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1、软件无线电关键技术分析王忠思 周亚民 黄 辉（海军士官学校，安徽 蚌埠，233012）摘要：作为当今无线通信领域的新技术软件无线电SDR(Software-Defined Radio)应用前景十分广阔,正引起国内外越来越多的关注。本文介绍了软件无线电的概念、特点及体系结构,分析了软件无线电的关键技术，阐述了软件无线电的发展应用前景。关键词：软件无线电；数字信号处理；无线通信Analysis on Key Technologies of Software-Defined RadioWang Zhong-si，Zhou Ya-ming，Huang Hui（Bengbu Naval Petty Of
2、ficer Academy，Bengbu 233012，China）Abstract: The application prospect of SDR(Software-Defined Radio) is very broad as a new technology of wireless communication domain now, SDR is arousing the domestic and foreign more and more interests. This article introduced the concept, the characteristic and th
3、e framework of the SDR, analyzed the key technologies, at last shows the application prospect of the SDR.Keywords: software radio; digital signal processing; wireless communication.0引言伴随现代通信方式和需求的不断发展，以硬件为主的传统通信体制难于适应多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的局面。针对目前多种无线通信标准和体制之间无法兼容的弊端，有人提出了一种名为“软件无线电(Software-Defin
4、ed Radio)”的技术概念，为多体制、多标准的互通提供了灵活的解决方案。软件无线电能够使用软件或可更新的逻辑器件来处理无线信号，其最大的特点就是将模拟信号数字化，采用数字技术实现以前用模拟技术实现的功能。1软件无线电的概念软件无线电技术是在通用的开放式的无线电智能通信平台上，通过安装不同的软件来完成各种通信功能，系统的升级是通过软件的升级来实现的。软件无线电是一种用软件来实现物理层连接的无线通信设计，是利用不断增加的芯片处理速度和不断的大规模集成电路技术，把DSP芯片或通用CPU芯片作为无线通信的基本硬件平台，将尽可能多的无线通信功能，如调制技术、跳频、纠错及加密等用软件实现。上述无线功能
5、可以用软件升级来改变无线参数，可以按要求的条件用编程来设计，这样就把无线通信系统或产品的某些部分转移到软件上来，这些软件通常是DSP、ASIC、FPGA现场可编程序的逻辑序列里的软件。系统升级基于软件，其开发周期短，更新代价小。采用软件无线电，使不同的系统和设备更容易兼容和互联。2软件无线电的主要特点灵活性。工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可编程调制方式等。所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号；可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试，升级便捷。集中性。多个信道享有共同的射频前端与宽带AD变换器以获取每
6、一信道的相对廉价的信号处理性能。模块化。模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准，在硬件技术发展时，允许更换单个模块，从而使软件无线电保持较长的使用寿命。3软件无线电的体系结构软件无线电的实现需要解决一个重要的问题，即体系结构问题。一种简单的设想是模仿计算机。计算机最初是作为单纯的辅助工具而问世的，然而，在不长的时间里能迅速地应用数学、物理、信号处理等各学科的理论成果，并和实际应用广泛结合，发展成为人类生产、生活、科学研究等各个方面的核心部件。采用正确的模型描述自然现象，应用数字化的方法表示运动的状态和过程，使之适合应用计算机进行处理当然是最基本的因素，但在发展过程中采用了合理的开放性的体系结
7、构也是计算机发展迅速、应用广泛的重要原因。参照计算机的体系结构形式，可以将软件无线电功能映射到图1所示的开放式、组件式结构中去。图1 开放式、组件式软件无线电结构图中多耦合器的功能是连接天线阵和收、发射频组件，射频模块、中频模块、基带模块、比特流模块均接入VME总线中，中频模块、基带模块和比特流模块之间还设有辅助总线；复接后的比特流可通过ATM等传送，VME主机板可通过本地以太网、FDDI、ATM等和工作站相连。可见功能的扩展变化是十分灵活和方便的，实际应用中根据需要，DSP处理器的数量、总线、传输的形式和手段都可以优化和选择。4软件无线电的关键技术软件无线电一般由宽带天线、射频前端、高速数字
8、链路和各种软件包组成，解决软件无线电的智能宽带天线技术、高速A/DD/A技术以及软件协议和标准便成关键问题之所在。4.1宽带天线和射频前端这是软件无线电不可替代的硬件出入口，只能靠硬件本身来完成，不能用软件加载实现其全部功能。这部分要完成的功能包括天线能覆盖所有的工作频段、能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。实现的技术包括组合式多频段天线及智能化天线技术；模块化、通用化收发双工技术；多倍频程宽带低噪声放大器方案等。应用基带数字信号来控制和选择天线阵，实现覆盖所有工作频段、智能设置参数、改变方向图等功能。射频前端由通用平台和多个射频发射机模块组成，其工作频率范围应足够宽，并用数字频率合成技术
