軟件無線電技術(shù)綜述

　　摘要　綜述軟件無線電的起源、概念及特點(diǎn)，詳細(xì)介紹它的基本結(jié)構(gòu)及部分實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞　軟件無線電　智能天線　數(shù)字信號(hào)處理器　數(shù)字變頻

一、軟件無線電的起源

　　軟件無線電(Software Radio)最初起源于軍事通信。 軍用電臺(tái)一般是根據(jù)某種特定用途設(shè)計(jì)的，功能單一。雖然有些電臺(tái)基本結(jié)構(gòu)相似，但其信號(hào)特點(diǎn)差異很大，例如工作頻段、調(diào)制方式、波形結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、編碼方式或加密方式不同。這些差異極大地限制了不同電臺(tái)之間的互通性，給協(xié)同作戰(zhàn)帶來困難。同樣，民用通信也存在互通性問題，如現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的制式、頻率各不相同，不能互通和兼容，給人們從事跨國經(jīng)商、旅游等活動(dòng)帶來極大不便。為解決無線通信的互通性問題，各國軍方進(jìn)行了積極探索。1992年5月，在美國電信系統(tǒng)會(huì)議。IEEENational Telesystems Conference)上，MITRE公司的JoeMitola首次明確提出軟件無線電的概念。

二、軟件無線電概念及特點(diǎn)

　　所謂軟件無線電，就是說其通路的調(diào)制波形是由軟件確定的，即軟件無線電是一種用軟件實(shí)現(xiàn)物理層連接的無線通信設(shè)計(jì)。軟件無線電的核心是將寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線，用軟件實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線電功能；其中心思想是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)上，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)一種具有多通路、多層次和多模式無線通信功能的開放式體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，一個(gè)移動(dòng)終端可以在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間暢通無阻地使用。

　　軟件無線電的主要優(yōu)點(diǎn)是它的靈活性，可以通過增加軟件模塊，方便地增加新功能。在軟件無線電中，諸如信道帶寬、調(diào)制及編碼等都可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷及用戶需求的變化。軟件無線電具有較強(qiáng)的開放性，由于采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要不斷升級(jí)。

　　軟件無線電推動(dòng)了可編程硬件的發(fā)展，擴(kuò)展了它的編程能力，提高了它的靈活性?，F(xiàn)在的無線通信設(shè)備包括手機(jī)都使用了DSP，但DSP軟件大多固化在設(shè)備中，且DSP硬件是專用的。如果DSP硬件更加通用化，其軟件可以通過有線或無線手段裝入，那么一臺(tái)設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)在不同的制式、頻段和協(xié)議下工作了。當(dāng)用戶攜帶一臺(tái)軟件無線電裝置到另一個(gè)國家，一入境就可以使用軟件無線電裝置從空中接收并下載該地區(qū)的通信標(biāo)準(zhǔn)，然后就可以利用該地區(qū)通信標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行自己的軟件無線電裝置了，這將給人們帶來很大的方便。

三、軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)

　　1.寬帶/多頻段天線與RF模塊

　　寬帶/多頻段天線與RF模塊是軟件無線電不可替代的硬件出入口。軟件無線電要求天線能覆蓋所有頻段，能用程序控制方法對(duì)其功能及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。可采用智能化天線技術(shù)。

　　智能天線也稱自適應(yīng)陣列天線，由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。它通過滿足某種準(zhǔn)則算法調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位，進(jìn)而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，來達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)，抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線也可以用空分復(fù)用(SDMA)的概念加以解釋，即利用信號(hào)入射方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開來，從而達(dá)到成倍擴(kuò)展通信系統(tǒng)容量的目的。智能天線具有抑制噪聲、自動(dòng)跟蹤信號(hào)、采用智能化時(shí)空處理算法形成數(shù)字波束等功能。目前，智能天線技術(shù)日趨完善，中國電信科學(xué)研究院信威公司已推出帶智能天線的同步CDMA系統(tǒng)，美國麥得威通信公司的智能天線也開始投放市場(chǎng)。

　　射頻部分包括預(yù)放大和功率輸出兩部分。射頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，由通用平臺(tái)和多個(gè)射頻發(fā)射機(jī)模塊組成，其工作頻帶應(yīng)足夠?qū)挘⒉捎脭?shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)置，對(duì)每種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能夠多載波工作。發(fā)射機(jī)包括多只高功率放大器，要求具有高線性。

