軟件無線電是最近幾年提出的一種實現(xiàn)無線電通信的體系結(jié)構(gòu) ,是繼模擬到數(shù)字、固定到移動之后 ,無線通信領(lǐng)域的又一次重大突破。并從軟件無線電的基本概念出發(fā) ,討論了其功能結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和難點以及應(yīng)用和發(fā)展前景。

1.引言

    完整的軟件無線電 (Software Definition Radio)概念和結(jié)構(gòu)體系是由美國的Joe.Mitola首次于1992年5月明確提出的。其基本思想是 :將寬帶A/D 變換盡可能地靠近射頻天線 ,即盡可能早地將接收到的模擬信號數(shù)字化 ,最大程度地通過軟件來實現(xiàn)電臺的各種功能。通過運行不同的算法 ,軟件無線電可以實時地配置信號波形 ,使其能夠提供各種語音編碼、信道調(diào)制、載波頻率、加密算法等無線電通信業(yè)務(wù)。軟件無線電臺不僅可與現(xiàn)有的其它電臺進行通信 ,還能在兩種不同的電臺系統(tǒng)間充當(dāng)“無線電網(wǎng)關(guān)”的作用 ,使兩者能夠互通互連。

    軟件無線電充分利用嵌入通信設(shè)備里的單片微機和專用芯片的可編程能力 ,提供一種通用的無線電臺硬件平臺 ,這樣既能保持無線電臺硬件結(jié)構(gòu)的簡單化 ,又能解決由于擁有電臺類型、性能不同帶來的無線電聯(lián)系的困難。

2.軟件無線電臺的功能結(jié)構(gòu)

    圖1給出了典型的軟件無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖 ,包括天線、多頻段射頻變換器、含有A/D 和D/A變換器的芯片以及片上通用處理器和存儲器等部件 ,可以有效地實現(xiàn)無線電臺功能及其所需的接口功能。

   其關(guān)鍵思想以及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于 :

(1)將A/D 和D/A向RF端靠近 ,由基帶到中頻對整個系統(tǒng)頻帶進行采樣。
(2)用高速DSP/CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用數(shù)字電路與低速DSP/CPU做A/D 后的一系列處理。A/D 和D/A移向RF端只為軟件無線電的實現(xiàn)提供了必不可少的條件 ,而真正關(guān)鍵的步驟是采用通用的可編程能力強的器件 (DSP和CPU等 )代替專用的數(shù)字電路 ,由此帶來的一系列好處才是軟件無線電的真正目的所在。

   典型的軟件無線電臺的工作模塊主要包括實時信道處理、環(huán)境管理以及在線和離線的軟件工具三部分。

1)實時信道處理

   實時信道處理包括天線、射頻變換、A/D 和D/A變換器、中頻處理、基帶與比特流處理及信源編碼。其中射頻變換包括輸出功率的產(chǎn)生、前置放大、射頻信號變換為標(biāo)準(zhǔn)中頻或由標(biāo)準(zhǔn)中頻變換為射頻信號 ,以適應(yīng)寬帶A/D和D/A變換。中頻處理部分變換調(diào)制基帶和中頻之間的發(fā)射和接收信號。比特流部分數(shù)字復(fù)用由多個用戶產(chǎn)生的信源編

碼比特流 ,而且相反的使它們成幀或多路分解。還提供信令、控制和操作、管理和維護功能。實時信道處理部分最合適的結(jié)構(gòu)是多指令多數(shù)據(jù) (MIMD)多處理器的結(jié)構(gòu) ,即將多處理器組成一個流水線 ,來實現(xiàn)模塊分配給內(nèi)部連接在一起的各個處理器的不同的功能序列。

2)環(huán)境管理

    在準(zhǔn)實時環(huán)境管理模塊中持續(xù)地使用頻率、時間和空間特征來表征無線電環(huán)境 ,這些特征包括信道識別和估計其它參數(shù)。環(huán)境管理模塊使用操作的塊結(jié)構(gòu)很容易用一臺MIMD并行處理器來實現(xiàn)。這種高度的并行環(huán)境管理模塊和流水線工作方式的實時信道處理模塊之間的接口必須使環(huán)境管理的參數(shù)和信道處理模塊同步。

3)在線和離線的軟件工具

    在線和離線系統(tǒng)分析、信號處理和變宿主工具允許人們確定增量業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)的增加可在實時信道處理模塊中生成和連接 ,也允許人們調(diào)整算法 ,以便實驗參數(shù)位置、確定業(yè)務(wù)的一些數(shù)值和資源影響。高度集成化的軟件工具可比較快地實施增值的軟件升級 ,當(dāng)軟件定義的網(wǎng)絡(luò)迅速擴大后 ,可通過無線傳輸提供改進了的業(yè)務(wù)服務(wù)。

3.軟件無線電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)

