無線電數字信號處理與軟件無線電技術綜述

桑亞樓，阮鄭興

(中國人民解放軍海軍91678部隊，福建寧德 352102)

隨著無線電數字信號處理技術的發展，以及新標準和協議不斷公布，無線電通信在迅猛發展的同時，帶來了新的挑戰和機遇。在數字技術得到快速發展的同時，軟件無線電關鍵技術以及無線電信號處理相關技術，也受到廣泛關注。與此同時，無線電通信技術從WLAN以及UWB逐漸發展到WiMAX，以及從2G到3G，再到最近討論的4G通信技術，這些都體現了無線電技術的發展，以及在實際中的應用，更體現出無線電技術的重要性。隨著與網絡技術融合的加快，使得無線電信號處理與軟件無線電關鍵技術變得更加重要。

1 多速率數字信號的處理

寬帶數字中頻軟件無線電的原理，是對寬帶頻譜范圍進行數字化，但前提條件，是將帶通采樣定理與前置濾波器進行有機結合，達到設計效果。帶通采樣定理的應用降低了中頻采樣頻率，同時滿足需要，但如果采樣頻率寄生進行處理，就會對增加采樣量化的降噪比，有助于設計目標的實現。所以要在兩者之間尋找合理的平衡點，就需要把采樣頻率調高，同時使得瞬間采樣帶寬達到一定的帶寬值。對于多速率信號的處理，基本理念中抽去以及內插理論技術變得十分重要。

1.1 有關數字信號速率的整數倍抽取

整數倍抽取的定義，就是把原始采樣序列x(n)每隔D－l個數據取一個，從而形成一個全新的序列x，也就是

式中，D為正整數。若x(n)序列的采樣率取sf，則其無模糊帶寬則為fs/2。根據計算公式，可以得出，抽取序列的頻譜 XD(ejω)，是由抽取之前原始序列頻譜χ(ejω)，經過頻率轉移并且進行D倍展寬，最后由D個頻譜疊加得到。

圖1 D倍抽取結構

經上述的分析，可得到如圖1所示，帶寬＜πD的低通濾波器。如果原始信號的頻譜分量＜π(I)，就可以將前置低通濾波器省略。

圖2 濾波原理圖

1.2 數字信號處理的整數倍內插

對于數字信號處理的整數倍內插，就是在兩個原始抽樣點之間插入(I－1)個零點，這就是整數倍內插。如果原始抽樣序列是x(n)，那么經過整數倍內插后的序列可通過相應的數學表達式進行表達，但是可以畫出內插、經過壓縮后的頻譜如圖3所示。

圖3 壓縮后的頻譜

1.3 關于采樣率的分數倍變換

上述數字處理技術，均為抽去和內插之間的特殊關系，實際是采樣率變換方式中的一種特殊變換:整數倍變換，實際還存在著分數倍變換。如果分數倍變換比R=RD/I。那么可以進行完I倍內插后，再進行D倍抽取得到設計效果，但須注意內插與抽取的順序需要特別規定，即先進性內插，再進行抽取。就可以保證，中間序列的基帶頻譜寬度大于原始信號頻譜的基帶譜寬度，達到設計要求，否則會導致信號失真。

1.4 關于抽樣率轉換的多級實現

經過多級變換實現高倍數抽取系統，可分為兩個途徑，第一種是尋求最優化的方法，根據每秒鐘的乘法次數作為基準，找出各級內部最佳的抽取以及內插因子，完成對各級濾波器的設計。第二種是通過抽取或者內插器進行處理，這種抽取器的抽取因子為2。同時這種抽取以及內插因子為2的抽取以及內插器，可使用半帶濾波器進行有效的濾波，并且，對于這種帶有沖擊響應的濾波器，其中有近1/2沖擊響應的值為0。對于抽樣率轉換系統而言，它的總抽取因子，并不是在任何情況下，都可以用2的冪次方進行表示，但用某個整數與2的冪次方的乘積進行表示確是可行的，因此在能夠多級實現抽樣率轉換系統中，就會出現抽取或內插因子是一個整數的抽取或者內插器。在這類的抽取以及內插器中，一般都是通過積分梳狀濾波器實現抗混疊以及去鏡像濾波的。

1.5 正交變換的有關理論

對于在自然界中可實現的信號都稱為實信號，實信號的頻譜具有共軛對稱性，是指實信號的征服頻率是堆成的，分量正好相反。依據此特性，對于任何實信號，都可對某一部分作相應的描述，然而不會丟失任何信息，也不會產生虛假信號。

