主頁（http://www.by236.com）：軟件無線電的關鍵技術及發展趨勢

軟件無線電(SDR)作為當今無線通信領域的新技術，正在起起內外越求越多的關注，在通信領域是繼模擬技術到數字技術、固定通信到移動通信之后的新的無線電通信體制。隨著通信技術的發展，兼容各種不同制式類型的設備已經日益顯露出其需求性，與傳統的無線電系統相比，軟件無線電系統具有結構通用、功能軟件化、互操作性妤等一系列優點。

軟件SDR

一、軟件無線電的起源與發展

軟件無線電的產生原因與海灣戰爭有關，當時以美國為首的多國部隊中使用了多種不同制式的通訊設備，因而造成了互相通訊的困難。之后在1992年5月Jeo Mitola在美國通信系統會議上首次提出“軟件無線電”的概念。其基本思想是使所有使用戰術電臺都基于同一個硬件平臺，安裝不同的軟件來組成不同類型的電臺，完成不同性質的功能。因此它具有軟件可編程能力。這個概念很快就在世界各國引起了注意，這是因為現在軍事通信對無線電通信系統的可靠性、互通性、靈活性以及抗干擾、抗毀性、保密、安全等都有更高的要求。美國軍方與Hazcltine公司研制了一種名為“speakeasy”(易通話)軟件無線電臺，實現了美軍通用的多頻段、多功能的無線電平臺，能兼容軍隊現有的各種電臺，能同時處理4種以上不同的調制波形。這種電臺可以稱得上是種帶有天線的、能進行話音和數據傳輸的“掌上電腦”。通信的業務包括話音、數據和視頻圖像等。

目前軟件無線電在民用領域日益受到重視，主要原因是現行通信系統技術標準多種多樣，各種技術標準和相應的系統間難以兼容，難以用統一的設備實現。而第三代移動通信系統目前仍存在著標準之爭，如果采用軟件無線電來適應不同標準，不失為一種可行之道。另一方面，通信技術發展十分迅速，舊的系統不斷改進，新的系統迅速涌現，人們需要一種比徹底淘汰舊設備更為經濟的系統升級方法，而軟件無線電的可編程性則較好地適應了這一需求。

軟件SDR

二、軟件無線電的體系結構

傳統模擬無線電系統的射頻部分、上/下變頻、濾波及基帶處理全部采用模擬方式，某頻段和某種調制方式的通信系統都對應專門的硬結構；而數字無線電系統的低頻部分采用數字電路(如本振用數字頻率合成器、信源編譯碼和調制解由專用芯片完成)，但其射頻部分和中頻部分仍離不開模擬電路。與傳統無線電系統相比，軟件無線電系統的A/D/A變換移到了中頻，并盡可能靠近射頻端，對整個系統頻帶進行采樣，即從中頻(甚至射頻)開始就進行數字化處理，這是軟件無線電的一個突出特點。數字無線電采用專用數字電路，實現單一通信功能，無編程性可言。而軟件無線電以可編程力強的DSP器件代替專用數字電路，使系統硬件構與功能相對獨立。這樣就可基于一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現不同的通信功能，并對工作頻率、系統帶寬、調制方式、信源編碼等進行編程控制，系統靈活性大為增強。

軟件無線電的硬件平臺采用模塊化設計，必須是一個具有開放性、可擴展性和兼容性的通信平臺，以模塊化的標準做成總線的形式。我們基于這一相對通用的硬件平臺，通過加載不同的軟件(需要時可更換插卡)來實現不同的通信功能。軟件無線電的硬件平臺比PC要求高得多，它需要寬帶射頻前端、寬帶A/D/A轉換器、高速DSP器件等。為了進行高速A/D/A變換及數字信號處理，軟件無線電系統必須多個CPU并行工作。另外，數字信號處理數據要高速交換，系統總線必須具有極高的T/O傳輸速率。在目前符合要求的系統總線中，VME總線技術最成熟，通用性最好，且得到的支持最廣泛。VME提供多個CPU并行處理，支持獨立的32位數據總線和地址總線，速率達40Mb/s(甚至320Mb/s)，基本滿足軟件無線電的要求，是軟件無線電的首選總線方式。

三、軟件無線電的關鍵技術

1.多頻段落轉換與寬帶射頻

對于軟件無線電系統的天線，應具有多頻段的天線和可編程控制的射頻轉換功能，在滿足天線增益、物理尺寸及價格等方面的基礎上，具備有2MHz-3MHz的工作帶寬。在無線電工程中沒有必要覆蓋全頻段，而只需覆蓋不同頻段的幾個窗口，因此可采用組合式多頻段天線，美國軍方的speakeasy就是采用了多套RF天線的方案。對于寬帶射頻，進行調諧、能量控制、低噪聲前置放大器(LNA)的配置也是一項關鍵技術，可以借助計算機輔助設計(CAD)進行系統的優化設計。