1)寬帶 /多頻段天線

    軟件無線電臺覆蓋的頻段從2-2000MHz ,就目前水平而言研制出一種全頻段天線是不可能的。對于大多數(shù)系統(tǒng)只要覆蓋不同頻程的幾個窗口 ,而不必覆蓋全部頻段 ,故可以采用組合式多頻段天線的方案。美軍的“Speakeasy”項目就采用了分段實現(xiàn)的寬帶天線 ,即把2-2000MHz 的頻段分為三段 :2-30MHz ,30～500MHz ,500-2000MHz。這在技術(shù)上是可行的 ,且基本不影響戰(zhàn)術(shù)使用的要求。

２)寬頻段射頻前端和功率放大

    寬帶射頻前端要求器件有較寬的頻率范圍 ,主要完成低噪聲放大、濾波、混頻、自動增益控制(AGC)以及輸出功率放大等功能。寬帶低噪聲前置放大器可達到幾個倍頻程 ,這無論是在器件上還是電路設(shè)計上都沒有困難 ,幾個倍頻程的寬帶功放則需要很好地選擇器件并使用電路CAD優(yōu)化技術(shù)。

3)A/D部分

    對A/D 的要求主要是采樣速率和位數(shù)?，F(xiàn)有的A/D還不能同時滿足速率與采樣位數(shù)的要求。解決方法 :一方面考慮用多個高速的采樣保持電路和ADC ,然后通過并串轉(zhuǎn)換將量化速度降低 ,以提高采樣分辨率 ;另外也可考慮研究適合于低分辨率、高采樣率的A/D 編碼調(diào)制方案。

4)高速并行DSP

    數(shù)字下變頻 (DDC)是A/D 變換后首先要完成的處理工作 ,包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣 ,是系統(tǒng)數(shù)字處理運算量最大的部分 ,也是最難完成的部分。為了較好地進行濾波等處理 ,需要每采樣點100次操作 ,對于一個系統(tǒng)帶寬為10MHz的系統(tǒng) ,采樣頻率要大于25MHz ,這就需要2500 MIPS的運算能力 ,這是現(xiàn)有的任何單個DSP無法完成的 ,故必須采用高速并行DSP組成的多處理器模塊(MCM )或?qū)Ｓ眉呻娐?。?shù)字下變頻后的高速信號處理部分主要完成基帶處理、比特流處理和信源編碼等工作。

5)信令處理

    軟件無線電用于實現(xiàn)多?；ヂ?lián)時 ,需實現(xiàn)通用信令處理 ,因此有必要把現(xiàn)有的各種無線信令按軟件無線電的要求劃分成幾個標(biāo)準(zhǔn)的層次 ,開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的信令模塊 ,研究通用信令框架。

4.軟件無線電的特點及其應(yīng)用

    軟件無線電最突出的特點是 :
(1)軟件無線電具有完全可編程特性 ,包括可編程的無線波段、信道接入方式、信道調(diào)制、數(shù)據(jù)速率等 ,通過軟件提供信令、控制和操作、管理和維護功能。
(2)A/D和D/A盡可能地向RF靠近 ,即盡可能早地將接收到的射頻模擬信號數(shù)字化 ,盡可能晚地將發(fā)送的數(shù)字信號變換為射頻模擬信號 ,以便充分利用DSP器件的速度和軟件資源 ,盡量通過軟件編程完成從信源基帶直至射頻的波形變換和相關(guān)處理。軟件無線電臺遵循開放平臺的設(shè)計思想 ,采用模塊化結(jié)構(gòu) ,方便硬件模塊更換和軟件升級。物理、電氣接口的技術(shù)指標(biāo)符合高性能的VME總線標(biāo)準(zhǔn) ,滿足一般協(xié)議如信令格式 ,線路自動建立及相關(guān)算法等要求。新業(yè)務(wù)的增加僅需在電臺中加載新的軟件模塊即可實現(xiàn) ,從而降低了通信設(shè)備的成本 ,改善了性能。因此這樣的一個體系結(jié)構(gòu)具有非常大的通用性 ,可用來實現(xiàn)多頻段、多用戶、多體制的通用無線通信系統(tǒng)。

    由于軟件無線電的這些特點決定了其應(yīng)用具有以下特征 :業(yè)務(wù)多樣化 ;優(yōu)越的低截獲概率、低探測概率、抗干擾性能 ;自動選擇通信模式 ,無感覺完成通信聯(lián)絡(luò) ;可作為網(wǎng)關(guān)站加入全球柵格通信網(wǎng)。例如在移動通信或ＰＣＳ中 ,它可解決傳統(tǒng)基站和移動終端的單一模式而造成的不能兼容問題 ,使基站和移動終端能夠滿足多種標(biāo)準(zhǔn) ,能應(yīng)付當(dāng)前和將來復(fù)雜的通信模式和信令結(jié)構(gòu)。

5.結(jié)束語

    目前軟件無線電更多地是以一種概念和猜想的形式出現(xiàn)的 ,具體的定義和體系結(jié)構(gòu)尚無定論 ,然而隨著對其研究工作的深入展開 ,通信領(lǐng)域必將經(jīng)歷類似于個人微機在80-90年代所經(jīng)歷的變革。