軟件無線電及其在無線通信中的應用

引言

　　軟件無線電是實現通信的新概念和新體制，它被視為繼模擬和數字技術后的又一次電子技術革命。軟件無線電采用模塊化設計原則，具有開放的ＩＳＯ／ＯＳＩ體系結構、良好的功能可編程性和軟件可移植性，支持寬頻段、高速率、多模式的無線通信。

軟件無線電概述

　　軟件無線電（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｄｉｏ）的概念是由美國科學家Ｊｏｅ．Ｍｉｔｏｌａ于１９９２年５月在美國電信系統會議上首次明確提出的。其基本概念是將硬件作為無線通信的基本通用平臺，而用軟件實現盡可能多的無線及個人通信功能。

　　靈活性和開放性是軟件無線電的主要特點。靈活性是指軟件無線電系統可以與其它任何電臺進行通信，可以作為其它電臺的射頻中繼，可以通過無線加載的方法來增加軟件模塊或更新軟件。開放性是指軟件無線電系統由于采用了標準化、模塊化的結構，其硬件可以隨著器件和技術的發展而更新或擴展，軟件也可以隨需要而不斷升級，實現不同體制、電臺的兼容。

　　軟件無線電的基本思想是將Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ變換盡量靠近射頻前端，應用寬帶天線或多頻段天線，將整個ＲＦ段或中頻段進行Ａ／Ｄ變換，這之后的處理均由通用處理器或ＤＳＰ器件完成。其硬件結構使軟件無線電具有整體的可編程性：ＲＦ頻段可編程、信道訪問模式可編程、信道編碼和調制可編程。同時由于其開放的體系結構，系統功能的改變只需軟件做適應調整，則不需重新設計系統，特別是硬件系統。數據源輸出的數據經過信源編碼（如ＪＰＥＧ編碼）后，再進行信道編碼。多路訪問可使用多種方法，如ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ等；不同的系統的調制方式不同，軟件無線電系統應該能兼容它們，如ＱＰＳＫ、ＦＳＫ等，多路訪問和調制部分還包括定時信息的處理，如幀同步、比特同步、碼元同步等。最后經Ａ／Ｄ轉換、上變頻送至射頻（ＲＦ）前端，由寬帶天線發射出去。若是接收，則過程與上相反。

　　在軟件無線電系統中，由于信號占據很寬的頻帶范圍（從幾十ＫＨｚ到幾千ＭＨｚ），加上不同體制之間的編碼、復用、調制方式不同，從而要求軟件無線電系統有很強的數據處理能力和快速輸入輸出（Ｉ／Ｏ）能力。軟件無線電系統要能達到不同系統、體制間的互聯互通，要傳輸包括視頻數據在內的多媒體信息，對系統各方面的要求將相當高。

　　實現軟件無線電的關鍵技術主要有：射頻天線、寬帶ＡＤＣ轉換、高速數字信號處理和高性能的總線結構等方面。

　　軟件無線電的射頻段應具備接入多個波段甚至覆蓋全波段的功能，它具有頻率高、帶寬的兩大特點。我們可以采用多頻段組合式天線和智能天線來實現。多頻段組合式天線是在全頻段甚至每個頻段使用幾付天線組合起來以形成寬帶天線。智能天線（Ｓｍａｒｔ Ａｎｔｅｎｎａ）的思想是：天線以多個高增益的動態窄波束分別跟蹤多個用戶，窄波束對準期望用戶，波瓣零點對準期望信號以外的干擾信號，以達到信干比最大。

　　軟件無線電的發展方向是ＡＤＣ和ＤＡＣ盡量靠近ＲＦ端，這樣高頻寬帶信號的數字化對采樣頻率、位數及動態范圍就提出了較高的要求。目前，由于受Ａ／Ｄ轉換器的成本和分辨率的限制以及受ＤＳＰ芯片處理速度的影響，要在ＲＦ端對信號進行數字化有很大困難，所以優先考慮在ＩＦ上進行Ａ／Ｄ轉換。我們可以采用多個高速采樣保持電路和ＡＤＣ，通過并串變換，將量化速度降低，以提高采樣分辨率。

　　在目前，數字信號處理和數字控制的方案大致有：數字信號處理器（ＤＳＰ）、可編程邏輯器件（ＦＰＧＡ）、可由參數控制的硬件電路、用戶定制集成電路（ＡＳＩＣ）。對于以上４種方法，可編程性能為ＤＳＰ最高（可用匯編或Ｃ語言），后者依次降低，ＡＳＩＣ不具編程能力；運算速度則相反，以ＡＳＩＣ為最高，ＤＳＰ最低；功耗以ＤＳＰ為最高，ＡＳＩＣ最低。在軟件無線電的設計中，要綜合考慮器件性能和特點，構架可編程性能高、運算速度快、功耗低的系統。另外，虛擬無線電（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒａｄｉｏｓ）也是可供選擇的一種方法，其思想是使用高速ＡＤＣ作為數字與模擬的接口，處理器的核心使用高性能的工作站硬件。這種方案使得用戶可以利用工作站的硬件和軟件設計新的算法，并且可以在工作站上方便地進行系統結構的試驗。

