軟件無線電技術(shù)簡介及特點(diǎn)應(yīng)用

軟件無線電技術(shù)簡介及特點(diǎn)應(yīng)用

軟件無線電是最近幾年提出的一種實(shí)現(xiàn)無線電通信的體系結(jié)構(gòu),是繼模擬到數(shù)字、固定到移動之后,無線通信領(lǐng)域的又一次重大突破。并從軟件無線電的基本概念出發(fā),討論了其功能結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)以及應(yīng)用和發(fā)展前景。

1.引言

完整的軟件無線電(SoftwareDefinitionRadio)概念和結(jié)構(gòu)體系是由美國的Joe.Mitola首次于1992年5月明確提出的。其基本思想是:將寬帶A/D變換盡可能地靠近射頻天線,即盡可能早地將接收到的模擬信號數(shù)字化,最大程度地通過軟件來實(shí)現(xiàn)電臺的各種功能。通過運(yùn)行不同的算法,軟件無線電可以實(shí)時地配置信號波形,使其能夠提供各種語音編碼、信道調(diào)制、載波頻率、加密算法等無線電通信業(yè)務(wù)。軟件無線電臺不僅可與現(xiàn)有的其它電臺進(jìn)行通信,還能在兩種不同的電臺系統(tǒng)間充當(dāng)“無線電網(wǎng)關(guān)”的作用,使兩者能夠互通互連。

軟件無線電充分利用嵌入通信設(shè)備里的單片微機(jī)和專用芯片的可編程能力,提供一種通用的無線電臺硬件平臺,這樣既能保持無線電臺硬件結(jié)構(gòu)的簡單化,又能解決由于擁有電臺類型、性能不同帶來的無線電聯(lián)系的困難。

2.軟件無線電臺的功能結(jié)構(gòu)

圖1給出了典型的軟件無線電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖,包括天線、多頻段射頻變換器、含有A/D

和D/A變換器的芯片以及片上通用處理器和存儲器等部件,可以有效地實(shí)現(xiàn)無線電臺功能及其所需的接口功能。

其關(guān)鍵思想以及與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于:(1)將A/D

和D/A向RF端靠近,由基帶到中頻對整個系統(tǒng)頻帶進(jìn)行采樣。

(2)用高速DSP/CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用數(shù)字電路與低速DSP/CPU做A/D

后的一系列處理。A/D

和D/A移向RF端只為軟件無線電的實(shí)現(xiàn)提供了必不可少的條件,而真正關(guān)鍵的步驟是采用通用的可編程能力強(qiáng)的器件(DSP和CPU等)代替專用的數(shù)字電路,由此帶來的一系列好處才是軟件無線電的真正目的所在。

典型的軟件無線電臺的工作模塊主要包括實(shí)時信道處理、環(huán)境管理以及在線和離線的軟件工具三部分。

1)實(shí)時信道處理

實(shí)時信道處理包括天線、射頻變換、A/D

和D/A變換器、中頻處理、基帶與比特流處理及信源編碼。其中射頻變換包括輸出功率的產(chǎn)生、前置放大、射頻信號變換為標(biāo)準(zhǔn)中頻或由標(biāo)準(zhǔn)中頻變換為射頻信號,以適應(yīng)寬帶A/D和D/A變換。中頻處理部分變換調(diào)制基帶和中頻之間的發(fā)射和接收信號。比特流部分?jǐn)?shù)字復(fù)用由多個用戶產(chǎn)生的信源編

碼比特流,而且相反的使它們成幀或多路分解。還提供信令、控制和操作、管理和維護(hù)功能。實(shí)時信道處理部分最合適的結(jié)構(gòu)是多指令多數(shù)據(jù)(MIMD)多處理器的結(jié)構(gòu),即將多處理器組成一個流水線,來實(shí)現(xiàn)模塊分配給內(nèi)部連接在一起的各個處理器的不同的功能序列。

2)環(huán)境管理

在準(zhǔn)實(shí)時環(huán)境管理模塊中持續(xù)地使用頻率、時間和空間特征來表征無線電環(huán)境,這些特征包括信道識別和估計其它參數(shù)。環(huán)境管理模塊使用操作的塊結(jié)構(gòu)很容易用一臺MIMD并行處理器來實(shí)現(xiàn)。這種高度的并行環(huán)境管理模塊和流水線工作方式的實(shí)時信道處理模塊之間的接口必須使環(huán)境管理的參數(shù)和信道處理模塊同步。

3)在線和離線的軟件工具

在線和離線系統(tǒng)分析、信號處理和變宿主工具允許人們確定增量業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)的增加可在實(shí)時信道處理模塊中生成和連接,也允許人們調(diào)整算法,以便實(shí)驗參數(shù)位置、確定業(yè)務(wù)的一些數(shù)值和資源影響。高度集成化的軟件工具可比較快地實(shí)施增值的軟件升級,當(dāng)軟件定義的網(wǎng)絡(luò)迅速擴(kuò)大后,可通過無線傳輸提供改進(jìn)了的業(yè)務(wù)服務(wù)。

