的變化。?

　　目前軟件無線電設計有兩類：軟件定義無線電(SDR)，能夠控制和配置處理單元；軟件無線電(SWR)，事實上由軟件本身來完成信號處理。倘若能為軟件控制設置必要的接口，SDR就可以應用FPGA等技術。SWR則不需要使用這類器件，而是通過在面向應用程序級的軟件標準組件對象中進行信號處理，來增大靈活性。以當前的技術，前者更適于低層次應用，而后者則能夠通過下載新軟件的方式，對一個無線器件進行升級以適應新標準的要求。SWR具有這種潛能，是因為它所有的功能處理全部用軟件實現，而不局限于某種特殊的處理單元。?

　　軟件無線電的研究最初源于在使用專用硬件實現無線電通信過程中的互用性問題。第一個軟件無線電是SpeakEasy系統中的Lackey95，它替代由十多個軍用無線電設備組成的系統。大學研究項目Athanas98和Bose99推動了軟件無線電系統設計的發展，并為軟件無線電架構提供了理論依據。?

　　SDR論壇一直致力于制定SDR系統標準和接口規范。在美國，多種不兼容的蜂窩體系和PCS通信標準是其主要的商業應用支持者。在歐洲，GSM的廣泛使用緩解了互用性矛盾，但是人們對軟件無線電在第三代蜂窩通信系統中的應用抱有廣泛的興趣。SDR技術是當前手持式設備處理基帶信號切實可行的方案。人們努力緩解該技術的互用性矛盾，軟件無線電在此就表現出非常大的潛能，這種潛能改變了人們制造無線電設備和利用射頻頻譜的思維方式。?
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軟件無線電的未來潛能?

　　過去，無線通信系統的設計都是靜態的，只能在規定范圍內的特定頻段上使用專用調制器、編碼器和信道協議。即使是雙頻、三頻蜂窩電話也只在預先定義的兩個或三個標準之間切換。靜態設計通常是根據最壞情況的設計，在情況良好時就不能充分利用射頻頻譜。例如，若背景噪聲比最惡劣的情況小，就可能出現許多不必要的糾錯編碼，這樣就不能獲得最高的比特率。這種情況對無線應用系統的影響比有線應用系統更嚴重，因為無線傳輸更易于受噪聲、干擾和衰減的影響。理想的軟件無線電能動態適應傳輸系統的任一環節的變化，如調制、編碼、信道協議以及帶寬等等，并能夠適應實時性變化，最大程度地利用有效頻譜。?

　　靜態設計不僅降低射頻頻譜的利用率，在其他方面也有影響。比如CDPD無線數據系統，不論系統其它部分的負載多少，用戶都要受限于一個信道中的可用帶寬。用戶可以在蜂窩系統空閑時傳輸數據，但這并不能提高數據傳輸速率。如果系統能夠自動調整以使用更大的帶寬或者采用不同的調制方案，則一個特殊要求的用戶能獲得更大的帶寬。如果蜂窩網供應商能夠分配原來沒有充分利用的更大的帶寬給用戶，他們會得到較好的收益；無疑，用戶也能得到更好的服務。軟件無線電的靈活性能夠去除靜態設計的局限性，并能為無線通信系統提供新的功能。?

　　理想條件下，射頻頻譜可以任意分配。這使我們不會盲從于在靜態頻譜許可下的設計慣例，而是面向一個動態的頻譜分配模式。最終，供應商們將可以自由競標所需的頻譜，相對目前的模式，這能更好地利用射頻頻譜。通常情況下，如果服務供應商在一個區域只有很少的用戶，則其頻譜在大部分時間內將會處于閑置狀態。然而，在市場分配模式下，如果用戶對頻譜有需求，相應的頻譜就會得到利用。市場分配模式還有助于產生新的服務供應商。一般而言，若一個供應商在一個區域中沒有獲得頻譜許可證，則該供應商就不能在該區域運營。而市場分配模式下，多個供應商進入同一個市場是可行的，這種競爭機制將為最終用戶提供更好的服務。?

　　市場分配模式需要在頻譜許可方面做重大的變革。最近，FCC發布了一個關于軟件無線電的調查通知，明確指出軟件無線電要對無線頻譜的管理和許可方式進行變革。?

　　頻譜的分配會在宏觀上提高頻譜的效率，而軟件無線電則可在微觀上提高頻譜效率。任何兩個無線設備都可以動態地調節其濾波和調制以適應信道實際條件下的要求。例如，假設有一個很強的干擾出現在信道附近，在ad-hoc網絡里，設備會動態調整濾波器，甚至會轉至不同的頻帶以提高設備性能。實現這種調整的方案在Chiu99提出。?

　　或許軟件無線電的最大優點是跟蹤新技術的能力。現有無線通信系統的技術應用已遠遠落后于數字通信。這在很大程度上是由于時間和經費的問題，包括配置底層的基礎設備來完成特殊的空中標準設置。因為資金投入很大，不可能經常對設備升級，因此新技術應用大約會滯后10年。例如在美國的大部分地區，蜂窩網的基礎設施仍是模擬AMPS標準(設計于1978年)，盡管部分轉換成了數字系統，但現在用的數字系統技術也已經遠遠落后于技術的發展。3G的系統原型就是一個例證。?

