軟件無線電的概念、主要原理、關鍵技術(shù)介紹及在生活中的廣泛應用 - 全文

摘要：本文主要介紹了軟件無線電的概念、主要原理、關鍵技術(shù)及在生活中的廣泛應用。它是以開放性、標準化、模塊化、通用性、可擴展的硬件為平臺，通過加載各種應用軟件來實現(xiàn)不同用戶，不同應用環(huán)境的不同需求，是以現(xiàn)代通信理論為基礎，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級形式。首先介紹了軟件無線電的理論基礎，即帶通采樣理論，多速率處理信號技術(shù)，高效信號濾波，數(shù)字正交變換理論，這些都是軟件無線電實現(xiàn)的理論基礎，然后是其關鍵技術(shù)，寬帶智能天線技術(shù)，A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)字上/下變頻技術(shù)，數(shù)字信號處理部分，這些技術(shù)是實現(xiàn)軟件無線電的關鍵和核心所在。最后，對其應用領域也進行了描述，指出其在個人移動通信，軍事通信，電子站，雷達和信息加電中的巨大潛力。

軟件無線電這個術(shù)語最早是美軍為了解決海灣戰(zhàn)爭中多國部隊各軍種進行聯(lián)合作戰(zhàn)時遇到的互通互操作問題而提出的新概念。陸，海，空三軍簡單就工作頻段來分，解決了互不干擾問題，但三軍聯(lián)合作戰(zhàn)時互通，互聯(lián)，互操作問題難以解決，于是1992年提出了軟件無線電的最初設想，并于1995年美國國防高級研究計劃局提出了SPEAKEASY計劃，稱之為易通話計劃，其最終目的是開發(fā)一種能適應聯(lián)合作戰(zhàn)要求的三軍統(tǒng)一的多頻段，多模式電臺，即MBMMR電臺。進而實現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（簡稱JTRS），它是在MBMMR的基礎上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

軟件無線電以開放性，標準化，模塊化，通用性，可擴展的硬件為平臺，通過加載各種應用軟件來實現(xiàn)不同用戶，不同應用環(huán)境的不同需求，實現(xiàn)各種無線電功能，選用不同軟件可實現(xiàn)不同功能，軟件可以升級更新，硬件也可像計算機升級換代，可稱為超級計算機。它是以現(xiàn)代通信理論為基礎，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級形式。

理想軟件無線電的結(jié)構(gòu)框圖：

一、軟件無線電的理論基礎

?? 采樣理論：由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，例如從0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有這么寬的頻段才能具有廣泛的適應性。對于如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不實際。所以無法使用Nyquist采樣定理，而必須采用帶通采樣。一種接近理想化的軟件無線電設計方案稱為射頻直接帶通采樣軟件無線電體制，在天線與A/D間只存在跟蹤濾波器和放大器，與軟件無線電所要求的A/D盡可能靠近天線的設計宗旨完全一致。

?? 多速率信號處理：帶通采樣定理大大降低了所需的射頻采樣速率，但從軟件無線電的要求來看，帶通采樣帶寬應越寬越好，對信號有更寬的適應性，這樣就應當使采樣速率盡可能地寬。然而又會導致后續(xù)的信號處理速度跟不上，因此要對A/D后的數(shù)據(jù)流進行降速處理。抽取和內(nèi)插是最基本最重要的基本理論，對于軟件無線電的研究及數(shù)字下/上變頻器的實現(xiàn)有重大作用。

整數(shù)倍抽取是把原始采樣速序列x(n)每隔（D-1）個數(shù)據(jù)抽取一個，形成一個新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，這樣經(jīng)過抽取的數(shù)據(jù)流速率只有后者的D分之一，顯然大大降低了對后處理速度的要求，也提高了頻域分辨率。這是軟件無線電接收機的理論基礎。

整數(shù)倍內(nèi)插是在兩個原始抽樣點之間插入（I-1）個零值，也形成一個新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),經(jīng)過內(nèi)插大大提高了時域分辨率，也可以用來提高輸出信號的頻率。顯然內(nèi)插器起到了上變頻作用。它是軟件無線電發(fā)射機的理論基礎。

整數(shù)倍抽取和內(nèi)插都只是頻率變換的一種特殊情況，實際中往往用到分數(shù)倍變換，它可通過先進行I倍內(nèi)插，再進行D倍抽取來實現(xiàn)。（注意必須內(nèi)插在前，以免引起信號失真）。

?? 高效數(shù)字濾波：實現(xiàn)取樣速率變換的主要問題是如何實現(xiàn)抽取前或內(nèi)插后的數(shù)字濾波。FIR濾波器相對與IIR濾波器有許多獨特優(yōu)越性，線性相位，穩(wěn)定性等?？刹捎么昂瘮?shù)法來設計，簡單，直觀，但濾波性能不是最佳。也可采用最佳濾波器的設計。半帶濾波器適合于實現(xiàn)D=2的M冪次方倍的抽取或內(nèi)插，計算效率也高實時性高。而在實際的抽取系統(tǒng)中抽取因子D往往不是2的M冪次方，此時可以積分梳狀濾波器和半帶濾波器結(jié)合起來使用。

