4G中软件无线电技术的应用

安徽广播电视监测台 张理康

4G中软件无线电技术的应用

安徽广播电视监测台 张理康

本文对当前通信领域的一些基本情况进行基本介绍，简要叙述了软件无线电技术及其发展概况，并且对当前流行的第四代移动通信（4G）做了应用方面的描述。

移动通信；4G；软件；无线电技术；智能天线

1 引言

当前无线电的技术中存在以微电子技术为支撑的软件无线电技术，这个技术的产生基础是根据现代通信理论知识作指导，运用现今的数字信号处理技术做支撑，主要目的为满足个人通信的需求，主要市场为未来的通信需求。传统的收发设备功能单一，硬件设计上可扩展性差，通信的核心受到了限制，软件无线电的产生突破了这一局限，设计的硬件平台强调通信的开放性，简约通用，可在系统中配制或者重新扩展不同的软件进行产品应用，对各种无线电功能的设计思路进行实现。软件无线电技术的基础在于构造出一个标准化的模块通用硬件，使之成为一个开放式的平台，在平台的集成中体现软件模块的多功能性，软件主要控制工作频率，调制和解调类型，数据格式，信息的加密方式，互相之间通信技术协议等方面。对于宽带A/D和D/A转换器进行研究，体现出模块的灵活性，研制出开放性的新一代无线通信系统。

2 软件无线电技术的模型

通常对软件无线电设计框架模型可以从下图中看出。理想中的结构组成由天线部分，射频前端模块部分，A/D-D/A的宽带和窄带转换器部分，标准及专用数字信号处理器部分，各种调试解调软件等组成。软件无线电技术中的天线部分覆盖的频率波带范围比较大，主要为范围内的每个频带特性需要均匀，这样才能满足用户的各种服务需求。模拟信号处理任务完全由数字化DSP软件承担。RF前端主要工作就是完成波段转换，过滤无关波段，放大功率等任务，从而可以达到验收、放大、变频、滤波等功能。为了减少处理压力通用DSP，通常是数字信号的A/D转换器通过专用的数字信号处理装置处理完成，减少数据流量，和之后的信号变为基带，然后数据被发送到DSP通用处理。

图1 软件无线电技术结构框架图

从图中可以清楚的看出三种类型结构：射频低通采样数字架构，RF带通采样结构和宽带数字带通采样数字架构。这三种结构形式主要有：

（1）射频低通采样的数字化的软件无线电，结构表现形式较为简单，对模拟电路的元器件使用数目很少，可以实现基本的功能。

（2）RF带通采样的数字化的软件无线电和之前的A/D使用相对窄的带宽，功率传输滤波器的低通采样软件无线电结构之间的主要区别，则根据所需要的处理带宽带通取样。

（3）宽带带通采样数字化软件无线电架构采用了一些混合系统或称为超外差系统，这种类型和中频数字接收机比较相似，主要特点是拥有更宽的中频带宽，并且利用软件控制来实现所有调制解调器调整等功能。

3 软件无线电技术的关键

在软件无线电中的关键技术主要有：

（1）高速A/D，D/A转换：A/D的关键性能是采样率和采样精度，理想的软件无线电为A/D直接在电台转换时，采样率要达到一定的标准。根据奈奎斯特采样定理，为了防止反射信号特性出现失真影响整体性能，采样频率（fs）的要求信号带宽至少是普通的两倍模拟接口娲。为了确保性能，在实践中采样的过程往往需要fs＞2.5WA。根据这样的研究结果可以判别出有效的解决方案，根据多个高速采样数据以及稳定电路中的ADC量化速率，并通过并行——串行转换器减少，增加采样分辨率。

（2）宽带/分波段天线：软件无线电技术主要集中在短波工作，并且可以在范围相当宽的频带中进行微波处理工作，因此就需要研究一种新的天线技术，天线的设计主要集中在全向宽带，同时使用软件智能构成软系统，按照设计的频率和辐射特性进行有效的工作。目前的计划是采取多频段天线的组合可行性。

