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軟體無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬體平台為依託,通過軟體編程來實現無線電台的各種功能,從基於硬體、面向用途的電台設計方法中解放出來。功能的軟體化實現勢力要求減少功能單一、靈活性差的硬體電路,尤其是減少模擬環節,把數字化處理(A/D和D/A變換)盡量靠近天線。軟體無線電強調體系結構的開放性和全面可編程性,通過軟體更新改變硬體配置結構,實現新的功能。軟體無線電採用標準的、高性能的開放式匯流排結構,以利於硬體模塊的不斷升級和擴展。

1 軟體無線電 -簡介

軟體無線電軟體無線電
軟體無線電(softwareradio)在一個開放的公共硬體平台上利用不同可編程的軟體方法實現所需要的無線電系統。簡稱SWR。理想的軟體無線電應當是一種全部可軟體編程的無線電,並以無線電平台具有最大的靈活性為特徵。全部可編程包括可編程射頻(RF)波段、通道接入方式和通道調製。

SWR就是寬頻模數及數模變換器(A/D及D/A)、大量專用/通用處理器、數字信號處理器(DigitalSignalProicesser,DSP)構成儘可能靠近射頻天線的一個硬體平台。在硬體平台上盡量利用軟體技術來實現無線電的各種功能模塊並將功能模塊按需要組合成無線電系統。例如:利用寬頻模數變換器(AnalogDigitalConverter,ADC),通過可編程數字濾波器對通道進行分離;利用數字信號處理技術在數字信號處理器(DS
軟體無線電軟體無線電
P)上通過軟體編程實現頻段(如短波、超短波等)的選擇,完成信息的抽樣、量化、編碼/解碼、運算處理和變換,實現不同的通道調製方式及選擇(如調幅、調頻、單邊帶、跳頻和擴頻等),實現不同保密結構、網路協議和控制終端功能等。

可實現的軟體無線電,稱做軟體定義的無線電(SoftwareDefinedRadio,SDR)。SDR被認為僅具有中頻可編程數字接入能力。發展歷史無線電的技術演化過程是:由模擬電路發展到數字電路;由分立器件發展到集成器件;由小規模集成到超大規模集成器件;由固定集成器件到可編程器件;由單模式、單波段、單功能發展到多模式、多波段、多功能;由各自獨立的專用硬體的實現發展到利用通用的硬體平台和個性的編程軟體的實現。

2 軟體無線電 -歷史

軟體無線電軟體無線電
20世紀70~80年代,無線電由模擬向數字全面發展,從無編程向可編程發展,由少可編程向中等可編程發展,出現了可編程數字無線電(PDR)。由於無線電系統,特別是移動通信系統的領域的擴大和技術複雜度的不斷提高,投入的成本越來越大,硬體系統也越來越龐大。為了克服技術複雜度帶來的問題和滿足應用多樣性的需求,特別是軍事通信對寬頻技術的需求,提出在通用硬體基礎上利用不同軟體編程的方法。20世紀80年代初開始的軟體無線電的革命,將把無線電的功能和業務從硬體的束縛中解放出來。

1992年5月在美國通信系統會議上,JesephMitola(約瑟夫·米托拉)首次提出了「軟體無線電」(SoftwareRadio,SWR)的概念。1995年IEEE通信雜誌(CommunicationMagazine)出版了軟體無線電專集。當時,涉及軟體無線電的計劃有軍用的speakeasy(易通話),以及為第三代移動通信(3G)開發基於軟體的空中介面計劃,即靈活可互操作無線電系統與技術(FIRST)。

1996年3月發起「模塊化多功能信息變換系統」(MMITS)論壇,1999年6月改名為「軟體定義的無線電」(SDR)論壇。

1996年至1998年間,國際電信聯盟(ITU)制訂第三代移動通信標準的研究組對軟體無線電技術進行過討論,SDR也將成為3G系統實現的技術基礎。

從1999年開始,由理想的SWR轉向與當前技術發展相適應的軟體無線電,即軟體定義的無線電(SoftwareDefinedRadio,SDR)。1999年4月IEEEJSAC雜誌出版一期關於軟體無線電的選集。同年,無線電科學家國際聯合會在日本舉行軟體無線電會議。同年還成立亞洲SDR論壇。1999年以後,集中關注使SDR的3G成為可能的問題。