　　基于適當的軟件無線電技術的蜂窩基礎結構能夠通過安裝新軟件進行升級，比配置新硬件更迅速、更廉價，同時也允許數字通信的先進技術更快地進入市場，并可提供新業務、提高頻譜的利用率。?

　　標準的制定是為了使不同的產品制造商生產的產品之間相互兼容。軟件無線電則消除了需要預先定義空中接口標準的大量工作，因為軟件本身就是一種標準。它所需要的只是一個接口定義以及應用程序接口(API)，使軟件能在不同的操作平臺上運行，并使無線電設備能下載必要的軟件。而標準的升級簡化成軟件的下載，這樣數字通信的新產品可以非常迅速地到達最終用戶。?

系統結構?

　　理想的軟件無線電能夠適用于任意一種調制器、編碼器、指定信道帶寬的射頻信道協議。典型的基帶軟件無線電方式不能滿足這種靈活性。因為動態信道帶寬和信道分配需要進行寬帶信號處理，尤其當所分配的信道是由幾個非鄰近信道組成時。為了實現軟件無線電的所有潛能，軟件處理必須延伸至寬基帶(或中頻)信號。然而這種無線電設備在目前并沒有到達實用階段，但其技術走勢表明，在未來的幾年內，其某些性能可以達到實用要求。?



　　因為很多潛在的技術正快速發展，能夠獨立跟蹤這些技術，對軟件無線電系統結構而言是很重要的。本文圖中表明該結構的構成，每一層都通過接口定義使一些關鍵技術相對獨立。這種結構允許使用RF IC技術、A/D轉換和低功率處理器的先進技術，組合成為一個系統而不需要重新設計整個系統。?

　　我們可能注意到主板這一名稱借用了計算機中的術語，它強調從縱向集成的、專用的系統結構向開放的、模塊化的系統結構轉移。通常，主板包含一般計算機的組件，諸如存儲器、處理器和I/O芯片以及獲得和產生無線信號的A/D和D/A轉換器。?
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　　技術難點?

　　軟件無線電在無線電通信系統中具有巨大優勢，然而要把它變成現實還需面臨一些技術課題的嚴峻挑戰。本文圖中從射頻部分開始一直到軟件無線電的應用軟件，涉及與基站和手持無線設備相關聯的每一個關鍵技術。?
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射頻技術?

　　從寬帶可調射頻到基帶的轉換是軟件無線電應用軟件最不成熟的技術。除了很寬的調節范圍，蜂窩網應用軟件增加了前端處理器的SFDR限制。例如GSM就需要91dB的SFDR。現在很少有供應商能提供覆蓋一個較寬頻率范圍的帶寬可調的前端處理器。其原因在于頻率許可的方式，蜂窩電話只能在幾個特定的頻帶上運行。目前可同時處理800/900MHz頻段和1.9GHz PCS頻段的產品已經問世。進一步說，為了能開放更多的頻帶以便按需分配，設計能夠接入更大頻率范圍的器件非常必要。另外一個關鍵器件是可以覆蓋整個可調頻率范圍的VCO(壓控振蕩器)。目前，最好的解決方案是采用多個VCO，每一個VCO都有一段窄的可調范圍，但這會增加設備體積、成本和設計的復雜性。對大帶寬可調前端處理器的研究表明，現在尚無可行的方案。?

　　無線手機需要低功率的集成解決方案來完成從射頻到基帶的信號轉換過程。最初的軟件無線電手機可能只用一小段頻譜，對芯片的設計要求并不很高。目前有許多公司，都能提供這種芯片，如科勝訊公司，就擁有覆蓋從蜂窩頻段到PCS頻段的芯片。然而，展望寬頻帶的需要和變化，將要求繼續增加手機帶寬的調節范圍。很明顯，RF IC設計的突破是達到寬頻帶的關鍵之一。?

　　基站的解決方案則與現實更近一步，因為對設備的體積、重量和功耗都沒有手機要求高。RF微波設備公司和Triquint半導體公司已經生產出GaAs放大器、混頻器和解調器，可以組成覆蓋所需要頻率范圍的設備。數字電纜和衛星通信也驅動著前端處理器組件的開發。傳統上，電視調諧器可以覆蓋很寬頻率范圍，而有線電視和衛星電視還可將此范圍進一步擴大。例如飛利浦公司的前端處理器可以覆蓋很寬的頻率范圍，但這些通常不能滿足蜂窩和無線數據通信對頻率范圍的更高要求。?

　　商業化寬帶軟件無線電面臨的嚴峻挑戰是研制合適的射頻前端處理器。盡管存在很大的設計難度，但軟件無線電具有的潛能以及在頻譜許可模式下可能出現的變化為我們提供了極具吸引力的市場機遇。?
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　　主板組件?

