新一代的无线通信技术

新一代的无线通信技术———软件无线电



孙增军　周晨阳　苏秀臣

　　[摘要]　软件无线电 (ｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ)是近几年提出的一种实现无线通信的新
体制 ,是无线通信领域的一次重大变革。文章论述了软件无线电的概念和体系结构 ,分析了实现
的关键技术和难点 ,并介绍了美国军用的Ｓｐｅａｋｅａｓｙ实验系统。

　　[关键词]　软件无线电　Ａ/Ｄ　ＤＳＰ　Ｓｐｅａｋｅａｓｙ

1　概述

从本世纪 70年代开始 ,随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术等的发展 ,通信技术发
生了很大的变化 ,从模拟通信系统到数字通信系统、从固定通信到移动通信 ,新的通信体制及标
准不断提出 ,通信业务范围不断扩大。以移动通信为例 ,第一代是采用ＦＤＭＡ的模拟蜂窝移动
通信系统 ;第二代是数字移动通信系统 ,根据采用标准不同又分为ＴＤＭＡ系统、ＣＤＭＡ系统
等 ;最近发展起来的个人通信系统 (ＰＣＳ)为第三代 ,它要达到的目标是“任何人在任何时间、
任何地点都可以和其他任何人进行通信”。

通信技术的迅速发展 ,一方面使通信产品的生存周期缩短 ,开发费用上升 ;另一方面 ,新老
通信体制共存 ,各种通信系统之间的互联变得更加复杂、困难 ,这在军事通信中尤为突出。近几
年来 ,数字信号处理技术不断成熟 ,Ａ/Ｄ、ＤＳＰ器件性能越来越好 ,正是在这样的背景下 ,软
件无线电技术应运而生。

在 1 992年 5月的全美远程系统会议 (ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｓｙｓｔｅｍｓＣｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅ)上 ,Ｍｉｔｒｅ公司的科学家ＪｏｅＭｉｔｏｌａ在同ＩＥＥＥ的一位会员谈话
时 ,首先提出了软件无线电的概念。他认为 :软件无线电基于一硬件平台 ,其Ａ/Ｄ变换应尽量地
靠近天线 ,而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现。与传统的通信体制相比 ,软件无线电有
以下几个特点 :

(1 )系统功能软件化　软件无线电将Ａ/Ｄ变换尽量向射频端靠拢 ,将中频以后全部进行数字化处
理 ,使通信功能可由软件来控制 ,系统的更新换代变成软件版本的升级 ,开发周期与费用大为降
低 ;

(2 )系统硬件模块化　它采用模块化设计 ,不同的模块实现不同的功能 ,同类模块通用性好 ,通
过更换或升级某种模块就可实现新的通信功能 ;

(3)利于互联　不同通信系统都基于相同标准的硬件平台 ,只要加载相应的软件就可完成不同电
台、不同系统之间的互联 ;

(4)系统监控方便　由于软件无线电至少在中频以后进行数字化处理 ,通过软件 ,就可很方便地完
成宽带天线监控、系统频带调整、信道监测与自适应选择、信号波形在线编程、调制解调方式控制
及信源编码与加密处理等等。

　

