软件无线电系统的研究

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1、Aug. 2005, Volume 2, No.8 (Serial No.9) 通讯和计算机 Journal of Communication and Computer, ISSN1548- 7709, USA 78 软件无线电系统的研究* 吴慎山1, 龚 庆2 （1 河南师范大学物理与信息工程学院，新乡 453007；2 洛阳大学师范学院，洛阳 471039） 摘 要：本文介绍了软件无线电的发展和应用现状，重点讨论了未来电台和移动通信的软件化问题， 描述了实现软件无线电的体系结构及其特点。该技术还须深入研究与探讨。 关键词：通信；软件无线电；宽带天线；数字信号处理器 *本文受到河南省科技攻关

2、项目(No.981120229)的资助。 1吴慎山， 又名吴叔轩 (1949- )， 男， 河南省孟州市人， 河南师范大学教授， 硕士生导师， 中国师范院校电子学会常务理事, 省电工技术学会常务理事，曾参与并主持多个项目，其中包括国家自然科学基金项目压电超声马达的研究；发表过多篇高 质量的文章；同时主编家用电器教程、电子技术基础实验等著作，取得良好社会效益；研究方向：通信，电路与系 统；电话：0373- 3326055，0373- 2386055; E- mail: . 2龚 庆，男，硕士, 洛阳大学师范学院；研究方向：电子技术教育。 1. 引 言 软件无线电（Software Defined

3、 Radio，简称 SDR）是 1992 年美国首次提出的无线通信体系， 能够实现充分可编程通信，对信息进行有效控制， 覆盖多个频段，支持大量波形和应用软件。其系统 功能由软件定义，其物理层行为随着软件的改变而 改变1,2。这种无线通信新系统、新产品的开发将逐 步转到软件上来，产品的价值将越来越多地体现在 软件上，这是无线通信领域继固定到移动、模拟到 数字之后的第三次革命。软件无线电给移动通信的 软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深 远的影响，并将在本世纪成为与计算机及程控交换 机相当的巨大产业1,2。 2. 软件无线电的基本特性 （1）可重构性（可编程性） 软件无线电必须在软件和硬件

4、两方面都支持系 统重构，通过改变所运行的软件来定义系统功能， 使系统功能随着需求而改变，有效提高硬件设备的 通用性和利用率。 可重构性分为不同的层次。从系统级的整体功能（从射频到基带）到各个层次（从应用层到物理 层）上模拟各种虚拟设备； 可以是无线接口的重构， 也可以是改变其中的某个算法。 软件无线电尽量从射频端开始，进行/变 换，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）硬件模块化 模块化就是将定义系统的各个任务分解为相 互独立的软件和硬件模块，不同的功能用不同的模 块实现；同类模块通用性好，通过更换或升级某

5、种 模块，就可实现新的通信功能。这些模块通过接口 以逻辑的方式连接起来，形成所需要的系统功能。 （3）互连方便 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、不同通信系统之间的互连 和转换。 （4）监控方便 软件无线电至少在中频以后进行数字化处理， 通过软件，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。 （5）灵活性 软件无线电必须能够被精确配置成各种不同软件无线电系统的研究 79 的虚拟设备，支持不断涌现的新技术和新功能，能 灵活嵌入新技术和支持新功能。 3. 软件无线电的体系结构 模拟无线电

6、的射频部分、上/下中频变频、调制 解调、 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。 数 字无线电系统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， 而射频部分和中频部分仍离不开模拟电路。 软件 无线电系统从中频(甚至射频)开始就进行数字化处 理，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。 基于相对通用 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。 系统结构通用、 功能实现软件化、 互操作性 好，

7、灵活性大大增强。还通过加载不同的软件 (或更 换插卡)来实现不同的通信功能3。 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 A T、 PCI 总线不能满足要求。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，而且必须多个 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，

8、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/s1。 4. 软件无线电设计中的主要环节 4.1 宽带天线和高速 DSP 软件无线电台可以在多频段工作，为了动态地 接收多频段的射频信号(串行或并行)，必须应用宽 带、低损耗天线。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，市场上已有相关的产品1。 设计天线使之具有一定的极化或方向图分集 控制能力，智能天线是较好的解决方案。天线的智 能化必须重点依靠算法，依靠软件来进行控制。它 有以下优点： 减少接收到的多径信号的数量， 降低衰落； 对接收到的

9、多径信号进行最佳合并， 充分利用多径信号的信息能量； 利用智能天线 较强的抑制多径干扰的能力， 提高系统性能； 提 高频谱的利用率。 智能天线的不少功能是用数字的方法完成的， 即采用各种 DSP 技术，需要高速 DSP 器件进行精 确的测向、测频。因此它适合与多频段、多功能电 台(MBMMR)，即软件无线电台配套使用。在天线 阵确定后，不同的准则或算法将导致不同的性能， 软件无线电的模式开放结构使得可以在原有硬件条 件下改善和更新智能天线系统，以提高系统性能。 4.2 射频模块 RF变换模块需要完成的任务包括: 射频功率放 大、接收预放大、RF 信号与 IF 信号之间的变换。 它的设计要使得下