　　圖中標注的主板層由幾個組件組成。除了附加A/D和D/A轉換器之外，主板的結構與PC機相似，具有與軟件無線電有關的存儲器和微處理器。?

　　A/D轉換器的轉換能力在近年來有了巨大的提高，其發展的推動力來自于對數字基站的市場需求。A/D的主要參數是SFDR，它由蜂窩網標準Brannon96中要求的遠近接收能力所決定。ADI公司已推出SFDR為100dB、用于蜂窩網通信的A/D轉換器AD6644，也有適于窄帶手機的A/D轉換器。未來寬帶蜂窩網、數據和軟件無線電應用軟件的關鍵是低電源、電池供電的寬帶A/D轉換器的研究。?

　　D/A轉換的過程更容易實現，因為在每個傳輸信道上的電平相對接收信號而言變化不大。適于蜂窩網、3G系統和寬帶網基站傳輸應用的D/A轉換器已經可以找到。同樣，實用手機方案的關鍵是減少寬帶轉換器的功耗。3G系統寬帶標準的出臺刺激了這些轉換器的發展。?

　　軟件無線電需要大量的存儲空間以處理寬帶采樣信號流和完成軟件支持，如下載軟件無線電應用軟件和用戶接口軟件。有很多電池供電的設備如PDA，需要大量的存儲空間，而存儲器芯片的功耗相當大。大體上，除了降低平時的功耗外，省電模式和操作系統的支持對手持設備空閑和待機模式下的電源管理非常有用。?

　　主板的處理器則能迅速提高處理速度和降低功耗。因此除了常規速度的處理器之外，還有配備與DSP集成在一起的處理器。多媒體的出現迫使常規處理器與數字信號處理功能相結合，如單循環乘法累加器和單指令多數據指令集。同樣，DSP處理器也是多特征的組合：有高速數據緩沖存儲器和以前只在常規處理器中出現的支持多任務的操作系統。另外，在降低DSP和常規處理器的功耗方面還需做大量工作。在這一點上，英特爾增強型ARM已經和DSP在某些嵌入式應用方面展開競爭。將來的處理器既不會是單純的DSP，也不會只是一般意義的處理器，因為多數處理器都要結合一些DSP的功能，以嵌入式或非嵌入的形式出現。?
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　　操作系統?

　　處理器速度的迅速提高、功能的迅速增強和功耗的迅速降低，為標準組件結構的實現提供了有利條件，這種結構可以從RF硬件中減少處理器子系統而用軟件實現。這樣就可以使用相同的結構來升級原有技術和利用新的處理器技術，同時不必重新設計系統的其它組件。就象計算機的外部設備和應用程序一樣，當出現新的處理器時，不需要改變即可使用，RF的前端處理器和應用程序應當獨立于所用的處理器。?

　　為了獲得程序的可移植性，必須配備良好的操作系統。由于嵌入式系統正在整合更多的功能，例如網絡協議棧、多進程、支持多個I/O口等，所以需要一個完整的操作系統。遵從POSIX標準的要求就能保證操作系統的先進性。目前，一些嵌入式操作系統，例如VxWorks和LynxOS，已經實現了POSIX的部分標準，并且已經證明Linux適用于軟件無線電應用。?

軟件?

　　軟件無線電將大量與無線通信系統關聯的復雜的任務放在軟件中處理。軟件設計必須具有易于下載和利于系統升級的結構特點。軟件必須具有可移植性，以確保軟件無線電能象PC機那樣成功地跟蹤先進技術。基于這些考慮，我們選擇高級編程語言進行軟件開發。這需要為嵌入式處理器開發優良的編譯器，到目前為止，嵌入式系統的編譯器遠遠落后于桌面系統。另外，為特殊處理器提供代碼的優化處理也是必要的，但是，要注意不能過分犧牲可移植性。如圖所示的結構中包含了一組信號處理庫，應用軟件與之連接，有部分庫可以針對某特定處理器進行優化。如果配備優化代碼，編譯器就能與處理器的特殊代碼連接；如果沒有配備優化代碼，就與常規代碼庫連接。這種方法在移植性和優化處理之間提供了一個合理的折衷方案。?

　　軟件無線電的應用軟件本身應具有普遍性，即可以擴展、可以在平臺間移植。這是無線電應用必需的。解釋型語言的選擇顯得尤為重要，因為同一代碼可以下載到多個不同的操作平臺，對某一操作平臺而言，只需要用一種本地解釋程序即可。同時，解釋器和信號處理庫規范有利于系統的可移植性，因為必須在任何一種無線電設備上都能下載和運行無線電軟件。?

　　軟件無線電能夠將通信系統的先進技術盡快地投入市場，并能跟蹤處理器技術的快速發展，更好地利用無線頻譜。為了獲得這些優勢，還有一些技術難點必須克服，這需要時間。本文介紹的SDR解決方案將作為一種靈活的基帶系統出現在蜂窩基站和手機中。隨著技術的進步，SWR技術將在較寬的頻帶中獲得推廣，并出現各種應用軟件和頻譜使用方案。?