2　软件无线电的体系结构

软件无线电具有系统结构通用、功能实现软件化、互操作性好等一系列优点 ,与传统无线电
系统相比 ,其系统结构大不相同。图 1给出了这两种系统的结构方框图。

　　由图 1可见 ,对于传统的模拟无线电系统 ,其射频部分、上 /下变频、滤波及基带处理全部
采用模拟方式 ,某个频段、某种调制方式的通信系统都对应专门的硬件结构 ;随后发展起来的数
字无线电系统是将低频部分采用数字电路 ,如本振用数字频率合成器、信源编译码和调制解调由专
用芯片完成 ,等等 ,而其射频部分和中频部分仍离不开模拟电路。与传统无线电系统相比 ,软件
无线电系统的Ａ/Ｄ、Ｄ/Ａ变换移到了中频并尽可能地靠近射频端 ,对整个系统频带进行采样 ,
即从中频 (甚至射频 )开始就进行数字化处理 ,这是软件无线电的一个突出特点。乍看起来 ,软
件无线电好象只是数字无线电的进一步发展 ,事实上两者有着本质的区别。数字无线电采用专门的
数字电路 ,实现单一的通信功能 ,无可编程性可言。而软件无线电的关键步骤是以可编程能力强
的ＤＳＰ器件代替专用的数字电路 ,使系统硬件结构与功能相对独立 ,这样就可以基于一相对通
用的硬件平台 ,通过软件实现不同的通信功能 ,并可对工作频率、系统频宽、调制方式、信源编
码等进行编程控制 ,系统灵活性大大增强。

软件无线电的硬件平台采用模块化设计 ,是一个开放的通信平台 ,这点与ＰＣ的系统结构很
相似 ,例如 :我们若利用ＰＣ欣赏ＶＣＤ ,只需在ＰＣ上插块声卡和图像解压卡 ,加载相应的驱
动程序就能实现 ;若想通过ＰＣ上Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网 ,则插上网卡并安装网络浏览软件 (如Ｎ
ｅｔｓｃａｐｅ、ＩＥ4. 0等 )就可在网上畅游了。可以想象 ,我们基于一相对通用的硬件平
台 ,通过加载不同的软件 (需要时可更换插卡 )来实现不同的通信功能。软件无线电的硬件平台
比ＰＣ要求高得多 ,它需要宽带射频前端、宽带Ａ/Ｄ、Ｄ/Ａ转换器、高速ＤＳＰ器件等 ,不但
工作频率高达几至几十兆赫 ,信号干扰也是个很严重的问题 ,对此 ,ＰＣ的ＡＴ、ＰＣＩ总线是
不能满足要求的。由于软件无线电需要进行高速的Ａ/Ｄ、Ｄ/Ａ变换及数字信号处理 ,必须多个
ＣＰＵ并行工作才能满足系统处理速度的要求 ;其次 ,数字信号处理数据要高速交换 ,系统总线
必须具有极高的Ｉ/Ｏ传输速率。在符合要求的系统总线中 ,ＶＭＥ总线技术最成熟、通用性最
好、得到的支持最广泛 ,它可提供多ＣＰＵ并行处理 ,支持独立的 32位数据总线和地址总线 ,总
线速率达

40Ｍｂｉｔ/ｓ(1 997年 1月的ＶＭＥ32 0产品总线速率可达 32 0Ｍｂｉｔ/ｓ),基本满足软件
无线电的要求。ＶＭＥ总线是软件无线电的首选总线方式 ,美国军用的Ｓｐｅａｋｅａｓｙ软件无
线电系统就采用了这种总线 ,基于ＶＭＥ总线的软件无线电体系结构如图 2所示。

3　Ｓｐｅａｋｅａｓｙ系统

由于软件无线电能带来一系列的好处 ,以美国为首的西方发达国家十分重视此项技术的研究
和实验。随着当今通信技术的发展 ,军用电台必须及时更新换代才能跟踪先进技术 ,这就难免造
成大量的军费开支。如何节约军费 ,又能保持军用通信设备技术不落后 ,是摆在世界各国面前的
一个棘手问题。正是基于这样的背景 ,美国国防部高级研究计划总

署 (ＡＲＰＡ)提出了Ｓｐｅａｋｅａｓｙ计划。计划第一阶段的目标是研制开发多频段多模电
台 (ＭＢＭＭＲ),它由Ｈａｚｅｌｔｉｎｅ公司主承包 ,ＴＲＷ公司是波形软件子承包商 ,此计
划从 1 991年 1 0月开始 ,ＳｐｅａｋｅａｓｙⅠ的先期开发模型 (ＡＤＭ)已于 1 994年 8月
对政府的一些代表作了演示。

