軟件無線電的可行性應用分析

摘 要： 本文根據軟件無線電的概念分析了其在實現中需要解決的問題，并提出了可行的通信系統設計方案，接收機中主要是利用壓縮抽取等方法實現下變頻后，在基帶完成PN碼的捕獲、信號解調，發射機使用成熟的FPGA和ASIC芯片共同完成數字上變頻。

關鍵詞： 軟件無線電 下變頻 上變頻

關于軟件無線電技術（Software Radio）的研究已經有10年左右，它利用軟件來執行原先由傳統的模擬電路進行的信號處理任務，即只需要開發一套通用的硬件系統，通過不同的軟件來適應不同的環境。其最主要的功能特點體現在靈活性，例如用于實現通信系統中極為重視的帶寬捕獲（bandwidth harvesting）技術。在軟件無線電中，它能實現自動搜索空閑頻段，在不干擾受許可電臺的基礎上自動調整到該頻道工作，還可以檢測網絡攻擊，并自動進行重新設置以迅速作出安全防護。當然，動態地調整信道帶寬調制和編碼等以適應不同的標準和網絡環境等技術是實現未來移動通信多模環境的基本性能要求。

1.軟件無線電的可行性

軟件無線電給我們描繪了未來通信的美好前景，但具體實現要面臨哪些問題？利用軟件來滿足高性能、高靈活性的要求是完全可行的，但是，對于未來通信來說，終端設備的小型化和低的功率消耗必定是主流趨勢，這一點在軟件無線電的設計中還有待討論。

一個可行的方案是結合嵌入式設計技術，對設計任務專門制定其架構，基于通用單元提供一些標準的接口，可用高級語言來編寫程序實現特定應用。但軟件無線電的硬件設計強調的是通用性，過于專用性的嵌入式設計是不現實的。

從使用的處理器出發考慮，雖然使用單處理器可以實現高速，但其速度還不足以支持高頻無線電，而若改用大型處理器其能源利用率又不夠理想。根據奈奎斯特定理，當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的信號可以完整地保留原始信號中的信息。即便改善的高頻放大器可以工作在更高的頻率上，但移動通信使用的載波頻率都要高達幾百MHz，比如使用500MHz，那么采樣頻率就必須達到10億Hz以上。什么樣的處理器才能滿足這種高速要求？

事實分析證明，由于在信號的傳輸過程當中，除了發送與接收之外，處理器還必須完成相應的濾波、調制解調和糾錯功能，通用處理器一般能耗為10到100W，而未來移動通信系統應當只消耗75mW左右，就算使用的軟件功能再完美，任何一種處理器都不可能達到理想的速度和功耗要求。我們只有在初始階段使用模擬濾波器進行信號處理并且在較低頻率應用軟件無線電，才能使得處理器有足夠的余量進行工作，目前較常采用的也是這一理念。

2.接收系統中的應用分析

無線電通信的硬件接收機結構如圖1所示，混頻是最常用的下變頻技術之一，調整本振信號的頻率，使其始終高出接收到的射頻信號一個固定的差頻，通過一次或多次變頻就可以將射頻信號轉為中頻信號。

引入軟件無線電技術之后，其核心構想就是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D、D/A變換器，但通過分析，我們已經知道使用現有的技術僅在信號采樣方面就無法在射頻段工作，那么除卻射頻段，最靠近天線的地方就是中頻部分了，我們可以在中頻進行信號的數字化，其后的處理就可以全部依靠可用軟件定義的功能模塊來操作了。

2.1關鍵技術——數字下變頻

數字器件與模擬器件相比，有著更低的功耗和更低的成本，因此數字下變頻較模擬混頻方法具有體積、成本和功耗上的巨大優勢。天線能夠接收到系統的整個頻段，而通過數字下變頻后，用戶應該只收取其中一個很窄的信道，所以必須將含有多路信道的高速數字信號進行信道劃分與提取，包括變頻、濾波和降采樣等處理，從而提取需要的窄帶信號，并降低此信道的數據量，減輕CPU的工作開銷。

當然，數字下變頻不可能直接一次性完成信號的轉換，可以考慮在經過一級模擬下變頻基礎上，用壓縮抽取的方法完成數字化的中頻信號的下變頻，或者采用多級抽取技術以降低運算量。如使用級聯積分梳狀抽取濾波器（CIC抽取濾波器），只有加法運算，可以為實現采用率變換提供較高的性能，其單元結構如圖2所示。

2.2基帶信號處理

經過下變頻處理完成的信號，完成A/D采樣數字化，隨即送入基帶信號處理單元，這一部分完全可以只采用通用的FPGA芯片，完成PN碼的捕獲、信號解調等操作。此類技術在通信系統中相對較為成熟，它可以快速完成需要進行并行處理的運算，且具有可重配置的特性，所以開發的成本與工作量小，不過由于外部配置晶體管的問題，功耗問題還有待進一步解決。

3.發射系統中的應用分析

發射機能否適用于不同的模式環境，最主要的還是能否實現多種信號調制方式，軟件無線電的各種調制信號應當只需要以一個通用的數字信號處理平臺為支撐，而每一種調制算法直接做成軟件模塊形式，要產生某種調制信號只需調用相應的模塊即可。從通信學意義來說，調相技術在帶寬利用率上具有很大優勢，所以成為移動通信的首選調制方式。

從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調制的方法來實現，其常規表達式為：

S(t)=I(t)cos(ωct)+Q(t)sin(ωct)

每種調制手段的I(t)、Q(t)不同，但調制信號都已包含在內。根據這一算法特點，我們可以很方便地設計出利用專用集成芯片（ASIC）完成各種調制方式的通用硬件平臺，使用數字正交上變頻器類的ASIC（如Analog Device公司的AD9856等）接收來自經DSP處理后的基帶數字序列，將其上變頻至中頻。其框架模型如圖3所示。

具體來說，模擬信源經過ADC采樣后或經過FPGA進行基帶處理后再送往ASIC，而數字信號源則先送往FPGA，利用FPGA完成編碼、I/Q通道分離、基帶成型等步驟再送至ASIC，最終數字完成上變頻。

4.結語

軟件無線電是當今計算機技術、嵌入式技術和數字信號處理技術的在通信領域的綜合性應用產物，本文主要根據其概念來探討其可行性，并針對實際應用提出了可行的設計方案，為構建真正意義上的完整的軟件無線電通信系統提供了前提條件。當然，在今后的仿真和具體實現的研究中，如何將軟件部分真正實現即插即用的模塊化，以及其接口技術是主要研究內容。

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