軟件無線電及其實現方案的研究

2019-11-03 09:18:43

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供稿：網友

劉波粒

河北師范大學職業技術學院電子系

河北石家莊 050031

　　摘　要：在介紹軟件無線電的產生、基本概念和系統結構的同時，分析了實現軟件無線電的關鍵技術，并給出了基于目前器件技術水平的中頻軟件無線電流程框圖的折衷方案，最后指出軟件無線電技術的美好前景。 　　

　　關鍵詞：軟件無線電；模擬上/下變頻；數字上/下變頻；實現方案

　　一、引言 　　

　　軟件無線電最初起源于軍事研究。1992年5月，MILTRE公司的Joe Mitola［1］在美國國家遠程系統會議上首次作為軍事技術提出了軟件無線電（Software Radio，簡記為SWR）的概念，希望用這種新技術來解決三軍無線電臺多工作頻段、多工作方式的互通問題，從此，對軟件無線電的研究在國際范圍內迅速展開。1994年，美軍完成了“易通話”（Speakeasy）軟件無線電的第一期工程。1995年5月，IEEE《通信雜志》出版了軟件無線電專刊，進一步闡述了軟件無線電的體系結構及其相關的A/D（模/數變換器）、DSP（數字信號處理器）等關鍵技術，并給出了可以用于軟件無線電的現有DSP芯片清單，從此拉開了軟件無線電在軍事、商用領域研究的序幕。　　

　　所謂軟件無線電［2］，是指構造一個具有標準化、模塊化、開放性的硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，同時使寬帶A/D轉換器盡可能靠近天線，以充分實現數字化，提高可編程性。 　　

　　如何評價一個軟件無線電的“軟件化”程度呢？1997年5月軟件無線電概念的提出者Joe mitola在歐洲召開的軟件無線電會議中提出了一種思路［3］：用一個矢量，頻道數（N）、可編程數字化訪問（PDA）、硬件模塊化程度（HM）、硬件模塊化程度（SFA）來表示其“軟件化”程度。按照矢量分布，從4個尺度均為0到均為3，給出了對軟件無線電評價的級別。

　　二、理想軟件無線電臺框圖及其相關技術要求 　　

　　眾所周知，對于傳統無線電系統結構而言，其射頻部分（包括低噪放大、功率放大、上/下變頻、濾波等）和基帶處理全部采用模擬方式，其各部分功能均由相應的專門硬件結構來實現，屬于軟件無線電級別劃分的0級。隨后發展起來的數字無線電系統也只是在低頻部分采用數字電路，如GSM手機中的邏輯/音頻信號處理（將對數字信號進行一系列處理，內含CPU、DSP等），并且對數字信號的處理一般采用專用集成電路（ASIC）技術，若按軟件無線電的級別來劃分的話，最高達到1級。 　　

　　由軟件無線電的級別劃分可知，第3級的“射頻可編程”意味著直接實現射頻數字化，即盡可能地縮短模擬級的使用范圍，使無線電設備中的所有處理均是針對數字化信號進行的，其理想結構可描繪為圖1的形式。其特點是：模擬信號只在天線和射頻前端中存在，模數轉換（ADC）和數模轉換（DAC）器件直接放置在射頻級的位置，變換后的數字信號送入可編程能力強的數字信號處理器（DSP，它代替了專用的數字電路），并通過編程各種軟件完成各種功能，以便從射頻到基帶的所有電臺功能都可以用軟件來實現，使整個電臺將獲得最大的開放性、通用性和靈活性，使得通信系統擺脫了面向用途的設計思想。它是軟件無線電研究的理想目標。

　　

　　在圖1框圖中，各模塊所對應的關鍵技術［4］分別為： 　　

　　寬帶天線：需要跨越多個頻段，頻率范圍約在2MHz~2GHz。 　　

　　射頻前端：同樣需要在較寬的頻率范圍內完成濾波、低噪聲放大、功率放大等功能。 　　

　　高速A/D/A：由于射頻前端具有頻率高、帶寬寬的兩大特點（比如對于GSM，應工作于900　MHz的高頻段，占有帶寬25MHz）。根據奈奎斯特（Nyquist）定理可知，若將A/D/A變換器設置在靠近天線的位置，勢必使A/D在高頻率和寬頻帶下直接進行數字化處理，這就要求A/D、D/A變換器也要有足夠的帶寬（2GHz以上）、較高的采樣速率（60MHz以上）和較高的A/D轉換位數。　　

