軟件無線電的關鍵技術與未來展望

2019-11-03 09:37:31

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西安電子科技大學高康強　　軟件無線電 (Software Radio) 的概念是由軍事通信中得來的。無線通信裝備在機動性和抗毀性方面具有天然的優勢，所以在軍事通信中占有十分重要的地位。然而長期以來，軍用無線電臺都是針對某些特定用途而設計的，各種電臺雖有許多共同功能，但也有很大差別，如不同的工作頻段、調制解調方式等，這樣使得電臺之間不能相互通信。軟件無線電源于美國國防部的SpeakEasy戰術通信系統計劃。其主要目標是研制三軍通用的多頻段多功能無線電臺（MBMMR）,工作頻段2～2000MHz，能兼容現有15種主要軍用電臺，同時與其中4種電臺通信。目前這一計劃已經初步實現。

　　盡管最初的應用背景主要集中在軍事領域，但在過去幾年間，越來越多的公司投入了大量的人力、物力積極開展這方面的技術研究，從而使得它已從軍事領域轉向民用領域，成為經濟的、應用廣泛的、全球通信的第三代移動通信系統的戰略基礎。目前無線通信領域存在的一些問題，如多種通信體系并存，各種標準競爭激烈，頻率資源緊張等。特別是無線個人通信系統的發展，使得新的系統層出不窮，產品生產周期越來越短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應這種局面，這些都需要使用軟件無線電的概念去解決。軟件無線電技術的出現，使無線通信的發展經歷了由固定到移動，由模擬到數字，由硬件到軟件的三次變革。軟件無線電技術是打開通信世界大門的一把萬能鑰匙。目前全世界的軟件無線電的參與者正致力于確定軟件無線電技術在產業價值鏈中的定位，未來軟件無線電的商用前景將為移動通信的發展提供新的機遇，它將從不同途徑對個人通信，實際上也對其它產業，產生深遠的影響。

　　基本概念及結構

　　軟件無線電（SWR）的基本思想就是將寬帶模數變換器（A/D）及數模變換器（D/A）盡可能地靠近射頻天線，建立一個具有“A/D－DSP－D/A”模型的通用的，開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡量利用軟件技術來實現電臺的各種功能模塊。如使用寬帶ADC通過可編程數字濾波器對信道進行分離；使用數字信號處理器（DSP）技術，通過軟件編程來實現各種通信頻段的選擇，如HF、VHF、UHF和SHF等；通過軟件編程來完成傳送信息抽樣、量化、編碼/解碼、運算處理和變換，以實現射頻電臺的收發功能；通過軟件編程實現不同的信道調制方式的選擇，如調幅、調頻、單邊帶、數據、跳頻和擴頻等；通過軟件編程實現不同的保密結構、網絡協議和控制終端功能等。

　　靈活應用這些基本軟件模塊，可使軟件無線電臺具備對傳播條件的多種自適應能力（包括頻率、功率、速率及多徑分集等的自適應），性能超群的多種抗干擾能力（包括自適應天線調零、自適應干擾抵消、擴頻及跳頻等），以及靈活的組網與接口能力等。可以滿足用戶的多種業務需求（包括話音、傳真、數據及圖像等）。通過使用軟件無線電，可以快速改變信道接入方式或調制方式，利用不同軟件即可適應不同標準，構成具有高度靈活性的多模手機和多功能基站，這將大大有利于第二代移動通信系統向第三代移動通信系統的過渡。這樣不同通信體制就可以實現互聯互通，“一機在手，全球漫游”的個人通信的夢想就可以實現。

　　軟件無線電的通用硬件平臺設計通常采用基于標準VME總線的硬件結構，支持并行、流水線及異種多處理機，一種常見的通用硬件平臺結構如圖1所示。軟件無線電技術將傳統的信道編解碼與信源編解碼劃分為如下的基本模塊：寬帶天線、寬帶射頻前端、寬帶A／D／A變換、中頻處理、多芯片并行DSP基帶處理等。VME總線技術最成熟、通用性最好、得到的支持也最廣泛,它可提供多CPU并行處理，支持獨立的32位數據總線和地址總線，總線速率達40Mb/s，基本滿足軟件無線電的要求。VME總線是目前軟件無線電的首選總線方式。

　　軟件無線電的軟件設計采用基于開放系統互聯（OSI）參考模型的分層軟件體系，支持面向對象的、開放式的模塊化設計，實現一些基本的算法及功能模塊：

　　* DSP的指令和函數庫

　　* 信號流變換庫

　　* FIR、IIR濾波與FFT、小波變換以及波形合成

　　* AM、FM、FSK、BPSK、擴頻與跳頻等調制算法庫

　　* 信道糾錯編碼庫

　　* JPEG、MPEG、H.261等圖像編碼和PCM、CVSD、PRE－LTP等話音編碼算法庫

　　* 各種無線電信令規程庫

　　評價軟件無線電開放性的一個重要因素是看軟件是否具有可再用性，是否能夠應用于多種由不同硬件廠商提供的硬件平臺。這需要一套具有標準接口的軟件功能模塊。目前國外正在研究如何實現軟件的即插即用（Plug&Play），它的基本思想是在“軟件總線”的基礎上，建立一個開放的、易用的、符合標準的體系結構。所謂軟件總線，就是起到類似于計算機系統硬件總線的作用，只要將應用模塊按照標準做成軟插件，插入總線即可實現集成運行，從而支持分布式的計算環境。更進一步，Motorola公司還提出了如圖2所示的java虛擬機結構模型。

