軟件無(wú)線電技術(shù)在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

張占順

（作者單位：安徽廣播電視臺(tái)淮南發(fā)射臺(tái)）

軟件無(wú)線電技術(shù)在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

張占順

（作者單位：安徽廣播電視臺(tái)淮南發(fā)射臺(tái)）

在信息時(shí)代的今天，軟件無(wú)線電技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中，特別是在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中的應(yīng)用極其普遍。它不僅僅是計(jì)算技術(shù)與無(wú)線技術(shù)的結(jié)合，更是一次電子信息技術(shù)的革命。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和時(shí)代的向前發(fā)展，無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從單工通信至雙工通信革命性的轉(zhuǎn)變，隨后出現(xiàn)了模擬信號(hào)通信、數(shù)字信號(hào)通信等新的手段，最后演變成了當(dāng)下的數(shù)字廣播電視技術(shù)。本文對(duì)軟件無(wú)線電技術(shù)的具體結(jié)構(gòu)、硬件軟件平臺(tái)和核心的技術(shù)進(jìn)行了深入的討論。

軟件無(wú)線電技術(shù)；數(shù)字廣播電視系統(tǒng)；應(yīng)用

軟件無(wú)線電技術(shù)最早應(yīng)用于軍事研究。1992年6月，MALTRE公司的Joe. Mitela在美國(guó)國(guó)防部的遠(yuǎn)程系統(tǒng)會(huì)議中首次創(chuàng)造了軟件無(wú)線電（Software radio，SWR）的概念，并把它排在軍事技術(shù)研發(fā)中優(yōu)先等級(jí)非常高的位置。盡管已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，目前無(wú)線通信領(lǐng)域仍然存在著許多問(wèn)題，例如：新的通信標(biāo)準(zhǔn)及體制層出不窮，研發(fā)出來(lái)的通信產(chǎn)品生命周期非常短，研發(fā)費(fèi)用很高。多種通信體制的同時(shí)存在造成了很多研發(fā)上的資源浪費(fèi)，因而對(duì)不同體制間的兼容的要求也越來(lái)越強(qiáng)烈。除此之外，隨著使用的推廣，無(wú)線的頻帶日趨擁擠，這對(duì)通信系統(tǒng)的抗干擾能力及頻帶利用的效率都有了更高的要求。所以，以往把硬件作為核心的無(wú)線通信設(shè)計(jì)理念開(kāi)始難以適應(yīng)局勢(shì)，針對(duì)這些難題，軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

軟件無(wú)線電的核心思想是以創(chuàng)造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、適用性廣泛的、模塊化的硬件平臺(tái)，以軟件編程作為實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)功能的主體，改變以硬件為主、功能單一的傳統(tǒng)電臺(tái)設(shè)計(jì)方法與理念。軟件無(wú)線電技術(shù)的設(shè)計(jì)手法可以減少功能單一、應(yīng)激性差的硬件電路，特別減少了模擬的環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理(D/A與A/D變換)盡量貼近天線。軟件無(wú)線電技術(shù)的體系講究全面的開(kāi)放性及可編程性，使用者僅僅通過(guò)軟件的更新就能改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全新的功能。這是這種優(yōu)勢(shì)，軟件無(wú)線電技術(shù)短短幾年就在通訊領(lǐng)域得到了廣泛推廣。

1 軟件無(wú)線電技術(shù)介紹

1.1 硬件平臺(tái)

軟件無(wú)線電技術(shù)建立了標(biāo)準(zhǔn)的、適用性廣泛的、模塊化的硬件平臺(tái)，這個(gè)硬件平臺(tái)具有很多優(yōu)良特點(diǎn)，比如可拓展性高、開(kāi)放性強(qiáng)，是軟件無(wú)線電技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件無(wú)線電技術(shù)的硬件平臺(tái)通常是由下列幾個(gè)部分構(gòu)成的。①數(shù)字上下變頻器；②模擬前端；③高速數(shù)字信號(hào)處理器；④寬帶模數(shù)變換器（A/D）；⑤寬帶數(shù)模變換器（D/A）。

發(fā)射的數(shù)據(jù)源種類(lèi)異常繁多，既可以是普通數(shù)據(jù)也可以是被轉(zhuǎn)換的視頻語(yǔ)音數(shù)據(jù)等輸出的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過(guò)信源編碼（采用MPEG或FPEG編碼），再經(jīng)過(guò)信道的編碼，當(dāng)然也可以在信道的條件下采用聯(lián)合編碼的方式，多路訪問(wèn)也有多種方法，例如，CDMA、DMA等。

