软件无线电.doc

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1、软件无线电及其关键技术陈坚 李在铭（电子科技大学通信学院102教研室 成都 610054）摘要 软件无线电是近年提出的一种无线通信的体系结构，是继从模拟技术到数字技术后，无线通信领域的又一突破性新技术，本文从软件无线电的基本概念出发，讨论了其发展背景、功能结构、关键技术、先进特点和存在问题及应用与发展前景。关键词 软件无线电 体系结构 模数转换 数字信号处理 数字下变频 一、引言随着通信技术不断地从模拟向数字化转变，现代无线系统越来越多的功能靠软件实现，因此产生了新一代的无线通信技术软件无线电(software radio)1。完整的软件无线电概念和结构体系是由美国MILTR公司的Jeo Mi

2、tola于1992年5月首次明确提出的。其基本思想是：将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台通信，还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关”，使两者能够互通互连。这样就解决了由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。人们研究软件无线电技术的主要原因如下：1)为了满足日趋复杂的无线电通信要求，通信设备必须符合各种无线通信手段相互协同的要求；同时，由于通

3、信技术日新月异，为使电台保持与当今先进的通信技术同步，更新或增加电台功能速度加快；2)数字处理理论与技术的高度发展，以及A/D转换器和数字信号处理器(DSP)等器件的逐步成熟，为发展软件无线电奠定了技术基础。软件无线电充分利用嵌入通信设备里的单片微机和专用芯片的可编程能力，提供一种通用的采用宽带A/D转换器、DSP和通用中央处理器(CPU)相结合的无线电台硬件平台，既保持无线电台硬件结构的简单化，又带来如下的优点：1)灵活性：能转换信道、改变调制方式和接收不同类型信号，对目前面临许多新标准或环境变化的无线电设计者而言，很有吸引力；2)集中性：软件无线电技术多信道共享前端射频级，可对每一信道进行

4、低成本的数字处理，尽管软件无线电台比单个传统接收机要昂贵得多，但每个信道的成本大大降低了。二、软件无线电台的功能结构典型的软件无线电系统2包括天线、多频段射频变换器、含有A/D和D/A变换器的芯片以及片上通用处理器和存储器等部件，可以有效地实现无线电台功能及其所需的接口功能。其功能结构框图如下：图1 软件无线电系统功能结构框图其关键思想和与传统结构的主要区别在于：1)将A/D和D/A向RF端靠近，由基带到中频对整个系统频带进行采样；2)用高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路与低速DSP/CPU做A/D后的一系列处理。A/D和D/A移向RF端仅为软件无线电的实现提供了必要条件，关键步骤是采用

5、通用的可编程能力强的器件(DSP和CPU等)代替专用的数字电路，由此带来的一系列好处才是软件无线电的真正目的所在。典型的软件无线电台的工作模块主要包括下面三个部分:1)实时信道处理：实时信道处理包括天线、射频变换、A/D和D/A变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。其中射频变换包括输出功率的产生、前置放大、射频信号变换为标准中频或由标准中频变换为射频信号，以适应宽带A/D和D/A变换。中频处理部分变换基带和中频之间的发射和接收信号。比特流部分将多个用户产生的信源编码复用成比特流，或与之相对应将比特流多路分解。还提供信令、控制和操作、管理和维护功能。实时信道处理部分最合适的结构是多指令多

6、数据(MIMD)多处理器的结构，即将多处理器组成一个流水线，来实现软件模块分配给内部连接在一起的各个处理器的不同的功能序列。2)环境管理：在准实时环境管理模块中持续地使用频率、时间和空间特征来表征无线电环境，这些特征包括信道识别和估计其它参数。环境管理模块的操作模块化，容易用一台MIMD并行处理器来实现。这种并行环境管理模块和流水线工作方式的实时信道处理模块之间的接口必须使环境管理的参数和信道处理模块同步。3)在线和离线的软件工具：在线和离线系统分析、信号处理和变宿主工具允许人们确定增量业务。这些业务的增加可在实时信道处理模块中生成和连接，也允许人们调整算法，以便测试参数位置、确定业务的一些数