?? 數(shù)字正交變換理論：對一個實信號進行正交變換而用一個復解析信號來表示是因為從解析信號很容易獲得三個特征參數(shù)：瞬時幅度，瞬時相位和瞬時頻率，它們是信號分析，參數(shù)測量或識別解調(diào)的基礎。窄帶信號可用解析信號和基帶信號表示，對于要滿足高虛假抑制的要求，可采用數(shù)字正交混頻的方法實現(xiàn)，即先對模擬信號x(t)通過A/D采樣數(shù)字化形成數(shù)字序列x(n),然后與兩個正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通過數(shù)字低通濾波器來實現(xiàn)。在采樣速率很高時，對后續(xù)的數(shù)字低通濾波實現(xiàn)較困難。還可以采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換，需用到抽取和內(nèi)插理論。

二、軟件無線電中的關鍵技術(shù)

●? 寬頻段智能天線技術(shù)

軟件無線電要求接收機從天線接收的應該是寬頻帶信號，同時，由于射頻信號的高頻率，使得信號干擾成為嚴重問題，為獲取寬帶信號和減少干擾，使用寬帶智能天線成為最好的選擇。由于頻譜資源的缺乏，提出了從空域來提高頻譜利用率的想法，對位于不同空域的用戶分配相同的時間，頻率和偽碼，通過電磁信號的空間隔離來消除用戶之間的干擾。智能天線就是在這種想法下提出的一種新型天線系統(tǒng)通過對多個天線陣元輸出的信號進行幅相加權(quán)獲得所需的天線波束指向來實現(xiàn)空間分離?；谲浖o線電的智能天線包括單信道智能天線，多信道智能天線和信道化智能天線。它們的核心和理論基礎是波束形成法。

●? A/D技術(shù)

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個重要特點是將A/D和D/A盡量靠近射頻前端，為減少模擬環(huán)節(jié)，在較高的中頻乃至射頻信號進行數(shù)字化，要求A/D具有適中的采樣速率和很高的工作帶寬。A/D的工作過程大致可以分為采樣，保持，量化，編碼，輸出等幾個環(huán)節(jié)。在模數(shù)轉(zhuǎn)換中，衡量A/D轉(zhuǎn)換性能的指標有：A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，位數(shù)越高，靈敏度越高；信噪比（SNR），提高采樣頻率或降低模擬信號帶寬都可以提高A/D信噪比；無雜散動態(tài)（SFDR），反映的是在A/D輸入端存在大信號時，能檢測出小信號的能力；有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB），信號越大，信號頻率越低，所得到的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多；孔徑誤差，是由于模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時間來完成采樣，量化，編碼等工作而引起的，可在其前加一個采樣保持放大器，從而減少孔徑誤差。在軟件無線電的設計中，A/D器件的選擇應保證軟件無線電功能和性能的實現(xiàn)，應遵循以下選取原則：

1、采樣速率選擇：若A/D之前的帶通濾波器的矩形系數(shù)為r,為防止帶外信號影響有用信號，應取采樣速率fs≥2B’=2rB,允許過渡帶混疊時，fs≥(r+1)B
2、采用分辨率好的A/D器件。分辨率主要取決于器件的轉(zhuǎn)換位數(shù)和器件的信號輸入范圍，轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，信號輸入范圍越小，A/D的轉(zhuǎn)換性能越好。
3、一般來說A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高越好。因為其轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，其動態(tài)范圍越高。
4、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的環(huán)境參數(shù)，其功耗盡可能的低。
5、根據(jù)接口特征考慮選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)。

●? 數(shù)字下/上變頻器

數(shù)字下/上變頻器主要是基于前面所述的抽取和內(nèi)插理論。

數(shù)字下變頻（DDC）和模擬下變頻是一樣的，就是輸入信號與一個本地震蕩信號的乘法運算。與模擬下變頻相比，數(shù)字下變頻的運算速度受DSP處理速度的限制，同時其運算速度決定了其輸入信號數(shù)據(jù)流可達到的最高速率，相應也限定了ADC的最高采樣率。數(shù)字下變頻器的組成包括數(shù)字混頻器，數(shù)字控制振蕩器（NCO）和低通濾波器。

NCO產(chǎn)生的本振信號輸入到數(shù)字混頻器與輸入的信號進行混頻。數(shù)字混頻器 就是一個乘法器，信號經(jīng)混頻后，輸出到低通濾波器以濾除倍頻分量和帶外信號，然后進行抽取處理。由于下變頻器工作原理較簡單，可以很方便地利用FPGA或ASIC技術(shù)來設計實現(xiàn)。典型的數(shù)字下變頻有功能強大的單信道DDC產(chǎn)品HSP50214B及四通道的HSP50216。

數(shù)字上變頻（DUC）的主要功能是對輸入數(shù)據(jù)進行各種調(diào)制和頻率變換，即在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)調(diào)制和混頻。典型的代表是只能進行單路數(shù)據(jù)調(diào)制的HSP50215和可進行四路數(shù)據(jù)調(diào)制的GC4114

