無線電通信系統的軟件化設計問題研究

趙 強

（南京中原得生電子實業有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

針對不同軍種之間的互操作問題，首次將軟件無線電技術應用到軍事領域。因為運輸、使用以及安裝的便捷，無線通信已經成為軍事界限中不可缺少的一種通信技能。軍用無線電臺大多為特別途徑而設計，性能比較單一[1,2]。雖然有些電臺的具本構造相似，但其信號性能卻大不相同，這制約了電臺之間的聯系。

1 軟件無線電的定義

我國計算機網絡的迅速發展也帶動了軟件無線電的發展，且硬件技術也在不斷進步。隨著EDA工具和可編程技術的迅速發展，軟件無線電在通信技術中逐漸體現出來，從軍事、商業還是民用視角來看，軟件無線電就是客戶對通信系統要求的必定產物。軍事無線電系統需要能夠在不同頻段、不同通信系統以及不同管理系統之間進行通信，以建立海陸空一體化的立體作戰環境。在成本降低的同時，無線結點和接口也不斷出現。傳統的無線通信系統是由軟件無線電裝置組成，每一層都有可重組的軟件，軟件無線電技術的產生使軟件無線電技術從硬件系統步入網絡系統[3]。

2 軟件無線電的主要特點及發展前景

2.1 軟體無線電的主要特征

軟件無線電在應用過程中具備一定的靈活性。靈活性的增加強化了軟件無線電自身的功能，同時也降低成本，可根據功能強度選擇軟件模板。此外擁有良好的開放性。由于無線軟件擁有標準化和模塊化的構造，因此隨著設備和技術的進展，它的硬件能夠升級和擴展，軟件還能夠依據需要進行升級。軟體無線電既可以和新的系統通信，又可以和舊的系統兼容，這不但延長了舊無線電系統的使用時間，還使無線電軟件自身更加長久。

2.2 軟件無線電技術的進展前景

當今，無線通信業正處于一種多系統共存的狀態，包括北美的AMPS和英國的TACS以及我國的的AMPS和TACS。目前CDMA已廣泛應用于太平洋、窄帶及其他地區，其中的軟硬件平臺互不兼容，無法通過網絡進行直接通信[4]。第三代移動電話IMT-2000不僅包括WCDMA（TDD和FDD模式）、CDMA2000以及TD/SCDMA等多種系統，而且與第二代移動電話系統兼容，同時支持全球漫游的語音、多媒體業務和終端接口也在不斷發展。軟件站配置靈活，實現容易，工作模式多樣，更新方便，深受用戶歡迎。由于其具有靈活、易隱藏以及通敵能力強等特點，使得無線通信軟件已成為當前軍事領域的研究熱點。它的實施和運用將加強部隊的組合作戰水平。此外，無線電軟件在語言安全通信、電子對壘、雷達以及信息處理等方面也有著廣泛的應用。

3 軟件無線電的基本結構

軟件無線電的基本思想一般都是通用的，在進行應用過程中，基本上都是在標準化和模塊化的基礎上展開，可以實現無線通信中的各種功能，同時也擺脫了傳統的軟件無線電單一的功能。傳統的軟件無線電自身的功能硬件電路較為單一，靈活性差，尤其是模擬線路，數字處理（A/D和D/A轉換）盡可能接近天線。軟件無線電中的基本結構通過升級改變了配置結構，同時也賦予了軟件結構的新功能，有效突出了系統結構在應用過程中的開放性，完成了硬件模板整個的升級和擴展。軟件無線電的理想結構如圖1所示[5]。

圖1 軟件無線電構造框圖

軟件無線主要包括天線、射頻前端、寬帶A/D、D/A轉換器、普用及專用數字處理器等。一個軟件電臺的天線應該覆蓋寬帶1 MHz～2 GHz。為了適應不同的業務需求必須對頻帶特性進行統一。

射頻前端在傳輸過程中具有濾波功能，作為射頻轉換的一部分，接收端的下變頻放大功能很難設計出高效的線性射頻放大器，但受到EMC問題的影響，在使用可以實現RF轉換器，其高采樣速率（通常大于60 MHz）能夠通過A/D轉換比特率測試。

