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引言
軟件無線電是實(shí)現(xiàn)通信的新概念和新體制，它被視為繼模擬和數(shù)字技術(shù)后的又一次電子技術(shù)革命。軟件無線電采用模塊化設(shè)計原則，具有開放的ＩＳＯ／ＯＳＩ體系結(jié)構(gòu)、良好的功能可編程性和軟件可移植性，支持寬頻段、高速率、多模式的無線通信。
軟件無線電概述
軟件無線電（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｄｉｏ）的概念是由美國科學(xué)家Ｊｏｅ．Ｍｉｔｏｌａ于１９９２年５月在美國電信系統(tǒng)會議上首次明確提出的。其基本概念是將硬件作為無線通信的基本通用平臺，而用軟件實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線及個人通信功能。
靈活性和開放性是軟件無線電的主要特點(diǎn)。靈活性是指軟件無線電系統(tǒng)可以與其它任何電臺進(jìn)行通信，可以作為其它電臺的射頻中繼，可以通過無線加載的方法來增加軟件模塊或更新軟件。開放性是指軟件無線電系統(tǒng)由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要而不斷升級，實(shí)現(xiàn)不同體制、電臺的兼容。
軟件無線電的基本思想是將Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ變換盡量靠近射頻前端，應(yīng)用寬帶天線或多頻段天線，將整個ＲＦ段或中頻段進(jìn)行Ａ／Ｄ變換，這之后的處理均由通用處理器或ＤＳＰ器件完成。其硬件結(jié)構(gòu)使軟件無線電具有整體的可編程性：ＲＦ頻段可編程、信道訪問模式可編程、信道編碼和調(diào)制可編程。同時由于其開放的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能的改變只需軟件做適應(yīng)調(diào)整，則不需重新設(shè)計系統(tǒng)，特別是硬件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)源輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過信源編碼（如ＪＰＥＧ編碼）后，再進(jìn)行信道編碼。多路訪問可使用多種方法，如ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ等；不同的系統(tǒng)的調(diào)制方式不同，軟件無線電系統(tǒng)應(yīng)該能兼容它們，如ＱＰＳＫ、ＦＳＫ等，多路訪問和調(diào)制部分還包括定時信息的處理，如幀同步、比特同步、碼元同步等。最后經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、上變頻送至射頻（ＲＦ）前端，由寬帶天線發(fā)射出去。若是接收，則過程與上相反。
在軟件無線電系統(tǒng)中，由于信號占據(jù)很寬的頻帶范圍（從幾十ＫＨｚ到幾千ＭＨｚ），加上不同體制之間的編碼、復(fù)用、調(diào)制方式不同，從而要求軟件無線電系統(tǒng)有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和快速輸入輸出（Ｉ／Ｏ）能力。軟件無線電系統(tǒng)要能達(dá)到不同系統(tǒng)、體制間的互聯(lián)互通，要傳輸包括視頻數(shù)據(jù)在內(nèi)的多媒體信息，對系統(tǒng)各方面的要求將相當(dāng)高。
實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)主要有：射頻天線、寬帶ＡＤＣ轉(zhuǎn)換、高速數(shù)字信號處理和高性能的總線結(jié)構(gòu)等方面。
軟件無線電的射頻段應(yīng)具備接入多個波段甚至覆蓋全波段的功能，它具有頻率高、帶寬的兩大特點(diǎn)。我們可以采用多頻段組合式天線和智能天線來實(shí)現(xiàn)。多頻段組合式天線是在全頻段甚至每個頻段使用幾付天線組合起來以形成寬帶天線。智能天線（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａ）的思想是：天線以多個高增益的動態(tài)窄波束分別跟蹤多個用戶，窄波束對準(zhǔn)期望用戶，波瓣零點(diǎn)對準(zhǔn)期望信號以外的干擾信號，以達(dá)到信干比最大。
軟件無線電的發(fā)展方向是ＡＤＣ和ＤＡＣ盡量靠近ＲＦ端，這樣高頻寬帶信號的數(shù)字化對采樣頻率、位數(shù)及動態(tài)范圍就提出了較高的要求。目前，由于受Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的成本和分辨率的限制以及受ＤＳＰ芯片處理速度的影響，要在ＲＦ端對信號進(jìn)行數(shù)字化有很大困難，所以優(yōu)先考慮在ＩＦ上進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。我們可以采用多個高速采樣保持電路和ＡＤＣ，通過并串變換，將量化速度降低，以提高采樣分辨率。
