軟件無線電的研究與應用

許 丹

（咸陽職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

1 引言

在互聯網的飛速發展下，人們對通信質量提出了更高的要求，軟件無線電，將信號用數字表示的信號處置方法作為中心，運用微電子作為系統運行的器件，其核心思想是在通用的通信硬件平臺上加載不同的通信軟件，用來實現不同的通信方式的轉換。這種設計思想使得幾乎無論什么樣的通信方法都可以找到對應的電臺。目前的軟件無線電和傳統的無線電臺相比較，其最大的優點就是突破了后者以硬件為核心、可擴展性比較差的的設計局限和功能的相對單一性。如今硬件平臺的創建基本都是通過軟件無線電來實現的，主要包括可編程邏輯器和數字信號處理器兩種方式，其主要強調使用的開放性和簡單化，其應用軟件最好能夠根據不同的使用要求進行重新構建，并且能夠隨時升級，使無線電的功能具有可變性且多樣化。同樣，其在雷達、醫療、信息化發展、電子戰等領域也得到了積極的推廣，是當前移動通信領域的研究熱點之一[1]。

2 軟件無線電發展背景

理想的軟件無線電系統需要盡可能的減少模擬環節，而將數字化處理（包括A/D，D/A等）盡可能靠近天線端，直接在射頻進行數字化，以便所有的信號處理過程都在數字域內進行，在最大程度上通過DSP軟件實現系統的各種功能，其結構如圖1所示。

圖1 理想軟件無線電系統結構圖

軟件無線電的實現主要有三種結構：一為輻射到空間的電磁波頻率進行低通采樣，第二種為對電磁波頻率進行帶通采樣，第三種是對電磁波頻率進行的中間段頻率進行帶通采樣，通過數字化布局實現以軟件技術手段實現無線通訊這一技術的運行。

幾種結構中最不復雜的是以數字化布局實現的電磁波頻率的低通采樣。它能夠實現模擬電路的最少化，在由最初的天線前端輸入的信號到最終的A/D數字化采樣的一整條流程中，僅僅需要濾波和放大兩個步驟即可完成。但是，操作流程的簡便同時帶來的是操作技術的高要求，其中，指標的嚴格控制就是一項，包括了A/D轉換器的工作帶寬、轉換速率和動態范圍等方面；還有操作的速率的提升，主要是后端DSP處理器的工作速度。

由于受A/D轉換器、D/A轉換器及數字化芯片運行速度不能達到較高速要求，當前的想要以軟件手段實現無線通訊，只能退而求其次，選擇既能以現有技術實現，又能較符合無線電要求的計劃，即寬帶中頻帶通采樣數字化結構，如圖2所示。

圖2 寬帶中頻帶通采樣數字化結構

這種結構從信號的中頻階段就進行采樣的數字化，隨后所有的調制和解調都是以數字化的方式來實現，對于以后進行升級以及調整都會比較方便。但是，由于信號的數字化從中頻階段就開始了，從而使整個系統的操作模式較為固定死板。但是，時代在發展前進，A/D轉換器與D/A轉換器在工作時的結構、技術也將持續優化，從而將會廣泛實現用射頻段的相關技術來處理信息，使數字化向純數字化以及高效的軟件無線電平臺的發展邁進更大的一步。

3 國內外發展現狀

軟件無線電作為現今通信領域的新技術，一直受到國內外的廣泛關注，這種無線電通信方式很特別，它與以模擬的方式實現通信、以是數字化的方法實現通信，只能在特定區域內進行的通信、能夠在移動中進行的通信均有不同之處，它使它們的繼承與提升，廣泛應用于蜂窩移動通信系統、智能天線、多頻多模手機、衛星通訊等非有線的通訊領域。

