主頁（http://www.130131.com）：軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

軟件無線電(SDR)作為當(dāng)今無線通信領(lǐng)域的新技術(shù)，正在起起內(nèi)外越求越多的關(guān)注，在通信領(lǐng)域是繼模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)、固定通信到移動(dòng)通信之后的新的無線電通信體制。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，兼容各種不同制式類型的設(shè)備已經(jīng)日益顯露出其需求性，與傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)相比，軟件無線電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)通用、功能軟件化、互操作性妤等一系列優(yōu)點(diǎn)。

軟件SDR

一、軟件無線電的起源與發(fā)展

軟件無線電的產(chǎn)生原因與海灣戰(zhàn)爭有關(guān)，當(dāng)時(shí)以美國為首的多國部隊(duì)中使用了多種不同制式的通訊設(shè)備，因而造成了互相通訊的困難。之后在1992年5月Jeo Mitola在美國通信系統(tǒng)會(huì)議上首次提出“軟件無線電”的概念。其基本思想是使所有使用戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)都基于同一個(gè)硬件平臺(tái)，安裝不同的軟件來組成不同類型的電臺(tái)，完成不同性質(zhì)的功能。因此它具有軟件可編程能力。這個(gè)概念很快就在世界各國引起了注意，這是因?yàn)楝F(xiàn)在軍事通信對無線電通信系統(tǒng)的可靠性、互通性、靈活性以及抗干擾、抗毀性、保密、安全等都有更高的要求。美國軍方與Hazcltine公司研制了一種名為“speakeasy”(易通話)軟件無線電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了美軍通用的多頻段、多功能的無線電平臺(tái)，能兼容軍隊(duì)現(xiàn)有的各種電臺(tái)，能同時(shí)處理4種以上不同的調(diào)制波形。這種電臺(tái)可以稱得上是種帶有天線的、能進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹罢粕想娔X”。通信的業(yè)務(wù)包括話音、數(shù)據(jù)和視頻圖像等。

目前軟件無線電在民用領(lǐng)域日益受到重視，主要原因是現(xiàn)行通信系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多種多樣，各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的系統(tǒng)間難以兼容，難以用統(tǒng)一的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)目前仍存在著標(biāo)準(zhǔn)之爭，如果采用軟件無線電來適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)，不失為一種可行之道。另一方面，通信技術(shù)發(fā)展十分迅速，舊的系統(tǒng)不斷改進(jìn)，新的系統(tǒng)迅速涌現(xiàn)，人們需要一種比徹底淘汰舊設(shè)備更為經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)升級方法，而軟件無線電的可編程性則較好地適應(yīng)了這一需求。

軟件SDR

二、軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)模擬無線電系統(tǒng)的射頻部分、上/下變頻、濾波及基帶處理全部采用模擬方式，某頻段和某種調(diào)制方式的通信系統(tǒng)都對應(yīng)專門的硬結(jié)構(gòu)；而數(shù)字無線電系統(tǒng)的低頻部分采用數(shù)字電路(如本振用數(shù)字頻率合成器、信源編譯碼和調(diào)制解由專用芯片完成)，但其射頻部分和中頻部分仍離不開模擬電路。與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，軟件無線電系統(tǒng)的A/D/A變換移到了中頻，并盡可能靠近射頻端，對整個(gè)系統(tǒng)頻帶進(jìn)行采樣，即從中頻(甚至射頻)開始就進(jìn)行數(shù)字化處理，這是軟件無線電的一個(gè)突出特點(diǎn)。數(shù)字無線電采用專用數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)單一通信功能，無編程性可言。而軟件無線電以可編程力強(qiáng)的DSP器件代替專用數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件構(gòu)與功能相對獨(dú)立。這樣就可基于一個(gè)相對通用的硬件平臺(tái)，通過軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能，并對工作頻率、系統(tǒng)帶寬、調(diào)制方式、信源編碼等進(jìn)行編程控制，系統(tǒng)靈活性大為增強(qiáng)。