　　由于軟件無線電需要進行高速的Ａ／Ｄ／Ａ變換及數字信號處理，必須使用多個ＣＰＵ并行處理；其次，數字信號處理的數據要高速交換，系統總線必須具有極高的Ｉ／Ｏ傳輸速率。在符合要求的系統總線中，ＶＭＥ總線技術最成熟、通用性最好、得到的支持最廣泛，是軟件無線電的首選總線方式。但總線結構采用時分機制，實現起來比較簡單，但在無線通信系統中各個相鄰功能模塊間的數據流是一種接力機制，應用總線結構就顯得帶寬過窄和控制復雜，吞吐率較低，其可擴展性也受到限制。軟件無線電的高速網絡交換方式是重要的發展方向，清華大學在國家“８６３”軟件無線電項目中提出了一種基于交換的硬件平臺，其結構采用適配交換網為各功能模塊提供統一的數據通信服務，各個功能模塊都是由ＤＳＰ組成的功能板，遵循相同的通信接口和協議，它們之間的耦合很弱，能夠極大地提高平臺的靈活性，可以適應于多種無線電通信系統，并已證明具有更好的吞吐率和實時性能。

軟件無線電在移動通信中的應用

　　第三代移動通信系統各國提出了多種不同的標準，要統一這些標準是非常困難的，ＩＭＴ－２０００的發展策略已經改變過去“統一”的概念，而注意到以各地區現有第二代系統網絡為基礎來制定比較現實的過渡方案，提出了“ＩＭＴ－２０００家族”的概念。它放棄了在空中接口、網絡技術等方面一致性的努力，而致力于制定網絡接口的標準和互通方案。因此，在未來的第三代移動通信中存在著多頻、多模操作，各體制間的互通問題、同第二代系統的兼容問題以及通信標準的發展等問題，都為軟件無線電技術的應用提出了切實的需求。

　　１．軟件無線電在蜂窩移動通信系統中的應用

　　在蜂窩移動通信系統中，若基站和移動終端都采用軟件無線電結構，則系統的硬件平臺可由標準的功能模塊搭建，硬件功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問模式及信道調制都可編程。軟件無線電通過硬件平臺安裝不同的軟件，完成不同的功能，因此可在不改變硬件設備的條件下，通過軟件升級來實現系統功能。

　　在我國向ＩＴＵ提交的第三代移動通信提案ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中就采用了軟件無線電技術。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ結合了軟件無線電、智能天線、聯合檢測技術及全質量話音壓縮編碼技術等通信新技術，具有先進性。軟件無線電技術在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統中的實現包括：直接序列碼分多址的調制和解調；聯合檢測和控制；采用ＩＳ－９５或Ｇ．７２９標準，實現編碼速率８ｋｂｐｓ；智能天線；用戶定位；空中接口物理層；基帶預失真，以降低對收發信機線性的要求；自動控制頻率、發射功率、接收增益和時延。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統的基站和終端設備采用高速ＤＳＰ和高速Ａ／Ｄ變換器。

　　２．軟件無線電與聯合檢測

　　ＴＤ－ＳＣＤＭＡ中實現了軟件無線電結構的智能天線和聯合檢測（ＪＤ：Ｊｏｉｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）技術的有機結合。目前，我國大唐電信和德國西門子聯合開發的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ試驗系統已經研發成功。

　　聯合檢測的過程是：首先分別對８元天線陣接收信號利用專門定義的訓練序列ｍｉｄａｍｂｌｅ來做解相關，得到對移動信道的估計，然后對每個時隙中的所有擴頻用戶單元信號同時進行聯合檢測消除ＭＡＩ。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統基站ＢＴＳ接收端相當于使用了一個級聯結構的時空域自適應濾波器，系統的抗干擾性能有很大提高。

　　考慮到智能天線波束賦形速度的要求和具體的系統性能要求等因素，上行鏈路沒有使用自適應波束賦形算法，而是簡單地采用了等增益合并法，實際上這也能起到一定的空間濾波作用。又因在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統中，上行鏈路和下行鏈路具有相似的信道特性，所以ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統能夠把上行鏈路聯合檢測過程中獲得的沖擊響應估計值應用于下行鏈路，用類似于最大功率合成的方法實現下行智能天線自適應波束賦形算法。

　　３．軟件無線電的分層體系結構

　　Ｊｏｓｅｐｈ Ｍｉｔｏｌａ提出了一種基于隧道的軟件無線電分層虛擬機參考模型，最底層的硬件平臺由普通處理器與具有指令集的ＡＳＩＣ及ＦＰＧＡ組成，它包括設備驅動、中斷子程序、任務控制、資源分配與相關的操作系統服務。無線基礎結構層支撐著資源管理、定時和頻率分配、中間件和隧道，允許獨立的電腦軟件（如Ｊａｖａ）模塊在系統平臺上升級，同時隧道技術使軟件模塊可方便地載入ＡＳＩＣ和ＦＰＧＡ。無線應用層包括代理、同級控制算法，信道狀態機控制靜音、同步、保密和數據傳輸，可以方便地接入各種無線工作模式。通信服務層通過建立連接和插入代理實現。這種軟件無線電分層虛擬機提供了向理想軟件無線電發展的基礎。

結束語

　　未來理想的網絡將是一個統一網絡，包括有線網與無線網，它將容納各種標準和協議，適應各種物理和傳播環境，提供更加開放的接口，提供各種不同的服務。軟件無線電的通用性和靈活性決定了它的發展將在一定程度上決定或改變無線通信發展的方向，它的使用，將使無線通信具有更加廣闊的市場，并最終使人類實現在任何時間、任何地點可以與任何人以任意方式通信的全時空信息交換的個人通信的夢想。