无线电通信系统的软件化设计问题研究

2020-05-06赵强

通信电源技术 2020年24期

赵强

（南京中原得生电子实业有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

针对不同军种之间的互操作问题，首次将软件无线电技术应用到军事领域。因为运输、使用以及安装的便捷，无线通信已经成为军事界限中不可缺少的一种通信技能。军用无线电台大多为特别途径而设计，性能比较单一[1,2]。虽然有些电台的具本构造相似，但其信号性能却大不相同，这制约了电台之间的联系。

1 软件无线电的定义

我国计算机网络的迅速发展也带动了软件无线电的发展，且硬件技术也在不断进步。随着EDA工具和可编程技术的迅速发展，软件无线电在通信技术中逐渐体现出来，从军事、商业还是民用视角来看，软件无线电就是客户对通信系统要求的必定产物。军事无线电系统需要能够在不同频段、不同通信系统以及不同管理系统之间进行通信，以建立海陆空一体化的立体作战环境。在成本降低的同时，无线结点和接口也不断出现。传统的无线通信系统是由软件无线电装置组成，每一层都有可重组的软件，软件无线电技术的产生使软件无线电技术从硬件系统步入网络系统[3]。

2 软件无线电的主要特点及发展前景

2.1 软体无线电的主要特征

软件无线电在应用过程中具备一定的灵活性。灵活性的增加强化了软件无线电自身的功能，同时也降低成本，可根据功能强度选择软件模板。此外拥有良好的开放性。由于无线软件拥有标准化和模块化的构造，因此随着设备和技术的进展，它的硬件能够升级和扩展，软件还能够依据需要进行升级。软体无线电既可以和新的系统通信，又可以和旧的系统兼容，这不但延长了旧无线电系统的使用时间，还使无线电软件自身更加长久。

2.2 软件无线电技术的进展前景

当今，无线通信业正处于一种多系统共存的状态，包括北美的AMPS和英国的TACS以及我国的的AMPS和TACS。目前CDMA已广泛应用于太平洋、窄带及其他地区，其中的软硬件平台互不兼容，无法通过网络进行直接通信[4]。第三代移动电话IMT-2000不仅包括WCDMA（TDD和FDD模式）、CDMA2000以及TD/SCDMA等多种系统，而且与第二代移动电话系统兼容，同时支持全球漫游的语音、多媒体业务和终端接口也在不断发展。软件站配置灵活，实现容易，工作模式多样，更新方便，深受用户欢迎。由于其具有灵活、易隐藏以及通敌能力强等特点，使得无线通信软件已成为当前军事领域的研究热点。它的实施和运用将加强部队的组合作战水平。此外，无线电软件在语言安全通信、电子对垒、雷达以及信息处理等方面也有着广泛的应用。

3 软件无线电的基本结构

软件无线电的基本思想一般都是通用的，在进行应用过程中，基本上都是在标准化和模块化的基础上展开，可以实现无线通信中的各种功能，同时也摆脱了传统的软件无线电单一的功能。传统的软件无线电自身的功能硬件电路较为单一，灵活性差，尤其是模拟线路，数字处理（A/D和D/A转换）尽可能接近天线。软件无线电中的基本结构通过升级改变了配置结构，同时也赋予了软件结构的新功能，有效突出了系统结构在应用过程中的开放性，完成了硬件模板整个的升级和扩展。软件无线电的理想结构如图1所示[5]。

图1 软件无线电构造框图

软件无线主要包括天线、射频前端、宽带A/D、D/A转换器、普用及专用数字处理器等。一个软件电台的天线应该覆盖宽带1 MHz～2 GHz。为了适应不同的业务需求必须对频带特性进行统一。

射频前端在传输过程中具有滤波功能，作为射频转换的一部分，接收端的下变频放大功能很难设计出高效的线性射频放大器，但受到EMC问题的影响，在使用可以实现RF转换器，其高采样速率（通常大于60 MHz）能够通过A/D转换比特率测试。

DSP软件在数字信号处理中扮演着重要角色。一般用于A/D转换的信号是由专门的数字信号处理器（如DDC/DC）为减少数据传输而处理的。数字高速处理器TMS320C6x、TMS320C54x以及ADSP21160是随着DSP技术和器件发展而出现的。采用DSP技术能够满足软件无线电系统的需求，而使用多信道并行处理技术能够较大提升DSP的处理水平。与传统无线电技术对比，软件无线电系统拥有构造简单、耐干扰能力较强以及互操纵性较强等优势[5]。两个系统的构造如图2所示。

图2 两种无线电系统构造相比图

软件无线电的基本结构分别为射频低通采样数字构造、射频高通滤波器采样数字构造以及宽带高通滤波器采样数字构造。

4 软件无线电系统模块化设计及关键技术分析

图3将已有的宽带A/D和D/A移至中频，并尽可能接近RF，这是基于软件无线电的概念，它与DSP、滤波器以及其他器件的发展相结合，使该过程在中频段完成。软件无线电系统模块化在应用过程中，通过软件编辑，较好地完成了通信的多项性能[6,7]。这项软件无线电系统在划分过程中一般分为宽带天线和射频前端、宽带DDC和DUC、高速DSP以及信号处理等模块，同时也给数据的实时传输也带来了一定的技术挑战。

图3 软件无线电系统体系构造框图

4.1 宽带天线及射频前端模块和主要技术了解

4.1.1 宽带天线及射频前端模块

宽频天线是软件无线电系统体系构造中的一个重要部分，是软件无线电系统接收和输出的信号。此部件只能由硬件完成，软件无法装载。软件无线电的设计目标是实现无线电台和个人通信的全面性能，使天线接纳区覆盖整个频带。软件无线电中，天线的时序需求带宽达到10倍以上，同时必须满足天线增益、尺寸以及价格的要求。收音机软件要求天线能覆盖所有频段，功能和参数由软件设定。

