软件无线电技术综述

2011-09-13陶玉柱胡建旺崔佩璋

通信技术 2011年1期

陶玉柱，胡建旺，崔佩璋

（军械工程学院光学与电子工程系，河北石家庄 050003）

0 引言

伴随着通信系统由模拟体制向数字体制的逐步转变，无线通信得到了飞速发展。但传统的通过硬件设备改造升级来完成无线通信新技术改革的方法带来了很多问题，如不同通信系统的兼容性差、互联互通互操作程度低、浪费成本不利于新技术的普及推广等，大大制约了无线电技术的进一步发展。尤其是在信息成为主导通信领域的关键因素后，如何有效的提高信息的传输速率，以及适应新情况即使做出技术升级与改造，已经成为通信领域的关键问题[1]。在这种情况下，软件无线电技术作为实现通信的新概念和新体制应运而生。

1 软件无线电技术概述

1.1 软件无线电的概念

软件无线电的概念最早是在1992年5月由Jeo Mitola首次提出的，即可编程或可重构电台当时提出的这个概念具有一定的局限性，后来随着技术发展和研究深入，软件无线电论坛对软件无线电进行了重新定义，即软件无线电是指能够实现充分可编程通信，对信息进行有效控制，覆盖多个频段，支持大量波形和应用软件的通信设备。也就是说，一个无线电系统中，天线以后就数字化，对信号的所有的必要的处理都由存放在高速数字信号处理器中的软件来完成。

软件无线电的基本思想就是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理(宽带模数变换器(A/D)及数模变换器(D/A))尽可能地靠近射频天线，建立一个具有“A/D-DSP-D/A”模型的、通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块，系统的升级是通过软件来实现的[2]。

1.2 软件无线电的基本特性

（1）可重构性

可重构性是软件无线电最根本的特性，软件无线电必须在软件和硬件两方面都支持系统重构，才具有通过改变所运行的软件来定义系统功能的能力。可重构性可以是系统级的，支持系统在整体功能和各个层次上模拟各种虚拟设备；也可以仅仅是无线接口的重构，也可以是改变其中的某个算法。具备可重构性是作为软件无线电的必要条件。

（2）灵活性

灵活性是指系统在不改变软/硬件结构的条件下，对可重构性的适应能力。软件无线电不仅能够被精确配置成各种不同的虚拟设备，还要支持不断涌现的新技术和新功能。没有灵活性，系统可重构的优越性就会随之丧失，也就不能称作是软件无线电。

（3）模块化

模块化就是将定义系统的各个任务分解为相互独立的软件和硬件模块，这些模块通过接口以逻辑的方式连接起来形成所需要的系统功能。从理论上讲，软件无线电即使不按模块化设计，也能够支持各种重构，但是系统设计和重构的过程变得十分复杂，以至于难以实现，而且由于配件之间相互关联紧密，牵一发而动全身，基本丧失了新技术和新功能嵌入的能力。因此，模块化也被视为软件无线电的基本特性。

2 软件无线电的功能结构

软件无线电的基本平台主要包括：天线、多频段射频转换器、宽带A/D和D/A转换器和DSP处理器几部分。理想的软件无线电系统结构如图1所示。

图1 理想的软件无线电系统结构

其常用结构基本可以分为射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频数字化采样结构[3]。

2.1 射频低通采样数字化结构

这种结构是一种理想的软件无线电结构，如图2所示。

图2 射频低通采样数字化结构

它将数字化程度扩展到最大，从天线进来的信号经过滤波放大后就由A/D进行采样数字化，特别符合软件无线电概念的需要，但它对A/D转换器的性能提出了非常高的要求，对后续DSP的处理速度要求也特别高，目前还不能很好的解决上述问题，因此，射频带通采样数字化结构作为一种折中的解决方案被提到了发展研究的日程上来。

2.2 射频带通采样数字化结构

这种结构与低通采样数字化结构最大的区别就在于A/D前采用了带宽相对较窄的电调滤波器，如图3所示。然后根据所需的处理带宽进行带通采样，大大降低了对A/D采样速率以及DSP处理速度的要求。

图3 射频带通采样数字化结构

2.3 宽带中频数字化采样结构

此软件无线电结构与目前中频数字化接收机的结构类似，都采用了多次混频体制或叫超外差体制，如图4所示。

图4 软件无线电的中频数字化结构

它的主要特点是中频带宽更宽(比如20 MHz)，所有调制解调等功能全部由软件加以实现。中频带宽比较宽是这种软件无线电与普通超外差中频数字化接收机的本质区别。显而易见，这种宽带中频带通采样软件无线电结构是上述3种结构中最容易实现的，对器件的性能要求最低。但它离理想软件无线电的要求最远，可扩展性、灵活性也是最差的。