（3）高速并行DSP：数字信号处理（DSP）芯片是必要的基础软件无线电设备。设计的软件用于在数字信号处理芯片上进行的。主要包括三个部分：基带调制解调处理器，比特流处理和信源编码。基带调制解调器的主要功能就是通过各种波形的分析，然后进行扩大或缩小频率，满足频率的适应均衡以及各种数字处理通道的同步，同步工作需要在规定的实际内处理几十到几百的MIPS的能力。比特流处理主要是针对信道编解码器进行复用、分解和交换工作，对信心命令进行控制操作和基础管理，对信息流进行加密和解密步骤，每个人都需要的处理能力的数十种MIPS。信源编码主要是进行信息中的声音，图像等编码进行运算处理，每个运算通道都需要十几个MIPS的处理能力，如果需要完成一个巨大的信号处理，就需要采用多个DSP并行处理结构同时进行高速运行来实现设计上的可能。

（4）多载波功率放大器（MCPA）：在多个载波信号的发射方向理想的软件无线电合成一路经过转换后，与宽带MCPA模混合信号，低噪声放大。因为包络线信号和所述信号的混合信号振幅有很大变化，这是特别敏感的非线性放大器，采用抑制工作中不需要的互调载波反馈技术，宽带MCPA获得当前状态下的有效的功率，设备稳步运行使用电路优化技术。

（5）软件无线电算法：通过系统上的工作软件进行控制，将整个技术中的物理设备进行数学模型描述，实现其各种功能，然后在计算机算法描述语言，并最终转换成计算机语言编写的程序。软件无线电算法特点：

⊙软件无线电的算法应该是自由化（易升级），开放性（模块化，标准化）的高度；

⊙呈现主算法数值方法，但不排除其他的算法，或算法的各种组合；

⊙实时信号处理。在时间和空间算法的要求是非常高的。

这些技术是在深入学习，实践中不断的进行优化。

4 软件无线电技术当前的发展

当前日常生活中移动通信系统第三代技术已经非常成熟，3G无线系统早已经开始了商业运行模式。在运营过程中发现系统之间的不同标准和技术壁垒需要解决，否则无法适应无线电技术的快速发展，并且用户在使用无线通信系统时要求系统灵活性和扩展能力的程度很高。作为第三代软件无线电技术移动通信目前使用的W-CDMA和CDMA2000是使用码分多址，具有范围广的信道带宽，数据率需要高速的支持才能从其他共同信道编码上获得不同的数据服务，同时在硬件标准之间的芯片速率和带宽信道选择码存在不同的差异，为了解决提高系统容量的问题适应多种领域，3G将在智能天线技术（智能天线），多用户检测（MUD）被使用，使得软件无线电技术具有在3G系统中的广阔的应用空间。

在欧洲共同体法令第一个项目中，软件无线电技术被允许使用在多频段、多模编程的手机系统中使用。通过对环境波段的自动检测接收信号，来访问波段不同的网络，实现了任意时间和环境下的连接要求。使用不同无线电设备中的软件无线电技术，可任意改变接收过程中的信道接入方式以及调制方式，主要就是软件基于的原理不同，适应的标准也不相同，这些不同通过多功能基站的自协调性得到选择。而智能天线技术在中国的实现方案主要为利用现有的数字信号处理技术，识别和分析用户信号到达方向和区域，然后通过天线主波束引入空分多址（SDMA）方式，对用户信号传播方向上的不同的空间提供不同的空间信道，对加权的接收信号，以形成多个波束成形的方法，对于手机用户的接收和发送，无线电波段光束可以动态跟踪用户，基站中发射的主波束对准用户信号的方向，发射干扰信号，形成功率上增益和递减，从而达到抑制干扰的目的。此外，软件无线电技术在使用过程中出现了一些新的发展趋势，主要表现在硬件条件下的层次结构，系统中的软件模块，波段结构的数学分析，以及面向电脑和手机用户的网络安全技术。