●? 數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理器（DSP）是整個軟件無線電方案的靈魂和核心所在。軟件無線電的靈活性，開放性，兼容性等特點是通過以數(shù)字信號處理器為中心的通用硬件平臺及DSP軟件來實現(xiàn)的，從前端接收來的信號或?qū)墓Ψ虐l(fā)射出去的信號都要經(jīng)過數(shù)字信號處理器的處理：或進行頻譜分析，信號解調(diào)，信號類型識別，或進行信號的數(shù)字上下變頻，或進行各種式樣的數(shù)字調(diào)制，數(shù)字濾波，比特流的編碼，譯碼，同步信號的獲取等。軟件無線電中的數(shù)字信號處理器除了能適應運算的高速度，高精度，大動態(tài)范圍，大運算量外，還應具有高效率的結(jié)構(gòu)和指令集，較大的內(nèi)存容量，較低的功耗等特點。DSP的重要特點是其處理速度遠遠大于一般的微處理器，功能是快速實現(xiàn)各種運算，尤其在卷積，相關，濾波，F(xiàn)FT等應用要用到的乘法累加運算中更能發(fā)揮其作用。DSP的編程既可以用匯編語言又可以用C語言，極大地方便了其開發(fā)人員。目前的DSP在功能和性能上都還不能滿足軟件無線電的要求，可以采用多率信號處理技術(shù)對采樣信號進行預處理后（即所謂的數(shù)字下變頻器）然后再用DSP來完成各種功能，也可以用多個DSP芯片并行處理的方法來提高DSP的數(shù)據(jù)處理能力。

三、軟件無線電的應用

●?個人移動通信

軟件無線電把硬件作為通信平臺，使其盡可能脫離通信體制，信號波形以及通信功能，盡可能多地用軟件來實現(xiàn)，可擴展性強，成為第三代移動通信的基石。把軟件無線電技術(shù)應用到基站設計即軟件無線電基站，它是一種多頻段，多模式，多功能可擴展的“智能”基站，它根據(jù)不同時間，不同用戶，選擇最佳的工作頻段，工作模式和與用戶相適配的功能與用戶進行信息交換，以極大地提高通信質(zhì)量和服務質(zhì)量。除此之外，它還可用于多頻多模手機，這一技術(shù)具有極大地挑戰(zhàn)性。

●? 軍事通信

軟件無線電最初是為了解決海灣戰(zhàn)爭中多國部隊各軍種進行聯(lián)合作戰(zhàn)時遇到的互通互操作問題而提出的新概念。1992年提出了軟件無線電的最初設想，并于1995年美國國防高級研究計劃局提出了SPEAKEASY計劃，稱之為易通話計劃，其最終目的是開發(fā)一種能適應聯(lián)合作戰(zhàn)要求的三軍統(tǒng)一的多頻段，多模式電臺，即MBMMR電臺。進而實現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（簡稱JTRS），它是在MBMMR的基礎上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

●?電子戰(zhàn)

電子戰(zhàn)的主要特點是頻段寬，待處理的信號種類多，而目前的電子戰(zhàn)系統(tǒng)往往是在已知或事先假設的幾種信號樣式下工作，一旦目標信號特征或通信方式發(fā)生變化，往往誤失戰(zhàn)機，所以研究一種工作頻段寬，波形適應能力強，可擴展性好，既能適應通信信號，也能適應導航和敵我識別信號的綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)是現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭的必然要求，軟件無線電恰好是解決這一問題的最佳技術(shù)途徑。軟件化電子偵察接收機是基于軟件無線電原理而實現(xiàn)的用于對目標信號進行分析識別，特征提取和參數(shù)測量，對通信信號還能解調(diào)信息的電子戰(zhàn)偵察分析接收機，不僅能對各種通信信號偵察分析，也能對雷達信號，導航信號或是敵我識別信號進行偵察分析，是一種多頻段，多模式，多功能的電子戰(zhàn)接收機。

●? 雷達和信息加電

目前設計研究的雷達往往功能單一，體制單一，無法適應在不同的環(huán)境下對不同屬性的目標進行智能化跟蹤探測的需要。如果能把軟件無線電的設計思想應用于雷達的設計研制，那么就能比較圓滿地解決目前雷達設計所存在的問題。

進入20世紀90年代，以高清晰度電視（HDTV）為標志的第三代電視以其接近理想的視聽效果和多功能，成為新一代數(shù)字電視的發(fā)展方向。但目前在信道編碼（調(diào)制方式）上還沒有統(tǒng)一的國際標準，而且隨不同的傳輸媒介而不同?；谲浖o線電的HDTV解決方案可以較好地解決HDTV面臨的這些問題。

四、結(jié)束語

目前，人們對軟件無線電的研究日趨深入細致，理論上已基本成熟，正處于實踐階段，由于軟件無線電的靈活性，開放性等特點，它將成為未來通信乃至未來無線電的發(fā)展方向，不僅在軍，民無線通信中獲得應用，而且將在其他領域如電子戰(zhàn)，雷達，信息化家電等領域得到推廣。