Ｓｐｅａｋｅａｓｙ系统ＭＢＭＭＲ电台的结构如图 3所示 ,它工作于 2～ 2 0 0 0ＭＨ
ｚ,采用双总线结构 ,即ＶＭＥ总线和高速数据总线 ,其ＤＳＰ器件采用ＴＩ公司的ＴＭＳ32 0Ｃ
40多芯片模块 (ＭＣＭ ),它可提供1 1 0 0ＭＩＰＳ和 2 0 0ＭＦＬＯＰＳ的处理能力 ,Ｉ/Ｏ
速度达30 0Ｍｂｉｔ/ｓ。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ系统是美国军队为使多种通信电台互联互通而研制
的 ,是先进的软件无线电系统 ,它共演示了以下几项内容 :

(1 )分别与四种政府装备的标准电台互通 ,其中包括战术无线电台ＨａｖｅＱｕｉｃｋ、ＨＦＭ
ｏｄｅｍ(ＭＩＬ ＳＴＤ 1 88 1 1 0Ａ )、自动链路建立ＡＬＥ (ＭＳ 1 88 1 41Ａ)和单信道
地面和机载无线电系统Ｓｉｎｃｇａｒｓ;

(2 )在ＨａｖｅＱｕｉｃｋ和Ｓｉｎｃｇａｒｓ的跳频网上同时发射 ,实现同时与这两种电台通
信 ;

(3)作为网桥 /关连接ＨａｖｅＱｕｉｃｋ和Ｓｉｎｃｇａｒｓ网 ,使两个网上的用户信息透明地
传输 ;

(4)在两部Ｓｐｅａｋｅａｓｙ电台上 ,同时改变ｓｉｎｃ ｇａｒｓ的波形参数后仍能互通 ,显
示了波形可编程能力。这次演示的内容包括语音、数据及计算机产生并通过ＨＦＭｏｄｅｍ传输的
视频图像。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ计划第二步方案于 1 995年获政府批准 ,将进一步研究增加软件
无线电的网络功能 ,并扩展ＭＢＭＭＲ电台可兼容的波形 ,包括ＧＰＳ、ＷＮＡ(无线电网络接
入 )、ＵＨＦＳａｔｃｏｍａｄａｍａ、蜂窝电话等。

4　实现软件无线电的关键技术

软件无线电采用开放式模块化设计 ,使电台业务功能与硬件平台相对独立 ,由此可带来一系
列的好处。但由于硬件水平的限制及体系结构理论尚待成熟 ,理想的软件无线电还不可能马上实
现 ,实现软件无线电的“瓶颈”包括 :宽带天线和射频模块、宽带Ａ/Ｄ变换、高速ＤＳＰ器件等
等。

4. 1　宽带天线和射频模块

软件无线电台可以在多频段工作 ,必须应用宽带、低损耗天线 ,美国已研究出几个倍频程的
天线 ,但效率太低。射频前端同样需要很宽的频率范围 ,如低噪声放大器、滤波、功放、ＡＧＣ
等 ,这在技术上不存在困难 ,市场上已有相关产品出现 ,如Ｍｉｎｉ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ公司的Ｍ
ＡＲ系列宽带低噪声放大器就可满足要求。

4. 2　宽带Ａ/Ｄ变换

软件无线电的一个显著特点是将Ａ/Ｄ变换尽可能地靠近天线 ,至少要对中频进行Ａ/Ｄ变
换 ,它要求Ａ/Ｄ转换器件具有较高的性能。评价Ａ/Ｄ变换器性能的参数包括信噪比 (ＳＮＲ)、
无寄生动态范围 (ＳＦＤＲ)、互调失真 (ＩＭＤ)、采样速率和采样精度等 ,其中主要的两项是
采样速率和采样精度 ,一般用ＳＮＲ来综合表示这两项指标 ,ＳＮＲ可用下式计算 :ＳＮＲ
=6.0 2Ｂ +1 .76+1 0ｌｏｇ1 0 (ｆｓ/ 2 ｆｍａｘ)　 (ｄＢ)