3 軟體無線電 -模型

軟體無線電軟體無線電
模型軟體無線電的功能模型,可以無線電的功能劃分為通道集、通道編/解碼、信息安全、服務與網路支持、信源編/解碼和信源集。其中,通道集包括:RF通道、同時性、多波段傳播、有線互操作性以及為了控制服務質量(QoS)自動採用多通道(或模式)。服務和網路支持包括:多路復用,建立與控制,數據服務和網路互連(有線及互聯網標準,包括移動性)。聯合控制包括:聯合信源/通道編碼,動態QoS與本地控制,處理資源管理(綜合用戶和網路介面,多用戶、多波段、多模式能力)。多個性即多波段、多模式、靈巧服務以及與傳統模式的互操作。SDR的個性包括:射頻(RF)波段、通道集(例如控制和業務通道)、空中介面波形及有關功能。演進支持功能可以支持軟體及無線電平台的演進。

射頻(RF)波形即空中介面;中頻(IF)波形包括大多數空中介面,但信號被濾波及變換到IF處理。保護比特即加密比特。而明比特是非加密比特。網路比特符合網路協議,源比特適合解碼器。多個性是通過軟體對象介面下載到無線電的。這些介面是軟體無線電的「橫向(水平)」介面,它形成信源和通道之間的信號流與控制流。

4 軟體無線電 -結構

1、軟體無線電基本體系結構

軟體無線電基本體系結構
理想的軟體無線電是多頻段、多模式、開放式體系結構,其無線功能通過載入軟體來實現,從而提供多種無線電通信業務。軟體無線電的基本平台包括:天線、多頻段射頻(RF)轉換器、寬頻A/D(D/A)轉換器和DSP處理器等,如圖所示。

軟體無線電將A/D和D/A向RF靠近,由基帶移到中頻甚至到射頻,用可編程能力強的DSP或FPGA器件代替專用的數字電路,進行A/D后的一系列處理,使系統硬體結構與功能相對獨立,這樣就可以基於一個相對通用的硬體平台,通過軟體實現不同的通信功能,並可對工作頻率、系統頻寬、調製方式、信源編碼加以編程式控制制,系統靈活性大大增強。功能強大的軟體開發工具可以根據通信技術的最新發展和需求,修改各工作模塊以實現系統升級。

2、短波軟體無線電的結構

短波軟體無線電主要有三種實現結構:射頻全頻段數字化採樣、中頻數字化採樣結構、虛擬無線電結構。

(1)射頻全頻段數字化採樣

依據器件水平,短波軟體無線電的射頻全頻段數字化採樣尚不能實現。按照Nyquist採樣定理對短波頻段採樣速率至少需要70Msp/s,短波頻段通信對ADC的動態範圍要求為120dB~130dB,A/D是每bit提供6dB動態範圍。這樣對短波全頻段採樣需要130/6≈22bits,ADC達不到此要求。

(2)中頻數字化採樣結構

軟體無線電中頻數字化採樣結構

如圖所示,中頻採樣是將射頻信號預處理后,模擬變頻到中頻進行A/D採樣,採樣后的數據被送入DSP,在DSP中進行數字下變頻和數字解調處理。這種結構的軟體無線電與中頻數字化接收機的結構是類似的,均採用了多次混頻體制。但是軟體無線電的中頻帶寬較寬,且一次混頻后的變頻均在DSP中實現,所有調製解調等功能均由軟體來實現,比普通超外差中頻數字化接收機更靈活,功能更強。儘管和理想的軟體無線電有一定差距,這已是短波軟體無線電的最佳選擇。

(3)虛擬無線電結構

虛擬無線電是軟體無線電的一個新的發展趨勢。虛擬無線電利用工作站(或者高速PC機)的強大計算能力取代DSP來完成所有數字信號處理。有代表性的是美國麻省理工學院的計算機科學實驗室開發的SpectrumWare系統,其結構如圖所示。

