軟件無線電技術(shù)簡介及特點(diǎn)應(yīng)用

    軟件無線電是最近幾年提出的一種實(shí)現(xiàn)無線電通信的體系結(jié)構(gòu) ,是繼模擬到數(shù)字、固定到移動(dòng)之后 ,無線通信領(lǐng)域的又一次重大突破。并從軟件無線電的基本概念出發(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

    完整的軟件無線電 (Software Definition Radio)概念和結(jié)構(gòu)體系是由美國的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 ,即盡可能早地將接收到的模擬信號數(shù)字化 ,最大程度地通過軟件來實(shí)現(xiàn)電臺的各種功能。通過運(yùn)行不同的算法 ,軟件無線電可以實(shí)時(shí)地配置信號波形 ,使其能夠提供各種語音編碼、信道調(diào)制、載波頻率、加密算法等無線電通信業(yè)務(wù)。軟件無線電臺不僅可與現(xiàn)有的其它電臺進(jìn)行通信 ,還能在兩種不同的電臺系統(tǒng)間充當(dāng)“無線電網(wǎng)關(guān)”的作用 ,使兩者能夠互通互連。

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

2.軟件無線電臺的功能結(jié)構(gòu)

    圖1給出了典型的軟件無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖 ,包括天線、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)無線電臺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端只為軟件無線電的實(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 )代替專用的數(shù)字電路 ,由此帶來的一系列好處才是軟件無線電的真正目的所在。

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

1)實(shí)時(shí)信道處理

   實(shí)時(shí)信道處理包括天線、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、射頻信號變換為標(biāo)準(zhǔn)中頻或由標(biāo)準(zhǔn)中頻變換為射頻信號 ,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。比特流部分?jǐn)?shù)字復(fù)用由多個(gè)用戶產(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 ,來實(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)間和空間特征來表征無線電環(huán)境 ,這些特征包括信道識別和估計(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MIMD并行處理器來實(shí)現(xiàn)。這種高度的并行環(huán)境管理模塊和流水線工作方式的實(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)在線和離線的軟件工具

    在線和離線系統(tǒng)分析、信號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 ,當(dāng)軟件定義的網(wǎng)絡(luò)迅速擴(kuò)大后 ,可通過無線傳輸提供改進(jìn)了的業(yè)務(wù)服務(wù)。

3.軟件無線電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)

1)寬帶 /多頻段天線

    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(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 ,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 ,這無論是在器件上還是電路設(shè)計(jì)上都沒有困難 ,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