软件无线电技术综述

　　摘要　综述软件无线电的起源、概念及特点，详细介绍它的基本结构及部分实现技术。
　　关键词　软件无线电　智能天线　数字信号处理器　数字变频
一、软件无线电的起源
　　软件无线电(Software Radio)最初起源于军事通信。 军用电台一般是根据某种特定用途设计的，功能单一。虽然有些电台基本结构相似，但其信号特点差异很大，例如工作频段、调制方式、波形结构、通信协议、编码方式或加密方式不同。这些差异极大地限制了不同电台之间的互通性，给协同作战带来困难。同样，民用通信也存在互通性问题，如现有移动通信系统的制式、频率各不相同，不能互通和兼容，给人们从事跨国经商、旅游等活动带来极大不便。为解决无线通信的互通性问题，各国军方进行了积极探索。1992年5月，在美国电信系统会议。IEEENational Telesystems Conference)上，MITRE公司的JoeMitola首次明确提出软件无线电的概念。
二、软件无线电概念及特点
　　所谓软件无线电，就是说其通路的调制波形是由软件确定的，即软件无线电是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。软件无线电的核心是将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能；其中心思想是在一个标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件编程，实现一种具有多通路、多层次和多模式无线通信功能的开放式体系结构。应用软件无线电技术，一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用。
　　软件无线电的主要优点是它的灵活性，可以通过增加软件模块，方便地增加新功能。在软件无线电中，诸如信道带宽、调制及编码等都可以进行动态调整，以适应网络标准和环境、网络通信负荷及用户需求的变化。软件无线电具有较强的开放性，由于采用标准化、模块化结构，其硬件可以随器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要不断升级。
　　软件无线电推动了可编程硬件的发展，扩展了它的编程能力，提高了它的灵活性。现在的无线通信设备包括手机都使用了DSP，但DSP软件大多固化在设备中，且DSP硬件是专用的。如果DSP硬件更加通用化，其软件可以通过有线或无线手段装入，那么一台设备就可以实现在不同的制式、频段和协议下工作了。当用户携带一台软件无线电装置到另一个国家，一入境就可以使用软件无线电装置从空中接收并下载该地区的通信标准，然后就可以利用该地区通信标准运行自己的软件无线电装置了，这将给人们带来很大的方便。
三、软件无线电的基本结构
　　1.宽带/多频段天线与RF模块
　　宽带/多频段天线与RF模块是软件无线电不可替代的硬件出入口。软件无线电要求天线能覆盖所有频段，能用程序控制方法对其功能及参数进行设置。可采用智能化天线技术。
　　智能天线也称自适应阵列天线，由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则算法调节各阵元信号的加权幅度和相位，进而调节天线阵列的方向图形状，来达到增强所需信号，抑制干扰信号的目的。智能天线也可以用空分复用(SDMA)的概念加以解释，即利用信号入射方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来，从而达到成倍扩展通信系统容量的目的。智能天线具有抑制噪声、自动跟踪信号、采用智能化时空处理算法形成数字波束等功能。目前，智能天线技术日趋完善，中国电信科学研究院信威公司已推出带智能天线的同步CDMA系统，美国麦得威通信公司的智能天线也开始投放市场。
　　射频部分包括预放大和功率输出两部分。射频发射机和接收机，由通用平台和多个射频发射机模块组成，其工作频带应足够宽，并采用数字频率合成技术设置，对每种标准应能够多载波工作。发射机包括多只高功率放大器，要求具有高线性。
　　2.模数转换部分
　　数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样转化成数字信号才能用软件进行处理。软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A尽量靠近射频前段。A/D和D/A器件在软件无线电中的位置非常关键，它直接反映了软件无线电系统的软件化可操作程度。为减少模拟环节及适应错综复杂的电磁环境，要求A/D器件具有适中的采样频率、较高的工作速度、较宽的工作带宽和较大的动态范围。在设计无线电系统时，选择模数器件依据的性能指标有：信噪比、转换灵敏度、无散杂动态范围、非线性误差、互调失真、全功率模拟输入带宽等。
　　A/D器件性能的局限及采样时引入的频谱混迭、量化误差等，会对软件无线电台的性能产生不良影响，但这种影响尚缺乏定量分析。
　　3.高速数字信号处理器
　　DSP是软件无线电必需的基本器件，是其灵魂和核心所在。系统在射频或中频(IF)对接收信号进行数字化处理，通过软件编程灵活地实现宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字上下变频、调制解调、差错编码、信令控制、信源编码及加解密功能。接收时，来自天线的信号经过RF处理和变换，由宽带A/D数字化，然后通过可编程DSP模块进行所需的各种信号处理，处理后的数据信号送至多功能用户终端。发送时，通过类似接收信号处理流程的逆过程将数据通过天线发射出去。可见，软件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要是通过以数字信号处理为中心的通用硬件平台及DSP软件实现的。
　　目前的DSP无论在功能上还是在性能上，都不能满足无线电的要求，很难用单片DSP直接处理宽带射频或中频信号，可以先采用数字变频技术对宽带射频或中频信号进行处理，然后再用DSP完成各种信号处理功能。数字变频的组成与模拟变频组成类似，包括数字混频器、数字控制振荡器和低通滤波器三部分，所不同的是数字变频采用正交混频。数字变频具有载频和数字滤波器系数可编程性、不存在非线性失真、频响特性好及造价低等优点。
四、软件无线电的未来
　　由于软件无线电具有现有无线通信体制所不具备的许多优点，因此它有着广泛的应用前景。目前，软件无线电在国内外得到迅速发展。美国国防部已完成“Speakeasy计划”二期工程，并在电子战领域应用；欧共体的ACTSFIRST项目和美国RUTGERS大学分别进行了软件无线电应用于第三代移动通信系统的研究；我国也将软件无线电技术纳入了国家“863”高科技发展计划，目前我国正在研究开发的第二代同步轨道航天测控设备方案的核心就是引入软件无线电技术。
　　随着无线网络的发展，各种无线通信体系结构和设计规范不断出现。未来的无缝多模式网络要求无线电终端和基站具有灵活的RF频段、信道接入模式、数据速率和应用功能。软件无线电可以通过灵活的应变能力，提高业务质量；同时可以简化硬件组成，快速适应新出现的标准和管理方式。
　　可以预见，随着现代计算机软、硬件技术与微电子技术迅猛的发展，软件无线电技术必将在21世纪得到更快、更完善的发展，并付诸应用。

作者：宋丽丽　任治刚