軟件無線電，顧名思義，就是利用軟件來實現無線通信系統中的各種功能，是繼無線電臺從模擬制式過渡到數字后的又一次革命性的飛躍。有人把軟件無線電看作是一臺帶天線的超級計算機，通過對軟件模塊的重構和控制，可以調整和改變電臺的工作頻段、調制解調方式、編解碼方式、業務種類、數據速率及格式、加密模式、接入控制協議等。軟件模塊由各種軟件算法庫組成，通過加載軟件算法或是升級軟件版本，就可以實現業務功能的擴展和采用新的通信標準。目前世界上有許多國家和一些大的通信公司都投入了大量的人力物力來對它進行研究，可以看到，軟件無線電將廣泛地應用到各個領域中，具有巨大的經濟價值和社會價值。
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軟件無線電的發展歷史和研究背景

無線通信中的基本設備是無線電臺。從七、八十年代開始，隨著數字處理技術的發展和成熟，傳統的無線電臺從系統的控制、信源信道編解碼、硬件技術等多方面都實現了從模擬到數字的過渡。微電子技術的發展使得器件的集成度越來越高，各種數字電路和數字芯片廣泛用于通信設備中，使無線電臺的體積、重量和功耗都大大減小，在功能和性能方面都有了長足的進步。有人還提出了全數字收發信機的概念，就是將電臺中的絕大部分用數字電路來替代，將模擬信號經A/D采樣數字化，運用數字處理技術對信號進行處理，完成信息的接收和發射，這是無線傳輸設備在本質上的一次飛躍。但是，數字電臺仍存在許多不足之處，其功能的實現對于硬件有很強的依賴性，特定的電臺僅能在特定的通信系統中使用，不能在不同的通信系統中實現通用；另外，隨著功能業務的擴展，新老電臺的兼容性很困難。因此，面對無線通信系統中的多種制式，現有的無線電臺無法滿足未來個人通信的目標。

1992年5月，MILTR公司的Joe Mitola在美國電信系統會議上首次明確提出了“軟件無線電(Software Radios)”的概念，引起了各方面特別是軍方的注意。其基本思想是構造一個通用的開放性可編程硬件平臺，通過加載相應的軟件模塊來實現相應的電臺功能。在通用平臺上，只需更改有關軟件就可以很方便地完成對電臺功能的修改及擴展，而不必重新設計構造硬件電路。這樣的軟件無線電臺很容易實現與現有的或未來的多種電臺的兼容，最大限度地滿足互聯互通的要求，同時電臺更新時又可以節省大量的開發時間和研制費用，在軍事領域具有廣闊的應用前景。美國空軍Rome實驗室與Hazeltine公司簽定了研究開發軍用軟件無線電Speakeasy多頻段、多功能電臺（MBMMR）的合同，從此正式開展了軟件無線電的研究。
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二、軟件無線電的原理及結構

　
1、原理
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，利用軟件來定義實現無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協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A/D和D/A轉換器，盡早地完成信號的數字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現。總之，軟件無線電是一種基于數字信號處理（DSP）芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構。軟件控制的全數字無線電臺雖然也采用了軟件控制和數字處理技術，但它并不是真正意義上的軟件無線電。兩者最重要的差別是軟件無線電的結構和功能是完全可編程性，包括可編程的射頻頻段、可編程的信道接入模式、可編程的信號調制解調方式等等，而軟件控制的無線電臺則不能。
　
2、結構
一個標準的軟件無線電臺包括：寬帶天線、前端接收、寬帶數模轉換器、通用數字信號處理器等幾部分。在圖1中給出了它的功能和所需的接口。移動用戶單元通過模擬接口（窄帶A/D和D/A），通過可選的混合源編碼提供諸如話音、數據、傳真和多媒體接口。準實時和實時軟件通過可編程處理器完成窄帶與寬帶數據之間的數據分析、處理和變換，然后寬帶的A/D/A完成與射頻RF之間的變換。基站方面提供給公用交換電話網（PSTN）數字接口，另一方面通過各類設備提供自身的操作和維護，通過業務開發工作站，利用離線的軟件分析工具，為研究開發人員提供業務的開發環境支持。寬帶A/D/A轉換器的放置位置以及電臺功能的軟件定義程度是衡量軟件無線電品質的重要指標。A/D及D/A的位置越接近天線，說明電臺可以用軟件實現的部分越多，其軟件化程度就會越高。軟件無線電臺最理想的目標是將數模轉換器件直接放置在寬帶天線之后，在射頻就直接將信號轉換成數字信號。這樣電臺其它所有的部分都可以用軟件來完成，實現通信電臺的全軟件化。

