軟件無線電技術在3 G系統中的應用

邢永中李坤

（鶴壁職業技術學院，河南鶴壁458030）

1.引言

現代的無線電通信系統仍存在許多局限性，例如，互不兼容的多種通信體制的并存造成互聯的困難，不同制式的存在造成信源編碼與解碼、信道調制與解調、加解密、網絡協議、通信組網等方式的差異等。不同頻段的使用既造成頻率資源的緊張又造成相鄰頻道間的干擾越來越嚴重。移動環境的動態范圍的非優化，還導致物理層上處理器的不靈活。軟件無線電的研究，為解決上述問題提供了技術支持。

2.軟件無線電技術

2.1 軟件無線電概念

軟件無線電(Software Radio)是在一個開放的公共研究平臺上利用不同可編程的軟件方法實現所需要的無線電系統，簡稱SWR。它被視為繼模擬和數字技術之后的又一次電子技術革命，是當今計算機技術、超大規模集成電路和數字信號處理技術在無線電通信中應用的產物。隨著計算機、通信技術、微電子技術的發展，無線電通信技術經歷了以單工通信到雙工通信、模擬通信到數字通信、FDMA到TDMA以及CDMA系統通信、固定通信到移動通信的快速發展歷程。

2.2 軟件無線電的關鍵技術

2.2.1 基于軟件無線電的寬帶多頻段、多波束天線與智能天線

軟件無線電的天線要求有10倍頻程以上的工作帶寬，一般在1MHz-3GHz左右。根據天線物理尺寸與信號波長的關系，這種寬頻段天線按傳統的方法是無法實現的。而實用中并沒有必要全頻段覆蓋，只需要覆蓋不同頻段的幾個窗口，因此可以采用組合寬帶多頻段天線和多波束天線。智能天線不僅在蜂窩移動通信系統中有著極其重要的作用，而且在軍事上，特別是快速展開無線網絡（RDRN）中發揮著越來越重要的作用。快速展開與移動意味著要在非常有限的時間來進行預先的頻率、拓撲結構與一些特定功能的規劃[5]。

2.2.2 寬帶模/數（A/D）和數/模（D/A）轉換技術[2]

根據軟件無線電技術要求，將適合的模天線，盡可能地移至射頻（RF）前端，減少模擬環節，則可在較高的中頻乃至對射頻信號直接進行數字化。這就要求A/D器件具有適中的采樣頻率和很高的工作帶寬。一方面，信號的動態范圍直接決定了模數轉換器（ADC）所必須支持的分辨率；另一方面，在采樣率和分辨率之間存在著平衡。一般采樣率越高，分辨率越低。在滿足采樣率的情況下，ADC轉換器要實現所要求的分辨率是一個技術難點。常用的解決方案有兩種方式：并行采樣和帶通采樣。

2.2.3 高速數字處理技術（DSP）

在軟件無線中，具備強大處理能力的數字處理核心是軟件無線電技術的關鍵所在。理想的軟件無線電系統要求對整個高頻波段進行數字化，而且其后續的中頻處理基帶、比特流及其它功能都必須用軟件來實現。但這些數據流量大，進行濾波、高頻等處理運算次數多，這就要求DSP必須采用高效、實時、并行的數字處理器模塊或采用集成電路來處理。在單個DSP處理器（DSPs）無法實現的情況下，可采用多個DSP技術，即DSP單元由多個DSPs或FPGAs(現場可編程門陣列處理器)和DSPs等混合體組成。其中，FPGAs具有強大的現場調整功能的能力，DSPs具有高速數據處理能力，兩者優勢互補。

2.2.4 高速總線

軟件無線電中采用總線結構，各功能部件之間的相互關系成為面向總線的單一關系。這樣使無線通信產品易于實現模塊化、標準化和通用化。例如，摩托羅拉公司為“易通話”計劃設計了一個寬帶的發送接收單元，它采用PCI總線，具有良好的用戶界面。

2.2.5 軟件無線電信息安全與網絡功能

以往軟件無線電技術側重于模塊化和用軟件來實現調制解調。目前，信息安全成為其必須考慮的一個方面，特別是軍用軟件無線電。加密處理計算軟件可以被信息安全子系統分配到指定的信道，在明文工作模式時，它只提供簡單的總線到總線的連接。在需要時，它可以對數據流提供實時的加密解密。例如，可以采用跳頻軟件，根據保存在信息安全模塊中跳頻圖案進行頻率更新。

3.軟件無線電技術在第三代移動通信（3G）系統中的應用

第三代移動通信系統的主要目標是要將包括衛星在內的所有的網絡融合為可以替代眾多網絡功能的統一系統，它能提供寬帶業務實現全球無縫覆蓋。

國際電信（ITU）提出的第三代移動通信系統ITM-2000，目前已有多種技術候選方案，而其中最有影響的三種技術方案為W-CDMA、CDMA2000（寬帶分碼多工存取的無線通信技術）以及中國的TD-SCDMA（分時-同步分碼多工存取無線通信技術）。ITM-2000計劃將軟件無線電技術應用到由中國提出的TD-SCDMA方案中，實現多頻多模的可編程。該方案融合了當今國際領先技術——智能天線、同步CDMA和軟件無線電技術。另外兩個組織對第三代移動通信系統開展得比較深入，一個是歐共體的ACTS FIRST項目，另一個是美國Rutgers大學。

