軟件無線電技術特點及其應用

彭豐

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽，621000）

1 軟件無線電概論

軟件無線電 (Software Definition Radio)概念和結構系統最早是由美國的Joe Mitola在1992年5月提出的。它的基本思想是使寬帶A/D轉換盡可能靠近射頻天線。這意味著盡快將接收到的模擬信號數字化，并通過軟件充分實現無線電臺的各種功能。軟件無線電可以運行不同的算法來實時配置信號波形，因此它可以提供各種無線通信服務，例如語音編碼，信道調制，載波頻率，加密算法等。一個軟件無線電站不僅可以與其他現有的無線電站進行通信，而且還可以充當兩個不同無線電系統之間的“無線電網關”，從而使兩個無線電系統可以相互通信。結構如圖1所示。

圖1 軟件無線電結構框圖

2 軟件無線電技術特點

與常規無線系統相比，軟件無線系統的結構有很大不同。在傳統的模擬無線電系統的情況下，射頻部分，濾波等均采用模擬方法，并且特定頻帶和特定調制方法的通信系統對應于特殊的硬件結構。隨后開發的數字無線系統在低頻部分使用數字電路，例如用于本地振蕩器的數字頻率合成器，源編碼解碼器和調制和解調由專用芯片完成，而射頻部分和中頻部分仍然是模擬的，它不能和模擬電路分開。軟件無線電系統的A/D和D/A轉換從中頻開始，并盡可能靠近RF端，從RF端開始，對整個系統頻帶進行采樣，甚至進行數字處理直至射頻。也就是說，除了射頻濾波以外，低噪聲放大和功率的額外放大均以模擬模式實現，其余功能如IF和基帶解調，錯誤編碼，信道均衡等均通過模數轉換后的編程實現。可編程DSP器件可以用來代替專用數字電路，使系統硬件結構和功能相對獨立，從而可以基于相對通用的硬件平臺通過軟件來實現不同的通信功能，以及工作頻率和系統頻率可以調整的頻寬，調制模式，源代碼等均受到編程和控制，系統的靈活性大大提高，這是軟件無線電的突出特點。

通過預先分析傳輸信道和相鄰信道的干擾特性，不僅可以傳輸信號，而且可以檢測和確定最佳傳輸路徑。選擇并確定最適合信道傳輸的調制和編碼方法。它確定寬帶天線的位置，以便使傳輸波束獲得最佳方向，并且可以自動調整適當的傳輸功率，以避免不必要的功率損耗。它還可以分析在傳輸信道和相鄰信道上接收到的信號的分布特性，自動調整接收天線的方向，并識別接收到的信號的調制模式和編碼模式。通過在硬件平臺上安裝其他軟件，軟件無線電可以完成各種功能，因此可以通過軟件升級來實現系統功能，而無需更改硬件設備。

3 軟件無線電技術中的關鍵技術

3.1 寬帶/多頻帶天線

軟件無線電臺覆蓋的頻帶是2到2000 MHz，因此不可能在當前水平上開發全頻帶天線。在大多數系統中，可以使用組合的多頻帶天線方案來代替覆蓋所有頻帶。美國陸軍的“Speakeasy”項目使用了分離式寬帶天線。即，將2-2000MHz頻帶分為三個部分：2-30MHz，30-500MHz和500-2000MHz。這在技術上是可行的，并且默認情況下對戰術使用要求沒有影響。

3.2 寬帶射頻前端和功率放大

寬帶射頻前端，主要完成低噪聲放大、濾波、混頻，自動增益控制（AGC）和輸出功率放大，該器件必須具有較寬的頻率范圍。寬帶低噪聲前置放大器可以達到多個倍頻帶。設備或電路設計沒有困難。具有多個倍頻程頻帶的寬帶功率放大器需要多種組件選擇，并且需要使用電路CAD優化技術。

3.3 A/D部分

A/D的要求主要是采樣率和位數。現有的A/D仍然不能同時滿足速度和采樣位數的要求。解決方案：一方面，考慮使用多個高速采樣保持電路和ADC，然后并行到串行轉換以降低量化速率以提高采樣分辨率，并且還考慮研究適用于低分辨率和高采樣速率的A /D碼調制方式。

3.4 高速并行DSP

數字下變頻（DDC）是A/D轉換后完成的第一項處理任務，包括數字下變頻，濾波和二次采樣，是系統數字處理中計算量最大，最困難的部分。每個采樣點需要100次操作才能進行更好的過濾和其他處理。對于系統帶寬為10 MHz的系統，采樣頻率必須至少為25 MHz，這需要2500 MIPS的計算能力，而傳統的單個DSP則無法實現。為此，您需要使用由多處理器模塊（MCM）或高速并行DSP組成的專用集成電路。在數字下變頻之后，高速信號處理部分主要完成諸如基帶處理，比特流處理和信號源編碼之類的任務。