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三、研究內容和關鍵技術

天線

軟件無線電臺要求能夠在從短波到微波相當寬的頻段內進行工作，所配備的天線也必須能夠覆蓋整個頻段。最好能研制出一種新型的全向寬帶天線，可以根據實際需要用軟件智能地構造其工作頻段和輻射特性，能夠覆蓋所有常用的無線通信頻段，并且在整個頻段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低的功率損耗，這是軟件無線電天線研制的最終目標。但是以目前國內外寬帶天線的技術水平，設計制造這樣的全頻段全向天線是很不現實的。

多載波功率放大器（MCPA)
理想的軟件無線電在發送方向上把多個載波合成一路信號，經過上變頻后，用一種多載波信號功率放大器（MCPA），對寬帶的模擬混合信號進行放大。因為混合信號中信號與信號的包絡幅度相差很大，所以對放大器的非線形特別敏感。MCPA采用前向反饋技術抑制不需要的互調載波，得到有效的功率利用率。
　
3、高速寬帶A/D、D/A變換
數字化是軟件無線電的基礎，模擬信號必須經過采樣轉化成數字信號才能用軟件進行處理；而生成的數字信號也需要變換成模擬信號才能進行射頻放大輸出，完成這些功能的就是各種A/D、D/A轉換器件。
A/D轉換器的主要性能包括采樣速率和采樣精度。理想的軟件無線電臺是直接在射頻上進行A/D變換，要求數/模轉換器件必須具有足夠的采樣速率。根據Nyquist采樣定理，要不失真的反映信號特征，采樣頻率fs至少也要是模擬信號帶寬Wa的兩倍。為了保證性能，在實際應用中經常進行過采樣處理，要求fs> 2.5Wa。
A/D/A器件在軟件無線電臺中所處的位置是非常關鍵的，它直接反映了軟件電臺的軟件化程度。隨著技術的發展，數/模器件的性能將逐步提高，其位置也就越來越接近于天線，最終將達到軟件無線電的理想目標。
　
5、并行DSP處理器
數字信號處理芯片（DSP）是軟件無線電所必需的最基本的器件，軟件對數字信號的處理都是在DSP上進行的。中頻以下主要包括三個部分：基帶處理、比特流處理和信源編碼。基帶部分主要完成各種波形的調制解調、擴頻解擴以及信道的自適應均衡和各種同步的數字處理，每路需要幾十到幾百個MIPS的處理能力。比特流處理主要完成信道編解碼（軟判決譯碼）、復用和分解或交換、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能。每路需要幾十個MIPS的處理能力。信源編碼部分要完成的功能包括話音、圖像的編碼算法，每信道需要十幾個MIPS的處理能力。要完成如此巨大的信號處理運算，必須采用多DSP并行處理結構才有可能實現。
用于軟件無線電的DSP必須滿足下列要求：

運算速度快。軟件電臺要求在射頻或中頻對數字信號進行數字處理，需要很大的運算量，普通處理器不能勝任。因此DSP必須具有高速的指令執行速度，同時還要具備功能強大的指令系統，支持單周期內完成常用的浮點運算和邏輯運算的能力。

高精度的數據處理。由于數字信號處理中所固有的量化效應和有限長寄存器效應的影響，在實際處理過程中會產生誤差，并隨著運算的增加逐漸積累。要求數據一定要具備足夠的精度并且處理器支持高精度運算，才能盡可能減小這些誤差，DSP至少也要支持32位浮點運算的能力。

高速數據交換能力。軟件無線電臺在工作時，各個處理模塊之間需要進行大量的數據交換，DSP芯片總線必須能夠提供足夠的數據傳輸和I/O吞吐能力，才能保證對信號進行實時處理。