7、值和资源影响。高度集成化的软件工具可比较快地实施增值的软件升级，当软件定义的网络迅速扩大后，可通过无线传输提供改进了的业务服务。三、软件无线电关键技术发展状况3.1 软件无线电通信结构通用移动软件无线终端的接口直接连接用户，基站与公共交换网(PSTN)连接。软件无线电的标准结构如图2所示。用软件来定义无线电功能是软件无线电的特征，但由软件控制的数字无线通信一般并非软件无线通信，软件无线通信应具有完全的可编程性3，它包括可编程的射频频带、可编程的信道接入方式和可编程的频道调制。图2 软件无线通信的标准结构软件无线电通过丰富的软件工具来扩展业务，这些工具可以帮助分析无线通信环境，定义所增强的业务，

8、并用软件加以生成，然后在这种无线环境中进行调试，最后通过软件或硬件把新增强的业务发送出去。软件无线电选用开放式模块化结构，一般工作模块主要包括前述的实时信道处理、环境管理、在线或离线的软件工具三部分。如美军“Speakeasy”电台选用VME总线型开放式结构，利用现有的商用工业总线结构，以减少投资。其外形象一台笔记本电脑，主要信号处理器库可完成每秒2亿次32位浮点运算、每秒11亿次16位整数运算以及每秒3亿字节的I/O指令，具有极强的适应性和灵活性。3.2 宽带/多频段天线与宽带射频模块软件无线电台覆盖的频段从2-2kMHz，要求宽带射频模块和低损耗宽带天线，就目前水平而言要研制出一种全频段天

9、线是不可能的。研究最佳多频段天线的主要障碍是当两个频率的频谱十分靠近时，不能设计出同时在两个频率上工作的多频段天线。对于大多数系统只需覆盖不同频程的几个窗口，而不必覆盖全部频段，故可以采用组合式多频段天线的方案。美军的“Speakeasy”项目中就采用了分段实现的宽带天线，即把2-2kMHz的频段分为2-30MHz、30-500MHz、500-2kMHz三段4，并且，作为过渡措施，把软件无线电台中的功率射频模块设计成更换式。这在技术上可行，且基本不影响战术使用要求。软件无线电台的一个商业应用是移动通信中基站采用的“智能天线”。这种天线设计首次将过去三十年中用于军事通信的天线与数字处理技术结合起

10、来。智能天线通过提高前向和反向链路所需信号的载/干比，扩大信道的容量。提高智能天线载/干比的途径有三条：1)利用天线截面积，用定向阵列产生增益。这可以利用物理的定向单元完成，或综合更多单元的输出以增加截面积，再产生增益；2)减少多径衰落，防止多径传播所引起的载/干比损耗；3)识别并抑制干扰信号。软件无线电台结构支持这三种方法的实现。实验分析表明，采用“智能天线”的软件无线电台，可以提高前向和反向链路的载/干比，使频率复用达到31,采用智能天线能使系统容量扩大两倍以上。宽带射频前端要求器件有较宽的频率范围，主要完成低噪声放大、滤波、混频、自动增益控制(AGC)以及输出功率放大等功能。宽带低噪声前

11、置放大器可达到几个倍频程，这无论是在器件上还是电路设计上都没有困难，几个倍频程的宽带功放则需要很好地选择器件并使用电路CAD优化技术。3.3 模数转换部分在日益趋向高频和宽频带的系统中，目前无线接收机设计的趋势是将数字化技术应用到更接近天线的部件中。在无线接收机中，A/D转换器是一关键部件，它常用于射频或中频的宽带数字化。目前在通用移动通信系统(UMTS)、未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS)和蜂窝移动通信系统中，均用一个高速A/D转换器使整个频带数字化。A/D转换器的结构如图3 所示。对A/D的要求主要是采样速率和位数。现有的A/D转换器还不能同时满足速率与采样位数的要求。解决方法：一方

12、面考虑用多个高速的采样保持电路和模数转换器ADC，然后通过并串转换将量化速度降低，以提高采样分辨率；另外也可考虑研究适合于低分辨率、高采样率的A/D编码调制方案。图3 用于射频或中频宽带数字化的模数转换器在无线接收机中使用A/D转换器时，必须考虑的因素包括：采样方法的选择、带外能量的数值和效应、模拟滤波方法、量化噪声、接收机噪声、失真的影响，以及A/D转换器的技术特性。3.3.1 采样技术采用采样间隔相同的采样技术有奈奎斯特采样、过采样、正交采样和带通采样；也有采样间隔不同的采样技术，但其使用范围不广。奈奎斯特采样的采样速率等于模拟信号最高频率的两倍。过采样的采样速率比奈奎斯特采样速率还要大。