其中Ｂ为ＡＤＣ的位数 ,ｆｓ 表示采样速率 ,ｆｍａｘ为输入模拟信号的最高频率。对于一个
70ＭＨｚ的中频信号 ,若要求采样精度达到 1 2位 ,ＳＮＲ等于 80ｄＢ ,可以算出采样速率为
558ＭＳＰＳ。表 1给出了几种现有Ａ/Ｄ转换器件的性能

由表 1可知 ,目前的Ａ/Ｄ器件水平还远不能达到要求 ,一个比较好的解决方法是采用多片精
度高的Ａ/Ｄ转换并行采样。如对前面的例子来说 ,采用6片 1 2位 1 0 0ＭＳＰＳ的ＡＤＣ ,就
基本达到要求。

4 .3　高速ＤＳＰ

软件无线电是对整个工作频段 (2 5ＭＨｚ左右 )进行数字化 ,中频和基带处理全部采用数字
信号处理方式 ,实现软件控制 ,它对ＤＳＰ芯片的处理能力提出了很高的要求。以蜂窝移动通信
为例 ,系统频带为 1 2 .5ＭＨｚ,采取过抽样时的抽样频率为 30 .72

ＭＨｚ,采样后的频率变换、滤波、抽取等处理每个样点至少进行 1 0 0次操作 ,则处理速率为
30 72ＭＯＰＳ。表 2列出了目前ＤＳＰ器件的性能：

由表 2可见 ,目前任何一片ＤＳＰ器件都无法满足要求 ,解决方法有两种 :一是用多个ＤＳ
Ｐ芯片并行处理 ,ＳｐｅａｋｅａｓｙⅠ系统就是采用了这种方法 ,选用的是ＴＩ公司的Ｑｕａ
ｄ Ｃ40ＭＣＭ芯片模块 ,它由 4片ＴＭＳ32Ｃ40及 5Ｍｂｙｔｅ的ＲＡＭ组成 ,可达1 1 0 0Ｍ
ＩＰＳ(1 6ｂｉｔ)和 2 0 0ＭＦＬＯＰＳ(32ｂｉｔ)的处理速度 ,Ｉ/Ｏ速率为 30 0Ｍｂｉｔ/
ｓ。二是采用专门的可编程芯片 ,将中频进行下变频 ,然后再进行ＤＳＰ处理。Ｈａｒｒｉｓ公
司的数字下变频器 (ＤＤＣ)ＨＳＰ50 0 1 6可完成从宽带信号中提取有用信号的功能 ,其最大输
入速率为 75ＭＳＰＳ(1 6ｂｉｔ),通过编程可控制数据速率及数据输出格式等。在目前来说 ,采
用ＤＤＣ的软件无线电系统是比较现实的 ,一旦ＤＳＰ器件达到所需水平 ,就很容易过度到理想
的软件无线电系统。采用ＤＤＣ的软件无线电系统如图 4所示

软件无线电是无线电通信领域的一次重大变革 ,从 1 992年提出到现在 ,世界各国进行了大
量深入的研究与实验 ,我国也已将软件无线电纳入国家“863”高科技发展计划。诚然 ,软件无线
电还处于初步研究阶段 ,具体的体系结构尚无定论 ,Ａ/Ｄ、ＤＳＰ器件的现有水平也限制了软件
无线电的发展 ,但软件无线电具有开放式的硬件平台及很强的可编程性 ,便于电台间的互联互
通 ,易于新业务、新技术的引入 ,必将成为未来无线电通信的主宰。软件无线电的最终目标 ,是
可以工作于ＧＳＭ、ＡＭＰＳ等多种通信网络 ,适应各种通信标准 ,能够“无缝”地接入到个人
通信系统 (ＰＣＳ)和多媒体服务网络中去。