　　高速可編程數字信號處理模塊：將完成對射頻和基帶處理的全部數字信號的處理，以實現軟件控制，它同樣對所用芯片的處理能力提出了很高的要求。

　　三、軟件無線電的關鍵技術及其現行解決方案［4，5，6］ 　　

　　由于受寬帶天線、高速A/D及高速數字信號處理器（如DSP）等技術水平的限制，目前實現上述理想軟件無線電體系結構的條件尚不具備。為此，本文在簡述現有的技術和器件水平條件下，結合理想軟件無線電的設計思想，提出適于目前的現行解決方案。

　　1．寬帶多頻段天線關鍵技術的提出 　　

　　理想軟件無線電系統的天線部分應該能夠覆蓋全部無線通信頻段，然而由于內部阻抗的不匹配，致使不同頻段電臺的天線不能混用。目前還不能研制出2MHz~2GHz的全頻段天線。 　　

　　若從大多數系統只要求覆蓋不同頻段的幾個窗口，而不必覆蓋整個頻段的角度來考慮，可以采用多頻段組合式天線或采用多模式天線。

　　2．寬帶射頻關鍵技術的提出需附加一個“模擬上/下變頻”的環節 　　

　　除了射頻前端需要完成對信號的低噪聲放大、濾波、功率放大等功能外,為了適應目前A/D/A的技術特點，必須在圖1中附加一個“模擬上/下變頻”的環節，以便將射頻信號變換為適合于A/D采樣的寬帶模擬中頻信號或把D/A輸出的寬帶模擬中頻信號變換為射頻信號。 　　

　　目前，寬帶低噪聲前置放大器可達到幾個倍頻程（如2MHz~2GHz），這無論是在器件上還是電路設計上都沒有困難。幾個倍頻程的寬帶功放則需要很好地選擇器件并使用電路CAD優化技術。

　　3．寬帶A/D、D/A變換關鍵技術的提出 　　

　　寬帶A/D、D/A變換技術及其在無線電體系結構所處的位置標示著軟件無線電的級別，反映了軟件無線電的軟件化程度，體現了無線電通信技術的發展水平。其中靠近天線的A/D方案應用于接收部分，射頻信號通過A/D變換為數字信號提供給DSP處理；而對應的D/A方案則應用于發射部分，DSP處理后的數字信號通過D/A變換成為射頻信號。

　　正如上述“寬帶射頻關鍵技術”中所說，鑒于目前廠商能提供A/D/A器件的采樣率低于當前移動通信射頻的要求，為此可暫時先考慮將A/D/A變換器設置在中頻（10MHz左右）進行，這樣就需要提供一個降低了一定要求的、可實現的相應中頻寬帶A/D、D/A變換技術。 　

　　一般解決的方法有2種，即并行采樣和帶通采樣。并行采樣就是采用多個ADC并行工作的方式，每個ADC處理一定子帶帶寬內的信號，以降低對單個ADC采樣率的要求，從而獲得一定的分辨率。帶通采樣就是理想的帶通信號在低于一定的頻率和高于一定頻率范圍內的頻率分量為零，只要采樣率不低于2倍的信號帶寬，時域采樣就不會導致信號頻譜的重疊，顯然可見帶通采樣可較好地降低采樣率。當然應以被采樣信號的最高頻率不能超過ADC轉換器的全功率模擬輸入帶寬為限。

　　4．可編程高速數字處理關鍵技術的提出——需引入一個“數字上/下變頻”的環節 　　

　　圖1中，A/D/A右側系統所需要的信號處理工作，如變頻、濾波、調制、信道編譯碼、信道和接口的協議與信令處理、加解密、抗干擾處理、以及網絡監控管理等，均是基于可編程DSP芯片對數據流的實時或近實時處理來實現的，以體現無線電的軟件化。 　　

　　按目前普通的DSP可提供200MipS的處理能力，在中頻寬帶采樣后的信號需要信道選擇濾波器選中某一窄帶信道，而一個優良的FIR/IIR濾波器大約需要每個采樣點100次操作，對于30MSPS的采樣率，即需要3 000MIPS完成信道選擇和下變頻。因此在DSP上使用軟件實現下變頻目前還無法實現，DSP只能完成基帶處理。顯然，目前還沒有象圖1所示的軟件無線電所要求的單個DSP處理器。于是，人們提出了解決上述問題的有效方案引入一個“數字上/下變頻”環節的設想。其中“數字下變頻”的基本功能是從輸入的寬帶高數據流的數字信號中提取所需的窄帶信號，將其下變頻為數字基帶信號，并轉換成較低的數據流；“數字上變頻”為“數字下變頻”的逆過程。　　