　　在該層次化模型中，軟件應用程序完成軟件無線電應用系統的功能、體制的描述，并規定了相應的指標、參數。采用應用編程接口(API)支持層能夠支持應用程序的再利用，即采用相同的API層接口標準的應用程序可以應用在不同的軟件無線電系統中。可再編程的無線接口協議組實際上就是提供與API相關的一些軟件模塊，如信源編碼、調制解調算法、多址、DDC算法等。這些模塊與API層之間有著標準的接口。因為這些軟件模塊都是可編程的，可以隨著新的通信體制的發展，采用新的軟件無線電算法。為了使協議組獨立于硬件平臺，引入了虛擬機層(virtual machine)。其目的是掩蓋無線通信系統的硬件實體。它與無線接口協議組有一個統一的接口，稱為低層API。采用低層API可以使同樣的軟件加載到不同廠商的硬件上，或者說運行不同的低層軟件。這種低層API掩蓋了特定的硬件實體，如不同廠商的產品或者同一廠商的不同系列的產品。裝載到硬件平臺上的軟件只需按照標準的接口編寫即可。該層次化模型中的最后一層是硬件平臺。這個軟件層次化模型從整體上為軟件設計提供了思路。

　　關鍵技術

　　低功耗、小型化技術

　　軟件無線電技術要得到普及必須實現終端電臺的低功耗、小型化。目前，軟件無線電手機仍然受到功耗、體積和成本的制約。美軍的SpeakEasy第二期工程樣機接收功耗高達60瓦。所以降低功耗、減少體積是軟件無線電手機必須逾越的難關。目前的電源管理DSP芯片由DSP ISA為ASIC核的ASIC構成。軟件無線電可控制話音和數據通信的短工作周期，使手機有更長的休眠模式或時間。尋呼信息的定時結構減少了差錯概率，進一步延長了電池壽命。寬帶多頻段天線及射頻前端

　　軟件無線電臺應該在多頻段下工作，必須應用寬帶、低損耗天線。美國已研究出幾個倍頻程的天線，但效率偏低。軟件無線電臺覆蓋的頻段從2～2000MHz,就目前水平而言，研制出一種全頻段天線是不可能的。對于大多數系統只要覆蓋不同頻段的幾個窗口，而不必覆蓋全部頻段，故可以采用組合式多頻段天線的方案。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到幾個倍頻程，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。

　　寬帶高速Ａ/Ｄ變換

　　軟件無線電的一個顯著特點是將A/D變換盡可能地靠近天線，至少要對中頻進行A/D變換，它要求A/D轉換器件具有較高的性能。評價A/D變換器性能的參數包括信噪比（SNR）、無寄生動態范圍（SFDR）、互調失真（IMD）、采樣速率和采樣精度等，其中主要的兩項是采樣速率和采樣精度，一般用SNR來綜合表示這兩項指標。基站應用所需的并行數字信道的數量取決于已知帶寬上ADC的有效動態范圍（分辯率精確度）。基站的成本與RF-ADC信道的數量成正比。因此ADC技術將是具有真正全球化能力的SWR基站的主要技術挑戰。

　　高速并行DSP

　　DSP技術是軟件無線電手機的基礎。未來的軟件無線電臺將越來越依賴數字信號處理技術的發展。目前盡管低功耗DSP、超強功能DSP發展迅速，但DSP在速度、功耗上的現狀仍然是制約軟件無線電手機發展的關鍵。 DSP的另一研究內容就是軟件，軟件是軟件無線電手機的核心。在目前DSP不能滿足軟件無線電手機設計要求的情況下，開發DSP的數字信號處理軟件應是軟件無線電手機的主攻方向。這其中包括各種FFT算法，調制解調、信源編碼、信號編碼等各種通信軟件，也包括方式控制、信號控制和數據交換軟件。

　　現狀與展望軟件無線電是無線電通信領域的一次重大變革。從1992年提出到現在，世界各國進行了大量深入的研究與實驗，我國也已將軟件無線電納入國家“863”高科技發展計劃。

　　軟件無線電需要將現代先進的通信技術、微電子技術和計算機技術結合在一起，是一個中長期的研究項目，需要很強的綜合實力。目前我國軟件無線電的開發與研制基本是依靠國外的元器件，究其原因，一方面是受國內基礎電子工業技術水平的限制，國內目前尚不具備研制和生產高速AD、DSP、CPU芯片的能力；另一方面則是元器件配套未能跟上，所以未來我國部分軟件無線電臺的配套器件應和整機一起配套研制。而軟件無線電技術也面臨著許多挑戰：如功耗、體積和成本的制約，還有高速A/D和DSP數字處理，近期內滿足2000MHz頻段采樣的AD芯片尚無法實現，即使其功耗能達到要求、價格也高得無法接受。

　　現代微電子技術及計算機技術的不斷發展和突破必將帶動軟件無線電技術的騰飛。軟件無線電技術作為3G移動通信中的關鍵技術之一受到了人們的普遍關注。可以設想，在使用了軟件無線電技術的3G移動通信系統中，將使原先不能互聯的多種通信體制綜合為一個通用的通信體制，人們可以擺脫終端的束縛，實現“一機在手，漫游天下”的夢想。這種嶄新的通信體制將給我們目前的生活方式，甚至思維模式帶來巨大的變化。個人通信可以給用戶一個唯一的PIN號，使其和身份證號碼、信用卡號碼等其它號碼一致，銀行、商店、海關等系統和通信系統相聯，從而實現身份校驗、現金支付等功能。軟件無線電技術必將打開精彩紛呈的無線通信世界之門。

摘自《通訊世界》2002.1

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