　　2.模數(shù)轉(zhuǎn)換部分

　　數(shù)字化是軟件無線電的基礎(chǔ)，模擬信號(hào)必須經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)才能用軟件進(jìn)行處理。軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是將A/D和D/A盡量靠近射頻前段。A/D和D/A器件在軟件無線電中的位置非常關(guān)鍵，它直接反映了軟件無線電系統(tǒng)的軟件化可操作程度。為減少模擬環(huán)節(jié)及適應(yīng)錯(cuò)綜復(fù)雜的電磁環(huán)境，要求A/D器件具有適中的采樣頻率、較高的工作速度、較寬的工作帶寬和較大的動(dòng)態(tài)范圍。在設(shè)計(jì)無線電系統(tǒng)時(shí)，選擇模數(shù)器件依據(jù)的性能指標(biāo)有：信噪比、轉(zhuǎn)換靈敏度、無散雜動(dòng)態(tài)范圍、非線性誤差、互調(diào)失真、全功率模擬輸入帶寬等。

　　A/D器件性能的局限及采樣時(shí)引入的頻譜混迭、量化誤差等，會(huì)對(duì)軟件無線電臺(tái)的性能產(chǎn)生不良影響，但這種影響尚缺乏定量分析。

　　3.高速數(shù)字信號(hào)處理器

　　DSP是軟件無線電必需的基本器件，是其靈魂和核心所在。系統(tǒng)在射頻或中頻(IF)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，通過軟件編程靈活地實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字上下變頻、調(diào)制解調(diào)、差錯(cuò)編碼、信令控制、信源編碼及加解密功能。接收時(shí)，來自天線的信號(hào)經(jīng)過RF處理和變換，由寬帶A/D數(shù)字化，然后通過可編程DSP模塊進(jìn)行所需的各種信號(hào)處理，處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)送至多功能用戶終端。發(fā)送時(shí)，通過類似接收信號(hào)處理流程的逆過程將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去?？梢?，軟件無線電的靈活性、開放性、兼容性等特點(diǎn)主要是通過以數(shù)字信號(hào)處理為中心的通用硬件平臺(tái)及DSP軟件實(shí)現(xiàn)的。

　　目前的DSP無論在功能上還是在性能上，都不能滿足無線電的要求，很難用單片DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號(hào)，可以先采用數(shù)字變頻技術(shù)對(duì)寬帶射頻或中頻信號(hào)進(jìn)行處理，然后再用DSP完成各種信號(hào)處理功能。數(shù)字變頻的組成與模擬變頻組成類似，包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器和低通濾波器三部分，所不同的是數(shù)字變頻采用正交混頻。數(shù)字變頻具有載頻和數(shù)字濾波器系數(shù)可編程性、不存在非線性失真、頻響特性好及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

四、軟件無線電的未來

　　由于軟件無線電具有現(xiàn)有無線通信體制所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，因此它有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，軟件無線電在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展。美國國防部已完成“Speakeasy計(jì)劃”二期工程，并在電子戰(zhàn)領(lǐng)域應(yīng)用；歐共體的ACTSFIRST項(xiàng)目和美國RUTGERS大學(xué)分別進(jìn)行了軟件無線電應(yīng)用于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究；我國也將軟件無線電技術(shù)納入了國家“863”高科技發(fā)展計(jì)劃，目前我國正在研究開發(fā)的第二代同步軌道航天測(cè)控設(shè)備方案的核心就是引入軟件無線電技術(shù)。

　　隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種無線通信體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)范不斷出現(xiàn)。未來的無縫多模式網(wǎng)絡(luò)要求無線電終端和基站具有靈活的RF頻段、信道接入模式、數(shù)據(jù)速率和應(yīng)用功能。軟件無線電可以通過靈活的應(yīng)變能力，提高業(yè)務(wù)質(zhì)量；同時(shí)可以簡(jiǎn)化硬件組成，快速適應(yīng)新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)和管理方式。

　　可以預(yù)見，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)與微電子技術(shù)迅猛的發(fā)展，軟件無線電技術(shù)必將在21世紀(jì)得到更快、更完善的發(fā)展，并付諸應(yīng)用。


作者：宋麗麗　任治剛