软件无线电的关键技术与未来展望

西安电子科技大学 高康强

　　软件无线电 (Software Radio) 的概念是由军事通信中得来的。无线通信装备在机动性和抗毁性方面具有天然的优势，所以在军事通信中占有十分重要的地位。然而长期以来，军用无线电台都是针对某些特定用途而设计的，各种电台虽有许多共同功能，但也有很大差别，如不同的工作频段、调制解调方式等，这样使得电台之间不能相互通信。软件无线电源于美国国防部的SpeakEasy战术通信系统计划。其主要目标是研制三军通用的多频段多功能无线电台（MBMMR）,工作频段2～2000MHz，能兼容现有15种主要军用电台，同时与其中4种电台通信。目前这一计划已经初步实现。

　　尽管最初的应用背景主要集中在军事领域，但在过去几年间，越来越多的公司投入了大量的人力、物力积极开展这方面的技术研究，从而使得它已从军事领域转向民用领域，成为经济的、应用广泛的、全球通信的第三代移动通信系统的战略基础。目前无线通信领域存在的一些问题，如多种通信体系并存，各种标准竞争激烈，频率资源紧张等。特别是无线个人通信系统的发展，使得新的系统层出不穷，产品生产周期越来越短，原有的以硬件为主的无线通信体制难以适应这种局面，这些都需要使用软件无线电的概念去解决。软件无线电技术的出现，使无线通信的发展经历了由固定到移动，由模拟到数字，由硬件到软件的三次变革。软件无线电技术是打开通信世界大门的一把万能钥匙。目前全世界的软件无线电的参与者正致力于确定软件无线电技术在产业价值链中的定位，未来软件无线电的商用前景将为移动通信的发展提供新的机遇，它将从不同途径对个人通信，实际上也对其它产业，产生深远的影响。

　　基本概念及结构

　　软件无线电（SWR）的基本思想就是将宽带模数变换器（A/D）及数模变换器（D/A）尽可能地靠近射频天线，建立一个具有“A/D－DSP－D/A”模型的通用的，开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。如使用宽带ADC通过可编程数字滤波器对信道进行分离；使用数字信号处理器（DSP）技术，通过软件编程来实现各种通信频段的选择，如HF、VHF、UHF和SHF等；通过软件编程来完成传送信息抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，以实现射频电台的收发功能；通过软件编程实现不同的信道调制方式的选择，如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等；通过软件编程实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。

　　灵活应用这些基本软件模块，可使软件无线电台具备对传播条件的多种自适应能力（包括频率、功率、速率及多径分集等的自适应），性能超群的多种抗干扰能力（包括自适应天线调零、自适应干扰抵消、扩频及跳频等），以及灵活的组网与接口能力等。可以满足用户的多种业务需求（包括话音、传真、数据及图像等）。通过使用软件无线电，可以快速改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件即可适应不同标准，构成具有高度灵活性的多模手机和多功能基站，这将大大有利于第二代移动通信系统向第三代移动通信系统的过渡。这样不同通信体制就可以实现互联互通，“一机在手，全球漫游”的个人通信的梦想就可以实现。

　　软件无线电的通用硬件平台设计通常采用基于标准VME总线的硬件结构，支持并行、流水线及异种多处理机，一种常见的通用硬件平台结构如图1所示。软件无线电技术将传统的信道编解码与信源编解码划分为如下的基本模块：宽带天线、宽带射频前端、宽带A／D／A变换、中频处理、多芯片并行DSP基带处理等。VME总线技术最成熟、通用性最好、得到的支持也最广泛,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40Mb/s，基本满足软件无线电的要求。VME总线是目前软件无线电的首选总线方式。

　　软件无线电的软件设计采用基于开放系统互联（OSI）参考模型的分层软件体系，支持面向对象的、开放式的模块化设计，实现一些基本的算法及功能模块：

　　* DSP的指令和函数库

　　* 信号流变换库

　　* FIR、IIR滤波与FFT、小波变换以及波形合成

　　* AM、FM、FSK、BPSK、扩频与跳频等调制算法库

　　* 信道纠错编码库

　　* JPEG、MPEG、H.261等图像编码和PCM、CVSD、PRE－LTP等话音编码算法库

　　* 各种无线电信令规程库

　　评价软件无线电开放性的一个重要因素是看软件是否具有可再用性，是否能够应用于多种由不同硬件厂商提供的硬件平台。这需要一套具有标准接口的软件功能模块。目前国外正在研究如何实现软件的即插即用（Plug&Play），它的基本思想是在“软件总线”的基础上，建立一个开放的、易用的、符合标准的体系结构。所谓软件总线，就是起到类似于计算机系统硬件总线的作用，只要将应用模块按照标准做成软插件，插入总线即可实现集成运行，从而支持分布式的计算环境。更进一步，Motorola公司还提出了如图2所示的Java虚拟机结构模型。

