软件无线电的关键技术及发展趋势

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软件无线电(SDR)作为当今无线通信领域的新技术，正在起起内外越求越多的关注，在通信领域是继模拟技术到数字技术、固定通信到移动通信之后的新的无线电通信体制。随着通信技术的发展，兼容各种不同制式类型的设备已经日益显露出其需求性，与传统的无线电系统相比，软件无线电系统具有结构通用、功能软件化、互操作性妤等一系列优点。

软件SDR

一、软件无线电的起源与发展

软件无线电的产生原因与海湾战争有关，当时以美国为首的多国部队中使用了多种不同制式的通讯设备，因而造成了互相通讯的困难。之后在1992年5月Jeo Mitola在美国通信系统会议上首次提出“软件无线电”的概念。其基本思想是使所有使用战术电台都基于同一个硬件平台，安装不同的软件来组成不同类型的电台，完成不同性质的功能。因此它具有软件可编程能力。这个概念很快就在世界各国引起了注意，这是因为现在军事通信对无线电通信系统的可靠性、互通性、灵活性以及抗干扰、抗毁性、保密、安全等都有更高的要求。美国军方与Hazcltine公司研制了一种名为“speakeasy”(易通话)软件无线电台，实现了美军通用的多频段、多功能的无线电平台，能兼容军队现有的各种电台，能同时处理4种以上不同的调制波形。这种电台可以称得上是种带有天线的、能进行话音和数据传输的“掌上电脑”。通信的业务包括话音、数据和视频图像等。

目前软件无线电在民用领域日益受到重视，主要原因是现行通信系统技术标准多种多样，各种技术标准和相应的系统间难以兼容，难以用统一的设备实现。而第三代移动通信系统目前仍存在着标准之争，如果采用软件无线电来适应不同标准，不失为一种可行之道。另一方面，通信技术发展十分迅速，旧的系统不断改进，新的系统迅速涌现，人们需要一种比彻底淘汰旧设备更为经济的系统升级方法，而软件无线电的可编程性则较好地适应了这一需求。

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二、软件无线电的体系结构

传统模拟无线电系统的射频部分、上/下变频、滤波及基带处理全部采用模拟方式，某频段和某种调制方式的通信系统都对应专门的硬结构；而数字无线电系统的低频部分采用数字电路(如本振用数字频率合成器、信源编译码和调制解由专用芯片完成)，但其射频部分和中频部分仍离不开模拟电路。与传统无线电系统相比，软件无线电系统的A/D/A变换移到了中频，并尽可能靠近射频端，对整个系统频带进行采样，即从中频(甚至射频)开始就进行数字化处理，这是软件无线电的一个突出特点。数字无线电采用专用数字电路，实现单一通信功能，无编程性可言。而软件无线电以可编程力强的DSP器件代替专用数字电路，使系统硬件构与功能相对独立。这样就可基于一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并对工作频率、系统带宽、调制方式、信源编码等进行编程控制，系统灵活性大为增强。

软件无线电的硬件平台采用模块化设计，必须是一个具有开放性、可扩展性和兼容性的通信平台，以模块化的标准做成总线的形式。我们基于这一相对通用的硬件平台，通过加载不同的软件(需要时可更换插卡)来实现不同的通信功能。软件无线电的硬件平台比PC要求高得多，它需要宽带射频前端、宽带A/D/A转换器、高速DSP器件等。为了进行高速A/D/A变换及数字信号处理，软件无线电系统必须多个CPU并行工作。另外，数字信号处理数据要高速交换，系统总线必须具有极高的T/O传输速率。在目前符合要求的系统总线中，VME总线技术最成熟，通用性最好，且得到的支持最广泛。VME提供多个CPU并行处理，支持独立的32位数据总线和地址总线，速率达40Mb/s(甚至320Mb/s)，基本满足软件无线电的要求，是软件无线电的首选总线方式。

三、软件无线电的关键技术

1.多频段落转换与宽带射频

对于软件无线电系统的天线，应具有多频段的天线和可编程控制的射频转换功能，在满足天线增益、物理尺寸及价格等方面的基础上，具备有2MHz-3MHz的工作带宽。在无线电工程中没有必要覆盖全频段，而只需覆盖不同频段的几个窗口，因此可采用组合式多频段天线，美国军方的speakeasy就是采用了多套RF天线的方案。对于宽带射频，进行调谐、能量控制、低噪声前置放大器(LNA)的配置也是一项关键技术，可以借助计算机辅助设计(CAD)进行系统的优化设计。

2.宽带A/D部分。

决定宽带模数转换性能的关键是采样及位数。采样速率由信号宽带决定，而量化位数则要求满足一定的动态范围和DSP精度。因为现有的单片ADC无法满足这两点要求，可采用多个ADC并联的方式使用。