3 软件无线电的关键技术

软件无线电能够普及使用在技术上至少要做到三点：A/D转换器要尽量的靠近天线；用软件处理取代硬件处理；数字信号处理要尽量用通用微处理器替代专用集成电路，以降低成本。这就要求软件无线电系统要采用一些关键技术来解决上述问题。

3.1 宽带／多频段天线技术

软件无线电台覆盖的频段从2～2 000 MHz，就目前水平而言研制出一种全频段天线是不可能的。但在实际应用中并没有必要全频段覆盖，而只需覆盖不同频段的几个窗口，因此可以采用组合式多频段天线。

3.2 宽带A/D部分

决定宽带模/数性能的关键因素是采样速率和位数，采样速率是由信号带宽决定的，量化位数则要求满足一定的动态范围和数字信号处理精度，目前的A/D还不能同时满足速率和采样位数的要求。解决的办法是用多个高速的采样保持电路和ADC，然后通过并串转换将量化速度降低，以提高采样分辨率。此外，适合于低分辨率、高采样率的A/D编码调制方案也是解决这个问题的有效途径。

3.3 高速DSP技术

数字信号处理部分是软件无线电技术的核心，高速DSP的运算能力高低将直接影响到软件无线电系统性能的好坏。模拟信号经A/D转换至数字信号后，进入高速DSP处理模块进行数字信号处理，包括信号编解码、调制解调、加解密形式、载波频率生成、工作模式转换等功能。该模块的功能实现直接影响系统的整体水平。

3.4 中频处理技术

发射端中频处理部分是实现已调基带信号与中频信号之间的变换，这种变换通过离散时间点运算来实现；接收端中频处理部分包括宽带数字滤波，可从可用的业务波段中选出一个来，恢复出中等带宽的用户信道，同时将信号转换到基带。频率变换和滤波的复杂程度决定了中频段对处理能力的需求，其功能完成要求用数字处理方法来实现[4]。

4 软件无线电技术的应用与发展展望

4.1 软件无线电技术的应用

[5]。在军用方面，最早的三军软件无线电台是由美国率先研制开发的“易通话”系统。“易通话”计划由美国国防高级研究计划局（DARPA）提出，由空军Rome实验室管理，三军联和国防高级计划局资助。它采用了模块化结构，符合开放标准的物理电气接口。工作频段为2 MHz～2 GHz，能够同时处理4种不同的信号波形，兼容美军15种以上的在役或在研电台，战场适应性较强。

美军联合指挥无线电系统（JIRS）是美军为适应三军联合作战的需要，在多频段多功能电台 MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。它对建立战场上的C4I指控平台，实现全球导航，在视距或超视距范围内使用语音、图像或数据等来调度和指挥部队完成作战任务，具有很大发展潜力。

此外，美国联合海上通信系统策略（JMCOMS）、法国三军多信道多频段可编程电台、英国海军“全综合通信系统”等，都是对软件无线电技术的发展和运用。

在民用方面，想要实现全球化的个人通信业务，软件无线电技术已是最佳选择。软件无线电被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术。只有软件无线电技术才能解决多频多模式多业务终端问题。

4.2 软件无线电技术的发展和展望

从数字无线电到软件无线电是无线通信领域的一次深刻变革。从20世纪90年代初到现在，这一设计理念已不知不觉地被现代无线电工程的各个领域所广泛接受。

为了解决当前频谱资源利用极不均衡的现状，瑞典Joseph Mitola博士于1999年提出了认知无线电[6]的概念。

认知无线电（CR,Cognitive Radio），又称为智能无线电，是一种高度智能化的通信技术，它可以自己学习周围的环境，自己取得适当的软件，自己选择最佳的、适合通信环境的制式进行通信。认知无线电不仅具有通信功能，而且还具备频谱探测能力[7]。认知无线电已成为目前无线通信领域的一大研究热点。认知无线电概念的提出将对现行的频谱管理体制提出挑战，并给无线通信带来新的发展空间。

为了彻底解决频谱资源的有效利用问题，并最终实现频谱共享、自由使用，杨小牛提出了一种基于盲源分离的终极无线电概念[8]。它建立在认知无线电的基础之上，随着技术的不断进步，相信终极无线电必将付之实现，并获得应用。