　　在该层次化模型中，软件应用程序完成软件无线电应用系统的功能、体制的描述，并规定了相应的指标、参数。采用应用编程接口(API)支持层能够支持应用程序的再利用，即采用相同的API层接口标准的应用程序可以应用在不同的软件无线电系统中。可再编程的无线接口协议组实际上就是提供与API相关的一些软件模块，如信源编码、调制解调算法、多址、DDC算法等。这些模块与API层之间有着标准的接口。因为这些软件模块都是可编程的，可以随着新的通信体制的发展，采用新的软件无线电算法。为了使协议组独立于硬件平台，引入了虚拟机层(virtual machine)。其目的是掩盖无线通信系统的硬件实体。它与无线接口协议组有一个统一的接口，称为低层API。采用低层API可以使同样的软件加载到不同厂商的硬件上，或者说运行不同的低层软件。这种低层API掩盖了特定的硬件实体，如不同厂商的产品或者同一厂商的不同系列的产品。装载到硬件平台上的软件只需按照标准的接口编写即可。该层次化模型中的最后一层是硬件平台。这个软件层次化模型从整体上为软件设计提供了思路。

　　关键技术

　　低功耗、小型化技术

　　软件无线电技术要得到普及必须实现终端电台的低功耗、小型化。目前，软件无线电手机仍然受到功耗、体积和成本的制约。美军的SpeakEasy第二期工程样机接收功耗高达60瓦。所以降低功耗、减少体积是软件无线电手机必须逾越的难关。目前的电源管理DSP芯片由DSP ISA为ASIC核的ASIC构成。软件无线电可控制话音和数据通信的短工作周期，使手机有更长的休眠模式或时间。寻呼信息的定时结构减少了差错概率，进一步延长了电池寿命。 宽带多频段天线及射频前端

　　软件无线电台应该在多频段下工作，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，但效率偏低。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段的几个窗口，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。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。

　　宽带高速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。基站应用所需的并行数字信道的数量取决于已知带宽上ADC的有效动态范围（分辩率精确度）。基站的成本与RF-ADC信道的数量成正比。因此ADC技术将是具有真正全球化能力的SWR基站的主要技术挑战。

　　高速并行DSP

　　DSP技术是软件无线电手机的基础。未来的软件无线电台将越来越依赖数字信号处理技术的发展。目前尽管低功耗DSP、超强功能DSP发展迅速，但DSP在速度、功耗上的现状仍然是制约软件无线电手机发展的关键。 DSP的另一研究内容就是软件，软件是软件无线电手机的核心。在目前DSP不能满足软件无线电手机设计要求的情况下，开发DSP的数字信号处理软件应是软件无线电手机的主攻方向。这其中包括各种FFT算法，调制解调、信源编码、信号编码等各种通信软件，也包括方式控制、信号控制和数据交换软件。

　　现状与展望 软件无线电是无线电通信领域的一次重大变革。从1992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。

　　软件无线电需要将现代先进的通信技术、微电子技术和计算机技术结合在一起，是一个中长期的研究项目，需要很强的综合实力。目前我国软件无线电的开发与研制基本是依靠国外的元器件，究其原因，一方面是受国内基础电子工业技术水平的限制，国内目前尚不具备研制和生产高速AD、DSP、CPU芯片的能力；另一方面则是元器件配套未能跟上，所以未来我国部分软件无线电台的配套器件应和整机一起配套研制。而软件无线电技术也面临着许多挑战：如功耗、体积和成本的制约，还有高速A/D和DSP数字处理，近期内满足2000MHz频段采样的AD芯片尚无法实现，即使其功耗能达到要求、价格也高得无法接受。

　　现代微电子技术及计算机技术的不断发展和突破必将带动软件无线电技术的腾飞。软件无线电技术作为3G移动通信中的关键技术之一受到了人们的普遍关注。可以设想，在使用了软件无线电技术的3G移动通信系统中，将使原先不能互联的多种通信体制综合为一个通用的通信体制，人们可以摆脱终端的束缚，实现“一机在手，漫游天下”的梦想。这种崭新的通信体制将给我们目前的生活方式，甚至思维模式带来巨大的变化。个人通信可以给用户一个唯一的PIN号，使其和身份证号码、信用卡号码等其它号码一致，银行、商店、海关等系统和通信系统相联，从而实现身份校验、现金支付等功能。软件无线电技术必将打开精彩纷呈的无线通信世界之门。

摘自《通讯世界》2002.1