软件无线电关键技术的发展状况

杨 帆

（辽宁省重大技术装备战略基地建设工程中心，辽宁 沈阳 110034）

0 引 言

随着无线电通信技术的不断发展，数字化的变革成为无线电通信发展的方向。而软件无线电的出现正好顺应了无线电通信技术从模拟向数字的转变，并且实现了由软件定义通信功能。软件无线电的概念于20世纪90年代被提出，最初在美国得到应用，主要思想是将所有的电台安置在同一硬件平台上，通过软件安装重新组装不同功能类型的电台，以实现不同的通信功能。软件无线电具有灵活性和集中性[1]。灵活性是指软件无线电可以实现不同信道的转换，也可以改变调制方式，接收不同类型的信号[2]。集中性是指软件无线电可以实现多信道的前端射频级共享。本文主要探讨软件无线电关键技术的发展状况。

1 软件无线电的通信原理

软件无线电通信以硬件平台为依托，通过软件编程实现无线电台的各种功能。其应用多频段天线、射频前端、A/D宽带转换器以及高速数字信号处理器4个装置，达到从模拟信号接收到数字化处理转换的功能[3]。每一个组成装置都有独特的功能和作用。软件无线电技术为了实现不同系统信息的联通，将天线系统的频段都设置得较宽，且具有多功率射频转换的功能。射频前端主要用于实现信号的放大和过滤等功能。A/D宽带转换器具有数字信号与模拟信号相互转换的功能。高速数字信息处理器的主要功能是对数字信号进行一系列处理，如滤波、变频、调制、加密、降噪以及抗干扰等[4]。

软件无线电有机整合上述各组成部分的功能，通过多频宽带天线接收模拟信号。接收模拟信号后需要通过射频前端放大信号，将放大后的模拟信号传送到宽带A/D转换器进行数字化处理，处理后的模拟信号再传送至DSP编程处理器，后通过加载软件实现软件无线电的各种功能，并将不同功能处理后的信号传送至用户接收机[5]。当用户接收到软件无线电的处理信息后，可以在硬件设备上应用各种软件分析通信的环境，管理需要处理的业务，同时可以实现软件无线电结构和性能的升级。

2 软件无线电的关键技术发展状况

软件无线电与信号间的数字化转换、信息的处理方式、处理速度以及数据的运算与存储等因素紧密联系。其主要的系统组成是实现其各种功能的关键，下面详细介绍软件无线电通信的系统组成。

2.1 宽带/多频段天线

多频段天线技术是软件无线电的关键技术。软件无线电需要通过多频段天线接收来自不同系统和不同频段的模拟信号，是软件无线电通信的第一步。但是，在接收信号时，由于天线内部的阻抗不匹配导致不同频段天线不能混合使用。因此，软件无线电的天线组成部分为了接收各种频率的信号，必须要选择性能好且运行稳定的宽带天线[6]。一般情况下，软件无线电的天线接收频率为2～2 000 MHz，可以满足天线对模拟信号的接收需求。因此，使用多频段组合方案可以实现对频率的全覆盖。实际验证发现，这样的天线组合方式不但技术上可行，而且符合软件无线电的各项技术要求。但是需要对每一个系统和每一个波段都使用单独的天线，从而接收大范围的射频信号并进行射频数字化处理。受硬件设备的限制，目前技术难以实现射频数字化处理，只能实现中频数字化处理。因此，软件无线电天线系统的射频数字化技术还有待进一步的研究。

2.2 宽带A/D转换器

在软件无线电系统中，将宽带A/D转换器的位置尽可能放置在靠近天线端，便于数字化的信号处理。如图1所示，在实际应用中，A/D转换器的抽样频率需要大于2Wa（Wa为抽样信号的带宽）。但是，受转换器的非线性和接收机量化噪声失真的影响，为保障转换器转换的速度和精度，将抽样频率选定为大于2.5Wa。此外，宽带A/D转换器位数要满足动态范围和数字处理的精度，但受宽带技术的限制，无法通过一个A/D宽带转换器实现接近几十兆宽带的传播。因此，在进行模数转换时，往往将多个A/D宽带转换器进行组合[7]。A/D宽带转换器要实现高频、高动态范围、高精度以及高抽样频率的模数变换十分困难，在目前的芯片技术限制下并不能实现RP数字化。因此，需要将数字化放在中频末端，以实现宽带转换器对模拟信号的数字化处理。

图1 A/D转换器工作过程

2.3 高速数字信号处理器技术

数字信号处理器主要进行电台内部信号的解调、处理以及编码等。在实际数字信号处理时，由于电台内部的数据流量较大，滤波和变频等操作步骤较为频繁，因此需要采用专用的集成电路实现数字信号的高速处理。但是，这对硬件的处理速度、芯片容量以及处理算法提出了较高要求。因此，要进一步发展数字信号处理器技术，需不断进行优化和改进。只有对数字处理器进行优化和改进，才可以实现软件无线电系统的控制和切换，实现内部电台软件的高速运行[8]。DSP数字信号处理器主要由DSP、FPGA、PIR存储器、I/O接口以及专用芯片组成。除在功能上可以实现数字信号的基本操作外，还可以实现终端数据交换、频率交换、自适应调制以及解调等功能。在高速数字信号处理器的组成中，专用芯片是最重要的组成部分。它不仅可以实现录波器和变频器的功能，而且对数字信息的处理速度远超于普通芯片[9]。例如，FPGA专用芯片通过可编程阵列可以满足灵活性和处理速度的要求，同时可以设置软件无线电动态功能。在高速信息处理器的信息处理过程中，密集型计算主要在DSP内进行。专用芯片FPGA主要用于实现数字信息处理的固定功能部分。图2为数字信号处理器工作原理图。

图2 数字信号处理器工作原理

2.4 实时操作系统

软件无线电各种功能实现的基础在于不断提高处理器处理的速度。但是，实际应用中需要通过实时的软件处理系统和软件操作系统来实现软件无线电处理器功能。与传统的通用操作系统相比，软件无线电的实时操作系统不仅可以实现对处理任务时间调度的控制，还可以更好地分配数字信号处理资源。在进行软件无线电通信时，采用实时操作系统和应用软件，可以实现通信模式软件的功能[10]。随着实时操作系统通信技术的不断发展，系统模块会不断更新，会有更多的新功能保障软件无线电通信提供高效的服务。

3 结 论

软件无线电作为一种新兴的无线电通信技术，发展至今已经在多个领域内得到了广泛应用，但软件无线电的功能特性还有待开发。因此，了解软件无线电通信的结构原理，掌握软件无线电通信的关键技术，对软件无线电技术的发展具有重要意义。