3.軟件無線電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)

1)寬帶/多頻段天線

軟件無線電臺覆蓋的頻段從2-2000MHz,就目前水平而言研制出一種全頻段天線是不可能的。對于大多數(shù)系統(tǒng)只要覆蓋不同頻程的幾個窗口,而不必覆蓋全部頻段,故可以采用組合式多頻段天線的方案。美軍的“Speakeasy”項目就采用了分段實(shí)現(xiàn)的寬帶天線,即把2-2000MHz

的頻段分為三段:2-30MHz,30～500MHz,500-2000MHz。這在技術(shù)上是可行的,且基本不影響戰(zhàn)術(shù)使用的要求。

２)寬頻段射頻前端和功率放大

寬帶射頻前端要求器件有較寬的頻率范圍,主要完成低噪聲放大、濾波、混頻、自動增益控制(AGC)以及輸出功率放大等功能。寬帶低噪聲前置放大器可達(dá)到幾個倍頻程,這無論是在器件上還是電路設(shè)計上都沒有困難,幾個倍頻程的寬帶功放則需要很好地選擇器件并使用電路CAD優(yōu)化技術(shù)。

3)A/D部分

對A/D

的要求主要是采樣速率和位數(shù)?，F(xiàn)有的A/D還不能同時滿足速率與采樣位數(shù)的要求。解決方法:一方面考慮用多個高速的采樣保持電路和ADC,然后通過并串轉(zhuǎn)換將量化速度降低,以提高采樣分辨率;另外也可考慮研究適合于低分辨率、高采樣率的A/D

編碼調(diào)制方案。

4)高速并行DSP

數(shù)字下變頻(DDC)是A/D

變換后首先要完成的處理工作,包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣,是系統(tǒng)數(shù)字處理運(yùn)算量最大的部分,也是最難完成的部分。為了較好地進(jìn)行濾波等處理,需要每采樣點(diǎn)100次操作,對于一個系統(tǒng)帶寬為10MHz的系統(tǒng),采樣頻率要大于25MHz,這就需要2500MIPS的運(yùn)算能力,這是現(xiàn)有的任何單個DSP無法完成的,故必須采用高速并行DSP組成的多處理器模塊(MCM)或?qū)Ｓ眉呻娐?。?shù)字下變頻后的高速信號處理部分主要完成基帶處理、比特流處理和信源編碼等工作。

5)信令處理

軟件無線電用于實(shí)現(xiàn)多?；ヂ?lián)時,需實(shí)現(xiàn)通用信令處理,因此有必要把現(xiàn)有的各種無線信令按軟件無線電的要求劃分成幾個標(biāo)準(zhǔn)的層次,開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的信令模塊,研究通用信令框架。

4.軟件無線電的特點(diǎn)及其應(yīng)用

軟件無線電最突出的特點(diǎn)是:

(1)軟件無線電具有完全可編程特性,包括可編程的無線波段、信道接入方式、信道調(diào)制、數(shù)據(jù)速率等,通過軟件提供信令、控制和操作、管理和維護(hù)功能。

(2)A/D和D/A盡可能地向RF靠近,即盡可能早地將接收到的射頻模擬信號數(shù)字化,盡可能晚地將發(fā)送的數(shù)字信號變換為射頻模擬信號,以便充分利用DSP器件的速度和軟件資源,盡量通過軟件編程完成從信源基帶直至射頻的波形變換和相關(guān)處理。軟件無線電臺遵循開放平臺的設(shè)計思想,采用模塊化結(jié)構(gòu),方便硬件模塊更換和軟件升級。物理、電氣接口的技術(shù)指標(biāo)符合高性能的VME總線標(biāo)準(zhǔn),滿足一般協(xié)議如信令格式,線路自動建立及相關(guān)算法等要求。新業(yè)務(wù)的增加僅需在電臺中加載新的軟件模塊即可實(shí)現(xiàn),從而降低了通信設(shè)備的成本,改善了性能。因此這樣的一個體系結(jié)構(gòu)具有非常大的通用性,可用來實(shí)現(xiàn)多頻段、多用戶、多體制的通用無線通信系統(tǒng)。

由于軟件無線電的這些特點(diǎn)決定了其應(yīng)用具有以下特征:業(yè)務(wù)多樣化;優(yōu)越的低截獲概率、低探測概率、抗干擾性能;自動選擇通信模式,無感覺完成通信聯(lián)絡(luò);可作為網(wǎng)關(guān)站加入全球柵格通信網(wǎng)。例如在移動通信或ＰＣＳ中,它可解決傳統(tǒng)基站和移動終端的單一