3.高速并行的DSP部分。

在系统数字化处理运算中，难度最大的是上下变频、滤波和二次采样，在高速并行的DSP中包括数字基带处理、调制解调、比特流处理以及解码功能等。对于调频和扩频系统，该部分还应有解扩和解跳功能。要实现这一部分功能，就要采用高速并行的DSP组成多处理器的并行运算系统，包括要有更多的多址呼叫、更宽的程序总线和数据总线、单指令多数据、多指令多数据结构及采用超指令结构等，该部分可用专用数字集成电路芯片ASIC(例如美国Harris公司的DDC芯片HS P50016)来实现。

4.离开放性及扩展性的总路线结构。

在传统的系统结构中，一般采用流水线形式，其特点是各功能单元之间用电路相连，若要增加删除或修改某一部分的功能，则与其相应的功能模块都要做出调整，因而该结构不具有开放性。为实现系统中各功能单元互联，组成一个开放的、可扩展的硬件平台，同时具有较高的数据吞吐率。软件无线电系统必须采取一种新的互联结构，其特点是实现比较简单，而且可直接应用多种总线标准(如VME,总线、PCI总线等)，目前国内外的一些机构正在研究具备上述特点的、基于总线的互联结构。

5.软件协议和标准。

上个世纪90年代中后期以来，国外正在研究如何实现软件即插即用(Plug&Play)，并提出基于。JAVA/CORBA的软件协议和标准。而基于“软件总线”的思想，就是建立一个基于标准、开放、易用的体系结构。所谓“软件总线”与常说的“硬件总线”相类似，是将应用模块按标准做成总线，插入总线就可实现组合式运行，从而支持分布式的计算环境。这种设计思想与软件系统中软件的可重用性是一致的。

6.系统的功耗、体积和成本。

这是软件无线电实现商业化的关键，它的解决很大程度上依赖于硬件工艺水平的发展。

四、软件无线电的发展与展望

九十年代以来，各类无线通信系统的飞速发展，无线电通信制式的差别，随着数字信号处理技术进步，使软件无线电技术越来越受到人们的重视，预计将成为未来全球通信网络的一项新体制。

按照理想结构，软件无线电台从RF到基带的所有信号处理任务都是以全数字形式进行的，因此完全是编程控制的，而且其结构也是可重组和再生的。但是，由于没有符合要求A/D变换器可应用于射频段，现在正在开展研究的另一个课题是软件无线电台的数字RF前端，这是全频段数字化的关键。

现有的数字信号处理器件(DSP)已广泛应用于中频、基带或终端等部分的信号处理，这使得无线电设备的技术性能提高到了一个崭新的现代化水平，但是其RF前端仍然是窄带的。对软件无线电台而言，其RF前端中A/D变换器必须能够处理整个通讯工作频段，一般情况下要求从2MHz至3GHz。另外，移动通信信号的典型特征就是存在衰落和屏蔽，还可能出现强阻塞和干扰，其结果就使得出现在接收RF端的移动通信信号的动态范围高达1OOdB以上，若是考虑到不同标准的移动通信信号，其动态范围还将更大。对于带宽为1OMHz的系统，采样频率大于25MHz，需要2500MIPS的运算处理能力，远远不能满足RF前端所要处理的信号环境要求。即使是有了能够满足带宽和动态范围要求的A/D变换器，它们对功率的要求仍然会阻碍所使用的移动终端。现阶段开发的软件无线电台还不可能采用全频段数字化的理想结构，而是采用Rf前端的部分频段数字化的实用结构。

综上所述，软件无线电包含有两层意思：一是射频(RF)前端，二是数字信号处理；其核心部件就是宽带A/D/A变换器及高速DSP芯片。软件无线电的最大优点就是能够根据无线波段、波道接入方式，通过定义各工作参数，重组信道结构，在硬件平台上完成各种信号处理任务。因此，可以采用在公共硬件平台上设计每一个工作标准的专用数字前端，或者利用不同工作标准的共性。前一种设计不但可以获得最大的自由度，而且可以使使用的门电路数量降至最少，后一种设计则必需开发实现数字前端功能的专用算法，但却可以用ASIC来实现，使我们能够充分利用软件无线电台的概念。

总的说来，尽管软件无线电台一开始是为军事短波超视距通信而开发的，但是由于它在提供模拟接收机所没有的高保真度的同时还能够提供极好的灵活性，对软件稍作修改便可适应和满足不同用户的要求，而且其成本费用十分低廉，再加上数字信号处理技术的飞速发展，故而现在已经越来越多地应用于民用通信领域，特别是在移动通信系统中的应用得更为广泛。