淺析軟件無線電中虛擬無線電技術

姜薇

摘要：軟件無線電是對傳統無線電通信體系的一次重大改革。它擺脫了硬件體系結構的束縛，是解決不同通信體制之間互相操作問題和開展多種通信業務的最佳途徑， 具有巨大的商業和軍事價值。

虛擬無線電的概念是在Spectrum Ware項目的支持下提出來的。這個項目致力于建立一個理想化的無線電結構，充分利用工作站提供的資源。使這樣一個無線電結構不盡能提供豐富功能，而且還能以與眾不同的方式實現傳統的功能，這樣的一個理想話的無線電結構被稱之為虛擬無線電結構。用兩臺 PC 機仿真 DRM 發射機，信道和 DRM 接收機。就可以實時地對語音進行錄音、編碼調制、發送及播放等，為我國的中短波數字調幅廣播試驗提供了一個很好的演示平臺。

關鍵字：軟件無線電；虛擬無線電；PC機仿真

1 軟件無線電系統研究背景與現狀

無線電通信在社會生活、經濟發展和國防建設中發揮著極其重要的作用。近二十年來，隨著微電子技術、計算機技術、VLSI技術和軟件技術的飛速發展，無線電通信也經歷了卻日益增強；使用頻段由低到高，調制方式由AM ， FM到數字調制：多址方式由FDMA到TDMA，CDMA；傳遞信息由電報、語音發展到數據和多媒體。無線電通信技術，尤其是移動通信技術的迅猛發展。早在70年代末英國的Romsey公司為了研究解決頻譜擁擠問題的方法，制造了第一個軍用“軟件無線電”系統[2]。它工作在很低的頻率，在中頻對信號采樣后送入8085處理器，用軟件進行后續處理。受當時技術水平的限制，該系統結構復雜，造價昂貴，但它驗證了直接對低載頻信號進行采樣的可行性。

軟件無線電是對傳統無線電通信體系結構的一次重大革新。它使通信系統擺脫了硬件結構的束縛，在系統結構相對通用和穩定的情況下，可以拓展多種服務。因此，軟件無線電己成為解決不同體制之間互操作問題和開展多種業務的手段，具有巨大的商業和軍事價值。目前以美國和西歐為主導的各國都在積極地致力于軟件無線電技術的研究和系統的開發。

2 軟件無線電模型

理想中的軟件無線電平臺要由幾部分構成：RF模塊與天線子系統AlD/A模塊、由DSP芯片織成的高速處理模塊。

軟件無線電的基本思想是：直接對RF信號進行采樣，通過加載軟件模塊來實現所需的功能，包括以前由專用硬件完成的信道檢測、調制解調，以及編碼解碼等等。

3 DRM 系統的軟件模擬

DRM 使用 COFDM 技術，是 OFDM 調制與信道編碼的組合。所有的編碼音頻和相關數據，都均勻分配到多個相鄰載波上，而所有載波都在分配的傳輸頻道中。當前 30MHz 以下無線電廣播頻道帶寬為 9/10kHz。DRM 系統可用于：1標準帶寬，以滿足當前規劃的情況；2半帶寬（4.5/5kHz），允許與模擬調幅信號聯播；3雙倍帶寬（18/20kHz），在頻率規劃允許時可提供更大的傳輸容量。

系統的輸入基本上可分為音頻/數據信號和信息數據信號兩大類，各有其不同的用途，所以在信號處理上略有不同，應該根據信號和節目材料的類型，選擇適合的編碼參數，才能達到數字 DRM 系統的信號質量。主業務信道最終要加到信道編碼器中，其形成過程簡述如下只能傳送一套節目的單一性。

DRM 系統采用 COFDM 方案，其發射機是將語音和數據信息通過信源編碼變為數字信號，然后通過信道編碼有選擇地加入冗余保護，再通過 OFDM 調制、上變頻后發送到 DRM 廣播的 MW/SW 頻段。