對天線接收到的模擬輻射電磁波頻率的信號最大限度的轉換為數字信號，使其成為便于DSP或者是計算機操作的數據信息，運用軟件處理實現各種性能是以軟件的手段實現無線通訊這項技術的基本思路。目前，國內外以軟件技術實現通訊這一手段已被用在了以除有線通訊方式以外的多個通訊區域。這種技術是在軍事區被開發出來的，但是它的各項特點也適用于商業、日常等其他方向，因此被廣泛運用。運用軟件的方式進行無線通訊，可以距離天線很近的區域將信號轉換為數字信號，也就是最大限度的減小了AD器件與RF射頻距離，為通訊系統的逐代升級提供了方法。衛星通訊的中也可以用到這項技術，尤其是現在普遍適用的小型衛星。

4 軟件無線電信號采樣

無線電的軟件系統是利用軟件來實現各種無線通信的，它將數字化處理盡量靠近天線端，對天線接收到的信號進行數字化處理，將此信號轉換成數字信號序列，而采樣是實現該功能的最主要手段。因此對接收機接收到的信號進行采樣就成了軟件無線電的關鍵。通常所用的采樣技術有Nyquist采樣和帶通取樣。

4.1 低通取樣

Nyquist低通取樣定理[1]：如果某個模擬信號 )(tx 的頻帶區間限定在 ),0(Hf 之間，其中Hf為信號 )(tx 的最大頻率，等間距取樣是用大于等于模擬信號頻率2倍 ( fs≥2fH)的取樣速度對 )(tx 進行，此事能得出時域上離散型取樣信號?（公式中的Ts表示取樣的時間間隔），所以最原來信號 )(tx 就能夠通過采樣后的序列信號 )(nx 被還原出來。Nyquist定理的作用是讓時間區域上不間斷的模擬信號可經時域上離散型采樣信號來被替換，從而為模擬信號的數字化處置打下基礎。

根據上述定理我們可知：若要使采樣后的離散信號能使原始信號被還原出來，則需在模擬信號的最大頻率Hf的每一個周期內對原始信號 )(tx 進行兩次采樣，否則將會出現混疊失真現象，從而不能使原始信號 )(tx 得到恢復。以下我們結合實際數字信號的特性，從頻域的角度來分析說明Nyquist采樣定理。

抽樣信號的頻譜若在采樣周期內（相鄰的周期內）沒有發生混疊，則通過低通濾波器就能夠無失真的恢復出原始信號， Ts= 1/2fH為最大的采樣間隔，相對應的 fs=2fH就稱之為奈奎斯特速率。在理想的軟件無線電系統中，輸入信號的最大頻率可達到2 GHz甚至更高。根據Nyquist采樣定理可知，采樣率要大于4 GHz，然而這一要求對于目前的 DA/轉換器來說還無法實現，同時后端的DSP對采樣得到的高速數據的處理也相對比較困難。

4.2 帶通取樣

Nyquist低通取樣理論僅討論分析了基帶信號的頻譜在區間為 ),0(Hf 上的取樣問題，要是信號的頻譜布局僅在某非無限的頻帶 ),(HLff 上，參照Nyquist取樣理論，仍舊可以根據 fs≥ 2fH的采樣速率進行采樣。但當fH＞ B=fH-fL時，如果在信號的頻率峰值fH遠遠超過他的信號帶寬B時仍舊依據Nyquist取樣率來取樣，將會導致目的難以實現且取樣率偏高，且較慢的處理速度也難以滿足需求。在這時，利用帶通采樣，其可以利用大幅度降低速率進行取樣來完善這一問題，就是信號的最高頻是帶寬的整數倍。

假設某個頻率帶限信號 )(tx ，改信號頻率限定在( fL,fH)內范圍，其取樣率fs等時間間隔取樣所得出的信號取樣值?可精準地還原原信號 x( t)。

但是，以上描述帶通取樣理論存在適用條件，它只容許在之中的某一頻帶上存有信號，而如果在不同的頻帶上同時存在信號就會引起信號的混疊。為能解決這一問題，一般要在信號采樣之前，先將其通過一個帶通濾波器，也稱為抗混疊濾波器。