軟件無線電的硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，必須是一個(gè)具有開放性、可擴(kuò)展性和兼容性的通信平臺(tái)，以模塊化的標(biāo)準(zhǔn)做成總線的形式。我們基于這一相對通用的硬件平臺(tái)，通過加載不同的軟件(需要時(shí)可更換插卡)來實(shí)現(xiàn)不同的通信功能。軟件無線電的硬件平臺(tái)比PC要求高得多，它需要寬帶射頻前端、寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器、高速DSP器件等。為了進(jìn)行高速A/D/A變換及數(shù)字信號處理，軟件無線電系統(tǒng)必須多個(gè)CPU并行工作。另外，數(shù)字信號處理數(shù)據(jù)要高速交換，系統(tǒng)總線必須具有極高的T/O傳輸速率。在目前符合要求的系統(tǒng)總線中，VME總線技術(shù)最成熟，通用性最好，且得到的支持最廣泛。VME提供多個(gè)CPU并行處理，支持獨(dú)立的32位數(shù)據(jù)總線和地址總線，速率達(dá)40Mb/s(甚至320Mb/s)，基本滿足軟件無線電的要求，是軟件無線電的首選總線方式。

三、軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)

1.多頻段落轉(zhuǎn)換與寬帶射頻

對于軟件無線電系統(tǒng)的天線，應(yīng)具有多頻段的天線和可編程控制的射頻轉(zhuǎn)換功能，在滿足天線增益、物理尺寸及價(jià)格等方面的基礎(chǔ)上，具備有2MHz-3MHz的工作帶寬。在無線電工程中沒有必要覆蓋全頻段，而只需覆蓋不同頻段的幾個(gè)窗口，因此可采用組合式多頻段天線，美國軍方的speakeasy就是采用了多套RF天線的方案。對于寬帶射頻，進(jìn)行調(diào)諧、能量控制、低噪聲前置放大器(LNA)的配置也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.寬帶A/D部分。

決定寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵是采樣及位數(shù)。采樣速率由信號寬帶決定，而量化位數(shù)則要求滿足一定的動(dòng)態(tài)范圍和DSP精度。因?yàn)楝F(xiàn)有的單片ADC無法滿足這兩點(diǎn)要求，可采用多個(gè)ADC并聯(lián)的方式使用。

3.高速并行的DSP部分。

在系統(tǒng)數(shù)字化處理運(yùn)算中，難度最大的是上下變頻、濾波和二次采樣，在高速并行的DSP中包括數(shù)字基帶處理、調(diào)制解調(diào)、比特流處理以及解碼功能等。對于調(diào)頻和擴(kuò)頻系統(tǒng)，該部分還應(yīng)有解擴(kuò)和解跳功能。要實(shí)現(xiàn)這一部分功能，就要采用高速并行的DSP組成多處理器的并行運(yùn)算系統(tǒng)，包括要有更多的多址呼叫、更寬的程序總線和數(shù)據(jù)總線、單指令多數(shù)據(jù)、多指令多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及采用超指令結(jié)構(gòu)等，該部分可用專用數(shù)字集成電路芯片ASIC(例如美國Harris公司的DDC芯片HS P50016)來實(shí)現(xiàn)。

4.離開放性及擴(kuò)展性的總路線結(jié)構(gòu)。

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，一般采用流水線形式，其特點(diǎn)是各功能單元之間用電路相連，若要增加刪除或修改某一部分的功能，則與其相應(yīng)的功能模塊都要做出調(diào)整，因而該結(jié)構(gòu)不具有開放性。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各功能單元互聯(lián)，組成一個(gè)開放的、可擴(kuò)展的硬件平臺(tái)，同時(shí)具有較高的數(shù)據(jù)吞吐率。軟件無線電系統(tǒng)必須采取一種新的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)比較簡單，而且可直接應(yīng)用多種總線標(biāo)準(zhǔn)(如VME,總線、PCI總線等)，目前國內(nèi)外的一些機(jī)構(gòu)正在研究具備上述特點(diǎn)的、基于總線的互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