軟體無線電虛擬無線電結構圖
圖中,虛擬無線電以A/D變換為劃分界線,整個系統分為子卡和工作站兩個部分。子卡部分用於獲得射頻信號的採樣數據,將射頻信號模擬下變頻到中頻,然後對中頻信號進行採樣。採樣后的數據流經過工作站上的GuPPI(通用PCII/O)介面被送入內存緩存區。為了滿足實時數據處理的要求,這裡採用DMA(直接存儲接入)技術,數據流直接送入內存緩存區,無需經過設備驅動程序和操作系統功能的處理。然後,工作站中的軟體無線電應用模塊對內存中的採樣數據流進行處理,完成軟體無線電技術中DSP所能完成的功能。

基於PC機的虛擬無線電結構具有以下幾個特點:(1)更好的靈活性。工作站的容量和開發環境均優於專用DSP晶元,容易實現新協議和信號處理新演算法以及性能的改進提高。(2)升級快捷。用戶可以很方便地通過更新軟體來增強現有設備功能。(3)易與其他應用結合。虛擬無線電的研究將無線和其他應用的界限模糊化了,提高了功能性和端到端的有效性。

5 軟體無線電 -關鍵技術

1、寬頻/多頻段天線技術

軟體無線電軟體無線電
根據短波軟體無線電的結構,天線要能覆蓋1.5MHz~30MHz頻率範圍;能用程序控制的方法對功能及參數進行設置。而實現這些功能的技術包括:組合式多頻段天線及智能化天線技術;模塊化收發雙工技術;多倍頻程寬頻低雜訊放大器方案等。

2、寬頻A/D轉換

在軟體無線電通信系統中,要達到儘可能多的以數字形式處理的無線信號,必須把A/D轉換儘可能地向天線端推移,這樣就對A/D轉換器的性能提出了更高的要求。為保證抽樣后的信號保持原信號的信息,A/D轉換要滿足Nyquist抽樣準則,而在實際應用中,為保證系統更好的性能,通常抽樣率為帶寬的2.5倍。由於短波通信的頻率變化範圍較大,對採樣頻率、位數及動態範圍也提出了較高的要求,對此可採用并行A/D轉換技術。高速採樣保持電路的時間精度可達納秒級,通過串/並轉換將量化速度降低,提高採樣解析度,這樣用多個高速採樣保持和A/D可完成超高速轉換。

3、DSP處理部分

可編程DSP模塊主要由DSP、FPGA(現場可編程門陣列)、FIR專用晶元組、存儲器、I/O介面組成。按照不同的數據處理流程可將DSP模塊的功能分為:與終端的數據交換、自適應調製解調、通道環境分析和管理、SSB調製解調、頻率變換等。DSP是軟體無線電的核心部件,但單個DSP的處理速度也是現階段一個主要的瓶頸。當單個DSP處理能力不足時,可採用多個DSP晶元的并行來提高運算能力,如Quad-40CMCM處理器包括4片TMS320C40處理器、5MB內存,已用於多頻段多模式軍用電台。

4、開放式模塊結構

軟體無線電的一個重要特點就是其優良的開放性,這主要體現在軟體無線電所採用的開放式標準化匯流排結構,只有採用先進的標準化匯流排,軟體無線電才能發揮其適應性廣、升級換代方便等特點。現有軟體無線電研究和試驗系統中採用雙匯流排結構,即:控制匯流排和高速數據匯流排。控制匯流排結構,如VME匯流排、PCI匯流排等,應儘可能採用現有的工業標準,以便於利用已有的軟體和硬體平台,加快開發速率。VME匯流排是一種支持多機并行處理的高性能匯流排,市場佔有率也很高,故可將VME匯流排作為軟體無線電的首選匯流排。

5、軟體協議和標準

軟體無線電的評價標準中,軟體的可用性是其中很重要的一條。正研究在軟體無線點中如何實現軟體的Plug&Play,提出了基於JAVA/CORBA的軟體無線電協議和標準。其中CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture,公共對象請求代理體系結構)是由面向對象管理集團(OMG)制訂的標準。

