軟件無線電技術綜述

陶玉柱， 胡建旺， 崔佩璋

（軍械工程學院 光學與電子工程系，河北 石家莊 050003）

0 引言

伴隨著通信系統由模擬體制向數字體制的逐步轉變，無線通信得到了飛速發展。但傳統的通過硬件設備改造升級來完成無線通信新技術改革的方法帶來了很多問題，如不同通信系統的兼容性差、互聯互通互操作程度低、浪費成本不利于新技術的普及推廣等，大大制約了無線電技術的進一步發展。尤其是在信息成為主導通信領域的關鍵因素后，如何有效的提高信息的傳輸速率，以及適應新情況即使做出技術升級與改造，已經成為通信領域的關鍵問題[1]。在這種情況下，軟件無線電技術作為實現通信的新概念和新體制應運而生。

1 軟件無線電技術概述

1.1 軟件無線電的概念

軟件無線電的概念最早是在1992年5月由Jeo Mitola首次提出的，即可編程或可重構電臺當時提出的這個概念具有一定的局限性，后來隨著技術發展和研究深入，軟件無線電論壇對軟件無線電進行了重新定義，即軟件無線電是指能夠實現充分可編程通信，對信息進行有效控制，覆蓋多個頻段，支持大量波形和應用軟件的通信設備。也就是說，一個無線電系統中，天線以后就數字化，對信號的所有的必要的處理都由存放在高速數字信號處理器中的軟件來完成。

軟件無線電的基本思想就是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來。功能的軟件化的實現方法勢必減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環節，把數字化處理(寬帶模數變換器(A/D)及數模變換器(D/A))盡可能地靠近射頻天線，建立一個具有“A/D-DSP-D/A”模型的、通用的、開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡量利用軟件技術來實現電臺的各種功能模塊，系統的升級是通過軟件來實現的[2]。

1.2 軟件無線電的基本特性

（1）可重構性

可重構性是軟件無線電最根本的特性，軟件無線電必須在軟件和硬件兩方面都支持系統重構，才具有通過改變所運行的軟件來定義系統功能的能力。可重構性可以是系統級的，支持系統在整體功能和各個層次上模擬各種虛擬設備；也可以僅僅是無線接口的重構，也可以是改變其中的某個算法。具備可重構性是作為軟件無線電的必要條件。

（2）靈活性

靈活性是指系統在不改變軟/硬件結構的條件下，對可重構性的適應能力。軟件無線電不僅能夠被精確配置成各種不同的虛擬設備，還要支持不斷涌現的新技術和新功能。沒有靈活性，系統可重構的優越性就會隨之喪失，也就不能稱作是軟件無線電。

（3）模塊化

模塊化就是將定義系統的各個任務分解為相互獨立的軟件和硬件模塊，這些模塊通過接口以邏輯的方式連接起來形成所需要的系統功能。從理論上講，軟件無線電即使不按模塊化設計，也能夠支持各種重構，但是系統設計和重構的過程變得十分復雜，以至于難以實現，而且由于配件之間相互關聯緊密，牽一發而動全身，基本喪失了新技術和新功能嵌入的能力。因此，模塊化也被視為軟件無線電的基本特性。

2 軟件無線電的功能結構

軟件無線電的基本平臺主要包括：天線、多頻段射頻轉換器、寬帶A/D和D/A轉換器和DSP處理器幾部分。理想的軟件無線電系統結構如圖1所示。

圖1 理想的軟件無線電系統結構

其常用結構基本可以分為射頻低通采樣數字化結構、射頻帶通采樣數字化結構和寬帶中頻數字化采樣結構[3]。

2.1 射頻低通采樣數字化結構

這種結構是一種理想的軟件無線電結構，如圖2所示。

圖2 射頻低通采樣數字化結構

它將數字化程度擴展到最大，從天線進來的信號經過濾波放大后就由A/D進行采樣數字化，特別符合軟件無線電概念的需要，但它對A/D轉換器的性能提出了非常高的要求，對后續DSP的處理速度要求也特別高，目前還不能很好的解決上述問題，因此，射頻帶通采樣數字化結構作為一種折中的解決方案被提到了發展研究的日程上來。

2.2 射頻帶通采樣數字化結構

這種結構與低通采樣數字化結構最大的區別就在于A/D前采用了帶寬相對較窄的電調濾波器，如圖3所示。然后根據所需的處理帶寬進行帶通采樣，大大降低了對A/D采樣速率以及DSP處理速度的要求。

圖3 射頻帶通采樣數字化結構

2.3 寬帶中頻數字化采樣結構

此軟件無線電結構與目前中頻數字化接收機的結構類似，都采用了多次混頻體制或叫超外差體制，如圖4所示。

圖4 軟件無線電的中頻數字化結構

它的主要特點是中頻帶寬更寬(比如20 MHz)，所有調制解調等功能全部由軟件加以實現。中頻帶寬比較寬是這種軟件無線電與普通超外差中頻數字化接收機的本質區別。顯而易見，這種寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構是上述3種結構中最容易實現的，對器件的性能要求最低。但它離理想軟件無線電的要求最遠，可擴展性、靈活性也是最差的。

3 軟件無線電的關鍵技術

軟件無線電能夠普及使用在技術上至少要做到三點：A/D轉換器要盡量的靠近天線；用軟件處理取代硬件處理；數字信號處理要盡量用通用微處理器替代專用集成電路，以降低成本。這就要求軟件無線電系統要采用一些關鍵技術來解決上述問題。

3.1 寬帶／多頻段天線技術

軟件無線電臺覆蓋的頻段從2～2 000 MHz，就目前水平而言研制出一種全頻段天線是不可能的。但在實際應用中并沒有必要全頻段覆蓋，而只需覆蓋不同頻段的幾個窗口，因此可以采用組合式多頻段天線。