　　解決方案大體分為以下幾種： 　　

　　（1）用“數字上/下變頻+DSP并行處理”組合結構的實現方案 　　

　　此方案包括“DDC（數字下變頻器）+DSP”組合結構和“DSP + DUC（數字上變頻器）”組合結構。對于“DDC+DSP”組合結構：固定模擬中頻信號通過模/數（A/D）轉換器件變換為數字中頻信號，再進入可編程數字下變頻器（DDC）進行內差和下變頻運算，使數字中頻信號的載波頻率進一步降低（完成第二次頻率變換），甚至變到基帶（即載頻為0）；此外還對輸入的數字信號進行采樣數據處理，進一步降低后面的DSP所需處理的數據量，使現有的DSP能夠有效地完成實時處理數據的任務。從DDC輸出的低中頻數字信號或基帶，經數字信號處理器（DSP）（一般采用多個DSP構成并行處理系統）完成解調、解碼等后繼處理，最后還原為原始的信息數據。至于“DSP + DUC”組合結構，其流程過程正好相反。 　　

　　（2）用“參數化ASIC +DSP”組合結構的實現方案 　　

　　DSP僅進行較低速的數字信號處理，而把數字上/下變頻等高速、大運算量的處理移嫁給可有限編程的參數化ASIC來完成。從表2看出，此法受可編程的限制，難以體現軟件無線電所要求的靈活性和開放性；并且對于支持更多的模式和頻帶，也將使ASIC的個數隨之增加。

　　

　　（3）用FPGA（可編程邏輯器件）實現數字上/下變頻和基帶處理的一體化方案 　　

　　從表2可見，FPGA與高速DSP和參數化ASIC的技術性能相比，具有體積小、功耗小、現場可編程能力強的特點，此外還有多流并行處理（與DSP相比，DSP為單流處理方式）的特點，可完成數字上/下變頻、濾波、調制/解調、擴頻/解擴、載波以及PN（偽隨機碼）的同步和跟蹤等功能。

　　四、中頻軟件無線電的實現方案 　　

　　鑒于目前關鍵技術（即A/D器件的采樣率低于軟件無線電射頻的要求和DSP器件只能完成基帶信號處理）的現狀，研究設計人員只好暫時采用表1中第2級的“中頻可編程”方案，如圖2所示。該方案可分為兩部分，即射頻到中頻的模擬部分和A/D/A以后的數字部分。

 　　

　　顯見，圖2與圖1的區別在于引入了2個環節：模擬上/下變頻和數字上/下變頻。就接收信號而言，兩環節的作用分別是：先通過模擬下變頻器將高頻轉換為適當的中頻，然后在中頻由A/D器件直接數字化，再經DDC器件將中頻數字信號下變頻至低頻或基帶。 　　

　　關于該方案的可行性，最具代表性的是美國的“易通話”（Speakeasy）系統，此外國內的一些研究機構也研制出很多具體的實用設備［5，6］。為此，本文不再設計相關設備來證實圖2的實用性。

　　五、結束語 　　

　　綜上所述，由于受寬帶天線、高速A/D/A及高速可編程數字信號處理模塊等技術水平的限制，目前實現圖1所示的理想軟件無線電體系結構的條件尚不具備。為此，人們對軟件無線電的研究，一方面集中在上述關鍵技術的探究上，另一方面是在現有的技術和器件水平條件下，探索如何最大限度地實現軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、智能化的設計思想體現到具體的應用中。 　　

　　自從軟件無線電概念提出以來，引起了各個領域的廣泛關注。目前，軟件無線電技術的研究已從最初的軍事領域發展到民用通信，特別是帶動了移動通信的研究。相信軟件無線電是繼模擬通信、數字通信后的第三代無線電通信技術。

　　參考文獻

　　［1］孫紅梅．軟件無線電的產生與應用［Ｊ］．電子展望與決策，1997，（4）：45~46．

　　［2］Joe mitola．The Software Radio Architecture［Ｊ］．IEEE Communications Magazine，1995，（5）：26~38

　　［3］Joe mitola.Software Radio Technolody Challenges and Opportunities［A］.First European Workshop on Software Radios［Ｃ］.May 1997. 

　　［4］賴玉強，王甲琛．軟件無線電的體系結構及其關鍵技術［Ｊ］．武警工程學院學報，2002，（4）：67~69． 

　　［5］張睿，李建東.一種實用的軟件無線電結構[J].電子學報，1999，（11）：38~41.

　　［6］王曉虎，劉金銀．中頻軟件無線電系統的FPGA實現方案［Ｊ］．電訊技術，2002，42（1）：59~63

　　
摘自《電訊技術》

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