6 軟體無線電 -平台

軟體無線電軟體無線電平台
隨著無線通信的發展,出現了多種模式的通信體制,為了滿足互通性的問題,軟體無線電的思想被提出來。軟體無線電,其中心思想是:構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬體平台,將通信的各種功能通過軟體來完成,並使寬頻A/D和D/A轉換器儘可能靠近天線,以研製出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統。由於軟體無線電可以通過增加軟體模塊來增加新的功能,而且硬體也可以隨著器件的發展而不斷地升級,所以這一概念一經提出就受到了廣泛的關注。

OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,正交頻分復用)是一種具有多種優點的傳輸系統,已經有很多應用,而且隨著第四代(4G)無線通信系統的研究進入實質性階段,OFDM極有可能成為4G中的傳輸方案。

1、系統結構設計

受器件的限制,軟體無線電都採用中頻採樣的結構,這樣做既兼顧了軟體無線電的思想,又能在器件水平下搭建實際可應用的系統。隨著無線通信系統的發展都在朝著高速率、可移動性方向發展,因此本平台的設計也必然要適應寬頻無線通信系統的要求。

2、平台結構

軟體無線電OFDM結構
平台主要針對系統物理層中的中頻和基帶處理單元而設計。系統的結構如圖所示。平台由一個DSP(TMS320C6414T)、兩片FPGA(CycloneEP1C6Q240C8)、上變頻晶元DUC(AD9857)、下變頻晶元DDC(HSP50214B)等構成。

根據信號處理模塊和各晶元數據處理的特點,將各通信模塊分配到不同的器件中來完成DSP的主頻很高,而且內部資源豐富,支持高級語言的編程,適合於串列的演算法,用來完成協議和基帶處理;FPGA配置靈活多變,雖然主頻不太高,但是鑒於其并行處理能力突出,用於完成時鐘分配、晶元設置、介面轉換等;AD9857和HSP50214B是用於上下變頻的ASIC,集成程度高,參數設置靈活,可以滿足多模式的數字上下變頻,數據速率變換和濾波

7 軟體無線電 -優勢

軟體無線電平台設計流程
使用SDR概念來設計和實現下一代的無線通信系統和設備,與傳統的產品和設備相比較,具有明顯的優勢。它將使得從技術研究開發,到設備製造商、電信運營商,再到每個無線通信最終用戶都受益。具體如下:

1、為技術和產品的研究開發提供一個新概念和通用無線通信平台,大大降低了開發成本和周期

對技術和產品的研究開發而言,傳統的無線通信系統只對單一的標準進行產品開發,從標準相對穩定到設計和開發專用晶元,再到產品設計和實現是一個以年為單位的過程,開發周期長、開發成本高。上述情況導致在標準制定進程中,大多數新技術不能被應用,限制了新技術的發展和應用,導致商用產品和當時技術水平的巨大差異。SDR將提供一個新概念和通用無線通信平台,在此平台上,可能基於軟體來實現新業務和使用新技術,大大降低了開發成本和周期,使產品能跟上技術發展的水平。未來的新業務將由用戶來開發,只有使用SDR的概念,才可能讓用戶像使用PC一樣,用SDR設備去開發所需的新業務。

2、為設備製造商降低投資風險,提高經濟效益

  對製造商來說,隨著技術的進步,無線通信產品的生命周期越來越短,因此針對單一產品線的投資風險很大。基於SDR產品的生產將比傳統產品原材料成本低,且產品壽命長,這就意味著投資風險低。同時,由於它簡單化及標準化硬體使得產品容易生產。因此,製造商生產基於SDR技術的產品,可得到遠大於生產傳統產品的效益。

3、為運營商降低投資風險

對運營商來說,移動通信網建設需要巨大投資,同時具有很大風險性。一方面由於市場需求,GSM網路迅速擴容,增加GPRS設備;另一方面又面臨第三代移動通信即將到來的時期,制定一個成功的投資戰略極為困難。在下階段又將考慮在第三代移動通信的多種標準中如何選擇,也有很大的投資風險。軟體無線電從某種程度上就可降低這種風險。

4、為最終用戶提供了一個通用的終端設備平台

從最終用戶的角度看,基於SDR技術用戶的設備,是為用戶提供了一個通用的終端設備平台。它應當能支持多達5~8種國際上通用的標準,而且可以通過空間載入軟體技術達到用戶設備升級的目的。只有這樣,用戶才不需要關心他所在的地區和運營商的問題,從而實現真正意義的全世界漫遊。用戶也有可能獲得他所希望得到的新業務。

