通信網(wǎng)banner.jpg)
相關(guān)專題：
河北師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子系
河北 石家莊 050031
摘 要：在介紹軟件無線電的產(chǎn)生、基本概念和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，分析了實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了基于目前器件技術(shù)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(shù)的美好前景。
關(guān)鍵詞：軟件無線電；模擬上/下變頻；數(shù)字上/下變頻；實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)程系統(tǒng)會議上首次作為軍事技術(shù)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(shù)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(nèi)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�？M(jìn)一步闡述了軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的A/D（模/數(shù)變換器）、DSP（數(shù)字信號處理器）等關(guān)鍵技術(shù)，并給出了可以用于軟件無線電的現(xiàn)有DSP芯片清單，從此拉開了軟件無線電在軍事、商用領(lǐng)域研究的序幕。
所謂軟件無線電［2］，是指構(gòu)造一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放性的硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，同時(shí)使寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以充分實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，提高可編程性。
如何評價(jià)一個(gè)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(gè)矢量，頻道數(shù)（N）、可編程數(shù)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(gè)尺度均為0到均為3，給出了對軟件無線電評價(jià)的級別。
二、理想軟件無線電臺框圖及其相關(guān)技術(shù)要求
眾所周知，對于傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yīng)的專門硬件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，屬于軟件無線電級別劃分的0級。隨后發(fā)展起來的數(shù)字無線電系統(tǒng)也只是在低頻部分采用數(shù)字電路，如GSM手機(jī)中的邏輯/音頻信號處理（將對數(shù)字信號進(jìn)行一系列處理，內(nèi)含CPU、DSP等），并且對數(shù)字信號的處理一般采用專用集成電路（ASIC）技術(shù)，若按軟件無線電的級別來劃分的話，最高達(dá)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(shí)現(xiàn)射頻數(shù)字化，即盡可能地縮短模擬級的使用范圍，使無線電設(shè)備中的所有處理均是針對數(shù)字化信號進(jìn)行的，其理想結(jié)構(gòu)可描繪為圖1的形式。其特點(diǎn)是：模擬信號只在天線和射頻前端中存在，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）器件直接放置在射頻級的位置，變換后的數(shù)字信號送入可編程能力強(qiáng)的數(shù)字信號處理器（DSP，它代替了專用的數(shù)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(shí)現(xiàn)，使整個(gè)電臺將獲得最大的開放性、通用性和靈活性，使得通信系統(tǒng)擺脫了面向用途的設(shè)計(jì)思想。它是軟件無線電研究的理想目標(biāo)。
在圖1框圖中，各模塊所對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)［4］分別為：
寬帶天線：需要跨越多個(gè)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(nèi)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(diǎn)（比如對于GSM，應(yīng)工作于900 MHz的高頻段，占有帶寬25MHz）。根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）定理可知，若將A/D/A變換器設(shè)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(jìn)行數(shù)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(zhuǎn)換位數(shù)。
高速可編程數(shù)字信號處理模塊：將完成對射頻和基帶處理的全部數(shù)字信號的處理，以實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)及其現(xiàn)行解決方案［4，5，6］
由于受寬帶天線、高速A/D及高速數(shù)字信號處理器（如DSP）等技術(shù)水平的限制，目前實(shí)現(xiàn)上述理想軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的條件尚不具備。為此，本文在簡述現(xiàn)有的技術(shù)和器件水平條件下，結(jié)合理想軟件無線電的設(shè)計(jì)思想，提出適于目前的現(xiàn)行解決方案。
1．寬帶多頻段天線關(guān)鍵技術(shù)的提出
理想軟件無線電系統(tǒng)的天線部分應(yīng)該能夠覆蓋全部無線通信頻段，然而由于內(nèi)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(shù)系統(tǒng)只要求覆蓋不同頻段的幾個(gè)窗口，而不必覆蓋整個(gè)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(guān)鍵技術(shù)的提出需附加一個(gè)“模擬上/下變頻”的環(huán)節(jié)
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(yīng)目前A/D/A的技術(shù)特點(diǎn)，必須在圖1中附加一個(gè)“模擬上/下變頻”的環(huán)節(jié)，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(dá)到幾個(gè)倍頻程（如2MHz~2GHz），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．寬帶A/D、D/A變換關(guān)鍵技術(shù)的提出
寬帶A/D、D/A變換技術(shù)及其在無線電體系結(jié)構(gòu)所處的位置標(biāo)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(xiàn)了無線電通信技術(shù)的發(fā)展水平。其中靠近天線的A/D方案應(yīng)用于接收部分，射頻信號通過A/D變換為數(shù)字信號提供給DSP處理；而對應(yīng)的D/A方案則應(yīng)用于發(fā)射部分，DSP處理后的數(shù)字信號通過D/A變換成為射頻信號。
正如上述“寬帶射頻關(guān)鍵技術(shù)”中所說，鑒于目前廠商能提供A/D/A器件的采樣率低于當(dāng)前移動(dòng)通信射頻的要求，為此可暫時(shí)先考慮將A/D/A變換器設(shè)置在中頻（10MHz左右）進(jìn)行，這樣就需要提供一個(gè)降低了一定要求的、可實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)中頻寬帶A/D、D/A變換技術(shù)。