13、正交采样是把要进行数字化的信号分成两个分量，其中一个分量乘以正弦波，下变频到零中心频率上，另一个分量乘以90相移的正弦波，下变频到零中心频率上，形成与原信号正交的相位成分。每一分量只以原信号的1/2带宽出现，以原信号的1/2采样速率进行采样。带通采样的采样速率远低于带通信号中最高频率分量的两倍，这意味着可以采用较低采样速率的A/D转换器，但它必须仍能在带通信号的最高频率分量上有效工作。最新的技术分析报告表明，在抗混迭滤波器上，采用奈奎斯特速率采样存在大量不实际的要求；采用过采样则易满足要求；正交采样通过使用两个锁相A/D转换器代替一个锁相A/D转换器，可以减小采样速率；带通采样适用于直接在中频

14、和射频上实现数字化，因为发送信号和接收信号都是带通信号，当相邻信道存在强信号时，带通采样需要滤波特性较好的滤波器。目前A/D转换器只能提供几十兆赫的带宽，具有一定的动态范围，适合在中频工作。在射频的一些频段内，由于受到带宽限制，频率变换仍然采用模拟的方法。决定无线接收机A/D转换器技术特性的参数包括：信噪比(SNR)、寄生自动动态范围(SFDR)、噪声功率比(NPR)和全功率模拟输入带宽。3.3.2 软件无线电对A/D转换器的技术要求A/D转换器的技术要求如下：采样方法应满足采样定理，适当加入抗混迭滤波器；应尽量在中频或射频工作，以尽可能保证整机的全软件化；减少量化噪声。3.4 高速并行DSP

15、技术3.4.1 软件无线电中数字信号处理技术的发展趋势数字处理是发展软件无线通信的关键问题，其中处理速度是其技术瓶颈。数字下变频(DDC)是A/D变换后首先要完成的处理工作，包括数字下变频、滤波和二次采样，是系统数字处理运算量最大的部分，也是最难完成的部分。为了较好地进行滤波等处理，需要每采样点100次操作，对于一个系统带宽为10MHz的系统，采样频率要大于25MHz，这就需要2500MIPS的运算能力，虽然现代可编程数字信号处理器通常可提供高达200MIPS或50MFLOPS(每秒百万浮点运算)以上的处理能力，但现有的任何单个DSP仍无法完成上述运算。这样由于数字信号处理器的限制，只能对几百

16、kHz的滤波信号进行运算，即使采用较快的设备，数字信号处理软件仍不能用于下变频。由于取样率和寄生自动动态范围所需的高性能模数转换器已商用化，在软件控制下，最前级使用专门的数字硬件混合技术更为普遍(如数字下变频器)，这些技术采用数字混频器(乘法器)，从A/D转换器输出的宽带高速数据中选出窄带信道，在可控流进入通用数字信号处理器之前进行滤波和取样。此外采用非结构接收机或同时校正和调谐整个频带的并行处理方法，可以得到更好的效果，这就必须采用高速并行DSP组成的多处理器模块(MCM)或专用集成电路。数字下变频后的高速信号处理部分主要完成中频处理、基带处理、比特流处理和信源编码等其它功能工作。3.4.2

17、 多重处理结构的发展状况图4a 第一代DSP多重处理结构图4b 第二代DSP多重处理结构由于软件无线电通信中数字信号处理采用并行和顺序分割算法来获得所要求的处理能力，要求数字处理速度更快，就必须利用多重处理来分担工作。最近的发展趋势是将一个CPU和一个专用DSP集成在同一芯片上，将CPU的通用性与DSP功能结合起来。当系统处于实时操作时，数据必须从DSP输出和输入，这就造成DSP的I/O瓶颈问题。为了快速存取数据，要求有高速存储器，但这很昂贵，如果同时使用几个处理器，必须有连接和协调多个处理器工作的有效方法。传统的DSP结构不能很好地适应多重处理，因此必须研制新的DSP多重处理结构，图4示出了