8 軟體無線電 -應用

軟體無線電應用
軟體無線電技術廣泛應用於無線電通信領域。具體如下:

1、蜂窩移動通信系統

在蜂窩移動通信系統中,基站和移動終端採用軟體無線電結構,硬體簡單,功能由軟體定義。射頻頻段、通道訪問模式及通道調製都可編程。在此系統中,軟體無線電的發射與其它系統不同,它先劃分可用的傳輸通道,探測傳播路徑,進行適合通道的調製,電子控制發射波束指向正確的方向,選擇合適的功率,然後再發射。接收也同樣如此,它能劃分當前通道和相鄰通道的能量分佈,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特徵,對多徑的所需信號進行相干合併和自適應均衡,對通道調製進行柵格解碼,然後通過FEC解碼糾正剩餘錯誤,儘可能降低誤比特率。此外,軟體無線電能通過許多軟體工具增加增值業務。這些軟體工具能幫助分析無線電環境,定義所需的增加內容,在無線環境下,測試由軟體開發增值業務的樣板,最後再通過軟體或硬體開放該增值業務。

2、智能天線

智能天線最初用於雷達、聲納及軍事通信領域,由於價格等因素,一直未能普及到其它通信領域。數字信號處理技術迅速發展,數字信號處理晶元的處理能力不斷提高,晶元價格已可接受。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TD-CDMA方案中,基站採用智能天線技術,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)方式后,根據用戶信號不同的空間傳播方向,提供不同的空間通道。採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,干擾信號方向形成天線方向零缺陷或較低的功率增益,達到抑制干擾目的。

使用智能無線的優勢在於:(1)無線波束賦形的結果等效於提高天線的增益;(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,用於實現用戶定位;(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、多頻多模手機

軟體無線電頻譜分析
在歐洲的ACTSFIRST項目中,將軟體無線電技術應用於設計多頻/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,接入不同的網路,而且能滿足不同接續時間的要求。軟體無線電技術可用不同軟體實現不同無線電設備的各種功能,可任意改變通道接入方式或調製方式,利用不同軟體即可適應不同標準,構成多模手機和多功能基站,具有高度的靈活性。

它的出現,使通信的發展經歷了由固定到移動,由模擬到數字,由硬體到軟體的三次變革。軟體無線電技術正越來越廣泛應用於移動通信領域,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,軟體無線電技術將發揮重要作用。

4、衛星通信

在當今通信領域中,衛星通信是最重要的通信方式之一。但是,由於衛星通信系統設備種類繁多,設備管理和維護工作複雜,使得衛星通信系統更新換代周期長,不能很好地適應現代高科技的發展步伐。而軟體無線電以其軟體定義功能和開放式模塊化結構的技術思想能很好地解決衛星通信系統存在的問題,因此,研究具有軟體無線電特徵的衛星通信系統是很有意義的。

在衛星通信系統中,系統功能主要指多址方式、網路結構、組網協議和通信業務等;而設備功能指介面標準、調製解調方式、通道編碼方式、信源編碼方式、信息速率、復用方式等。軟體無線電技術思想就是採用先進的技術手段,使得上述功能可以用軟體來定義。通過友好的人機界面,人們可以在不改變硬體設備的情況下實時地改變通信系統的功能,從而使該系統能適應各種應用環境,因而具有很強的適用性和靈活性。

考慮到衛星通信頻帶寬,信息速率高且變化範圍大的特點,在的計算機技術水平上,如果設備功能全由軟體來實現,由於軟體的逐條運行指令的特點,即使採用多處理器來協同運算,也無法實現高信息速率下的實時處理,使其在衛星通信中的使用範圍受到了限制。

9 軟體無線電 -相關詞條

無線電互調干擾調製技術智能天線蜂窩網路
無繩電話反射波抗干擾基站通道

10 軟體無線電 -參考資料

[1] 通信世界網 http://www.cww.net.cn/tech/html/2007/12/13/200712131517138826.htm

[2] 天極網 http://www.yesky.com/58/1725058_1.shtml

[3] 新客網 http://www.xker.com/page/e2008/0414/51993.html

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