關于無線電通信系統(tǒng)的軟件化設計問題研究

摘要：軟件無線電是近年來國際上剛剛興起的一項新技術，是一種實現(xiàn)無線通信的新體制，是無線通信領域歷經(jīng)從模擬通信到數(shù)字通信、從固定通信到移動通信后的第三次變革，它的實現(xiàn)將使通信硬件設備跟上無線電技術迅速發(fā)展的步伐，延長通信設備的使用壽命，并降低產(chǎn)品的開發(fā)費用和開發(fā)周期，促進社會、科技極大進步。

關鍵詞：通信系統(tǒng)；軟件無線電

1軟件無線電概念提出的背景

軟件無線電技術最初是為解決軍方各種專有用途無線電臺間互通困難的問題而首先在軍事領域中提出的。長期以來，由于無線通信具有設備簡單、便于攜帶、易于操作、架設方便等特點，成為軍事領域中不可或缺的重要通信手段。然而，軍用電臺往往是根據(jù)某種特定的用途而設計的，功能單一，雖然有些電臺基本結構相似，但是信號特征差異很大，這便極大地限制了不同電臺之間的互聯(lián)互通，給部隊協(xié)同作戰(zhàn)帶來了困難。而現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越強調各軍兵種甚至多國軍隊之間的協(xié)同作戰(zhàn)，因此，多種通信體制間的互聯(lián)互通要求在軍事領域成了日益突出的矛盾。同樣，目前在民用、商用無線通信領域中同樣也存在著多種通信體制間難以互通的矛盾。為了解決此矛盾，在過去幾年里，軟件無線電技術隨著微電子技術、大規(guī)模集成電路技術等的進步，得以迅猛發(fā)展。

2 軟件無線電的定義

軟件無線電是特指用軟件來定義和實現(xiàn)各種功能的多功能智能化無線電通信設備。它的核心是:將寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線，在基本硬件平臺基礎上，盡可能地采用軟件實現(xiàn)無線通信功能。這樣，無線通信系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性，使系統(tǒng)互聯(lián)和升級非常方便。軟件無線電被認為是繼模擬通信到數(shù)字通信、固定通信到移動通信之后無線通信領域的第三次突破。

高速發(fā)展的計算機技術、寬帶模數(shù)轉換技術和信號處理技術，日益提高的硬件工藝水平以及日臻成熟的可編程器件和EDA工具，使軟件無線電由概念轉化為實際應用成為可能。無論是從軍用還是商用或是民用的要求考慮，軟件無線電都是通信系統(tǒng)用戶需求的必然產(chǎn)物。軍用無線電系統(tǒng)為了實現(xiàn)海陸空一體化的立體戰(zhàn)爭環(huán)境，要求在不同頻段、不同通信體制和不同的管理體制下均可以互聯(lián)通信，商業(yè)和民用客戶要求通信體制能支持多媒體服務，包括移動通信、高速傳真和高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取榱藵M足這些服務需求，物理層需要有高度靈活性和適應性，必須有兼容多標準的操作和功能。傳統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)對多標準通信解決方法并不靈活，當介質和信道特性改變時，硬件就必須完全更新。尤其是在當今無線電標準和接口種類層出不窮的時期，為了節(jié)約成本，從經(jīng)濟角度考慮，傳統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)必將被每層可軟件重構的軟件無線電設備所取代。軟件無線電的出現(xiàn)，使無線電技術由以硬件為主的時代走向了以軟件為主的時代。

軟件無線電的主要特點可以歸納如下:

具有很強的靈活性。軟件無線電可以通過增加軟件模塊，很容易地增加新的功能。可以與其它任何電臺進行通信，并可以作為其它電臺的射頻中繼。可以通過無線加載來改變軟件模塊或更新軟件。為了減少開支，可以根據(jù)所需功能的強弱，取舍選用的軟件模塊。

具有較強的開放性。軟件無線電由于采用了標準化、模塊化的結構，其硬件可以隨著器件和技術的發(fā)展而更新或擴展，軟件也可以隨需要而不斷升級。軟件無線電不僅能和新體制電臺通信，還能與舊體制電臺兼容。這樣，既延長了舊體制電臺的使用壽命，也保證了軟件無線本身有很長的生命周期。