不同的制式系統(tǒng)下，調(diào)制部分有著不同的調(diào)制方法，比如FSK、KPSK、QPSK及DQPS等。它們必須互相兼容，調(diào)制部分還包括預(yù)設(shè)定的信息處理，比如：比特同步處理、字節(jié)同步處理等。最后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上下變頻、D/A變換輸送到RF的前端，最后依靠天線發(fā)射出去。

上述的變換過(guò)程存在多路重復(fù)占用的情況，數(shù)據(jù)傳輸速率理論可達(dá)10 Mbps。如果再進(jìn)行調(diào)制解碼、上下變頻，傳輸速率最高能達(dá)到60 Msaos（引兆采樣次數(shù)的秒速率)。數(shù)據(jù)的接收過(guò)程與發(fā)射過(guò)程剛好相反。軟件無(wú)線電技術(shù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常采用往往采用以VMF(標(biāo)準(zhǔn)虛擬機(jī)環(huán)境)總線，支持并行線及多處理機(jī)。

1.2 軟件平臺(tái)

軟件無(wú)線電技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)使用以開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型為基礎(chǔ)的分層軟件結(jié)構(gòu)，支持消費(fèi)者自主定制的模塊化設(shè)計(jì)，包括基本的算法以及功能模塊，下面具體列出：①函數(shù)庫(kù)和DOS的指令；②信號(hào)流轉(zhuǎn)換庫(kù)；③FIR. I濾波與FFJ波變換以及波形合成；④DPSK、AM、FM、FSK、擴(kuò)頻等調(diào)制算法庫(kù)；⑤各種無(wú)線電信令規(guī)程庫(kù)PRELTP，PCM，CVSD等話(huà)音編碼算法庫(kù)；⑥JPEG、MPEG、H261等圖像編碼；⑦信道糾錯(cuò)編碼庫(kù)

開(kāi)放性的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是軟件程序是否具有可重用性，是否能兼容于由不同硬件生產(chǎn)商提供的硬件平臺(tái)；接口是否是具有標(biāo)準(zhǔn)的軟件功能模塊。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外提出了很多種實(shí)現(xiàn)無(wú)線電的軟件技術(shù)方法，特別是實(shí)現(xiàn)軟件的即刻使用（Plug x Play）方面更是突出。對(duì)比這些方案，發(fā)現(xiàn)其共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)上的層次化、功能上的模塊化。不同之處是具體的劃分界限及功能模塊之間的接口。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)是計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)發(fā)展相結(jié)合的新技術(shù)。第一，多波段帶寬是軟件無(wú)線電的核心技術(shù)，軟件無(wú)線電的工作范圍是1 MHz～4 GHz，如果使用以往天線定義的方法，受天線長(zhǎng)度的約束，可能會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生干擾。第二，使用模數(shù)或者數(shù)模技術(shù)，使轉(zhuǎn)換裝置與天線的間距縮短，將它們轉(zhuǎn)移到射頻前端，使高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程需要的工作頻率和數(shù)據(jù)采樣頻率的要求非常高。另一方面，多變的工作環(huán)境對(duì)ADC和模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度要求更高，動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)間更加大，同時(shí)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑧?yīng)注意ADC的采樣率是否符合要求。第三，快速的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及DSP技術(shù)同樣是軟件無(wú)線電技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置后，接受DSP軟件的再次處理，軟件無(wú)線電技術(shù)的關(guān)鍵是數(shù)字處理速度及能力。硬件設(shè)施和軟件程序是影響無(wú)線技術(shù)最重要的因素，硬件技術(shù)限制了實(shí)際應(yīng)用中的軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用，特別是在模塊分化領(lǐng)域，所以應(yīng)該加大對(duì)硬件研發(fā)的資金投入，為軟件技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

2 軟件無(wú)線電技術(shù)在數(shù)字廣播電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代數(shù)字廣播電視的基本原理模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)化，并且轉(zhuǎn)化過(guò)程過(guò)渡良好。A/D轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)射頻天線獲得模擬信號(hào)，然后進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這是軟件無(wú)線電技術(shù)的基本思路。數(shù)字電視廣播一定程度上擔(dān)任了無(wú)線電技術(shù)的載體，利用DAC信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)再到數(shù)字信號(hào)。無(wú)線技術(shù)具有很強(qiáng)的靈活性，可以通過(guò)系統(tǒng)升級(jí)來(lái)適應(yīng)新的要求。