支持幾百個SHARC同時工作。

DSP技術的發展將使軟件電臺的軟件化程度和性能逐漸提高，最終實現無線電臺全軟件化的目標。研制速度更高和功能更強大的DSP芯片也是影響軟件無線電發展的關鍵。

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四、軟件無線電技術在中興基站的具體應用

傳統的基站窄帶超外差接收機是一種模擬電路和數字電路的混合型系統結構，如圖2所示。
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圖2 傳統的接收機結構

在這種接收機結構中，它的前端全部采用模擬信號。對模擬信號的數字化采樣處理僅僅是在基帶部分的DSP處理前才進行。每個接收信機中都有一套相同的從射頻RF變換到基帶信號的設備。如果要增加一路載波，就要添加一整套重復的設備。這種傳統結構的優點在于技術比較成熟，模擬的低損耗的RF器件和IF器件比較容易實現。但是，其最大的缺點是在功能實現上對硬件的依賴性很強，缺乏可編程性，所以這種接收機一般用于窄帶（單信道）處理。
在GSM移動通信系統設計中，要求接收支路的動態范圍很高。為了符合系統指標，有兩種傳統的解決方案：高低支路增益方案和快速AGC方案。為了減小電路的復雜程度，一般較多地在中頻電路中采取AGC控制方案來實現接收機的動態范圍控制（如圖3）。但是，AGC的響應速度必須適應每個時隙的要求。

所以，目前在中頻進行A/D轉換模擬信號的完成數字化處理，采用的結構多由專用的通信處理芯片和通用的DSP器件構成。采用軟件無線電方案示意圖如圖4所示。

在這種結構中，前端的一次中頻變換部分與原來的接收機結構完全一樣，模擬信號經過帶通濾波器后，直接在中頻對信號進行A/D轉換。轉換后的數字信號送入通信專用處理芯片可編程的下變頻器（PDC）中處理完成對IF的選頻和濾波。這種接收機的結構和傳統的接收機相比，因為在中頻就采用了數字信號，用可編程的中頻處理器件，使得基站應用比較靈活，采用不同的軟件模塊就可以在不同的通信系統中使用。還可以更多的采用數字電路，多個載波可以共享前端電路，使基站減小體積，降低功耗，每載波信道設備的價錢也相對較低。另外，這種結構在中頻對信號進行數字濾波，可以降低對濾波器的要求，降低中頻處理部分的成本，可以用于多種場合。蜂窩系統中中頻處理的主要功能都在PDC中完成，可以完成信號的選頻濾波，輸出基帶信號，由后面的DSP多處理器來處理。下圖給出了基于軟件無線電的基站結構。

圖六 寬帶軟件無線電基站的收發信機結構

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五、結論

由于現代通信特別是移動通信在世界范圍內的快速發展，使得軟件無線電技術有著廣闊的應用前景。由于發展初期的各自為政，產生了眾多的制式和標準，已投入應用的就有AMPS、IS-54、GSM、DECT、CDMA等系統。這些系統有模擬的，也有數字的；有蜂窩系統，也有低功率系統。其調制方式、信道分配和數據速率等各不相同，相差很大。一個系統的手機在其它系統中不能很好地兼容，甚至完全不能使用。這對于我們的日常生活非常不便，不利于現代通信的應用和發展。
個人通信是未來通信的發展方向，到目前為止已經提出了多種空中接口標準：僅美國就采用了7種（PACS、IS-136、IS-95、IS-665、PCS1900、PCS2000和DECT）標準；ITU和歐洲也正在制定IMT-2000/UMTS的標準。這些標準推出的時間不同，應用的范圍不同，很難期望在短期內用一個統一的接口標準進行“無縫”地連接起來。
由于軟件無線電對硬件的依賴程度很小，具有高度的開放性和可編程特性，是實現上述智能終端的最好方法。從短期來看，軟件電臺可以實現各種通信系統的相互兼容，提高通信效率，方便用戶；也可最大程度地提高設備的使用率，減少不必要的重復投資，從而獲得高的投入產出比。從長遠來說，軟件無線電具有開發簡便、耗資少、見效快的特點，可以將最新科研成果迅速融入到產品應用之中，創造出更多的經濟效益；也可推動相關產業如計算機、微電子等行業的發展。可以說：軟件無線電是現代科技發展的一個“助推器”。

作者簡介
黃志軍
碩士，畢業于西安電子科技大學，中興通訊移動產品事業部系統部工程師。