9、来设置，对每种通信标准可实现多载波工作。4.2高速AD和DA转换A/D和D/A转换器是保证软件无线电系统卓越性能的关键因素之一。为了在尽量接近天线的射频前端把信号数字化，AD和DA转换必须能工作在很高的频率，且具有优良的性能。在接收状态，AD转换器的工作频率直接影响到可能处理的信号频率和带宽、滤波器的性能和可实现性，其位数将影响信噪比、动态范围、保真度等；在发射状态DA转换器的性能将影响发射信号的质量，如非线性失真、谐波失真、三阶互调和频谱的纯度。传统的高速A/D结构有Flash型、折叠插值型、流水线型、带通-型、两步转换型等。其中，流水线型用于816位A/D转换；两步转换型用于1012位A/
10、D转换；带通-用于IF接收系统，以获得较高的信噪比。近年来，高速A/D发展呈现如下趋势：1）采用传统观点认为只能用来实现较慢速度的结构来实现高速采样率；2）采用新结构来实现高采样数率下的低功耗特性；3）采用数字辅助的方法来适应器件特征尺寸不断缩小的挑战，同时降低功耗，这种方法在许多高性能A/D设计中都有采用；4）采用新的量化方法来实现极低功耗。4.3高速DSP处理技术理想的软件无线电结构之所以适用于无线电工程的任何领域，原因就在于它完成的功能主要取决于存储在DSP/FPGA中的软件，而与硬件结构无关，DSP则是软件无线电的核心元件，也可以说DSP技术的发展是软件无线电的关键推动力之一。高速DS
11、P处理器作为软件无线电计算、控制、信号处理的核心部件，其性能直接影响到软件无线电的可实现性。我们可以计算出DSP每秒需完成的指令数p：假如，在中频对带宽为10MHz的信号进行基带到中频的频率变换，采样速率至少为20MHz，每一个采样点需进行的运算量的典型值为=50条指令，则1000106条指令/s。若要实现FIR/IIR滤波功能，需要对1个样本进行100次操作，要求就更高了。解决的途径之一是采用多指令多数据流（MIMD）体系结构的处理器。它是在整体控制下由两个或多个具有独立运算功能的处理机组成。各处理机在同一时刻执行不同的指令，指令来自处理机本身，各处理机不一定要同步运算。复杂的程序被分成若干
12、可独立运行的程序，在不同的处理机上分别执行并相互交换信息，因而实现了任务、指令、数组各个级别的全面并行计算。除了采用MIMD多处理机系统外，另一个可行的途径是采用可编程、可重构的大规模专用芯片，在DSP的控制下采用快速数字逻辑实现滤波和大量的信号处理工作，将DSP处理器负担降低。例如，目前在软件无线电中常用的数字下变频转换器（DDC），就能从宽频带的射频中选择所需的窄带信号，将其转到中频，并进行速率变换和滤波。数字下变频转换器（DDC）由数字混频器、低通滤波器、采样器组成，是系统中数字处理运算量最大的部分，也是最难完成的部分。一般都将DDC这部分的工作交给专用的可编程芯片完成。4.4开放式、可
13、扩展、可重构的体系结构要实现多体制、多功能，且能不断引入新的功能，适应新的要求，软件无线电的硬件平台必须具有开放式、可扩展、可重构的特点。最容易想到的是借用计算机的总线结构形式，功能的增加只需加上一个插件板就可以了。美国的多功能软件无线电台Speakeasy就是采用这种形式。在诸多种类的总线中，最受青睐的是VME总线。1995年VS0组织提出了VME64X扩展总线标准，VME64X采用革命性的2eMBLT模式，传输速率较VME64的BLT和MBLT模式提高一倍以上，理论峰值速率为160Mbits，可以满足软件无线电高速数据处理苛刻的使用要求。随后Bustronic公司和ArizonaDigit
14、al公司联合宣布推出VME320总线产品，据称其总线速率达到破记录的320Mbits，而且和老的VME产品兼容。VME总线具有优异的中断处理结构和优良的防震结构及物理特性，可满足工业控制机和军用的要求。图2是一个短波软件无线电的硬件平台实例框图。图中，系统采用高速A/D和D/A转换、DSP模块、多媒体PC以及RF接口构造通用的硬件平台，保证了开放式模块化的系统结构实现。图2 短波软件无线电的硬件平台实例框图另外，这种结构的一大特点是采用了多媒体PC作为通信终端，使得其具有良好的人机交互界面。而且还可以利用与DSP的高速数据接口对系统进行在线的软件调试和开发。同时，由于现有的可利用PC资源非常丰
15、富，整个系统还可以通过有线网络资源（如PSTN）实现远地的控制和软件的开发。4.5软件协议和标准适用于软件无线电的软件必须具有可重用性，即它可以应用于各种软件无线电的硬件平台。各种软件功能模块具有标准的接口，只要接入软件总线就可使用。图3所示的是软件协议和标准的一个层次化模型。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，并规定相应的指标参数。应用编程接口(APl)层支持应用程序的再利用，可编程的无线接口协议栈实际上就是提供与API相关的一些软件模块，如信源编码、调制解调算法等。虚拟机也可称为硬件抽象层，其目的是掩盖通信系统的硬件实现。图3 软件无线电协议和标准的层次化模型5软件无线电
16、的未来潜能随着无线网路的发展，各种无线电功能、组成和设计规范不断出现。特别是未来无缝多模式网路要求无线电终端和基站具有灵活的RF频段、信道接人模式、数据速率和应用功能，软件无线电可以通过灵活的应变能力提高业务质量。同时软件无线电结构简化了硬件组成，提供了快速适应新出现的标准管理方式。无线电接人点、小区和无线数据骨干网等这些基本设施结构可以通过安装新编程的软件满足不断变化的标准，而不用更换新的硬件设备。总之，任何一个希望接人多种无线电模式的使用者，都可能成为未来软件无线电系统的潜在用户。现有无线通信系统的技术应用已远远落后于数字通信。这在很大程度上是由于时间和经费的问题，包括配置底层的基础设备来完成特殊的空中标准设置。因为资金投入很大，不可能经常对设备升级，因此新技术应用大约会滞后l0年。基于适当的软件无线电技术的蜂窝基础结构能够通过安装新