18、第一代DSP多重处理和第二代多重处理的结构。第一代DSP多重处理结构中，处理器间通信可提供简单的数据流。由于存储器分配/共享复杂，且受到处理器及其控制支持硬件的限制，有限的带宽随着片外存储器和I/O数据被浪费掉。在第二代DSP多重处理结构中，快速处理器之间的链路加快了数据流的速度，同时统一的地址空间和专门的控制操作简化了存储器存取和多重处理，因此内部存储器和I/O处理器缓和了总线的瓶颈问题。目前研制出的第二代DSP多重处理器，虽具有所要求的某些性能，但在输入输出带宽、多路处理深度和片上存储器等关键方面，仍有较大的局限，还需进行深入研究。3.5 信令处理软件无线电用于实现多模互联时，需实现通用信

19、令处理，有必要把现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成几个标准的层次，研究通用信令框架，开发出标准的信令模块。四、软件无线电的特点、应用和存在的问题软件无线电最突出的特点是：(1)软件无线电具有完全可编程特性，包括可编程的无线波段、信道接入方式、信道调制、数据速率等，通过软件提供信令与控制、操作和管理以及维护功能。(2)A/D和D/A尽可能地向RF靠近，以便充分利用DSP器件的速度和软件资源，尽量通过软件编程完成从信源基带直至射频的波形变换和相关处理。软件无线电台遵循开放平台的设计思想，采用模块化结构，方便硬件模块更换和软件升级。物理、电气接口的技术指标符合高性能的VME总线标准，满足一般

20、协议如信令格式、链路自动建立及相关算法等要求。新业务的增加仅需在电台中加载新的软件模块即可实现，从而降低了通信设备的成本，改善了性能，缩短研制周期。因此这样的一个体系结构具有非常大的通用性，可用来实现多频段、多用户、多体制的通用无线通信系统。由于软件无线电的这些特点决定了其应用具有以下特征：业务多样化，新业务、新技术的引入更加方便和经济；优越的低截获概率、低探测概率、抗干扰性能；自动选择通信模式，无感觉地自动选择接入不同的通信网络，选择最佳的通信模式，发送探寻信号去建立通信链路，采用合适的通信协议和信号格式与远端进行通信，通信模式可以根据业务可用性或信号质量来选择；可作为网关站加入全球栅格通信

21、网。例如在移动通信或PCS中，它可解决传统基站和移动终端的单一模式而造成的不兼容问题，使基站和移动终端能够满足多种标准，能应付当前和将来复杂的通信模式和信令结构。软件无线电技术在商用通信领域中的应用前景非常广阔，目前软件无线电技术已在800MHz商用蜂窝无线频段、卫星通信等领域中得到应用，作为一种强有力的结构框架，有助于我们提供先进、经济的无线业务。软件无线电也存在一些缺点，如很难设计宽频带、低损耗天线和射频变频器；很难估计在实用中对处理能力的需求和可再编程DSP/CPU处理能力的配置；较难保证内部处理器接口的数据速率。目前软件无线电结构关键部件还没有开放结构标准。DSP功能库还不能象混合和匹

22、配VME板那样，对来自不同软件供应商的实时软件进行混合和匹配。但随着现代通信技术的飞速发展，这些缺点中大部分是可以避免的，并可以在克服这些障碍的同时，进一步降低成本，使软件无线电台早日投放市场。参考文献1 Mitola, J. ，The software radio architecture，IEEE Communications Magazine , Volume: 33 Issue: 5 , May 1995 ,Page(s): 26 -382 Patti, J.J.; Husnay, R.M.; Pintar, J.，A smart software radio: concept dev

23、elopment and demonstration ，SAC, IEEE Journal on , Volume: 17 Issue: 4 , April 1999 ，Page(s): 631 6493 Cook, P.G.，Architectural overview of the SPEAKeasy system，SAC, IEEE Journal on , Volume: 17 Issue: 4 , April 1999 ，Page(s): 650 6614 Li Weidong; Yao yan，Software radio: technology and implementation ，Communication Technology Proceedings, 1998. ICCT 98. 1998 International Conference on , 1998 ，Page(s): 5 pp. vol.1