DRM 接收機將接收信號下變頻為中頻信號，再進行同步、信道估計、信道解碼、信源解碼后得到原來的語音和數據信息。

4 DRM 系統的關鍵技術

信源編碼主要解決數據存儲、交換和傳輸的有效性問題，即通過對信源數據率的壓縮，力求用最少的數碼傳遞最大的信息量。

DRM 系統中應用了 SBR（頻帶恢復）技術，它是一種在低比特率下獲得完全音頻帶寬的音頻編碼增強方法，可與 AAC 和 CELP 聯合應用，構成目前能力最強的壓縮方法。使用 SBR 的目的是重建音頻信號中被編碼器丟失的高音段。為了更好地實現這個目的，需要在音頻比特流中傳送某些邊信息。SBR 可以將普通低比特率編解碼系統帶寬提高到等于或大于模擬 FM 音頻帶寬（15kHz）。在語音編碼時，SBR 還可以提升窄帶語音編解碼系統性能，給播音員提供 12kHz 的音頻帶寬，用于多語言廣播等。由于多數語音編解碼系統都是窄帶的，SBR 的重要作用不僅在于提高音質，而且可用于提升語音的清晰度和語音的可懂度。

OFDM 技術對頻率偏移非常敏感，這種頻率偏移是由于信道的多普勒頻移和振蕩器的不穩定，破壞了接收端各子載波間的正交性。頻率偏移會造成 ICI，而采樣時刻不準確的后果是 ISI，嚴重時接收機將完全不能識別調制在原信號中的信息。OFDM 系統對時域偏差的敏感性要比單載波系統好一些，但是，頻域上頻率的很小偏移卻會產生很大的誤碼率，因此，如何精確估計頻偏非常重要可以人為在發送端加一些輔助序列，使得接收端能夠基于最大似然法正確估計時域偏移和頻域偏移。

5 DRM 系統的虛擬無線電仿真

1992年5月，美國Mitre公司提出了軟件無線電的概念，即由硬件作為無線電通信的基本平臺，而把盡可能多的無線及個人通信的功能用軟件來實現。軟件無線電系統具有結構通用化、功能靈活、系統改進和升級方便，以及可對不同無線電系統進行互操作的優點，其優勢主要體現在以下幾點：

1.系統結構可實現通用，功能實現靈活，系統的改進和升級很方便；

2. 提供不同系統互操作的可能性；

3. 系統采用模塊化設計思想，模塊具有很強的通用性，能在不同系統間復用；

4. 一般而言軟件開發周期較短，能快速跟蹤市場變化，成本也會降低。

總之，本章在前面研究的基礎上，根據 DRM 標準，開發出了 DRM 系統虛擬無線電中頻仿真軟件，將DRM的COFDM基帶信號調制到中頻上，為DAMB發射機和接收機的實體設計，提供了一個很好的仿真與測試平臺。

軟件無線電是對傳統無線電通信體系結構的一次重大革新。它擺脫了硬件體系結構的束縛，是解決不同通信體制之間互操作問題和開展多種業務的最佳途徑，具有巨大的商業和軍事價值。開發虛擬無線電系統可以快速建立軟件無線電原型系統，促進對軟件無線電體系結構的深入研究，因而具有理論和實踐上的雙重意義。

參考文獻

[1]樊昌信等，通信原理，第4版，國防工業出版社，2001年3月

[2]李棟，DRM 接收機技術，廣播和電視技術，2003 年第 9 期

[3]鄭蜀光，DRM 技術介紹，廣播和電視技術，2003 年第 5 期

[4]羅琳、吳樂南，基于虛擬無線電平臺的AM廣播接收系統，電子技術應用，1999年10期

[5]束峰等，正交頻分復用通信系統的聯合同步算法，應用科學學報，20014年第 4 期

[6]馬玉松等，虛擬無線電，天津通信技術，2000 年第 2 期

[7]束峰等，OFDM 通信系統中的一種通用的信道估計模型，電路與系統學報，2004年