DSP軟件在數字信號處理中扮演著重要角色。一般用于A/D轉換的信號是由專門的數字信號處理器（如DDC/DC）為減少數據傳輸而處理的。數字高速處理器TMS320C6x、TMS320C54x以及ADSP21160是隨著DSP技術和器件發展而出現的。采用DSP技術能夠滿足軟件無線電系統的需求，而使用多信道并行處理技術能夠較大提升DSP的處理水平。與傳統無線電技術對比，軟件無線電系統擁有構造簡單、耐干擾能力較強以及互操縱性較強等優勢[5]。兩個系統的構造如圖2所示。

圖2 兩種無線電系統構造相比圖

軟件無線電的基本結構分別為射頻低通采樣數字構造、射頻高通濾波器采樣數字構造以及寬帶高通濾波器采樣數字構造。

4 軟件無線電系統模塊化設計及關鍵技術分析

圖3將已有的寬帶A/D和D/A移至中頻，并盡可能接近RF，這是基于軟件無線電的概念，它與DSP、濾波器以及其他器件的發展相結合，使該過程在中頻段完成。軟件無線電系統模塊化在應用過程中，通過軟件編輯，較好地完成了通信的多項性能[6,7]。這項軟件無線電系統在劃分過程中一般分為寬帶天線和射頻前端、寬帶DDC和DUC、高速DSP以及信號處理等模塊，同時也給數據的實時傳輸也帶來了一定的技術挑戰。

圖3 軟件無線電系統體系構造框圖

4.1 寬帶天線及射頻前端模塊和主要技術了解

4.1.1 寬帶天線及射頻前端模塊

寬頻天線是軟件無線電系統體系構造中的一個重要部分，是軟件無線電系統接收和輸出的信號。此部件只能由硬件完成，軟件無法裝載。軟件無線電的設計目標是實現無線電臺和個人通信的全面性能，使天線接納區覆蓋整個頻帶。軟件無線電中，天線的時序需求帶寬達到10倍以上，同時必須滿足天線增益、尺寸以及價格的要求。收音機軟件要求天線能覆蓋所有頻段，功能和參數由軟件設定。

射頻前端軟件是無線通信系統中繼寬帶天線后的第一個處理單元。射頻前端不僅要處理寬頻天線接收到的信號，還要處理大頻段的信號，實現低噪聲放大、濾波、混頻、主動增益把控以及性能加強等功能[8]。高頻前端的功放是中心，軟件無線電采用寬帶接收信道，在復雜的頻帶上產生大量的基帶信號，增加帶寬，降低失真，從而提高放大器的性能。

4.1.2 寬帶天線設計中關鍵技術分析

在軟件無線電系統總體設計中，寬帶天線的開發越來越受到重視，其功能直面影響信號的接納和傳送。該系統重要包含寬帶技術和多頻天線兩大類。寬頻天線技術是指在2～2 000 MHz頻帶上接收和傳輸的天線，由于其帶寬的特點，目前仍處于研究階段，沒有完全實現。而實際應用中只需要幾個不同頻帶的窗口就可以有效實現多頻段組合[8]。在實際應用過程中，美國的Speakeasy電臺采用了多頻段天線技術，將頻段劃分成3個部分，分別為2～30 MHz、30～500 MHz以及500～2 000 MHz。由于天線的帶寬不能設置，故此天線的傳輸率度十分有限，現實利用的寬帶天線還必須更進一步研究。

寬帶天線設計的基本原理是采用多波天線，如線陣形成和廣播場形成等。以軟件無線電為基礎的智能天線結構中，高速數字信號處理是多波束形成的主流方法，智能型天線可以提升系統儲存量，近年來的研究引起了人們的普遍注重，其完成對軟件無線電的進展具有推進作用[8]。

4.2 數字變頻器模塊

數字變頻器模塊在應用過程中將整個工作段進行數字化，同時對數字化信息進行基帶處理，從而提高了對DSP的處理能力。此外，當DSP器件達到所需的電氣常數后，就可以輕松切換到理想的軟件無線電系統[9]。

