軟件無線電技術(shù)在3 G系統(tǒng)中的應用

邢永中李坤

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學院，河南鶴壁458030）

1.引言

現(xiàn)代的無線電通信系統(tǒng)仍存在許多局限性，例如，互不兼容的多種通信體制的并存造成互聯(lián)的困難，不同制式的存在造成信源編碼與解碼、信道調(diào)制與解調(diào)、加解密、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、通信組網(wǎng)等方式的差異等。不同頻段的使用既造成頻率資源的緊張又造成相鄰頻道間的干擾越來越嚴重。移動環(huán)境的動態(tài)范圍的非優(yōu)化，還導致物理層上處理器的不靈活。軟件無線電的研究，為解決上述問題提供了技術(shù)支持。

2.軟件無線電技術(shù)

2.1 軟件無線電概念

軟件無線電(Software Radio)是在一個開放的公共研究平臺上利用不同可編程的軟件方法實現(xiàn)所需要的無線電系統(tǒng)，簡稱SWR。它被視為繼模擬和數(shù)字技術(shù)之后的又一次電子技術(shù)革命，是當今計算機技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)在無線電通信中應用的產(chǎn)物。隨著計算機、通信技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，無線電通信技術(shù)經(jīng)歷了以單工通信到雙工通信、模擬通信到數(shù)字通信、FDMA到TDMA以及CDMA系統(tǒng)通信、固定通信到移動通信的快速發(fā)展歷程。

2.2 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基于軟件無線電的寬帶多頻段、多波束天線與智能天線

軟件無線電的天線要求有10倍頻程以上的工作帶寬，一般在1MHz-3GHz左右。根據(jù)天線物理尺寸與信號波長的關(guān)系，這種寬頻段天線按傳統(tǒng)的方法是無法實現(xiàn)的。而實用中并沒有必要全頻段覆蓋，只需要覆蓋不同頻段的幾個窗口，因此可以采用組合寬帶多頻段天線和多波束天線。智能天線不僅在蜂窩移動通信系統(tǒng)中有著極其重要的作用，而且在軍事上，特別是快速展開無線網(wǎng)絡(luò)（RDRN）中發(fā)揮著越來越重要的作用?？焖僬归_與移動意味著要在非常有限的時間來進行預先的頻率、拓撲結(jié)構(gòu)與一些特定功能的規(guī)劃[5]。

2.2.2 寬帶模/數(shù)（A/D）和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換技術(shù)[2]

根據(jù)軟件無線電技術(shù)要求，將適合的模天線，盡可能地移至射頻（RF）前端，減少模擬環(huán)節(jié)，則可在較高的中頻乃至對射頻信號直接進行數(shù)字化。這就要求A/D器件具有適中的采樣頻率和很高的工作帶寬。一方面，信號的動態(tài)范圍直接決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）所必須支持的分辨率；另一方面，在采樣率和分辨率之間存在著平衡。一般采樣率越高，分辨率越低。在滿足采樣率的情況下，ADC轉(zhuǎn)換器要實現(xiàn)所要求的分辨率是一個技術(shù)難點。常用的解決方案有兩種方式：并行采樣和帶通采樣。

2.2.3 高速數(shù)字處理技術(shù)（DSP）

在軟件無線中，具備強大處理能力的數(shù)字處理核心是軟件無線電技術(shù)的關(guān)鍵所在。理想的軟件無線電系統(tǒng)要求對整個高頻波段進行數(shù)字化，而且其后續(xù)的中頻處理基帶、比特流及其它功能都必須用軟件來實現(xiàn)。但這些數(shù)據(jù)流量大，進行濾波、高頻等處理運算次數(shù)多，這就要求DSP必須采用高效、實時、并行的數(shù)字處理器模塊或采用集成電路來處理。在單個DSP處理器（DSPs）無法實現(xiàn)的情況下，可采用多個DSP技術(shù)，即DSP單元由多個DSPs或FPGAs(現(xiàn)場可編程門陣列處理器)和DSPs等混合體組成。其中，F(xiàn)PGAs具有強大的現(xiàn)場調(diào)整功能的能力，DSPs具有高速數(shù)據(jù)處理能力，兩者優(yōu)勢互補。