5 多速率信號整理

多速率信號整理技術[3]為完成軟件無線電信號整理數字化的關鍵，運用帶通采樣可以大幅度降低所需射頻的采樣速率，但從對其系統的要求角度來講，帶通取樣的帶寬越寬越好，這樣系統就能更切合地適應不同的信號，可以將系統設計簡化。

通過提高采樣速度，采樣量化的信噪比也會增加。但采樣后高速的數據流將會使后面接上的信號整理速率難以跟進。尤其是對那些數據吞吐率高同時計算量又較大的同步解調算法，系統難以達到實時性的處理需求。是以，A/D整理后的數據流進行降速整理就尤為重要。完成此功能的理論基礎是把多速率信號處理技術作為依據，其本質是對采樣后的離散信號進行重采樣，主要包括抽取和內插兩個部分。

5.1 整數倍抽取

整數倍抽取[4]是表示依照原始抽樣序列 )(nx ，相隔(D -1)個數據再抽取一個，可表示為?， y(n)即為抽取之后形成的新的序列。其中，D為抽取因子，一般情況下取正整數。抽取后所得原始序列 )(nx 的頻譜與新序列 )(ny 的頻譜之間關系是：后者是前者通過頻移和D倍展寬后的D個頻譜的加權和。

抽取后的頻譜會產生混疊現象，以至于無法從新序列y( n)中恢復出原始抽樣序列 x( n)。因此，為了避免這種混疊現象的發生，一般在抽取之前加一個起抗混疊作用的數字濾波器先進行濾波，把原始抽樣信號進行頻帶限制處理后再進行D倍的抽取，從而可以完全恢復出原始抽樣序列。

5.2 整數倍內插

所說的整數倍內插[3]，表示在原始抽樣序列 )(nx false的相鄰兩個抽樣點之中插入 )1(-L 個零值，可以得到內插后的新序列為 )(ny ，L為內插因子。原始序列譜X (ejω)通過L倍壓縮后得到新序列頻譜。在內插后的序列譜 Y ( ejω)中不僅包含了原始頻譜的基帶分量（陰影部分），還包含了高頻鏡像分量。因此，要對原始序列進行內插，則需對這類信號進行整形。所以，可以在插值后接一個低通濾波器，從而濾除掉不想要的頻譜分量。

5.3 取樣率分數倍變換

前文所述的抽取和內插都是整數倍的變換是取樣速率變換的一種特殊情況。而在實際的應用中，除了整數倍抽取和內插外，經常還會碰到一些延遲的狀況不是整數倍的—分數倍變換。如果想實現延遲的倍數是 LDR /=（即分數倍變換的變換比），我們可通過先內插L倍再抽取D倍來完成。需強調，內插一定要在抽取前先進行，從而保證中間序列 )(kS 的基帶頻譜寬度不小于原始序列x( n)以及輸出序列 y ( n)的基帶頻譜寬度，不然會容易產生信號的失真。

通過前述可知，抽取過程的抗混疊濾波器和內插過程的抗鏡像濾波器同屬于低通濾波器，所以要消除混疊和鏡像現象，可以用一個組合的低通濾波器來代替[2]。

6 總結

隨著我國移動通信技術的飛速發展，軟件無線電技術的適用范圍不斷增大，已普及在我國各個領域，特別是全面進入5G時代以來，其為用戶提供立體化的信息環境、高速率的信息傳輸。面對大量異構網絡并存的現狀，無線通信新技術，在移動技術不斷發展、完善的形勢下，呈現出茁壯發展的勢態。作為一種新型的通信方式，由于其軟件的靈活性、易于升級、成本低等優點，無線通信新技術的出現，使網絡運行速度提高到一個新的層次，進一步提升了人們的通信質量。因此在軟件無線電通信系統中可以實現多種通信協議的相互兼容，有利于各種通信新標準的實施。本文針對軟件無線電通信新技術的背景和應用，展開詳細的分析，為我國無線通信新技術水平的進一步提高，奠定堅實的基礎。