5 4G中的软件无线电技术

随着通信市场的运营商发展3G技术的不断成熟，以及用户对通信需求的不断提升，目前国际电信联盟（ITU）已经开始研究第四代移动通信标准的制定，并已达成共识：软件无线电技术的新产品4G使用与其他移动通信系统LAN，WLAN等相结合，2010年之前4G技术中的数据传输速率较为3G技术得到大幅度的提升，达到100Mb/s，同时提供数据传输的多项业务实现商业无线网络，与基础网络连接中的蓝牙，收音机，电视和卫星通信相互兼容，真正意义上实现网络无缝对接。

软件无线电4G技术的组成包括：OFDM（正交频分复用），软件无线电，智能天线和IPv6技术。4G软件无线电技术的桥梁就是4G软件的设计和使用，它主导着4G技术的未来。由于无线电技术的发展很多原理相辅相成，因此有助于降低4G软件开发的风险，并且扩展了软件的兼容性，使得4G网络适应不同类型的产品要求，满足了产品的多样性。开发风险的降低带动开发系列产品的成本降低，并且芯片技术的不断发展，使产品在芯片上的使用稳定性增强，从而减少了设备的投入，4G技术中的开放式架构也允许更多的操作员进行软件设计，同时在实际应用中，由于使用DSP也弥补低成本RF（射频）所引起的成本昂贵和反应不灵活的缺点。由于4G通信系统中传输数据流的基础上采用了全路的IP包的选择，因此IPv6技术将成为下一代网络协议的核心。而大量的链接类型（如数据，VOIP）的不同环节都可以通过SDR互连，此外动态频谱分配，也有利于新业务的实现。

4G天线技术中的关键技术就是与SDR技术联系在一起。这个关键技术的产生根据软件无线电天线的新概念提出的设计，数字多波束形成（DBF）技术和产品的软件无线电完美结合。首先软件无线电技术的发展提供了智能天线技术可行理论的基础，同时也提出了实现的有效办法，其他智能天线软件开发的无线电起到了促进作用。他们都互相渗透和相辅相成的。基于软件无线电智能天线包括：被诱导的RF信号单通道智能天线阵列，A/D采样前端模拟预处理转换宽带IF信号时，宽带IF由信号/e数字化为一个数字下变频器（DDC），宽带数字IF内的特定感兴趣的采样速率转换和数字正交下对信号带宽转换以低的采样速率的基带正交（I/Q）的数字信号，兼容信号的I/Q基带数据被同时发送到M个数字波束形成（DBF），分别为不同的点波束成形的操作，最终实现所需的m个波束。M个光束同时解调过程中选择最大信号的一个于光束的信噪比信息解调模块（DEMOD）被解调，前者可以达到同样的频率复用，后者可以实现定向接受，提高输出信号的信噪比。其次是多通道智能天线，它与单信道智能天线比较，经过A/D设置出多个单信道的多波束形成器，天线形成多相滤波器通道，实现空间频域远近传输的能力。

6 结束语

随着现代生活节奏的提高，家庭和企业的移动通信需求标准各不相同，使得目前原有的移动通信标准需要作出相应的改变。从软件无线电技术近期体现的优惠性来看，它的存在可以解决移动通信中不同标准的兼容性，实现了通信的全球漫游便利，而往深处着眼，软件无线电技术的发展完全实现了通信的无线化，使得任何环境下都可以改变自适应配置，关闭/发射机，调制解调信道编码，解码模式下的数据传输速率，甚至调整信道频率，带宽和无线接入技术。4G中的软件无线电技术在现代智能通信系统中，可以更为充分地利用频谱资源的最大容量，满足用户的对无线通信系统的要求，相信随着软件无线电技术的不断发展，其在4G的作用将日益突出，将更能提升用户的需求，进而促进4G系统的改进。