2.2.4 高速總線

軟件無線電中采用總線結(jié)構(gòu)，各功能部件之間的相互關(guān)系成為面向總線的單一關(guān)系。這樣使無線通信產(chǎn)品易于實現(xiàn)模塊化、標準化和通用化。例如，摩托羅拉公司為“易通話”計劃設(shè)計了一個寬帶的發(fā)送接收單元，它采用PCI總線，具有良好的用戶界面。

2.2.5 軟件無線電信息安全與網(wǎng)絡(luò)功能

以往軟件無線電技術(shù)側(cè)重于模塊化和用軟件來實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。目前，信息安全成為其必須考慮的一個方面，特別是軍用軟件無線電。加密處理計算軟件可以被信息安全子系統(tǒng)分配到指定的信道，在明文工作模式時，它只提供簡單的總線到總線的連接。在需要時，它可以對數(shù)據(jù)流提供實時的加密解密。例如，可以采用跳頻軟件，根據(jù)保存在信息安全模塊中跳頻圖案進行頻率更新。

3.軟件無線電技術(shù)在第三代移動通信（3G）系統(tǒng)中的應用

第三代移動通信系統(tǒng)的主要目標是要將包括衛(wèi)星在內(nèi)的所有的網(wǎng)絡(luò)融合為可以替代眾多網(wǎng)絡(luò)功能的統(tǒng)一系統(tǒng)，它能提供寬帶業(yè)務實現(xiàn)全球無縫覆蓋。

國際電信（ITU）提出的第三代移動通信系統(tǒng)ITM-2000，目前已有多種技術(shù)候選方案，而其中最有影響的三種技術(shù)方案為W-CDMA、CDMA2000（寬帶分碼多工存取的無線通信技術(shù)）以及中國的TD-SCDMA（分時-同步分碼多工存取無線通信技術(shù)）。ITM-2000計劃將軟件無線電技術(shù)應用到由中國提出的TD-SCDMA方案中，實現(xiàn)多頻多模的可編程。該方案融合了當今國際領(lǐng)先技術(shù)——智能天線、同步CDMA和軟件無線電技術(shù)。另外兩個組織對第三代移動通信系統(tǒng)開展得比較深入，一個是歐共體的ACTS FIRST項目，另一個是美國Rutgers大學。

第三代移動通信系統(tǒng)中，目前普遍看好的是寬帶CDMA（W-CDMA）方案。Rutgers大學的研究側(cè)重于將軟件無線電技術(shù)應用于W-CDMA接收機。W-CDMA體制能夠提供多種質(zhì)量的多媒體業(yè)務，不同的多媒體業(yè)務對CDMA接收機的性能要求是不同的。而CDMA接收機的性能與其多用戶檢測的性能是密切相關(guān)的。目前提出的多用戶檢測算法一般都是通過計算復雜度的增加獲取性能的提高。由于軟件無線電接收機具有易于改變的特點，它可根據(jù)多媒體業(yè)務的技術(shù)要求動態(tài)地調(diào)用不同的多用戶檢測算法。由于目前DSP開發(fā)板的處理能力不夠，這種接收機在中頻和基帶部分采用FPGA和DSP開發(fā)板實現(xiàn)，射頻部分仍采用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)，目前尚未研制出樣機。

我國的TD-SCDMA移動通信技術(shù)的發(fā)展則提出了利用軟件無線電技術(shù)完成設(shè)計的理念。SCDMA是一種同步的直接擴頻CDMA技術(shù)。它結(jié)合了智能天線、軟件無線電及全質(zhì)量話音壓縮編碼技術(shù)等通信新技術(shù)。軟件無線電是TD-SCDMA技術(shù)的核心技術(shù)之一。在SCDMA中軟件無線電可實現(xiàn)如下技術(shù)功能：