5.軟件協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。

上個(gè)世紀(jì)90年代中后期以來，國外正在研究如何實(shí)現(xiàn)軟件即插即用(Plug&Play)，并提出基于。JAVA/CORBA的軟件協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。而基于“軟件總線”的思想，就是建立一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)、開放、易用的體系結(jié)構(gòu)。所謂“軟件總線”與常說的“硬件總線”相類似，是將應(yīng)用模塊按標(biāo)準(zhǔn)做成總線，插入總線就可實(shí)現(xiàn)組合式運(yùn)行，從而支持分布式的計(jì)算環(huán)境。這種設(shè)計(jì)思想與軟件系統(tǒng)中軟件的可重用性是一致的。

6.系統(tǒng)的功耗、體積和成本。

這是軟件無線電實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵，它的解決很大程度上依賴于硬件工藝水平的發(fā)展。

四、軟件無線電的發(fā)展與展望

九十年代以來，各類無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，無線電通信制式的差別，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)步，使軟件無線電技術(shù)越來越受到人們的重視，預(yù)計(jì)將成為未來全球通信網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)新體制。

按照理想結(jié)構(gòu)，軟件無線電臺(tái)從RF到基帶的所有信號處理任務(wù)都是以全數(shù)字形式進(jìn)行的，因此完全是編程控制的，而且其結(jié)構(gòu)也是可重組和再生的。但是，由于沒有符合要求A/D變換器可應(yīng)用于射頻段，現(xiàn)在正在開展研究的另一個(gè)課題是軟件無線電臺(tái)的數(shù)字RF前端，這是全頻段數(shù)字化的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的數(shù)字信號處理器件(DSP)已廣泛應(yīng)用于中頻、基帶或終端等部分的信號處理，這使得無線電設(shè)備的技術(shù)性能提高到了一個(gè)嶄新的現(xiàn)代化水平，但是其RF前端仍然是窄帶的。對軟件無線電臺(tái)而言，其RF前端中A/D變換器必須能夠處理整個(gè)通訊工作頻段，一般情況下要求從2MHz至3GHz。另外，移動(dòng)通信信號的典型特征就是存在衰落和屏蔽，還可能出現(xiàn)強(qiáng)阻塞和干擾，其結(jié)果就使得出現(xiàn)在接收RF端的移動(dòng)通信信號的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)1OOdB以上，若是考慮到不同標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)通信信號，其動(dòng)態(tài)范圍還將更大。對于帶寬為1OMHz的系統(tǒng)，采樣頻率大于25MHz，需要2500MIPS的運(yùn)算處理能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足RF前端所要處理的信號環(huán)境要求。即使是有了能夠滿足帶寬和動(dòng)態(tài)范圍要求的A/D變換器，它們對功率的要求仍然會(huì)阻礙所使用的移動(dòng)終端�，F(xiàn)階段開發(fā)的軟件無線電臺(tái)還不可能采用全頻段數(shù)字化的理想結(jié)構(gòu)，而是采用Rf前端的部分頻段數(shù)字化的實(shí)用結(jié)構(gòu)。

綜上所述，軟件無線電包含有兩層意思：一是射頻(RF)前端，二是數(shù)字信號處理；其核心部件就是寬帶A/D/A變換器及高速DSP芯片。軟件無線電的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠根據(jù)無線波段、波道接入方式，通過定義各工作參數(shù)，重組信道結(jié)構(gòu)，在硬件平臺(tái)上完成各種信號處理任務(wù)。因此，可以采用在公共硬件平臺(tái)上設(shè)計(jì)每一個(gè)工作標(biāo)準(zhǔn)的專用數(shù)字前端，或者利用不同工作標(biāo)準(zhǔn)的共性。前一種設(shè)計(jì)不但可以獲得最大的自由度，而且可以使使用的門電路數(shù)量降至最少，后一種設(shè)計(jì)則必需開發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)字前端功能的專用算法，但卻可以用ASIC來實(shí)現(xiàn)，使我們能夠充分利用軟件無線電臺(tái)的概念。

總的說來，盡管軟件無線電臺(tái)一開始是為軍事短波超視距通信而開發(fā)的，但是由于它在提供模擬接收機(jī)所沒有的高保真度的同時(shí)還能夠提供極好的靈活性，對軟件稍作修改便可適應(yīng)和滿足不同用戶的要求，而且其成本費(fèi)用十分低廉，再加上數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，故而現(xiàn)在已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域，特別是在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用得更為廣泛。