射频前端软件是无线通信系统中继宽带天线后的第一个处理单元。射频前端不仅要处理宽频天线接收到的信号，还要处理大频段的信号，实现低噪声放大、滤波、混频、主动增益把控以及性能加强等功能[8]。高频前端的功放是中心，软件无线电采用宽带接收信道，在复杂的频带上产生大量的基带信号，增加带宽，降低失真，从而提高放大器的性能。

4.1.2 宽带天线设计中关键技术分析

在软件无线电系统总体设计中，宽带天线的开发越来越受到重视，其功能直面影响信号的接纳和传送。该系统重要包含宽带技术和多频天线两大类。宽频天线技术是指在2～2 000 MHz频带上接收和传输的天线，由于其带宽的特点，目前仍处于研究阶段，没有完全实现。而实际应用中只需要几个不同频带的窗口就可以有效实现多频段组合[8]。在实际应用过程中，美国的Speakeasy电台采用了多频段天线技术，将频段划分成3个部分，分别为2～30 MHz、30～500 MHz以及500～2 000 MHz。由于天线的带宽不能设置，故此天线的传输率度十分有限，现实利用的宽带天线还必须更进一步研究。

宽带天线设计的基本原理是采用多波天线，如线阵形成和广播场形成等。以软件无线电为基础的智能天线结构中，高速数字信号处理是多波束形成的主流方法，智能型天线可以提升系统储存量，近年来的研究引起了人们的普遍注重，其完成对软件无线电的进展具有推进作用[8]。

4.2 数字变频器模块

数字变频器模块在应用过程中将整个工作段进行数字化，同时对数字化信息进行基带处理，从而提高了对DSP的处理能力。此外，当DSP器件达到所需的电气常数后，就可以轻松切换到理想的软件无线电系统[9]。

频率转换模块主要由局域数字振荡器、数字混频器以及排雷器（内插滤波器）组成。该软件性能系统主要完成对输入数据的调制和调节以及频率计算等。数字化的光谱变换技术已经相对成熟，常见的软件无线电系统产品有HSP50215和HSP50016两种，其中HSP50016是一种转换卡。

4.2.1 数字上变频器

数字上变频器的一大特征就是能够经过转变内寄存器的值来转变调制方法，基带信号、载波中心频率以及输入输出数据格式一致。这些器件中的256个I、Q滤波装置具有很强的波长可编程性，可以为普通信号提供波长输出。HSP50215上位机正交NCO调制运用数字方法完成了I、Q信号在任意频率载波上的正交化。

256抽头形滤波器为可编程数字滤波器，可同时完成4～16次内插运算，在滤波附加高频分量和基带信号波形方面具有重要作用。复合滤波CIC过滤器根据DSP的运算能力和系统的整体性能，提出在高速数据处理中应采用基于高频滤波性能的简易滤波器[9]。它只需实行单一的加法运算，而且能够与NCO结合完成非整数值采样。

4.2.2 数字下变频器

数字下变频器的主要特征是经过软件调整内部寄存器的输入模式、载波中心频率和相位、NC振荡频率、增益控制模式以及输入输出数据格式等，从而实现解调。在应用中，通过采用HSP50214采样数据进行分析，同时可以实现可编程数据的比较，得到的比特为14位。

下变频器的重要构造之一为正交NCO解调，可以对各频率调制的I、Q信号进行数字解调，另外不同的抽取滤波器用于衰减率变换。通过多次滤波后，下变频器的数据抽取滤波器可分为以下4个部分。一是五阶梳状滤波器。二是五级半带式滤波器，每一个子带式滤波器对应双数据提取，由于半带式滤波器具有均匀序列号（除0外）的脉冲响应特性，计算时间在0时可以减半。三是可编程滤波器，可以实现1～16次数据抽取，并且可以对基带信号进行高精度滤波。四是重采样滤波器和插值滤波器。第二次采样滤波是NCO驱动的多相位滤波，可以对非整数采样率实行转换，完成必定的精确度，采样率为1～4，数据率为基带符号的整数倍[10]。后半带滤波器能够依据后期处理的需要实行二次或者是四次插值，从而有效提升基带信号的采样率。

4.3 数字信号处理模块和其他主要技术了解

4.3.1 数字信号处理模板

数字信号处理模板是软件无线电系统的中心，重要实质概括为信号处理、调制与调节、码流处理、编解码、频谱了解以信号识别。实践证明，该系统具有较高的实时性、准确性及可靠性，可以完成数字信号的飞快处理[4]。

4.3.2 其他主要技术了解

（1）总线构造。开放性是软件无线电的一个主要特点，它重要体现在开放性标准总线上。软件无线电只需采用先进的标准总线就可以很容易地进行调整和升级。VME总线在软件无线电领域比其他标准工业总线（PCI，ISA等）应用更为广泛，VME总线已被美国军方应用。

（2）软件部分。在软件无线电系统的完成期间，主要的内容包括总线构造类别、各性能模块的区分以及与公用电话网和移动通信网等网络的对接标准等，因此在利用软件无线电进行多路互联时必须实现通用信号处理。软件无线电的主要特点是利用软件实现电台的数学建模功能，分析电台的各种功能，然后选择物理功能较为成熟的数学建模方法，基本形成实现数字滤波和调制解调的算法。在分析站址需求的基础上，建立了各功能模块的优化算法模型[10]。