(1)提供一個開放的模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

(2)智能天線的實現(xiàn)；

(3)同步檢測的建立和保持；

(4)用戶終端口、D-QPCK（差分正交移相鍵控）解調(diào)器中的載波恢復、頻率校準和跟蹤；

(5)每碼道功率的檢測和發(fā)射功率控制的實現(xiàn)；

(6)接收通道的電平檢測和接收增益控制；

(7)擴頻調(diào)制與解調(diào)，包括Walsh（沃什）碼和PN（偽隨機）碼的產(chǎn)生；

(8)語音編譯碼；

(9)DTMF（雙音多頻）、MFC（多頻編碼）及各種信號的產(chǎn)生和檢測；

(10)信道編碼、復接和分接；

(11)發(fā)射脈沖成形濾波；

(12)SWAP（交換）信令的差錯檢測；

(13)接收信令的差錯檢測；

(14)發(fā)射通道的數(shù)字預失真；

(15)基站收發(fā)信機的校準。

基于軟件無線電技術(shù)并適應未來個人通信的移動系統(tǒng)應有以下技術(shù)特點[3]：

(1)在同一硬件平臺上，通過軟件的更新兼容現(xiàn)有的各種系統(tǒng)和以后將要出現(xiàn)的各種系統(tǒng)（包括各種體制的蜂窩系統(tǒng)、無繩系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和固定的無線系統(tǒng)）；

(2)具有自動漫游能力，能在不同系統(tǒng)之間進行智能切換（包括自動檢測，參數(shù)設(shè)備和自動進入）；

(3)在公共空中接口的技術(shù)支持下，可以下載軟件并進行自身軟件更新；

(4)有多址接入能力，有較寬的工作頻帶，應能在不同系統(tǒng)的不同頻段下工作；

(5)支持多種業(yè)務，如語音、數(shù)據(jù)、圖像和傳真等，并能根據(jù)業(yè)務流量、信道質(zhì)量等，自動選擇合適的傳輸信道；

(6)自動選擇通信模式，建立通信鏈路，采用合適的通信協(xié)議和信號格式實現(xiàn)遠端通信。

利用軟件無線電技術(shù)，可以在平臺上實現(xiàn)TD-SCDMA的智能天線結(jié)構(gòu)，獲得波達方向(DOA)估計等空間特征矢量，計算射頻通道權(quán)重完成天線陣列的波束賦形，從而大大增加系統(tǒng)的有效容量，更有效地完成通信任務。

實際上TD-SCDMA軟件無線電的第一階段將實現(xiàn)數(shù)字無線電，如圖1所示。數(shù)字通信的基本特征是把數(shù)字信號作為載體傳送信息，它傳輸?shù)男盘柺恰半x散”或“數(shù)字”的。數(shù)字通信系統(tǒng)是一種傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)?；蛘哒f，它是利用數(shù)字信號來傳輸信息的通信系統(tǒng)，其基本原理框圖如圖2所示[4]。

當然圖3的實現(xiàn)需要多方面技術(shù)支持，有賴于智能天線技術(shù)、DSP處理速度、信道信源的編碼優(yōu)化等技術(shù)的不斷發(fā)展?？梢钥闯鲕浖o線電技術(shù)在第三代通信（3G）TD-SCDMA系統(tǒng)中的應用是非常廣泛的。而且，只有軟件無線電技術(shù)才能解決第三代（3G）系統(tǒng)中的多頻多模及網(wǎng)絡(luò)互通問題。

4.結(jié)束語

在歐共體的ACTS FIRST項目中已將軟件無線電技術(shù)應用于設(shè)計多頻/多模（可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及現(xiàn)有的大多數(shù)模擬體制）可編程手機。它能自動檢測接收信號，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，而且能滿足不同接續(xù)時間的要求。軟件無線技術(shù)可用不同軟件實現(xiàn)不同無線電設(shè)備的各種功能，可任意改變信道接收方式或調(diào)制方式，利用不同軟件來適應不同標準，構(gòu)建多模手機和多功能基站，具有高度的靈活性。

[1]馬上，胡劍浩，凌翔.余數(shù)系統(tǒng)在軟件無線電中的應用[J].電信科學，2009，2：84-89.

[2]朱曉敏，陸佩忠.集群軟件無線電系統(tǒng)中實時信號處理調(diào)度研究[J].軟件學報，2009，3：766-778.

[3]張雷，鄧江平，王建宇.GPS軟件接收機的模塊設(shè)計與信號處理[J].計算機工程，2009，31（1）：198-200.

[4]李雅萍，楊尚森，李陽.CORBA技術(shù)在SCA系統(tǒng)中的應用[J].計算機工程與設(shè)計，2008，29（16）：4200-4203.

[5]茅成.綜合通信導航識別系統(tǒng)中的多鏈路超短波通信的實現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2009，49（8）：59-64.