第三代移動通信系統中，目前普遍看好的是寬帶CDMA（W-CDMA）方案。Rutgers大學的研究側重于將軟件無線電技術應用于W-CDMA接收機。W-CDMA體制能夠提供多種質量的多媒體業務，不同的多媒體業務對CDMA接收機的性能要求是不同的。而CDMA接收機的性能與其多用戶檢測的性能是密切相關的。目前提出的多用戶檢測算法一般都是通過計算復雜度的增加獲取性能的提高。由于軟件無線電接收機具有易于改變的特點，它可根據多媒體業務的技術要求動態地調用不同的多用戶檢測算法。由于目前DSP開發板的處理能力不夠，這種接收機在中頻和基帶部分采用FPGA和DSP開發板實現，射頻部分仍采用傳統方法實現，目前尚未研制出樣機。

我國的TD-SCDMA移動通信技術的發展則提出了利用軟件無線電技術完成設計的理念。SCDMA是一種同步的直接擴頻CDMA技術。它結合了智能天線、軟件無線電及全質量話音壓縮編碼技術等通信新技術。軟件無線電是TD-SCDMA技術的核心技術之一。在SCDMA中軟件無線電可實現如下技術功能：

(1)提供一個開放的模塊化的系統結構；

(2)智能天線的實現；

(3)同步檢測的建立和保持；

(4)用戶終端口、D-QPCK（差分正交移相鍵控）解調器中的載波恢復、頻率校準和跟蹤；

(5)每碼道功率的檢測和發射功率控制的實現；

(6)接收通道的電平檢測和接收增益控制；

(7)擴頻調制與解調，包括Walsh（沃什）碼和PN（偽隨機）碼的產生；

(8)語音編譯碼；

(9)DTMF（雙音多頻）、MFC（多頻編碼）及各種信號的產生和檢測；

(10)信道編碼、復接和分接；

(11)發射脈沖成形濾波；

(12)SWAP（交換）信令的差錯檢測；

(13)接收信令的差錯檢測；

(14)發射通道的數字預失真；

(15)基站收發信機的校準。

基于軟件無線電技術并適應未來個人通信的移動系統應有以下技術特點[3]：

(1)在同一硬件平臺上，通過軟件的更新兼容現有的各種系統和以后將要出現的各種系統（包括各種體制的蜂窩系統、無繩系統、衛星系統和固定的無線系統）；

(2)具有自動漫游能力，能在不同系統之間進行智能切換（包括自動檢測，參數設備和自動進入）；

(3)在公共空中接口的技術支持下，可以下載軟件并進行自身軟件更新；

(4)有多址接入能力，有較寬的工作頻帶，應能在不同系統的不同頻段下工作；

(5)支持多種業務，如語音、數據、圖像和傳真等，并能根據業務流量、信道質量等，自動選擇合適的傳輸信道；

(6)自動選擇通信模式，建立通信鏈路，采用合適的通信協議和信號格式實現遠端通信。

利用軟件無線電技術，可以在平臺上實現TD-SCDMA的智能天線結構，獲得波達方向(DOA)估計等空間特征矢量，計算射頻通道權重完成天線陣列的波束賦形，從而大大增加系統的有效容量，更有效地完成通信任務。

實際上TD-SCDMA軟件無線電的第一階段將實現數字無線電，如圖1所示。數字通信的基本特征是把數字信號作為載體傳送信息，它傳輸的信號是“離散”或“數字”的。數字通信系統是一種傳輸數字信號的系統。或者說，它是利用數字信號來傳輸信息的通信系統，其基本原理框圖如圖2所示[4]。

當然圖3的實現需要多方面技術支持，有賴于智能天線技術、DSP處理速度、信道信源的編碼優化等技術的不斷發展。可以看出軟件無線電技術在第三代通信（3G）TD-SCDMA系統中的應用是非常廣泛的。而且，只有軟件無線電技術才能解決第三代（3G）系統中的多頻多模及網絡互通問題。

4.結束語

在歐共體的ACTS FIRST項目中已將軟件無線電技術應用于設計多頻/多模（可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及現有的大多數模擬體制）可編程手機。它能自動檢測接收信號，接入不同的網絡，而且能滿足不同接續時間的要求。軟件無線技術可用不同軟件實現不同無線電設備的各種功能，可任意改變信道接收方式或調制方式，利用不同軟件來適應不同標準，構建多模手機和多功能基站，具有高度的靈活性。

[1]馬上，胡劍浩，凌翔.余數系統在軟件無線電中的應用[J].電信科學，2009，2：84-89.

[2]朱曉敏，陸佩忠.集群軟件無線電系統中實時信號處理調度研究[J].軟件學報，2009，3：766-778.

[3]張雷，鄧江平，王建宇.GPS軟件接收機的模塊設計與信號處理[J].計算機工程，2009，31（1）：198-200.

[4]李雅萍，楊尚森，李陽.CORBA技術在SCA系統中的應用[J].計算機工程與設計，2008，29（16）：4200-4203.

[5]茅成.綜合通信導航識別系統中的多鏈路超短波通信的實現[J].電訊技術，2009，49（8）：59-64.