2.寬帶A/D部分。

決定寬帶模數轉換性能的關鍵是采樣及位數。采樣速率由信號寬帶決定，而量化位數則要求滿足一定的動態范圍和DSP精度。因為現有的單片ADC無法滿足這兩點要求，可采用多個ADC并聯的方式使用。

3.高速并行的DSP部分。

在系統數字化處理運算中，難度最大的是上下變頻、濾波和二次采樣，在高速并行的DSP中包括數字基帶處理、調制解調、比特流處理以及解碼功能等。對于調頻和擴頻系統，該部分還應有解擴和解跳功能。要實現這一部分功能，就要采用高速并行的DSP組成多處理器的并行運算系統，包括要有更多的多址呼叫、更寬的程序總線和數據總線、單指令多數據、多指令多數據結構及采用超指令結構等，該部分可用專用數字集成電路芯片ASIC(例如美國Harris公司的DDC芯片HS P50016)來實現。

4.離開放性及擴展性的總路線結構。

在傳統的系統結構中，一般采用流水線形式，其特點是各功能單元之間用電路相連，若要增加刪除或修改某一部分的功能，則與其相應的功能模塊都要做出調整，因而該結構不具有開放性。為實現系統中各功能單元互聯，組成一個開放的、可擴展的硬件平臺，同時具有較高的數據吞吐率。軟件無線電系統必須采取一種新的互聯結構，其特點是實現比較簡單，而且可直接應用多種總線標準(如VME,總線、PCI總線等)，目前國內外的一些機構正在研究具備上述特點的、基于總線的互聯結構。

5.軟件協議和標準。

上個世紀90年代中后期以來，國外正在研究如何實現軟件即插即用(Plug&Play)，并提出基于。JAVA/CORBA的軟件協議和標準。而基于“軟件總線”的思想，就是建立一個基于標準、開放、易用的體系結構。所謂“軟件總線”與常說的“硬件總線”相類似，是將應用模塊按標準做成總線，插入總線就可實現組合式運行，從而支持分布式的計算環境。這種設計思想與軟件系統中軟件的可重用性是一致的。

6.系統的功耗、體積和成本。

這是軟件無線電實現商業化的關鍵，它的解決很大程度上依賴于硬件工藝水平的發展。

四、軟件無線電的發展與展望

九十年代以來，各類無線通信系統的飛速發展，無線電通信制式的差別，隨著數字信號處理技術進步，使軟件無線電技術越來越受到人們的重視，預計將成為未來全球通信網絡的一項新體制。

按照理想結構，軟件無線電臺從RF到基帶的所有信號處理任務都是以全數字形式進行的，因此完全是編程控制的，而且其結構也是可重組和再生的。但是，由于沒有符合要求A/D變換器可應用于射頻段，現在正在開展研究的另一個課題是軟件無線電臺的數字RF前端，這是全頻段數字化的關鍵。

現有的數字信號處理器件(DSP)已廣泛應用于中頻、基帶或終端等部分的信號處理，這使得無線電設備的技術性能提高到了一個嶄新的現代化水平，但是其RF前端仍然是窄帶的。對軟件無線電臺而言，其RF前端中A/D變換器必須能夠處理整個通訊工作頻段，一般情況下要求從2MHz至3GHz。另外，移動通信信號的典型特征就是存在衰落和屏蔽，還可能出現強阻塞和干擾，其結果就使得出現在接收RF端的移動通信信號的動態范圍高達1OOdB以上，若是考慮到不同標準的移動通信信號，其動態范圍還將更大。對于帶寬為1OMHz的系統，采樣頻率大于25MHz，需要2500MIPS的運算處理能力，遠遠不能滿足RF前端所要處理的信號環境要求。即使是有了能夠滿足帶寬和動態范圍要求的A/D變換器，它們對功率的要求仍然會阻礙所使用的移動終端�，F階段開發的軟件無線電臺還不可能采用全頻段數字化的理想結構，而是采用Rf前端的部分頻段數字化的實用結構。

綜上所述，軟件無線電包含有兩層意思：一是射頻(RF)前端，二是數字信號處理；其核心部件就是寬帶A/D/A變換器及高速DSP芯片。軟件無線電的最大優點就是能夠根據無線波段、波道接入方式，通過定義各工作參數，重組信道結構，在硬件平臺上完成各種信號處理任務。因此，可以采用在公共硬件平臺上設計每一個工作標準的專用數字前端，或者利用不同工作標準的共性。前一種設計不但可以獲得最大的自由度，而且可以使使用的門電路數量降至最少，后一種設計則必需開發實現數字前端功能的專用算法，但卻可以用ASIC來實現，使我們能夠充分利用軟件無線電臺的概念。

總的說來，盡管軟件無線電臺一開始是為軍事短波超視距通信而開發的，但是由于它在提供模擬接收機所沒有的高保真度的同時還能夠提供極好的靈活性，對軟件稍作修改便可適應和滿足不同用戶的要求，而且其成本費用十分低廉，再加上數字信號處理技術的飛速發展，故而現在已經越來越多地應用于民用通信領域，特別是在移動通信系統中的應用得更為廣泛。