軟件無線電中的數字信號處理技術研究

宋 飛

（西安航空學院，陜西 西安 710077）

軟件無線電中的數字信號處理技術研究

宋 飛

（西安航空學院，陜西 西安 710077）

軟件無線電是近幾年來頗受關注的一種無線通信體系結構，由于軟件無線電技術的靈活性，其被廣泛應用于無線電領域。文章主要介紹了軟件無線電中的數字信號處理技術。

軟件無線電；A/D變換；DSP；數字信號處理

無線電通信技術在軍事領域中占有重要地位，無線電通信裝備具有較強的機動靈活性、抗毀性。但在長期的發展過程中也存著許多問題，如：無線頻帶越來越擁擠、互聯困難、通信系統的抗干擾能力需要增強等，這些弊端嚴重影響了無線電技術的發展，軟件無線電技術逐漸進入人們的視野。

1 軟件無線電及數字信號處理

軟件無線電系統就是通過無線電技術的硬件作為平臺，將無線及個人通信通過軟件進行實現。通過這樣的新系統，新產品的開發逐漸發展到軟件上來，無線產品的通信關鍵逐漸轉到軟件上來。無線電技術從固定到移動、模擬到數字的兩次革命技術，這是繼兩次革命技術后的第三次革命。軟件無線電技術的核心領域是將數字模擬通過軟件技術來實現無線通信技術，要想實現無線電功能的軟件化需要將復雜、笨拙的原有技術，轉化為單一、靈活的硬件電路。軟件無線電的通信結構特別注重其可編程性、開放性等特點，通過軟件創新硬件配置結構實現新的功能。軟件無線電通信技術主要將A/D，D/A變換器，最大限度地向射頻段聚集，根據目前現有的技術手段，應當使用寬帶或多頻段天線，把多頻段應用于A/D的轉換。

通過通信頻段、調制方式、抗干擾模式等集成了軟件無線電的組網模式，在實際應用過程中，增強了通信能力。理想的軟件無線電組成結構大致為：信息數據通過窄帶A/D或者D/A轉換器的處理后進入數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等處理軟件進行進一步處理，再由窄帶A/D或者D/A轉換器進行還原性質的轉換，最后通過射頻前端模塊進行工作。

數字信號處理技術是軟件無線電通信系統的基礎。目前盡管低功耗、超強功能的數字信號處理器發展迅速，但數字信號處理器在速度、功耗上的現狀仍然是制約軟件無線電發展的關鍵因素之一。數字信號處理的另一研究內容就是軟件，軟件是軟件無線電技術的核心。目前數字信號處理器不能滿足軟件無線電設計要求的情況下，開發數字信號處理軟件應是軟件無線電技術的主攻方向，這其中包括各種快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）算法，調制解調、信源編碼、信道編碼等各種通信軟件，也包括方式控制、信號控制和數據交換軟件。

2 軟件無線電數字信號處理技術

2.1 數字信號處理的作用

數字信號處理的目的是對真實世界的連續模擬信號進行測量或濾波，因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域，這通常通過模數轉換器實現，而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域，這是通過數模轉換器實現的，數字信號處理的算法需要利用計算機或專用處理設備如DSP和專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等。數字信號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優點，這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比擬的數字信號處理的核心算法，離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）使信號在數字域和頻域都實現了離散化，從而可以用通用計算機處理離散信號，而使數字信號處理從理論走向實用的是FFT，FFT的出現大大減少了DFT的運算量，使實時的數字信號處理成為可能，極大地促進了該學科的發展。

2.2 軟件無線電對DSP的要求

現有的軟件無線電通信技術與以往的普通數組處理信號技術有所不同，現有的軟件無線電技術要求整個波段進行數字化處理，當使用到中頻處理、基帶、比特流等其他功能時，都需要通過軟件進行處理。對于控制信號等，需要DSP按照最快的速度對其進行處理、運算，對硬件設備的要求很高，按照目前現有的技術水平還達不到需求，需要通過其他方法實現。

在窄帶A/D完成工作后就是直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）的處理，對變頻、濾波、二次采樣過程都要通過數字化進行實現，這種情況下可以通過采用兩個DSP進行協同處理工作，將專門的可編程芯片來作DDC的工作。

在現有的技術水平上可以將中央處理器（Central Processing Unit，CPU）與DSP集成在同一個芯片上，如果系統進行實時工作，就需要更快的數據存取技術，在此情況下又不得不考慮成本的要求。

在經過DDC后，可以用高速DSP進行基帶處理、比特流、信源編碼等功能。對基帶處理的基本要求是進行調制解調、擴頻解擴以及信道帶寬的自適應能力的處理，實現數據的轉換，此時需要每秒達到幾十兆甚至幾百兆次操作處理；比特流主要對信道進行編碼，復制或者交換、信令、控制、加密等功能；語音、圖像的編解碼算法主要通過信源編碼部分進行處理，此時每路信道也需要幾十兆的處理能力。現有的DSP在結構上采用了哈佛結構、專用的硬件乘法器、流水線操作、特殊DSP指令以及哈佛結構等措施對提高處理速度，如果需要更加高速的處理速度，可以使用先進的共享儲存器方式進行并行處理。