3軟件無線電的基本結構

軟件無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來。功能的軟件化實現(xiàn)勢必要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理(A/D和D/A變換)盡量靠近天線。軟件無線電強調體系結構的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結構，實現(xiàn)新的功能。軟件無線電采用標準的、高性能的開放式總線結構，以利于硬件模塊的不斷升級和擴展。理想軟件無線電的組成結構如圖1所示。

軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉換器、通用和專用數(shù)字處理器以及各種軟件組成。軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，例如1MHz-2GHz，要求頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務的需求。

射頻前端在發(fā)射時要完成上變頻、濾波和功率放大等任務，接收時實現(xiàn)濾波、放大和下變頻等功能。在射頻變換部分，寬帶、線性和高效射頻放大器的設計和電磁兼容問題的處理是比較困難的。如果采用射頻直接數(shù)字化方式，射頻前端的功能可以進一步簡化，但對數(shù)字處理的要求提高。要實現(xiàn)射頻直接帶通采樣，要求A肋轉換器有足夠的工作帶寬(2GHz以上)，較高的采樣率(一般在60MHz以上)，而且要有較高的刀D轉換位數(shù)，以提高動態(tài)范圍。

模擬信號進行數(shù)字化后的處理任務全部由DSP軟件承擔，通常把A/D轉換來的信號，經(jīng)過專用數(shù)字信號處理器件(如數(shù)字下變頻DDC)處理，降低數(shù)據(jù)流速率，并把信號變至基帶后，再把數(shù)據(jù)送給通用DSP進行處理。通用DSP主要完成各種數(shù)據(jù)率相對較低的基帶信號的處理，例如信號的調制解調，各種抗干擾、抗衰落和自適應均衡算法的實現(xiàn)等，還要完成經(jīng)信源編碼后的前向糾錯幀調整、比特填充和鏈路加密等算法。由于DSP技術和器件的發(fā)展，高速、超高速的數(shù)字處理器的不斷涌現(xiàn)，如TMS32OC6X、TMS320C54X和ADSP21160等，DSP己能基本滿足軟件無線電的需要。如果采用多芯片并行處理的方法，其處理能力還能大大提高。

與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，軟件無線電系統(tǒng)具有結構通用、功能軟件化和互操作性好等一系列優(yōu)點。圖2.2畫出了這兩種系統(tǒng)的結構方框圖。

如圖2所示，傳統(tǒng)模擬無線電系統(tǒng)的射頻部分、上/下變頻、濾波及基帶處理全部采用模擬方式，某個頻段和某種調制方式的通信系統(tǒng)都對應專門的硬件結構，而數(shù)字無線電系統(tǒng)的低頻部分采用數(shù)字電路(如本振用數(shù)字頻率合成器、信源編譯碼和調制解調由專用芯片完成)，但其射頻部分和中頻部分仍離不開模擬電路。與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，軟件無線電系統(tǒng)的A/D/A變換移到了中頻，并盡可能靠近射頻端，對整個系統(tǒng)頻帶進行采樣，即從中頻(甚至射頻)開始就進行數(shù)字化處理，這是軟件無線電的一個突出特點。數(shù)字無線電采用專用數(shù)字電路，實現(xiàn)單一通信功能，無可編程性可言。而軟件無線電以可編程能力強的DSP器件代替專用數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件結構與功能相對獨立。這樣就可基于一相對通用的硬件平臺，通過軟件實現(xiàn)不同的通信功能，并可對工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調制方式和信源編碼等進行編程控制，系統(tǒng)靈活性大為增強。軟件無線電的硬件平臺采用模塊設計，是一個開放的通信平臺，這與PC的系統(tǒng)結構相似。這樣我們就可以基于一相對通用的硬件平臺，通過加載不同軟件(需要時可更換插卡)來實現(xiàn)不同的通信功能。

軟件無線電的結構基本上分為三種:射頻低通采樣數(shù)字化結構、射頻帶通采樣數(shù)字化結構和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結構。

結語。自20世紀90年代以來，移動通信領域一場新的技術革命悄然興起，這就是以軟件無線電技術為特征的新一代通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)。軟件無線電是將模塊化、標準化的硬件單元以總線方式連接構成基本平臺，并通過軟件加載實現(xiàn)各種無線通信功能的一種開放式體系結構。它的核心是:將寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天線，而電臺功能盡可能地采用軟件進行定義。這樣，無線通信系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性，使系統(tǒng)互聯(lián)和升級非常方便。軟件無線電被認為是繼模擬通信到數(shù)字通信、固定通信到移動通信之后無線通信領域的第三次突破。

參考文獻

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