淺談短波軟件無(wú)線電技術(shù)

短波通信是利用波長(zhǎng)為100m～10m(3MHz～30MHz)的電磁波進(jìn)行的無(wú)線電通信，主要靠天波傳播，可經(jīng)電離層一次或數(shù)次反射，最遠(yuǎn)可傳上萬(wàn)公里，廣泛用于語(yǔ)音、電報(bào)和數(shù)據(jù)傳輸。然而，深度衰落和干擾（電臺(tái)干擾、工業(yè)干擾和大氣噪聲等）嚴(yán)重影響著短波通信質(zhì)量。為克服這些問題，短波通信近年采用了自適應(yīng)、寬帶抗干擾等新技術(shù)，但受傳統(tǒng)短波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1）和傳統(tǒng)器件的限制，這些新技術(shù)難以發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)以提高短波通信的性能指標(biāo)。

圖1 傳統(tǒng)短波通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖

1992年Joe Mitola首次明確提出軟件無(wú)線電概念。軟件無(wú)線電的基本思想是: 將寬帶A/D/A變換盡可能地靠近射頻天線，盡早地將模擬信號(hào)數(shù)字化, 在基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理）技術(shù)的支持多模式工作可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，建立一種靈活的無(wú)線電系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，從射頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全由軟件編程來(lái)完成，把盡可能多的通信功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件的通用性和軟件的可重構(gòu)性使得系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)非常方便，不同系統(tǒng)間可以很好地互連與兼容。軟件無(wú)線電的思想運(yùn)用在短波通信上就形成了短波軟件無(wú)線電(HF-SR)。

HF-SR的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)短波通信設(shè)備過(guò)分依賴硬件實(shí)現(xiàn)通信功能的舊體制，可充分利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，便于研制出多功能、多模式、可編程的短波通信系統(tǒng)，為短波通信技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。

1 軟件無(wú)線電基本體系結(jié)構(gòu)

理想的軟件無(wú)線電是多頻段、多模式、開放式體系結(jié)構(gòu),其無(wú)線功能通過(guò)加載軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提供多種無(wú)線電通信業(yè)務(wù)。軟件無(wú)線電的基本平臺(tái)包括：天線、多頻段射頻(RF)轉(zhuǎn)換器、寬帶A/D（D/A ）轉(zhuǎn)換器和DSP處理器等，如圖2所示。

圖2 開放結(jié)構(gòu)的短波軟件無(wú)線電發(fā)送原理

軟件無(wú)線電將A/D和D/A向RF靠近, 由基帶移到中頻甚至到射頻, 用可編程能力強(qiáng)的DSP或FPGA器件代替專用的數(shù)字電路,進(jìn)行A/D后的一系列處理，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)獨(dú)立，這樣就可以基于一個(gè)相對(duì)通用的硬件平臺(tái),通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能,并可對(duì)工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調(diào)制方式、信源編碼加以編程控制,系統(tǒng)靈活性大大增強(qiáng)。功能強(qiáng)大的軟件開發(fā)工具可以根據(jù)通信技術(shù)的最新發(fā)展和需求，修改各工作模塊以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。

2 短波軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)

短波軟件無(wú)線電目前主要有三種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)：射頻全頻段數(shù)字化采樣、中頻數(shù)字化采樣結(jié)構(gòu)、虛擬無(wú)線電結(jié)構(gòu)。

（1）射頻全頻段數(shù)字化采樣

射頻全頻段數(shù)字化采樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與圖2類似。依據(jù)目前的器件水平，短波軟件無(wú)線電的射頻全頻段數(shù)字化采樣尚不能實(shí)現(xiàn)。按照Nyquist采樣定理對(duì)短波頻段采樣速率至少需要70Msp/s，短波頻段通信對(duì)ADC的動(dòng)態(tài)范圍要求為120dB～130dB，A/D一般來(lái)說(shuō)每bit提供6dB動(dòng)態(tài)范圍。這樣對(duì)短波全頻段采樣需要130/6≈22bits，目前ADC達(dá)不到此要求。

（2）中頻數(shù)字化采樣結(jié)構(gòu)

如圖3所示，中頻采樣是將射頻信號(hào)預(yù)處理后，模擬變頻到中頻進(jìn)行A/D采樣，采樣后的數(shù)據(jù)被送入DSP，在DSP中進(jìn)行數(shù)字下變頻和數(shù)字解調(diào)處理。這種結(jié)構(gòu)的軟件無(wú)線電與目前的中頻數(shù)字化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)是類似的,均采用了多次混頻體制。但是軟件無(wú)線電的中頻帶寬較寬，且一次混頻后的變頻均在DSP中實(shí)現(xiàn)，所有調(diào)制解調(diào)等功能均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，比普通超外差中頻數(shù)字化接收機(jī)更靈活，功能更強(qiáng)。盡管和理想的軟件無(wú)線電有一定差距，這已是目前短波軟件無(wú)線電的最佳選擇。

圖3 中頻數(shù)字化采樣結(jié)構(gòu)圖

（3）虛擬無(wú)線電結(jié)構(gòu)