在目前，數(shù)字信號處理和數(shù)字控制的方案大致有：數(shù)字信號處理器（ＤＳＰ）、可編程邏輯器件（ＦＰＧＡ）、可由參數(shù)控制的硬件電路、用戶定制集成電路（ＡＳＩＣ）。對于以上４種方法，可編程性能為ＤＳＰ最高（可用匯編或Ｃ語言），后者依次降低，ＡＳＩＣ不具編程能力；運(yùn)算速度則相反，以ＡＳＩＣ為最高，ＤＳＰ最低；功耗以ＤＳＰ為最高，ＡＳＩＣ最低。在軟件無線電的設(shè)計中，要綜合考慮器件性能和特點(diǎn)，構(gòu)架可編程性能高、運(yùn)算速度快、功耗低的系統(tǒng)。另外，虛擬無線電（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒａｄｉｏｓ）也是可供選擇的一種方法，其思想是使用高速ＡＤＣ作為數(shù)字與模擬的接口，處理器的核心使用高性能的工作站硬件。這種方案使得用戶可以利用工作站的硬件和軟件設(shè)計新的算法，并且可以在工作站上方便地進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的試驗。
由于軟件無線電需要進(jìn)行高速的Ａ／Ｄ／Ａ變換及數(shù)字信號處理，必須使用多個ＣＰＵ并行處理；其次，數(shù)字信號處理的數(shù)據(jù)要高速交換，系統(tǒng)總線必須具有極高的Ｉ／Ｏ傳輸速率。在符合要求的系統(tǒng)總線中，ＶＭＥ總線技術(shù)最成熟、通用性最好、得到的支持最廣泛，是軟件無線電的首選總線方式。但總線結(jié)構(gòu)采用時分機(jī)制，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但在無線通信系統(tǒng)中各個相鄰功能模塊間的數(shù)據(jù)流是一種接力機(jī)制，應(yīng)用總線結(jié)構(gòu)就顯得帶寬過窄和控制復(fù)雜，吞吐率較低，其可擴(kuò)展性也受到限制。軟件無線電的高速網(wǎng)絡(luò)交換方式是重要的發(fā)展方向，清華大學(xué)在國家“８６３”軟件無線電項目中提出了一種基于交換的硬件平臺，其結(jié)構(gòu)采用適配交換網(wǎng)為各功能模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，各個功能模塊都是由ＤＳＰ組成的功能板，遵循相同的通信接口和協(xié)議，它們之間的耦合很弱，能夠極大地提高平臺的靈活性，可以適應(yīng)于多種無線電通信系統(tǒng)，并已證明具有更好的吞吐率和實(shí)時性能。
軟件無線電在移動通信中的應(yīng)用
第三代移動通信系統(tǒng)各國提出了多種不同的標(biāo)準(zhǔn)，要統(tǒng)一這些標(biāo)準(zhǔn)是非常困難的，ＩＭＴ－２０００的發(fā)展策略已經(jīng)改變過去“統(tǒng)一”的概念，而注意到以各地區(qū)現(xiàn)有第二代系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)來制定比較現(xiàn)實(shí)的過渡方案，提出了“ＩＭＴ－２０００家族”的概念。它放棄了在空中接口、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面一致性的努力，而致力于制定網(wǎng)絡(luò)接口的標(biāo)準(zhǔn)和互通方案。因此，在未來的第三代移動通信中存在著多頻、多模操作，各體制間的互通問題、同第二代系統(tǒng)的兼容問題以及通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展等問題，都為軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用提出了切實(shí)的需求。
�。保浖䶮o線電在蜂窩移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，若基站和移動終端都采用軟件無線電結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)的硬件平臺可由標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊搭建，硬件功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問模式及信道調(diào)制都可編程。軟件無線電通過硬件平臺安裝不同的軟件，完成不同的功能，因此可在不改變硬件設(shè)備的條件下，通過軟件升級來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。