10、一步的 ADC(模数转换器)和 DAC(数模转换器)发挥最优性能。宽带的软件无线 电的射频部分要求:在滤波器的滚降特性的锐利程 度受到损害的情况下， 仍然能提供线性的功率放大。 4.3 高速模数和数模转换器 ADC(模数转换器)和 DAC(数模转换器)是软件 无线电的关键部件之一。在无线通信中，SNR(信噪 比)与 SFDR(无寄生动态范围)等技术指标也是非常 重要的。A/D变换器要求有较高的采样率与分辨率， 以便在信号恢复时降低失真。除此之外，还要求线 性动态范围大，以减少互调失真，使接收的弱信号 仍能在强的干扰信号中检测出来。随着频率和带宽 的增加，采样速率和动态范围也将增大。无寄生动 态

11、范围(SFDR)用来评估强信号下A/D变换器同步检 测弱信号的能力，而且往往是限制高速器件性能的 因素。如果没有最高线性度，任何失真或谐波都会 产生强信号的像频，而且这些像频与真正信号是难 以区分的。GSM系统的 SFDR 值要求达到 91dB1。 4.4 信号处理模块的使用 数字信号处理模块的实现，基本的趋势为 DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、 FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程软件无线电系统的研究 80 门 阵 列 ) 和 ASIC(Application Specific Integrated Ci

12、rcuits，专用集成电路)并举，通用型 DSP 和专用 型 DSP 并举。 可以理解为： DSP 以软件方式， FPGA 和 ASIC 以硬件方式实现数字信号处理算法。由于 DSP 和 FPGA 均具备可编程能力， 它们比较适合软 件无线电的需要4。 一般认为要进行较好的滤波处理，需要对每个 采样点进行 100 次操作，带宽为 10MHz 的系统， 采样频率需大于 25MHz， 这就需要 2500MIPS 的运 算能力， 使用目前通用的 DSP 芯片还无法完成这一 任务，即使用并行处理算法，也需要多个高性能的 通用 DSP。因此，改用专用 DSP 处理芯片(也称数 字下变频器)来完成 A/D

13、 转换后的数据处理工作是 目前比较可取的方法。数字下变频器(DDC)的基本 功能是从输入的宽带数字信号中提取所需的窄带 信号，并将其下变频为数字基带信号。 4.5 算法及软件实现 软件无线电的本质是用软件定义无线通信。首 先从天线部分来看:智能天线的理论基础是信号统 计检测与估计理论、信号处理及最优控制理论。在 实际中， 使性能量度达到最优(即获得最佳权矢量)， 并跟踪信号环境变化的方法是采用自适应信号处 理算法5。 软件无线电台是一种波形可编程、多频段、多 模式的无线电台，因此必须要使用可编程软件，使 波形、频段以及工作模式可以进行识别与选择。 4.6 开放性 只有采用先进的标准化总线，软件

14、无线电才能 发挥其适应性广，升级换代方便等优点。软件无线 电中的总线结构必须具有以下特点6： （1）支持多处理器系统。由于中频数字化的软 件无线电在射频转换之后就进行 A/D 变换，加上多 波段多模式的特点，因此对数字信号处理的速度提 出了极高的要求。总线结构应能保证多个异种 CPU 的并行处理和协调工作，并能有效的共享系统资源。 （2）高速宽带总线。为了保证高速数字信号 处理数据的迅速交换，软件无线电要求其总线有极 高的数据传输和 I/O 吞吐能力，传输率要求在每秒 50MB以上，支持 32 位到 64 位独立的数据总线和 地址总线。 5. 软件无线电对我国通信装备的意义 我国无线通信系统很

15、多， 例如， 卫星通信系统、 蜂窝移动通信系统、 无线寻呼系统、 短波通信系统、 微波通信系统等等。各种无线通信系统的调制方式 也有很多， 如 AM、 FM、 FSK、 MSK、 GMSK、 QAM 、 LSB、USB、ISB 等。其多址方式包括：时分多址 （TDMA） 、 频分多址 （FDMA） 和码分多址 （CDMA） 等。根据各种通信系统的特点而应用于不同的场 合，各种系统之间互通性很差。 由于软件无线电技术可以在一个通用的无线 电硬件平台上，运行多种软件系统，实现多层次、 多通路、多模式的无线电通信7，同时能为移动通 信系统从 2G 向 3G 过渡提供了无缝解决方案。有 了软件无线电技

16、术，移动电话能在 GSM 和 CDMA 等多种标准中自由切换，而无须换卡或换机就能实 现真正的全球漫游8。 无线通信在军事通信领域也是一种重要的通 信手段， 军用电台往往有着某种特定的用途。 因而， 工作频段不同，如在 HF 频段或 VHF、UHF 频段； 有的调制方式不同，通信协议不同等，这些差异给 三军协同作战带来了困难9。而软件无线电的设计 构想，有效地解决了互通性问题。 （1）通过综合各种通信频段（如 HF、VHF、 UHF） 、信道调制波形，根据需要实现协同通信。 软件电台中的软件系统可以灵活地改变调制信号 波形，仿真各种在役和待研电台的工作方式，这种 软件无线电台不仅能和现役的各类电台互通，而且 能够连接不同电台组成的无线电网，完成频段、调 制波形、语言编码、保密抗干扰算法的变换，起到 网络桥接的作用。 （2）软件无线电的特点和体系结构能够保证 电台的模块化、通用化、系列化设计，有