數字上下變頻器采用的基本處理方法，就是對信號進行分解、信號分析以及調制解調。但實際中較難找到理想的，通過Hilbert變換的階躍濾波器，以至于數字信號處理經常采用正交分解進行處理，就是數字序列(fn)和兩個正交本振序列cos(o)t和sin(o)t經過相乘后，憑借著數字低通濾波來實現。由于結果是兩個正交本振序列和的乘積，所以就保證其正交性。此外，從工作原理上，數字上下變頻概念，就是把輸入的數字信號以及一個本地震蕩數字信號，經過相乘完成頻譜轉移。這種技術內容主要包括:數字控制振蕩器、數字混頻器以及低通濾波器。通信系統中無線電信號處理與軟件無線電技術密不可分，只有掌握才能更好地在科技生產中適應潮流發展。然而對于軟件無線電技術，應盡量將其放在一個開放軟件平臺上，實現其功能。在盡可能靠天線近的地方，使用寬帶模數轉換，能夠盡早完成信號數字化，這是軟件無線電的基本處理思想。無線電系統包括射頻、中頻、和基帶3個部分。軟件無線電是理想狀態或是永遠不存在的假設，但是可通過軟件無限關鍵技術，實現其部分功能，這是軟件無線電關鍵技術意義所在。

2 軟件無線電的關鍵技術

2.1 寬帶智能天線技術

作為軟件無線電硬件出入口，對于理想的無線電系統，天線應該覆蓋要求的所有無線通信波段。目前技術無法達到相應要求，但人們可采用組合式多頻段天線，來盡量彌補缺陷，因此使用寬帶智能天線被看作能夠實現多頻段天線系統的最佳方案。隨著科技發展，很快RF微型機電系統，是一種高度小型化的器件，這種器件的研究成功，可使寬帶實現可重構天線的設計方案成為可能。通過軟件無線電以及智能天線相互滲透、相互促進的作用，可在將來無線通信中得到廣泛應用，也會使得這種技術得到推廣，將在其他無線電技術領域達到科技創新的最終目的。

2.2 高速數字信號處理部分

此部分包括基帶處理、調制解調以及數字上下變頻等方面。其中分為解擴和解跳在內兩部分，這部分功能在于可實現對單片可編程器件要求更高，使得各器件能夠更好地結合在一起，以至于完成更多功能。若在單片可編程器件無法滿足處理能力時，可用多個芯片并行處理的方式，提高運算能力來解決此問題，需要注意的是，數字下變頻中難點是數字下變頻和濾波以及二次采樣，還有分離所需要的信號等問題。

2.3 高速A/D和D/A轉換

軟件無線電結構具有的基本特征，是對模數及數模轉換器的要求很高，其中重要的是采樣速率以及采樣精度。所以對于A/D和D/A轉換器而言，安裝位置至關重要，近射頻端。此特性也直接反映軟件的軟化程度。如果AD/變換器的動態范圍在100～120 dB之間，同時最大輸入信號頻率在1～5 GHz之間，就會符合理想的軟件無線電標準。然而采樣速率是由信號帶寬決定的，所以采樣速率一般要求在信號帶寬的2.5倍以上。此外通過采取多個A/D并聯使用的方法，達到進一步提高器件性能的目的。

2.4 高速DSP以及FPGA技術

DSP又稱為數字信號處理器，是發展軟件無線電的關鍵技術，無線電臺的實現，需要快速數據處理，以及強大的精度支持，在當前無線電技術，運用的主要方案，有數字信號處理技術DSP以及專用集成芯片，還有現場可編程的門陣列FPGA，或者幾種技術的結合產物。對于軟件無線電而言，其核心部分是高速DSP芯片。隨著微電子技術的不斷發展，對于數字信號處理器件速度以及性能均有提高。對于DSP而言，通過一種精簡指令的技術結構，對數字信號進行處理，此結構具有尺寸小、功耗低以及性能高的優點。因此，很多DSP廠商都進行改進處理，制成DSP系統集成電路，這種電路將DSP芯核、MPU芯核以及專用的處理單元，結合外圍電路單元以及存儲單元，統一進行集成。FPGA就是現場可編輯邏輯門陣列，作為一種可重編程器件，能夠實現的功能已超過現今的DSP處理器，不僅可實現軟件的可編程性，還可加速硬件，同時進行重構。因此，FPGA可以成為真正的“軟”硬件，同時融合硬件與軟件的優點，能夠實現在定制硬件以及靈活軟件之間的折衷。近年來，對于FPGA的發展，可以看到，無論是在規模，還是處理速度上，以及功率消耗上，都有明顯進步，這為軟件無線電發展奠定有力的基礎。DSP與FPGA的完美結合，被認為是最理想的軟件無線電與硬件相結合的成功范例。FPGA可以用于對接口協處理，從而更好地與DSP以及通用處理器，進行有效連接，不僅降低系統成本同時提高系統性能。并且可以自由選擇基帶處理算法的位置，因而提高了SDR的算法靈活性。

但當前由于受到硬件器件的限制，要實現軟件無線電技術的數字化，主要是針對中頻段進行處理，隨著技術不斷發展，軟件無線電定會實現。

3 結束語

對于通信系統中無線電數字處理技術以及無線電關鍵技術，主要目的是可以在實際中起到作用，滿足需求，因此隨著信息技術以及計算機技術的發展，必將會導致新技術的變革與創新，所有技術瓶頸不再是問題，這些數字處理技術以及關鍵技術，也將成為無線電技術中具有基礎性技術。

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