2.3 A/D轉換及數據采樣技術

軟件無線電接收的射頻信號經過射頻前端處理過后，變成寬帶中頻信號，但是由于現有的技術水平條件達不到需求，僅僅通過中頻對模擬射頻信號進行量化操作。采樣速率和位數是A/D的主要工作要求，信號帶寬決定著采樣速率，采樣速率需要達到帶寬的兩倍，在進行實際應用過程中，采樣速率要大于帶寬的兩倍多，在進行處理時還要考慮到采樣后對數據精度的要求。對于無線電技術中的A/D轉換器，要求其具有高抽樣率和性能，例如AD公司所出產的AD6640可將輸入的模擬中頻信號進行高速處理，這款轉換器是單片結構的12位A/D轉換器，內部含有采樣。在軟件無線電技術中，為了保證無線電對數據采集模塊的需求，要求對數據采集性能進行進一步提高，在原有的數據采集技術上進行創新技術或應用新技術。

2.4 正交采樣技術

在正交采樣技術中，需要將數字化信號分成兩個分量。形成與原信號相同的信號時需要將其中一個分量乘以正弦波，下變頻到零中心頻率上，另一個分量則需要乘以90度相移的正弦波。通過這些可以看出正交采樣技術可以減少對采樣率的要求，同時也增加了采樣負擔。

2.5 多采樣數字信號處理技術

MRDSP的主要問題是需要設計一個科學有效的數字系統，這樣可以讓數字信號的采樣率得到提高。從現代通信的軟件無線電通信技術的要求來看，帶通的采樣帶寬應當越寬越好，這樣可以更好地適應對不同信號的處理，通過提高采樣率，還能夠更加有利于提高采樣量化的信噪比。在軟件無線電系統中，應當選擇更高速率的帶通采樣速率設備技術。對于上述實時系統的運行無法實現。對于一個實際的無線電信號帶寬一般為幾十千赫茲或者幾百千赫茲，實際對單信號采樣所需的速率不高，所以對這種窄帶信號的采樣數據流進行降速處理是完全能夠實現的。

3 軟件無線電處理平臺

一個可靠性高、通用性好而且具有靈活性的寬帶無線電處理平臺，是實現軟件無線電通信的重要基礎。在進行軟件無線電平臺設計時，應當將先進的路由技術與DSP技術的設計過程加入到軟件無線電處理平臺的設計當中，在進行工作時，高速度的轉接單元應當允許數字信號與DSP有較多的對應關系，這種情況下可以將多個通道的信息數據進行有效集合后送入一個處理器進行處理。同時也能夠將一個通道的數據發送到多個處理器進行處理，這樣可以保證傳輸、接收信號的路由可以隨意變換使用，這就要求相關設計人員在同一個平臺上更加方便靈活設計出符合各種通信規程協議和多種工作波形的通信系統。

4 數字中頻處理的必要性

在進行A/D采樣后的數據流量可以達到80 M·s-1，當直接進入DSP進行處理時會導致DSP芯片與I/O瓶頸問題以及DSP的運算資源受到限制，直接運用DSP進行濾波、調制解調、信道編碼與解碼、信息加密等各種處理時，所需要的運算量比較大，以中頻處理的復雜度為例，當從高速數據信號中獲得有用的窄帶信號，按照正常的實際算法，需要對每個采樣點進行100次的運算。這樣可以采用可編程性高的數字過濾器，對高速數據流進行中頻濾波處理，把高速數據流降為低速數據流，大大減少后續處理。

5 結語

無線電通信技術在軍事通信中占有重要地位，軟件無線電技術的提出與實現對其通信提供了很大的幫助，標志著這軟件通信技術從硬件到軟件的飛躍。軟件無線電是現代無線電通信技術的發展方向，可以靈活地改變頻率實現通信，改變調制方式和接受類型不同的信號以便于適應各種協議，可以通過運用一種硬件實現不同性質通信的功能，這種軟件通信方式可以安裝到各種移動設備中，將各種功能進行綜合，不僅能夠完成現有的通信，還可以進行衛星鏈接等其他方式的互聯，伴隨著計算機技術、智能天線技術的不斷創新與發展，軟件無線電通信技術必將成為無線電發展技術的主流，數字信號技術也將會使創新的重要環節。

[1]夏牧.數字信號處理技術在軟件無線電中的應用[J].數字通信，2012（4）：46-49.

[2]程水英，陳鵬舉，武傳華，等.多采樣率數字信號處理及其在軟件無線電中的硬件實現[J].電子工程師，2011（10）：53-56.

[3]李強.軟件無線電中的數字信號處理技術[J].現代電子技術，2011（11）：33-35.

Study on digital signal processing technology in software radio

Song Fei
（Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China）

The software radio is a kind of wireless communication architecture which has been paid close attention in recent years. It is widely used in the radio fi eld because of the fl exibility of software radio technology. This paper mainly introduces the digital signal processing technology in software radio.

software radio; A/D conversion; Digital Signal Processor; digital signal processing

宋飛（1981— ），男，陜西西安人，碩士；研究方向：通信系統，數字信號處理。