软件无线电技术特点及其应用

彭丰

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳，621000）

1 软件无线电概论

软件无线电 (Software Definition Radio)概念和结构系统最早是由美国的Joe Mitola在1992年5月提出的。它的基本思想是使宽带A/D转换尽可能靠近射频天线。这意味着尽快将接收到的模拟信号数字化，并通过软件充分实现无线电台的各种功能。软件无线电可以运行不同的算法来实时配置信号波形，因此它可以提供各种无线通信服务，例如语音编码，信道调制，载波频率，加密算法等。一个软件无线电站不仅可以与其他现有的无线电站进行通信，而且还可以充当两个不同无线电系统之间的“无线电网关”，从而使两个无线电系统可以相互通信。结构如图1所示。

图1 软件无线电结构框图

2 软件无线电技术特点

与常规无线系统相比，软件无线系统的结构有很大不同。在传统的模拟无线电系统的情况下，射频部分，滤波等均采用模拟方法，并且特定频带和特定调制方法的通信系统对应于特殊的硬件结构。随后开发的数字无线系统在低频部分使用数字电路，例如用于本地振荡器的数字频率合成器，源编码解码器和调制和解调由专用芯片完成，而射频部分和中频部分仍然是模拟的，它不能和模拟电路分开。软件无线电系统的A/D和D/A转换从中频开始，并尽可能靠近RF端，从RF端开始，对整个系统频带进行采样，甚至进行数字处理直至射频。也就是说，除了射频滤波以外，低噪声放大和功率的额外放大均以模拟模式实现，其余功能如IF和基带解调，错误编码，信道均衡等均通过模数转换后的编程实现。可编程DSP器件可以用来代替专用数字电路，使系统硬件结构和功能相对独立，从而可以基于相对通用的硬件平台通过软件来实现不同的通信功能，以及工作频率和系统频率可以调整的频宽，调制模式，源代码等均受到编程和控制，系统的灵活性大大提高，这是软件无线电的突出特点。

通过预先分析传输信道和相邻信道的干扰特性，不仅可以传输信号，而且可以检测和确定最佳传输路径。选择并确定最适合信道传输的调制和编码方法。它确定宽带天线的位置，以便使传输波束获得最佳方向，并且可以自动调整适当的传输功率，以避免不必要的功率损耗。它还可以分析在传输信道和相邻信道上接收到的信号的分布特性，自动调整接收天线的方向，并识别接收到的信号的调制模式和编码模式。通过在硬件平台上安装其他软件，软件无线电可以完成各种功能，因此可以通过软件升级来实现系统功能，而无需更改硬件设备。

3 软件无线电技术中的关键技术

3.1 宽带/多频带天线

软件无线电台覆盖的频带是2到2000 MHz，因此不可能在当前水平上开发全频带天线。在大多数系统中，可以使用组合的多频带天线方案来代替覆盖所有频带。美国陆军的“Speakeasy”项目使用了分离式宽带天线。即，将2-2000MHz频带分为三个部分：2-30MHz，30-500MHz和500-2000MHz。这在技术上是可行的，并且默认情况下对战术使用要求没有影响。

3.2 宽带射频前端和功率放大

宽带射频前端，主要完成低噪声放大、滤波、混频，自动增益控制（AGC）和输出功率放大，该器件必须具有较宽的频率范围。宽带低噪声前置放大器可以达到多个倍频带。设备或电路设计没有困难。具有多个倍频程频带的宽带功率放大器需要多种组件选择，并且需要使用电路CAD优化技术。

3.3 A/D部分

A/D的要求主要是采样率和位数。现有的A/D仍然不能同时满足速度和采样位数的要求。解决方案：一方面，考虑使用多个高速采样保持电路和ADC，然后并行到串行转换以降低量化速率以提高采样分辨率，并且还考虑研究适用于低分辨率和高采样速率的A /D码调制方式。

3.4 高速并行DSP

数字下变频（DDC）是A/D转换后完成的第一项处理任务，包括数字下变频，滤波和二次采样，是系统数字处理中计算量最大，最困难的部分。每个采样点需要100次操作才能进行更好的过滤和其他处理。对于系统带宽为10 MHz的系统，采样频率必须至少为25 MHz，这需要2500 MIPS的计算能力，而传统的单个DSP则无法实现。为此，您需要使用由多处理器模块（MCM）或高速并行DSP组成的专用集成电路。在数字下变频之后，高速信号处理部分主要完成诸如基带处理，比特流处理和信号源编码之类的任务。

