軟件無(wú)線(xiàn)電是最近幾年提出的一種實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電通信的體系結(jié)構(gòu) ,是繼模擬到數(shù)字、固定到移動(dòng)之后 ,無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的又一次重大突破。并從軟件無(wú)線(xiàn)電的基本概念出發(fā) ,討論了其功能結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)以及應(yīng)用和發(fā)展前景。

1.引言

    完整的軟件無(wú)線(xiàn)電 (Software Definition Radio)概念和結(jié)構(gòu)體系是由美國(guó)的Joe.Mitola首次于1992年5月明確提出的。其基本思想是 :將寬帶A/D 變換盡可能地靠近射頻天線(xiàn) ,即盡可能早地將接收到的模擬信號(hào)數(shù)字化 ,最大程度地通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能。通過(guò)運(yùn)行不同的算法 ,軟件無(wú)線(xiàn)電可以實(shí)時(shí)地配置信號(hào)波形 ,使其能夠提供各種語(yǔ)音編碼、信道調(diào)制、載波頻率、加密算法等無(wú)線(xiàn)電通信業(yè)務(wù)。軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)不僅可與現(xiàn)有的其它電臺(tái)進(jìn)行通信 ,還能在兩種不同的電臺(tái)系統(tǒng)間充當(dāng)“無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)關(guān)”的作用 ,使兩者能夠互通互連。

    軟件無(wú)線(xiàn)電充分利用嵌入通信設(shè)備里的單片微機(jī)和專(zhuān)用芯片的可編程能力 ,提供一種通用的無(wú)線(xiàn)電臺(tái)硬件平臺(tái) ,這樣既能保持無(wú)線(xiàn)電臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化 ,又能解決由于擁有電臺(tái)類(lèi)型、性能不同帶來(lái)的無(wú)線(xiàn)電聯(lián)系的困難。

2.軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

    圖1給出了典型的軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 ,包括天線(xiàn)、多頻段射頻變換器、含有A/D 和D/A變換器的芯片以及片上通用處理器和存儲(chǔ)器等部件 ,可以有效地實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)功能及其所需的接口功能。

   其關(guān)鍵思想以及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于 :

(1)將A/D 和D/A向RF端靠近 ,由基帶到中頻對(duì)整個(gè)系統(tǒng)頻帶進(jìn)行采樣。
(2)用高速DSP/CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專(zhuān)用數(shù)字電路與低速DSP/CPU做A/D 后的一系列處理。A/D 和D/A移向RF端只為軟件無(wú)線(xiàn)電的實(shí)現(xiàn)提供了必不可少的條件 ,而真正關(guān)鍵的步驟是采用通用的可編程能力強(qiáng)的器件 (DSP和CPU等 )代替專(zhuān)用的數(shù)字電路 ,由此帶來(lái)的一系列好處才是軟件無(wú)線(xiàn)電的真正目的所在。

   典型的軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)的工作模塊主要包括實(shí)時(shí)信道處理、環(huán)境管理以及在線(xiàn)和離線(xiàn)的軟件工具三部分。

1)實(shí)時(shí)信道處理

   實(shí)時(shí)信道處理包括天線(xiàn)、射頻變換、A/D 和D/A變換器、中頻處理、基帶與比特流處理及信源編碼。其中射頻變換包括輸出功率的產(chǎn)生、前置放大、射頻信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)中頻或由標(biāo)準(zhǔn)中頻變換為射頻信號(hào) ,以適應(yīng)寬帶A/D和D/A變換。中頻處理部分變換調(diào)制基帶和中頻之間的發(fā)射和接收信號(hào)。比特流部分?jǐn)?shù)字復(fù)用由多個(gè)用戶(hù)產(chǎn)生的信源編

碼比特流 ,而且相反的使它們成幀或多路分解。還提供信令、控制和操作、管理和維護(hù)功能。實(shí)時(shí)信道處理部分最合適的結(jié)構(gòu)是多指令多數(shù)據(jù) (MIMD)多處理器的結(jié)構(gòu) ,即將多處理器組成一個(gè)流水線(xiàn) ,來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊分配給內(nèi)部連接在一起的各個(gè)處理器的不同的功能序列。

2)環(huán)境管理

    在準(zhǔn)實(shí)時(shí)環(huán)境管理模塊中持續(xù)地使用頻率、時(shí)間和空間特征來(lái)表征無(wú)線(xiàn)電環(huán)境 ,這些特征包括信道識(shí)別和估計(jì)其它參數(shù)。環(huán)境管理模塊使用操作的塊結(jié)構(gòu)很容易用一臺(tái)MIMD并行處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種高度的并行環(huán)境管理模塊和流水線(xiàn)工作方式的實(shí)時(shí)信道處理模塊之間的接口必須使環(huán)境管理的參數(shù)和信道處理模塊同步。

3)在線(xiàn)和離線(xiàn)的軟件工具

    在線(xiàn)和離線(xiàn)系統(tǒng)分析、信號(hào)處理和變宿主工具允許人們確定增量業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)的增加可在實(shí)時(shí)信道處理模塊中生成和連接 ,也允許人們調(diào)整算法 ,以便實(shí)驗(yàn)參數(shù)位置、確定業(yè)務(wù)的一些數(shù)值和資源影響。高度集成化的軟件工具可比較快地實(shí)施增值的軟件升級(jí) ,當(dāng)軟件定義的網(wǎng)絡(luò)迅速擴(kuò)大后 ,可通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸提供改進(jìn)了的業(yè)務(wù)服務(wù)。

3.軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)

1)寬帶 /多頻段天線(xiàn)

    軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)覆蓋的頻段從2-2000MHz ,就目前水平而言研制出一種全頻段天線(xiàn)是不可能的。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)只要覆蓋不同頻程的幾個(gè)窗口 ,而不必覆蓋全部頻段 ,故可以采用組合式多頻段天線(xiàn)的方案。美軍的“Speakeasy”項(xiàng)目就采用了分段實(shí)現(xiàn)的寬帶天線(xiàn) ,即把2-2000MHz 的頻段分為三段 :2-30MHz ,30～500MHz ,500-2000MHz。這在技術(shù)上是可行的 ,且基本不影響戰(zhàn)術(shù)使用的要求。

２)寬頻段射頻前端和功率放大

    寬帶射頻前端要求器件有較寬的頻率范圍 ,主要完成低噪聲放大、濾波、混頻、自動(dòng)增益控制(AGC)以及輸出功率放大等功能。寬帶低噪聲前置放大器可達(dá)到幾個(gè)倍頻程 ,這無(wú)論是在器件上還是電路設(shè)計(jì)上都沒(méi)有困難 ,幾個(gè)倍頻程的寬帶功放則需要很好地選擇器件并使用電路CAD優(yōu)化技術(shù)。

3)A/D部分

    對(duì)A/D 的要求主要是采樣速率和位數(shù)。現(xiàn)有的A/D還不能同時(shí)滿(mǎn)足速率與采樣位數(shù)的要求。解決方法 :一方面考慮用多個(gè)高速的采樣保持電路和ADC ,然后通過(guò)并串轉(zhuǎn)換將量化速度降低 ,以提高采樣分辨率 ;另外也可考慮研究適合于低分辨率、高采樣率的A/D 編碼調(diào)制方案。

4)高速并行DSP

    數(shù)字下變頻 (DDC)是A/D 變換后首先要完成的處理工作 ,包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣 ,是系統(tǒng)數(shù)字處理運(yùn)算量最大的部分 ,也是最難完成的部分。為了較好地進(jìn)行濾波等處理 ,需要每采樣點(diǎn)100次操作 ,對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)帶寬為10MHz的系統(tǒng) ,采樣頻率要大于25MHz ,這就需要2500 MIPS的運(yùn)算能力 ,這是現(xiàn)有的任何單個(gè)DSP無(wú)法完成的 ,故必須采用高速并行DSP組成的多處理器模塊(MCM )或?qū)Ｓ眉呻娐贰?shù)字下變頻后的高速信號(hào)處理部分主要完成基帶處理、比特流處理和信源編碼等工作。

5)信令處理

    軟件無(wú)線(xiàn)電用于實(shí)現(xiàn)多模互聯(lián)時(shí) ,需實(shí)現(xiàn)通用信令處理 ,因此有必要把現(xiàn)有的各種無(wú)線(xiàn)信令按軟件無(wú)線(xiàn)電的要求劃分成幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的層次 ,開(kāi)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的信令模塊 ,研究通用信令框架。

4.軟件無(wú)線(xiàn)電的特點(diǎn)及其應(yīng)用

    軟件無(wú)線(xiàn)電最突出的特點(diǎn)是 :
(1)軟件無(wú)線(xiàn)電具有完全可編程特性 ,包括可編程的無(wú)線(xiàn)波段、信道接入方式、信道調(diào)制、數(shù)據(jù)速率等 ,通過(guò)軟件提供信令、控制和操作、管理和維護(hù)功能。
(2)A/D和D/A盡可能地向RF靠近 ,即盡可能早地將接收到的射頻模擬信號(hào)數(shù)字化 ,盡可能晚地將發(fā)送的數(shù)字信號(hào)變換為射頻模擬信號(hào) ,以便充分利用DSP器件的速度和軟件資源 ,盡量通過(guò)軟件編程完成從信源基帶直至射頻的波形變換和相關(guān)處理。軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)遵循開(kāi)放平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想 ,采用模塊化結(jié)構(gòu) ,方便硬件模塊更換和軟件升級(jí)。物理、電氣接口的技術(shù)指標(biāo)符合高性能的VME總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) ,滿(mǎn)足一般協(xié)議如信令格式 ,線(xiàn)路自動(dòng)建立及相關(guān)算法等要求。新業(yè)務(wù)的增加僅需在電臺(tái)中加載新的軟件模塊即可實(shí)現(xiàn) ,從而降低了通信設(shè)備的成本 ,改善了性能。因此這樣的一個(gè)體系結(jié)構(gòu)具有非常大的通用性 ,可用來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段、多用戶(hù)、多體制的通用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。

    由于軟件無(wú)線(xiàn)電的這些特點(diǎn)決定了其應(yīng)用具有以下特征 :業(yè)務(wù)多樣化 ;優(yōu)越的低截獲概率、低探測(cè)概率、抗干擾性能 ;自動(dòng)選擇通信模式 ,無(wú)感覺(jué)完成通信聯(lián)絡(luò) ;可作為網(wǎng)關(guān)站加入全球柵格通信網(wǎng)。例如在移動(dòng)通信或ＰＣＳ中 ,它可解決傳統(tǒng)基站和移動(dòng)終端的單一模式而造成的不能兼容問(wèn)題 ,使基站和移動(dòng)終端能夠滿(mǎn)足多種標(biāo)準(zhǔn) ,能應(yīng)付當(dāng)前和將來(lái)復(fù)雜的通信模式和信令結(jié)構(gòu)。

5.結(jié)束語(yǔ)

    目前軟件無(wú)線(xiàn)電更多地是以一種概念和猜想的形式出現(xiàn)的 ,具體的定義和體系結(jié)構(gòu)尚無(wú)定論 ,然而隨著對(duì)其研究工作的深入展開(kāi) ,通信領(lǐng)域必將經(jīng)歷類(lèi)似于個(gè)人微機(jī)在80-90年代所經(jīng)歷的變革。