3.2 寬帶A/D部分

決定寬帶模/數性能的關鍵因素是采樣速率和位數，采樣速率是由信號帶寬決定的，量化位數則要求滿足一定的動態范圍和數字信號處理精度，目前的A/D還不能同時滿足速率和采樣位數的要求。解決的辦法是用多個高速的采樣保持電路和ADC，然后通過并串轉換將量化速度降低，以提高采樣分辨率。此外，適合于低分辨率、高采樣率的A/D編碼調制方案也是解決這個問題的有效途徑。

3.3 高速DSP技術

數字信號處理部分是軟件無線電技術的核心，高速DSP的運算能力高低將直接影響到軟件無線電系統性能的好壞。模擬信號經A/D轉換至數字信號后，進入高速DSP處理模塊進行數字信號處理，包括信號編解碼、調制解調、加解密形式、載波頻率生成、工作模式轉換等功能。該模塊的功能實現直接影響系統的整體水平。

3.4 中頻處理技術

發射端中頻處理部分是實現已調基帶信號與中頻信號之間的變換，這種變換通過離散時間點運算來實現；接收端中頻處理部分包括寬帶數字濾波，可從可用的業務波段中選出一個來，恢復出中等帶寬的用戶信道，同時將信號轉換到基帶。頻率變換和濾波的復雜程度決定了中頻段對處理能力的需求，其功能完成要求用數字處理方法來實現[4]。

4 軟件無線電技術的應用與發展展望

4.1 軟件無線電技術的應用

[5]。在軍用方面，最早的三軍軟件無線電臺是由美國率先研制開發的“易通話”系統。“易通話”計劃由美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出，由空軍Rome實驗室管理，三軍聯和國防高級計劃局資助。它采用了模塊化結構，符合開放標準的物理電氣接口。工作頻段為2 MHz～2 GHz，能夠同時處理4種不同的信號波形，兼容美軍15種以上的在役或在研電臺，戰場適應性較強。

美軍聯合指揮無線電系統（JIRS）是美軍為適應三軍聯合作戰的需要，在多頻段多功能電臺 MBMMR的基礎上提出的一種戰術通信系統。它對建立戰場上的C4I指控平臺，實現全球導航，在視距或超視距范圍內使用語音、圖像或數據等來調度和指揮部隊完成作戰任務，具有很大發展潛力。

此外，美國聯合海上通信系統策略（JMCOMS）、法國三軍多信道多頻段可編程電臺、英國海軍“全綜合通信系統”等，都是對軟件無線電技術的發展和運用。

在民用方面，想要實現全球化的個人通信業務，軟件無線電技術已是最佳選擇。軟件無線電被認為是可以將不同形式的通信技術有效聯系在一起的唯一技術。只有軟件無線電技術才能解決多頻多模式多業務終端問題。

4.2 軟件無線電技術的發展和展望

從數字無線電到軟件無線電是無線通信領域的一次深刻變革。從20世紀90年代初到現在，這一設計理念已不知不覺地被現代無線電工程的各個領域所廣泛接受。

為了解決當前頻譜資源利用極不均衡的現狀，瑞典Joseph Mitola博士于1999年提出了認知無線電[6]的概念。

認知無線電（CR,Cognitive Radio），又稱為智能無線電，是一種高度智能化的通信技術，它可以自己學習周圍的環境，自己取得適當的軟件，自己選擇最佳的、適合通信環境的制式進行通信。認知無線電不僅具有通信功能，而且還具備頻譜探測能力[7]。認知無線電已成為目前無線通信領域的一大研究熱點。認知無線電概念的提出將對現行的頻譜管理體制提出挑戰，并給無線通信帶來新的發展空間。

為了徹底解決頻譜資源的有效利用問題，并最終實現頻譜共享、自由使用，楊小牛提出了一種基于盲源分離的終極無線電概念[8]。它建立在認知無線電的基礎之上，隨著技術的不斷進步，相信終極無線電必將付之實現，并獲得應用。

5 結語

軟件無線電技術由于有著傳統數字無線電不可比擬的優勢，因此必將得到越來越廣泛的發展和應用，特別是在第三代、第四代移動通信的普及和推廣道路上[9-10]，軟件無線電技術將貢獻越來越多的力量。

參考文獻

[1] 王翔. 無線通信技術發展分析[J]. 通信技術.2007, 40(06)：60-62.

[2] 郭芳華. 軟件無線電技術綜述[J]. 現代電子技術,2003,26(21)：67-73.

[3] 楊小牛，樓才義，徐建良. 軟件無線電原理與應用[M]. 北京：電子工業出版社. 2005

[4] 李少謙，張平. 軟件無線電的發展與展望[J]. 中興新通信,1999(06)：139-141.

[5] 唐鵬，魯東旭. 無線通信中DSP河軟件無線電技術的應用[J]. 通信技術.2010,43(06)：224-226.

[6] MITOLA J, GERALD Q, MAGUIRE JR. Cognitive Radios： Making Software Radios More Personal[J]. IEEE Personal Communications. 1999, 6(04)： 13-18.

[7]尤文堅，黃欣，劉桂英. 認知無線電的相關技術研究[J]. 通信技術,2008, 41(12)：63-65.

[8] 楊小牛. 從軟件無線電到認知無線電，走向終極無線電—無線通信發展展望[J]. 中國電子科學研究院學報,2008, 2(01)：6-7.

[9] 鄧博韜， 粟欣， 王寬. 基于聯合處理的硬件可重構SDR平臺[J].通信技術,2010, 43(01)：20-23.

[10] 張麗霞，李婧，季仲梅. 基于SDR的WCDMA信令跟蹤分析軟件設計及實現[J]. 通信技術,2009,42(12)：207-209.