3.5 信号处理

当使用软件无线电实现多模式互连时，必须执行通用的信号处理，因此，根据软件无线电的要求，有必要将现有的各种无线电信号划分为几个标准级别，并开发标准信号模块。它研究了一般的信令框架。

4 软件无线的具体应用

4.1 无线电子技术在直升机通信和导航系统中的应用

4.1.1 宽带多频带天线

在当前应用中，用于直升机通信和导航系统的天线必须是可覆盖整个频带的全向宽带天线。这意味着可以根据需要使用该软件来配置自己的辐射特性和工作频带，以涵盖任何应用。高频无线电通信频带可以在整个频带上实现低功率损耗和相似的接受特性。

4.1.2 带宽D/A、A/D转换器

在基于无线技术的直升机通信导航系统中，数字化使系统具有灵活性。即，它不仅决定了无线电收发器的结构，而且限制了收发器的性能。该系统直接在射频中实现D/A和A/D转换，因此D/A和A/D转换器的采样率必须足够高。同样，奈奎斯特采样定理要求fs必须至少是Wa（模拟信号带宽）的两倍。否则，将反映信号特性和采样频率的失真。因此，在实际应用中，我们需要提高采样处理频率，并且fs至少应为Wa的2.5倍。同时，对于D/A和A/D转换设备，采样率和采样精度必须足够高。以下参数确定D/A和A/D转换设备的技术特性，从而增加采样值的位数并减少量化噪声。输入：噪声功率比，无杂散动态范围，量化噪声信号比和最大功率仿真带宽。简而言之，D/A和A/D转换器是直升机通信和导航系统的关键部分，它是系统软件的直接表示。在技术支持下，D/A和A/D转换器的性能更高，并且到RF前端的距离缩短了，从而提高了系统性能。

4.2 无线技术在雷达网中的应用

4.2.1 GSM网络仿真

GSM网络仿真技术是软件无线技术和雷达通信网络技术相结合过程中最具代表性的通信系统，也是应用最广泛的技术，对此技术的研究相对成熟。

许多地区距离很远或被山脉阻挡，并且GSM信号非常弱，甚至无法接收到该信号。由于地形的影响，很难建立传统的通信站。即使电信密集，由于人口不多，对建设资金的要求也很高。在电台的有效范围内可以接收信号的人数也非常有限，不是很有效。但是，将软件无线电应用到GSM可以解决此问题。

构建了一个模拟系统，该系统实现了基站与移动终端之间的信息对接，并实现了以OpenBTS为中心的语言信息的数据交换。该系统具有完整的系统和完整的功能，可以在解决GSM信号问题中发挥重要作用，现在是更好的通信系统解决方案。

4.2.2 短波跳频网络仿真

顾名思义，无线通信是通过无线电信号实现的，无线电信号发送器发送包含信息的信号，无线电信号接收器在接收到信号后分析信号以恢复信号内容。然而，由于在使用无线通信时其自身的开放性，存在信息泄漏的风险，因为在信息传输过程中容易被敌人拦截，并且在实际使用中通信安全性非常低。在无线通信过程中，添加了一系列通信安全技术以确保信息安全，从而大大降低了信息被拦截的可能性。在这种情况下，敌人很难拦截信息，因此下一步就是干扰无线电信号，降低对方的通信质量并破坏信息的准确性，这时跳频技术发挥了作用。

短波跳频技术主要用于无线通信中，以抵抗信号干扰并不断改变载波频率以实现抗干扰功能。跳频序列具有自己的算法，利用短波跳频网络仿真技术不仅可以抵抗干扰，而且可以减弱无线电信号的衰落，提高信息传递的能力。跳频序列的生成必须经过一系列复杂的计算，并且在最终获得该序列之后，才在跳频网络中进行测试，从而使跳频序列真正起到了抵抗无线电信号干扰的作用。由于短波跳频网络仿真技术在抵抗无线电信号干扰方面的突出作用，其在军事通信领域的应用范围非常广泛。

4.3 现代通信技术的应用

现代移动通信领域的更新非常快，而5G网络是迄今为止最常见的网络。在4G网络的开发过程中，我们面临着与4G和3G的兼容性问题。使用硬件设备进行转换会增加成本并降低灵活性。下次升级将出现更多问题。可以使用软件无线技术来增加灵活性，并且软件升级和修改可以提高第四代与第4G和3G之间的兼容性。执行下一次更新时，仅升级软件即可解决兼容性问题。当然，还应使用技术更新来更新硬件设备，以更好地适应软件无线技术。