虛擬無(wú)線電是軟件無(wú)線電的一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。虛擬無(wú)線電利用工作站(或者高速PC機(jī))的強(qiáng)大計(jì)算能力取代DSP來(lái)完成所有數(shù)字信號(hào)處理。有代表性的是美國(guó)麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Spectrum Ware系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，虛擬無(wú)線電以A/D變換為劃分界線，整個(gè)系統(tǒng)分為子卡和工作站兩個(gè)部分。子卡部分用于獲得射頻信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)，將射頻信號(hào)模擬下變頻到中頻，然后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣。采樣后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)工作站上的GuPPI（通用PCI I/O）接口被送入內(nèi)存緩存區(qū)。為了滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的要求，這里采用DMA（直接存儲(chǔ)接入）技術(shù)，數(shù)據(jù)流直接送入內(nèi)存緩存區(qū)，無(wú)需經(jīng)過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和一般操作系統(tǒng)功能的處理。然后，工作站中的軟件無(wú)線電應(yīng)用模塊對(duì)內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，完成軟件無(wú)線電技術(shù)中DSP所能完成的功能。

基于PC機(jī)的虛擬無(wú)線電結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①更好的靈活性。工作站的容量和開發(fā)環(huán)境均優(yōu)于專用DSP芯片，容易實(shí)現(xiàn)新協(xié)議和信號(hào)處理新算法以及性能的改進(jìn)提高。②升級(jí)快捷。用戶可以很方便地通過(guò)更新軟件來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有設(shè)備功能。③易與其他應(yīng)用結(jié)合。虛擬無(wú)線電的研究將無(wú)線和其他應(yīng)用的界限模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。

圖4 虛擬無(wú)線電結(jié)構(gòu)圖

3 短波無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)

（1）寬帶/多頻段天線技術(shù)

根據(jù)短波軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)，天線要能覆蓋1.5MHz～30MHz頻率范圍；能用程序控制的方法對(duì)功能及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。而實(shí)現(xiàn)這些功能的技術(shù)包括：組合式多頻段天線及智能化天線技術(shù)；模塊化收發(fā)雙工技術(shù)；多倍頻程寬帶低噪聲放大器方案等。

（2）寬頻A/D轉(zhuǎn)換

在軟件無(wú)線電通信系統(tǒng)中，要達(dá)到盡可能多的以數(shù)字形式處理的無(wú)線信號(hào)，必須把A／D轉(zhuǎn)換盡可能地向天線端推移，這樣就對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的性能提出了更高的要求。為保證抽樣后的信號(hào)保持原信號(hào)的信息，A/D轉(zhuǎn)換要滿足Nyquist抽樣準(zhǔn)則，而在實(shí)際應(yīng)用中，為保證系統(tǒng)更好的性能，通常抽樣率為帶寬的2.5倍。由于短波通信的頻率變化范圍較大，對(duì)采樣頻率、位數(shù)及動(dòng)態(tài)范圍也提出了較高的要求，對(duì)此可采用并行A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（如圖5所示）。高速采樣保持電路的時(shí)間精度可達(dá)納秒級(jí)，通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換將量化速度降低，提高采樣分辨率，這樣用多個(gè)高速采樣保持和A/D可完成超高速轉(zhuǎn)換。

（3）DSP處理部分

可編程DSP模塊主要由DSP、FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)、FIR專用芯片組、存儲(chǔ)器、I/O接口組成。按照不同的數(shù)據(jù)處理流程可將DSP模塊的功能分為：與終端的數(shù)據(jù)交換、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)、信道環(huán)境分析和管理、SSB調(diào)制解調(diào)、頻率變換等。DSP是軟件無(wú)線電的核心部件，但單個(gè)DSP的處理速度也是現(xiàn)階段一個(gè)主要的瓶頸。當(dāng)單個(gè)DSP處理能力不足時(shí)，可采用多個(gè)DSP芯片的并行來(lái)提高運(yùn)算能力，如Quad－40CMCM處理器包括4片TMS320C40處理器、5MB內(nèi)存，已用于多頻段多模式軍用電臺(tái)。

（4）開放式模塊結(jié)構(gòu)

軟件無(wú)線電的一個(gè)重要特點(diǎn)就是其優(yōu)良的開放性，這主要體現(xiàn)在軟件無(wú)線電所采用的開放式標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)，只有采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線，軟件無(wú)線電才能發(fā)揮其適應(yīng)性廣、升級(jí)換代方便等特點(diǎn)�，F(xiàn)有軟件無(wú)線電研究和試驗(yàn)系統(tǒng)中一般采用雙總線結(jié)構(gòu)，即：控制總線和高速數(shù)據(jù)總線�？刂瓶偩�結(jié)構(gòu)，如VME總線、PCI總線等，應(yīng)盡可能采用現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便于利用已有的軟件和硬件平臺(tái)，加快開發(fā)速率。VME總線是一種支持多機(jī)并行處理的高性能總線，市場(chǎng)占有率也很高，故可將VME總線作為軟件無(wú)線電的首選總線。

（5）軟件協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)

軟件無(wú)線電的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，軟件的可用性是其中很重要的一條。目前正研究在軟件無(wú)線點(diǎn)中如何實(shí)現(xiàn)軟件的Plug&Play，提出了基于JAVA/CORBA的軟件無(wú)線電協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。其中CORBA(Common Object Request Broker Architecture,公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu))是由面向?qū)ο蠊芾砑瘓F(tuán)（OMG）制訂的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

軟件無(wú)線電是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無(wú)線電通信應(yīng)用的產(chǎn)物，它與短波通信的結(jié)合，克服了短波通信固有的缺點(diǎn)，提高了數(shù)字通信的可靠性，增強(qiáng)了自動(dòng)化和新業(yè)務(wù)的能力，從而形成了現(xiàn)代短波通信的新技術(shù)和新體制。