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(gè)ADC并行工作的方式，每個(gè)ADC處理一定子帶帶寬內(nèi)的信號，以降低對單個(gè)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(nèi)的頻率分量為零，只要采樣率不低于2倍的信號帶寬，時(shí)域采樣就不會導(dǎo)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(dāng)然應(yīng)以被采樣信號的最高頻率不能超過ADC轉(zhuǎn)換器的全功率模擬輸入帶寬為限。
4．可編程高速數(shù)字處理關(guān)鍵技術(shù)的提出——需引入一個(gè)“數(shù)字上/下變頻”的環(huán)節(jié)
圖1中，A/D/A右側(cè)系統(tǒng)所需要的信號處理工作，如變頻、濾波、調(diào)制、信道編譯碼、信道和接口的協(xié)議與信令處理、加解密、抗干擾處理、以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理等，均是基于可編程DSP芯片對數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)處理來實(shí)現(xiàn)的，以體現(xiàn)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(gè)優(yōu)良的FIR/IIR濾波器大約需要每個(gè)采樣點(diǎn)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(shí)現(xiàn)下變頻目前還無法實(shí)現(xiàn)，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(gè)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(gè)“數(shù)字上/下變頻”環(huán)節(jié)的設(shè)想。其中“數(shù)字下變頻”的基本功能是從輸入的寬帶高數(shù)據(jù)流的數(shù)字信號中提取所需的窄帶信號，將其下變頻為數(shù)字基帶信號，并轉(zhuǎn)換成較低的數(shù)據(jù)流；“數(shù)字上變頻”為“數(shù)字下變頻”的逆過程。
解決方案大體分為以下幾種：
�。�1）用“數(shù)字上/下變頻+DSP并行處理”組合結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案
此方案包括“DDC（數(shù)字下變頻器）+DSP”組合結(jié)構(gòu)和“DSP + DUC（數(shù)字上變頻器）”組合結(jié)構(gòu)。對于“DDC+DSP”組合結(jié)構(gòu)：固定模擬中頻信號通過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器件變換為數(shù)字中頻信號，再進(jìn)入可編程數(shù)字下變頻器（DDC）進(jìn)行內(nèi)差和下變頻運(yùn)算，使數(shù)字中頻信號的載波頻率進(jìn)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(shù)字信號進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步降低后面的DSP所需處理的數(shù)據(jù)量，使現(xiàn)有的DSP能夠有效地完成實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的任務(wù)。從DDC輸出的低中頻數(shù)字信號或基帶，經(jīng)數(shù)字信號處理器（DSP）（一般采用多個(gè)DSP構(gòu)成并行處理系統(tǒng)）完成解調(diào)、解碼等后繼處理，最后還原為原始的信息數(shù)據(jù)。至于“DSP + DUC”組合結(jié)構(gòu)，其流程過程正好相反。
（2）用“參數(shù)化ASIC +DSP”組合結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案
DSP僅進(jìn)行較低速的數(shù)字信號處理，而把數(shù)字上/下變頻等高速、大運(yùn)算量的處理移嫁給可有限編程的參數(shù)化ASIC來完成。從表2看出，此法受可編程的限制，難以體現(xiàn)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(gè)數(shù)隨之增加。
�。�3）用FPGA（可編程邏輯器件）實(shí)現(xiàn)數(shù)字上/下變頻和基帶處理的一體化方案
從表2可見，F(xiàn)PGA與高速DSP和參數(shù)化ASIC的技術(shù)性能相比，具有體積小、功耗小、現(xiàn)場可編程能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(diǎn)，可完成數(shù)字上/下變頻、濾波、調(diào)制/解調(diào)、擴(kuò)頻/解擴(kuò)、載波以及PN（偽隨機(jī)碼）的同步和跟蹤等功能。
四、中頻軟件無線電的實(shí)現(xiàn)方案
鑒于目前關(guān)鍵技術(shù)（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(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)人員只好暫時(shí)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(shù)字部分。
顯見，圖2與圖1的區(qū)別在于引入了2個(gè)環(huán)節(jié)：模擬上/下變頻和數(shù)字上/下變頻。就接收信號而言，兩環(huán)節(jié)的作用分別是：先通過模擬下變頻器將高頻轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹蓄l，然后在中頻由A/D器件直接數(shù)字化，再經(jīng)DDC器件將中頻數(shù)字信號下變頻至低頻或基帶。
關(guān)于該方案的可行性，最具代表性的是美國的“易通話”（Speakeasy）系統(tǒng)，此外國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)也研制出很多具體的實(shí)用設(shè)備［5，6］。為此，本文不再設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)備來證實(shí)圖2的實(shí)用性。
五、結(jié) 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(shù)字信號處理模塊等技術(shù)水平的限制，目前實(shí)現(xiàn)圖1所示的理想軟件無線電體系結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)的探究上，另一方面是在現(xiàn)有的技術(shù)和器件水平條件下，探索如何最大限度地實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用中。
自從軟件無線電概念提出以來，引起了各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，軟件無線電技術(shù)的研究已從最初的軍事領(lǐng)域發(fā)展到民用通信，特別是帶動(dòng)了移動(dòng)通信的研究。相信軟件無線電是繼模擬通信、數(shù)字通信后的第三代無線電通信技術(shù)。
參考文獻(xiàn)
�。�1］孫紅梅．軟件無線電的產(chǎn)生與應(yīng)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(qiáng)，王甲琛．軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)［Ｊ］．武警工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，（4）：67~69．
�。�5］張睿，李建東.一種實(shí)用的軟件無線電結(jié)構(gòu)[J].電子學(xué)報(bào)，1999，（11）：38~41.
�。�6］王曉虎，劉金銀．中頻軟件無線電系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案［Ｊ］．電訊技術(shù)，2002，42（1）：59~63
摘自《電訊技術(shù)》
