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1、从数字无线电到软件无线电 中国移动通信产业发展论坛 北京邮电大学 陈 曦 廖建新 胡健栋 数字无线电技术人类文明的继承和发展从来就是与信息技术领域的进步和突破密不可分的。自马可尼于年第一次实现横跨大西洋的无线通信开始，无线通信作为一种实用的通信方式已有近一个世纪的发展历程。习惯上我们根据信源信息描述形式的不同，将通信系统划分为模拟和数字两大类。最初，信息是以模拟形式被描述和传递的，譬如语音和图像信息等直接以调幅或调角的方式进行调制解调，这被称作模拟通信系统。模拟通信技术的发展造就了今天广播和电视的普及。年，发表了其著名的信道编码理论，指出只要满足信道的容量约束和信噪比约束，数字信号在理论上就能
2、够以任意低的误码率传输。这揭示了信息数字化描述的巨大好处，它允许人们将多年来在数学领域取得的丰硕成果应用到信息的编码、纠错、判别等处理领域，为数字通信技术的迅猛发展提供了充足的理论工具；同时，信息的数字化描述为拓展通信系统的业务范围，实现多种媒体的通信提供了广阔前景。从概念上说，数字通信技术从一开始就具备了数字无线电的一定特征，因为至少接收机中基带信号的后处理以及发射机中基带信号的预处理是数字化的。但是，现在数字无线电一词更多地被用来描述那些将数字信号处理技术应用于基带信号处理、调制和解调、中频甚至射频信号处理的无线通信系统。图所示为典型的采用数字无线电技术的通信系统。为简便，我们设原始信息为
3、数据流。在发射端，输入的数据流在数字信号处理模块被编码、调制后，经变换器形成中频或射频信号；在接收端，或直接将来自天线的射频信号抽样，或在中频，或在基带将信号抽样为数字信号，而后送至数字信号处理模块分析处理，恢复出原始信息。当然，为构成一个完整的通信系统，尚需带通滤波器、混频器、射频功放、低噪声放大器以及双工器等部件，这些在图中已有标识。 数字无线电的实现数字无线电技术是由若干项具体技术构成的。目前，人们的研究重点放在智能天线技术、射频或中频抽样技术、数控振荡器技术、数字滤波器技术等方面。不难看出，数字无线电技术的实现很大程度上取决于现代微电子技术的进步。为实现收信机射频信号的直接抽样以及发信
4、机射频信号的直接输出，要求和变换器能工作在频段上；系统日益提高的多址能力要求收发信机工作在高信噪比下，这对、器件的有效位数提出了更高要求，一般应在位以上；复杂的信道编译码，高速的基带速率，以及日益丰富的业务种类，都要求有高性能的数字信号处理器件。在和器件上，一些价格较低廉的产品已能工作在中频频段，典型的产品如公司的（， ），（位， ）等。而、和等公司均宣布了频段的产品，只是由于价格因素尚未普及。在数字信号处理模块的实现上，基本的趋势为（ ，数字信号处理器）和（ ，现场可编程门阵列）、（ ，专用集成电路）并举，通用型和专用型并举。可以简单理解为，以软件方式，和以硬件方式实现数字信号处理算法。由于
5、和均具备可编程能力，它们比较适合下文所述的软件无线电的需要。可分为通用和专用两大类。通用的产品指令集较复杂，功能较全面，、等公司均有系列的通用产品。在速度上，通用已能达到（每秒次）量级，如的系列。而专用为某特定算法而设计，指令集较为简单，速度也较快。目前应用得较多的产品有公司（原的半导体部门）的、，公司的、，以及公司的等。由于专用的功能有限，灵活性不足，它们一般要和通用结合使用。的发展另一方面表现为编译软件的优化，使得用高级语言进行编程成为可能。 生产工艺的改进迅速提高着它的门阵列数目，目前已达数百万门（如公司的系列），其应用也由最初的中规模电路的简单替代发展到对信号处理模块以至子系统的集成。
6、最近有人提出了 的概念，形象说明了卓越的集成能力。的发展另一方面同样表现在硬件描述语言和编译软件的进步上，硬件设计日益软件化。目前，应用较多的产品包括公司的和系列，公司的系列等。以往的概念是，为系统原型以及小批量试生产时使用，在大规模生产时需转化为以降低成本。但随着技术的进步，的成本已降低到一般可以接受的地步，加上其固有的可重复编程能力，目前出现了和并驾齐驱的势头。数字信号处理理论上的进展也直接推动了数字无线电技术的进步。尽管在硬件上，芯片运算能力的提高速度非常惊人，但人们还是在不懈地追求算法的优化。而算法的发展也极大推动了芯片内部结构的改进。一些耗费大量软件资源的常用算法被固化为硬件实现，比