2.1 DRM的發(fā)展

隨著數(shù)字媒體與調(diào)頻廣播的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，許多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字調(diào)頻無(wú)線電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。由于數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)非常類(lèi)似，可以參考無(wú)線電技術(shù)對(duì)模擬裝置進(jìn)行研發(fā)。隨著無(wú)線科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了提高廣播的質(zhì)量，數(shù)字廣播要與網(wǎng)絡(luò)資源有效結(jié)合。

2.2 無(wú)線電技術(shù)在DRM中的應(yīng)用

由于無(wú)線寬帶帶寬窄，而信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)慎重選擇。可以加入寬帶變頻模塊中，加入A/D天線中，將信號(hào)從全頻段輸入到頻段，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)定頻帶信號(hào)的功能。

2.3 軟件無(wú)線電技術(shù)在DRM發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

相對(duì)于接收裝置來(lái)說(shuō)，發(fā)射裝置的研制更加復(fù)雜，發(fā)射裝置通常包括3個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，調(diào)制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)字調(diào)制編碼、數(shù)字信號(hào)處理和相位轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)處理子系統(tǒng)是在振幅相位調(diào)制符號(hào)的應(yīng)用越來(lái)越多，功率放大器和信號(hào)傳輸是否成功傳輸子系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2.4 數(shù)字電視接收系統(tǒng)

中頻數(shù)字結(jié)構(gòu)是當(dāng)下數(shù)字電 視接受系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率最高的結(jié)構(gòu)，其基本原理使用多波段天線把數(shù)字信號(hào)傳送到射頻部分，然后通過(guò)ADC和DAC的變換，再經(jīng)過(guò)相關(guān)變頻裝置的處理，把信號(hào)反饋到DSP系統(tǒng)中。基于軟件無(wú)線技術(shù)的數(shù)字電視接收系統(tǒng)，首先通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換的處理，使其與信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置相兼容，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換，可輸出基帶信號(hào)，然后進(jìn)行變頻處理，使之與信號(hào)帶寬兼容，同時(shí)這種信號(hào)還要被HDTV裝置識(shí)別。實(shí)際上，為了提高數(shù)據(jù)處理速度，在軟件無(wú)線電技術(shù)中經(jīng)常采用多處理器模塊，通過(guò)對(duì)應(yīng)軟件的升級(jí)就可以增加新的功能，而無(wú)線電技術(shù)均使用軟件預(yù)處理算法。基于軟件無(wú)線電的原理，高清晰度數(shù)字電視接收機(jī)不僅能發(fā)出適合各種編碼速率的數(shù)字信號(hào)，但也有更新和升級(jí)自己的能力。HDTV接受裝置實(shí)現(xiàn)了新格式的播放方法，大大降低了軟件無(wú)線電技術(shù)的使用成本。

2.5 軟件無(wú)線電技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用

在大數(shù)據(jù)和4G時(shí)代，信道的調(diào)制方式對(duì)數(shù)字廣播電視的發(fā)展有著非常重要的意義，因此需要開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)。當(dāng)下消費(fèi)者需要更好的配置，軟件無(wú)線電技術(shù)正好是符合這種要求的一種資源。依靠這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同模塊的最優(yōu)配置，這大大改變了傳統(tǒng)統(tǒng)一的調(diào)制方式。

當(dāng)介質(zhì)的帶寬增加，雙向傳輸變得可能實(shí)現(xiàn)，如果發(fā)射部分也融合到數(shù)字電視，這種軟件化的數(shù)字電視使消費(fèi)者不僅可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行點(diǎn)播，而且可以上網(wǎng)，進(jìn)行異地可視通話(huà)、信息傳輸甚至遠(yuǎn)程協(xié)助。這樣它就變成了現(xiàn)實(shí)意義上的信息化產(chǎn)品。通用的HDTV調(diào)制器不僅能處理數(shù)字信號(hào)，還能處理語(yǔ)音、圖片、視頻等非數(shù)字信號(hào)，具有非常廣泛的適應(yīng)性。并且，這種信息化的硬件平臺(tái)是完全開(kāi)放的，可以由用戶(hù)自主定制。

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