在我國向ＩＴＵ提交的第三代移動通信提案ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中就采用了軟件無線電技術(shù)。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ結(jié)合了軟件無線電、智能天線、聯(lián)合檢測技術(shù)及全質(zhì)量話音壓縮編碼技術(shù)等通信新技術(shù)，具有先進(jìn)性。軟件無線電技術(shù)在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)包括：直接序列碼分多址的調(diào)制和解調(diào)；聯(lián)合檢測和控制；采用ＩＳ－９５或Ｇ．７２９標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)編碼速率８ｋｂｐｓ；智能天線；用戶定位；空中接口物理層；基帶預(yù)失真，以降低對收發(fā)信機(jī)線性的要求；自動控制頻率、發(fā)射功率、接收增益和時延。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)的基站和終端設(shè)備采用高速ＤＳＰ和高速Ａ／Ｄ變換器。
�。玻浖䶮o線電與聯(lián)合檢測
�。裕模樱茫模停林袑�(shí)現(xiàn)了軟件無線電結(jié)構(gòu)的智能天線和聯(lián)合檢測（ＪＤ：Ｊｏｉｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。目前，我國大唐電信和德國西門子聯(lián)合開發(fā)的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ試驗系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功。
聯(lián)合檢測的過程是：首先分別對８元天線陣接收信號利用專門定義的訓(xùn)練序列ｍｉｄａｍｂｌｅ來做解相關(guān)，得到對移動信道的估計，然后對每個時隙中的所有擴(kuò)頻用戶單元信號同時進(jìn)行聯(lián)合檢測消除ＭＡＩ。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)基站ＢＴＳ接收端相當(dāng)于使用了一個級聯(lián)結(jié)構(gòu)的時空域自適應(yīng)濾波器，系統(tǒng)的抗干擾性能有很大提高。
考慮到智能天線波束賦形速度的要求和具體的系統(tǒng)性能要求等因素，上行鏈路沒有使用自適應(yīng)波束賦形算法，而是簡單地采用了等增益合并法，實(shí)際上這也能起到一定的空間濾波作用。又因在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路具有相似的信道特性，所以ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統(tǒng)能夠把上行鏈路聯(lián)合檢測過程中獲得的沖擊響應(yīng)估計值應(yīng)用于下行鏈路，用類似于最大功率合成的方法實(shí)現(xiàn)下行智能天線自適應(yīng)波束賦形算法。
３．軟件無線電的分層體系結(jié)構(gòu)
�。剩铮螅澹穑� Ｍｉｔｏｌａ提出了一種基于隧道的軟件無線電分層虛擬機(jī)參考模型，最底層的硬件平臺由普通處理器與具有指令集的ＡＳＩＣ及ＦＰＧＡ組成，它包括設(shè)備驅(qū)動、中斷子程序、任務(wù)控制、資源分配與相關(guān)的操作系統(tǒng)服務(wù)。無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層支撐著資源管理、定時和頻率分配、中間件和隧道，允許獨(dú)立的電腦軟件（如Ｊａｖａ）模塊在系統(tǒng)平臺上升級，同時隧道技術(shù)使軟件模塊可方便地載入ＡＳＩＣ和ＦＰＧＡ。無線應(yīng)用層包括代理、同級控制算法，信道狀態(tài)機(jī)控制靜音、同步、保密和數(shù)據(jù)傳輸，可以方便地接入各種無線工作模式。通信服務(wù)層通過建立連接和插入代理實(shí)現(xiàn)。這種軟件無線電分層虛擬機(jī)提供了向理想軟件無線電發(fā)展的基礎(chǔ)。
結(jié)束語
未來理想的網(wǎng)絡(luò)將是一個統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，包括有線網(wǎng)與無線網(wǎng)，它將容納各種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，適應(yīng)各種物理和傳播環(huán)境，提供更加開放的接口，提供各種不同的服務(wù)。軟件無線電的通用性和靈活性決定了它的發(fā)展將在一定程度上決定或改變無線通信發(fā)展的方向，它的使用，將使無線通信具有更加廣闊的市場，并最終使人類實(shí)現(xiàn)在任何時間、任何地點(diǎn)可以與任何人以任意方式通信的全時空信息交換的個人通信的夢想。
摘自 通信世界報