頻率轉換模塊主要由局域數字振蕩器、數字混頻器以及排雷器（內插濾波器）組成。該軟件性能系統主要完成對輸入數據的調制和調節以及頻率計算等。數字化的光譜變換技術已經相對成熟，常見的軟件無線電系統產品有HSP50215和HSP50016兩種，其中HSP50016是一種轉換卡。

4.2.1 數字上變頻器

數字上變頻器的一大特征就是能夠經過轉變內寄存器的值來轉變調制方法，基帶信號、載波中心頻率以及輸入輸出數據格式一致。這些器件中的256個I、Q濾波裝置具有很強的波長可編程性，可以為普通信號提供波長輸出。HSP50215上位機正交NCO調制運用數字方法完成了I、Q信號在任意頻率載波上的正交化。

256抽頭形濾波器為可編程數字濾波器，可同時完成4～16次內插運算，在濾波附加高頻分量和基帶信號波形方面具有重要作用。復合濾波CIC過濾器根據DSP的運算能力和系統的整體性能，提出在高速數據處理中應采用基于高頻濾波性能的簡易濾波器[9]。它只需實行單一的加法運算，而且能夠與NCO結合完成非整數值采樣。

4.2.2 數字下變頻器

數字下變頻器的主要特征是經過軟件調整內部寄存器的輸入模式、載波中心頻率和相位、NC振蕩頻率、增益控制模式以及輸入輸出數據格式等，從而實現解調。在應用中，通過采用HSP50214采樣數據進行分析，同時可以實現可編程數據的比較，得到的比特為14位。

下變頻器的重要構造之一為正交NCO解調，可以對各頻率調制的I、Q信號進行數字解調，另外不同的抽取濾波器用于衰減率變換。通過多次濾波后，下變頻器的數據抽取濾波器可分為以下4個部分。一是五階梳狀濾波器。二是五級半帶式濾波器，每一個子帶式濾波器對應雙數據提取，由于半帶式濾波器具有均勻序列號（除0外）的脈沖響應特性，計算時間在0時可以減半。三是可編程濾波器，可以實現1～16次數據抽取，并且可以對基帶信號進行高精度濾波。四是重采樣濾波器和插值濾波器。第二次采樣濾波是NCO驅動的多相位濾波，可以對非整數采樣率實行轉換，完成必定的精確度，采樣率為1～4，數據率為基帶符號的整數倍[10]。后半帶濾波器能夠依據后期處理的需要實行二次或者是四次插值，從而有效提升基帶信號的采樣率。

4.3 數字信號處理模塊和其他主要技術了解

4.3.1 數字信號處理模板

數字信號處理模板是軟件無線電系統的中心，重要實質概括為信號處理、調制與調節、碼流處理、編解碼、頻譜了解以信號識別。實踐證明，該系統具有較高的實時性、準確性及可靠性，可以完成數字信號的飛快處理[4]。

4.3.2 其他主要技術了解

（1）總線構造。開放性是軟件無線電的一個主要特點，它重要體現在開放性標準總線上。軟件無線電只需采用先進的標準總線就可以很容易地進行調整和升級。VME總線在軟件無線電領域比其他標準工業總線（PCI，ISA等）應用更為廣泛，VME總線已被美國軍方應用。

（2）軟件部分。在軟件無線電系統的完成期間，主要的內容包括總線構造類別、各性能模塊的區分以及與公用電話網和移動通信網等網絡的對接標準等，因此在利用軟件無線電進行多路互聯時必須實現通用信號處理。軟件無線電的主要特點是利用軟件實現電臺的數學建模功能，分析電臺的各種功能，然后選擇物理功能較為成熟的數學建模方法，基本形成實現數字濾波和調制解調的算法。在分析站址需求的基礎上，建立了各功能模塊的優化算法模型[10]。

5 結 論

90年代以后，移動通信業產生了一場新的技術改革，以軟件無線電為代表的新一代通信技術迅速發展。軟件無線電是一種開放式結構，本文的研究工作為開發軟件無線電系統提供了理論依據和實踐依據。它是實現軟件無線電系統的一個重要環節，同時也是實現軟件無線電數字化發展的重要途徑。