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软件无线电技术简介及特点应用
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软件无线电是最近几年提出的一种实现无线电通信的体系结构 ,是继模拟到数字、固定到移动之后 ,无线通信领域的又一次重大突破。并从软件无线电的基本概念出发 ,讨论了其功能结构、关键技术和难点以及应用和发展前景。
1.引言
完整的软件无线电 (Software Definition Radio)概念和结构体系是由美国的Joe.Mitola首次于1992年5月明确提出的。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进行通信 ,还能在两种不同的电台系统间充当"无线电网关"的作用 ,使两者能够互通互连。
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 ,提供一种通用的无线电台硬件平台 ,这样既能保持无线电台硬件结构的简单化 ,又能解决由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。
2.软件无线电台的功能结构
图1给出了典型的软件无线电系统的结构简图 ,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。
其关键思想以及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端只为软件无线电的实现提供了必不可少的条件 ,而真正关键的步骤是采用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。
(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端只为软件无线电的实现提供了必不可少的条件 ,而真正关键的步骤是采用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实时信道处理、环境管理以及在线和离线的软件工具三部分。
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。中频处理部分变换调制基带和中频之间的发射和接收信号。比特流部分数字复用由多个用户产生的信源编
码比特流 ,而且相反的使它们成帧或多路分解。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。环境管理模块使用操作的块结构很容易用一台MIMD并行处理器来实现。这种高度的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 ,以便实验参数位置、确定业务的一些数值和资源影响。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。
3.软件无线电技术中的关键技术
1)宽带 /多频段天线
软件无线电台覆盖的频段从2-2000MHz ,就目前水平而言研制出一种全频段天线是不可能的。对于大多数系统只要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"项目就采用了分段实现的宽带天线 ,即把2-2000MHz 的频段分为三段 :2-30MHz ,30～500MHz ,500-2000MHz。这在技术上是可行的 ,且基本不影响战术使用的要求。
２)宽频段射频前端和功率放大
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)A/D部分
对A/D 的要求主要是采样速率和位数。现有的A/D还不能同时满足速率与采样位数的要求。解决方法 :一方面考虑用多个高速的采样保持电路和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。
4)高速并行DSP
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2500 MIPS的运算能力 ,这是现有的任何单个DSP无法完成的 ,故必须采用高速并行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基带处理、比特流处理和信源编码等工作。
5)信令处理
软件无线电用于实现多模互联时 ,需实现通用信令处理 ,因此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 ,开发出标准的信令模块 ,研究通用信令框架。
4.软件无线电的特点及其应用
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、控制和操作、管理和维护功能。
(2)A/D和D/A尽可能地向RF靠近 ,即尽可能早地将接收到的射频模拟信号数字化 ,尽可能晚地将发送的数字信号变换为射频模拟信号 ,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 ,满足一般协议如信令格式 ,线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。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。
(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、控制和操作、管理和维护功能。
(2)A/D和D/A尽可能地向RF靠近 ,即尽可能早地将接收到的射频模拟信号数字化 ,尽可能晚地将发送的数字信号变换为射频模拟信号 ,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 ,满足一般协议如信令格式 ,线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。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 ;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 ,无感觉完成通信联络 ;可作为网关站加入全球栅格通信网。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能兼容问题 ,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。
5.结束语
目前软件无线电更多地是以一种概念和猜想的形式出现的 ,具体的定义和体系结构尚无定论 ,然而随着对其研究工作的深入展开 ,通信领域必将经历类似于个人微机在80-90年代所经历的变革。