3.5 信號處理

當使用軟件無線電實現多模式互連時，必須執行通用的信號處理，因此，根據軟件無線電的要求，有必要將現有的各種無線電信號劃分為幾個標準級別，并開發標準信號模塊。它研究了一般的信令框架。

4 軟件無線的具體應用

4.1 無線電子技術在直升機通信和導航系統中的應用

4.1.1 寬帶多頻帶天線

在當前應用中，用于直升機通信和導航系統的天線必須是可覆蓋整個頻帶的全向寬帶天線。這意味著可以根據需要使用該軟件來配置自己的輻射特性和工作頻帶，以涵蓋任何應用。高頻無線電通信頻帶可以在整個頻帶上實現低功率損耗和相似的接受特性。

4.1.2 帶寬D/A、A/D轉換器

在基于無線技術的直升機通信導航系統中，數字化使系統具有靈活性。即，它不僅決定了無線電收發器的結構，而且限制了收發器的性能。該系統直接在射頻中實現D/A和A/D轉換，因此D/A和A/D轉換器的采樣率必須足夠高。同樣，奈奎斯特采樣定理要求fs必須至少是Wa（模擬信號帶寬）的兩倍。否則，將反映信號特性和采樣頻率的失真。因此，在實際應用中，我們需要提高采樣處理頻率，并且fs至少應為Wa的2.5倍。同時，對于D/A和A/D轉換設備，采樣率和采樣精度必須足夠高。以下參數確定D/A和A/D轉換設備的技術特性，從而增加采樣值的位數并減少量化噪聲。輸入：噪聲功率比，無雜散動態范圍，量化噪聲信號比和最大功率仿真帶寬。簡而言之，D/A和A/D轉換器是直升機通信和導航系統的關鍵部分，它是系統軟件的直接表示。在技術支持下，D/A和A/D轉換器的性能更高，并且到RF前端的距離縮短了，從而提高了系統性能。

4.2 無線技術在雷達網中的應用

4.2.1 GSM網絡仿真

GSM網絡仿真技術是軟件無線技術和雷達通信網絡技術相結合過程中最具代表性的通信系統，也是應用最廣泛的技術，對此技術的研究相對成熟。

許多地區距離很遠或被山脈阻擋，并且GSM信號非常弱，甚至無法接收到該信號。由于地形的影響，很難建立傳統的通信站。即使電信密集，由于人口不多，對建設資金的要求也很高。在電臺的有效范圍內可以接收信號的人數也非常有限，不是很有效。但是，將軟件無線電應用到GSM可以解決此問題。

構建了一個模擬系統，該系統實現了基站與移動終端之間的信息對接，并實現了以OpenBTS為中心的語言信息的數據交換。該系統具有完整的系統和完整的功能，可以在解決GSM信號問題中發揮重要作用，現在是更好的通信系統解決方案。

4.2.2 短波跳頻網絡仿真

顧名思義，無線通信是通過無線電信號實現的，無線電信號發送器發送包含信息的信號，無線電信號接收器在接收到信號后分析信號以恢復信號內容。然而，由于在使用無線通信時其自身的開放性，存在信息泄漏的風險，因為在信息傳輸過程中容易被敵人攔截，并且在實際使用中通信安全性非常低。在無線通信過程中，添加了一系列通信安全技術以確保信息安全，從而大大降低了信息被攔截的可能性。在這種情況下，敵人很難攔截信息，因此下一步就是干擾無線電信號，降低對方的通信質量并破壞信息的準確性，這時跳頻技術發揮了作用。

短波跳頻技術主要用于無線通信中，以抵抗信號干擾并不斷改變載波頻率以實現抗干擾功能。跳頻序列具有自己的算法，利用短波跳頻網絡仿真技術不僅可以抵抗干擾，而且可以減弱無線電信號的衰落，提高信息傳遞的能力。跳頻序列的生成必須經過一系列復雜的計算，并且在最終獲得該序列之后，才在跳頻網絡中進行測試，從而使跳頻序列真正起到了抵抗無線電信號干擾的作用。由于短波跳頻網絡仿真技術在抵抗無線電信號干擾方面的突出作用，其在軍事通信領域的應用范圍非常廣泛。

4.3 現代通信技術的應用

現代移動通信領域的更新非常快，而5G網絡是迄今為止最常見的網絡。在4G網絡的開發過程中，我們面臨著與4G和3G的兼容性問題。使用硬件設備進行轉換會增加成本并降低靈活性。下次升級將出現更多問題。可以使用軟件無線技術來增加靈活性，并且軟件升級和修改可以提高第四代與第4G和3G之間的兼容性。執行下一次更新時，僅升級軟件即可解決兼容性問題。當然，還應使用技術更新來更新硬件設備，以更好地適應軟件無線技術。