7、如有限冲击响应滤波器（）、最小均方算法（）和快速富立叶变换（）等。另外，算法的存储容量（空间）和计算速度（时间）往往是一对矛盾，在进行算法优化时，人们总是根据实际情况选择不同的侧重点。嵌入式控制器（ ，可理解为专用系统的）的发展，以及与之相关的多任务操作系统的完善同样是数字无线电技术重要的却容易被忽略的一方面。嵌入式控制器一方面需要对整个通信系统的内部各模块进行控制，另一方面要接受系统使用者的干预，以实现对系统的配置、升级等功能。公司的、系列，的、等均是久负盛名的嵌入式控制器。而的、的等嵌入式多任务操作系统也为人们所熟知。 以上我们着重讨论了数字无线电技术在数字通信系统中的应用。应该指出的是，
8、尽管微电子技术和数字信号处理理论的进步使数字无线电技术的前景日益明朗，但目前的技术水平离数字无线电的完全实现还有一段距离。同时，广受关注的下一代移动通信系统对数字无线电技术也提出了新的挑战。另一方面，值得注意的是，模拟通信系统并不排斥数字无线电技术，相反，数字无线电技术在模拟通信系统中的部分应用对系统的性能提高、结构优化和成本降低提供了广阔的空间。市面上的数字调谐收音机，数码电视就是很好的例子。总之，数字无线电技术为通信系统的发展注入了非凡的活力，它的日益成熟为软件无线电的提出和发展作了充分而必要的准备 软件无线电软件无线电源于军事领域对通信系统灵活性的特殊需要。冷战期间，美国军方一直寻求一种
9、全能的接收机作为获取军事情报的得力工具。为此，他们投资对软件无线电的概念及其实现方法，主要是高速数字采样与处理技术进行了长期的研究。年代后期，公司在美国国防部的要求下研制出了第一种工作于频段的软件无线电接收机。年，在美国国防部高级研究项目局（）的主持下，军用软件无线电系统进行了第一阶段的展示。按计划，该项目的第二阶段将完成对种军用无线电系统的软件实现。的进展直接催化出了软件无线电论坛（ ）的成立及其日益活跃，也直接促进了软件无线电在民用通信领域的应用研究。软件无线电在民用领域日受重视的原因主要是，现行通信系统技术标准多种多样，各技术标准和相应系统间难以兼容。比如目前第二代移动通信系统的标准有、
10、和等多种，难以用统一的设备实现。而第三代移动通信系统目前仍存在着标准之争，采用软件无线电来适应不同标准不失为一可行之道；另一方面，通信技术发展十分迅速，旧的系统不断改进，新的系统迅速涌现，人们需要一种比彻底淘汰旧设备更为经济的系统升级方法，而软件无线电的可编程特性便较好地适应了这一需求。如图所示，软件无线电的典型结构是一种开放的模块化结构，在物理实现上是一个采用了数字无线电技术的通用硬件平台。通过实时的软件控制，用户能定义该平台的工作模式，包括工作频带、信号速率、调制方法、多址方式、接口协议、业务种类等。通过用户的定义，同一个硬件平台能实时地转变为不同技术标准的通信系统；通过软件的升级，在硬件
11、平台不变的前提下，能及时适应某技术标准的最新进展。可以归纳出，软件无线电最突出的特点就是开放性和可编程性。从数字无线电到软件无线电这里我们就可以将数字无线电和软件无线电这两个既紧密联系，又有所区别的概念阐释清楚了。数字无线电侧重描述无线通信系统的实现方法，是一种技术手段；而软件无线电侧重形容一种崭新的实现无线通信系统的概念，是数字无线电技术的高级形式和抽象化。数字无线电技术是软件无线电实现的前提和基础，软件无线电是数字无线电技术发展的必然趋势。理论上说，具备软件无线电特点的无线通信系统并不一定是完全数字化的系统，只要系统的功能是可由软件定制的，亦即构成该系统的各个模块可编程，即使模块内部的某些结构暂时未数字化，我们也可以认为这是一个符合软件无线电概念的通信系统。但显而易见的是，通信系统数字化程度越高，系统的开放性和可编程控制能力就越强，就越是真正意义的软件无线电。可以预见，伴随着新千年的到来，人类社会的信息化趋势将进一步加快。社会对信息技术的需求从来就是信息技术进步的第一推动力，而信息技术的进步又是社会发展的重要源泉。当制约数字无线电技术发展的障碍被逐渐克服之后，软件无线电的时代就到来了。
