軟件無線電的起源、體系結構及應用 - 全文

隨著數字技術和微電子技術的迅速發(fā)展，數字信號處理器（DSP）等通用可編程器件的運算能力成倍提高，而價格卻顯著下降，現代無線電系統越來越多的功能可以由軟件實現，因此產生了軟件無線電。軟件無線電的核心思想是將寬帶模／數（A／D）及數／模（D／A）變換器盡可能靠近射頻天線，并盡可能用軟件實現無線電功能。

1.軟件無線電的起源

軟件無線電起源于美國國防部的易通話（speakeasy）戰(zhàn)術通信系統計劃。1990年8月，美國國防部與Hazeltine公司簽訂了430萬美元的合同，開始易通話無線電系統第一階段的研制工作。其主要目標是研制三軍通用的多頻段多功能無線電臺（MBMMR），工作頻段2～2000MHz，能兼容現有15種主要軍用電臺，同時與其中4種電臺通信。這項計劃已于1997年完成，并裝備部隊，最終將取代軍隊所有的傳統電臺。

2.軟件無線電的體系結構

傳統的標準通信模式是源編碼、信道編碼、信道（加上噪聲、干擾、失真）傳輸、信道解碼和源解碼。標準軟件無線電采用基于標準虛擬機環(huán)境（VME）的硬件結構，將射頻（RF）、中頻（IF）、基帶和比特流部分組裝在一個VME系統中，完成無線系統的基本功能，用工作站將用戶接口、研究工具、開發(fā)工具和本地信源編碼／解碼等集成在一起，提供對系統的軟件支持。天線、VME分系統和工作站構成一個完整的軟件無線電體系結構。
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軟件無線電的天線跨多個頻段，形式統一，損耗低。射頻部分完成輸出功率的產生及前置放大，將射頻信號轉換成標準中頻信號，或將標準中頻信號轉換成射頻信號，該標準中頻信號適合A／D和D／A轉換。中頻部分完成中頻信號與已調基帶信號之間的變換（接收和發(fā)射），它的主要功能是頻率變換和濾波?；鶐盘柼幚聿糠职褦祿髯儞Q成適合信道傳輸的基帶信號和解調基帶信號（含定時恢復），包括針對非線性信道的預失真、柵格編碼和軟判決參數估計等。比特流部分采用數字方式復接和分接多個用戶的比特流，這些比特流經過信源編碼，包括前向糾錯碼FEC（如比特交織、分組或卷積編碼、ARQ等）幀定時、比特填充、無線鏈路加密等，它還具備信令、控制、運營、管理和維護等功能。
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軟件無線電硬件采用模塊化結構寬帶A／D和D／A及高速DSP，建立VME公共硬件平臺，支持并行、流水線及異種多處理機。軟件采用基于OSI參考模型的分層軟件體系，支持開放式的模塊化設計。靈活應用軟件無線電的基本硬軟件模塊，可使軟件無線電設備對傳播條件具有多種自適應能力（包括頻率、功率、速率及多徑分集等），多種抗干擾能力（包括自適應天線調零、自適應干擾抵消、擴頻及跳頻等），靈活可變的多址方式（包括FDMA、TDMA、CDMA、SDMA及其混合等），用戶需要的多種業(yè)務（包括話音、傳真、數據及圖象等）及多種組網與接口能力等。

3.應用

3.1蜂窩移動通信系統

在蜂窩移動通信系統中，基站和移動終端采用軟件無線電結構，硬件簡單，功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問模式及信道調制都可編程。在此系統中，軟件無線電的發(fā)射與其它系統不同，它先劃分可用的傳輸信道，探測傳播路徑，進行適合信道的調制，電子控制發(fā)射波束指向正確的方向，選擇合適的功率，然后再發(fā)射。接收也同樣如此，它能劃分當前信道和相鄰信道的能量分布，識別輸入傳輸信號的模式，自適應抵消干擾，估計所需信號多徑的動態(tài)特征，對多徑的所需信號進行相干合并和自適應均衡，對信道調制進行柵格澤碼，然后通過FEC譯碼糾正剩余錯誤，盡可能降低誤比特率。此外，軟件無線電能通過許多軟件工具增加增值業(yè)務。這些軟件工具能幫助分析無線電環(huán)境，定義所需的增加內容，在無線環(huán)境下，測試由軟件開發(fā)增值業(yè)務的樣板，最后通過軟件和（或）硬件開放該增值業(yè)務。
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1998年7月，我國向ITU提交的第三代移動通信提案TD－SCDMA中就采用了軟件無線電技術。SCDMA的基站和終端設備采用高速DSP和高速A／D變換器，處理速度高于5000萬次／秒。在SCDMA系統中，軟件無線電技術實現的功能包括采用IS－95或G.729標準，實現編碼速率8kb／S，質量接近于64kb／S PCM編碼；直接序列碼分多址（DS－CDMA）的調制和解調；同步檢測和控制；天線波束的賦形（智能無線技術）；自動控制頻率、發(fā)射功率、接收增益和時延；用戶定位（確定用戶基站的方位和距離）；處理空中接口Um物理層；基帶預失真，以降低對收發(fā)信機線性的要求。軟件無線電通過硬件平臺安裝不同的軟件，完成不同的功能，因此可在不改變硬件設備的條件下，通過軟件升級來實現系統功能。

3.2智能天線

智能天線最初用于雷達、聲納及軍事通信領域，由于價格等因素，一直未能普及到其它通信領域。近年來，數字信號處理技術迅速發(fā)展，數字信號處理芯片的處理能力不斷提高，芯片價格已可接受。同時，利用數字技術可在基帶形成天線波束，取代了模擬電路，提高了天線系統的可靠性和靈活程度。在我國的TD-CDMA方案中，基站采用智能天線技術，利用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，形成天線主波束；引入空分多址（SDMA）方式，根據用戶信號不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道；采用數字方法對陣元接收信號加權處理，形成無線波束，使主波束對準用戶信號方向，在干擾信號方向，形成天線方向圖零陷或較低的功率增益，達到抑制干擾目的。

SCDMA無線用戶環(huán)路的智能天線及基帶處理器。

使用智能無線的優(yōu)勢在于：（1）無線波束賦形的結果等效于提高天線的增益；（2）天線波束賦形后，可大大減少多徑干擾；（3）信號到達方向（DOA）提供了用戶終端的方位信息，用于實現用戶定位；（4）用多個小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了設備可靠性。

3.3多頻多模手機

在歐共體的ACTS FIRST項目中，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。它可自動檢測接收信號，接入不同的網絡，而且能滿足不同接續(xù)時間的要求。軟件無線電技術可用不同軟件實現不同無線電設備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調制方式，利用不同軟件即可適應不同標準，構成多模手機和多功能基站，具有高度的靈活性。它的出現，使無線通信的發(fā)展經歷了由固定到移動，由模擬到數字，由硬件到軟件的三次變革。軟件無線電技術正越來越廣泛應用于移動通信領域，在第二代移動通信系統向第三代移動通信系統過渡過程中，軟件無線電技術將發(fā)揮重要作用。