軟件無線電技術(shù)特點及其應(yīng)用

彭豐

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)字化，并通過軟件充分實現(xiàn)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(wù)，例如語音編碼，信道調(diào)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(xiàn)有的無線電站進(jìn)行通信，而且還可以充當(dāng)兩個不同無線電系統(tǒng)之間的“無線電網(wǎng)關(guān)”，從而使兩個無線電系統(tǒng)可以相互通信。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件無線電結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件無線電技術(shù)特點

與常規(guī)無線系統(tǒng)相比，軟件無線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很大不同。在傳統(tǒng)的模擬無線電系統(tǒng)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(diào)制方法的通信系統(tǒng)對應(yīng)于特殊的硬件結(jié)構(gòu)。隨后開發(fā)的數(shù)字無線系統(tǒng)在低頻部分使用數(shù)字電路，例如用于本地振蕩器的數(shù)字頻率合成器，源編碼解碼器和調(diào)制和解調(diào)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(tǒng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換從中頻開始，并盡可能靠近RF端，從RF端開始，對整個系統(tǒng)頻帶進(jìn)行采樣，甚至進(jìn)行數(shù)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(xiàn)，其余功能如IF和基帶解調(diào)，錯誤編碼，信道均衡等均通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的編程實現(xiàn)?？删幊藾SP器件可以用來代替專用數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(xiàn)不同的通信功能，以及工作頻率和系統(tǒng)頻率可以調(diào)整的頻寬，調(diào)制模式，源代碼等均受到編程和控制，系統(tǒng)的靈活性大大提高，這是軟件無線電的突出特點。

通過預(yù)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?shù)恼{(diào)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(diào)整適當(dāng)?shù)膫鬏敼β?，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(diào)整接收天線的方向，并識別接收到的信號的調(diào)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(xiàn)系統(tǒng)功能，而無需更改硬件設(shè)備。

3 軟件無線電技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)

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(dāng)前水平上開發(fā)全頻帶天線。在大多數(shù)系統(tǒng)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(shù)上是可行的，并且默認(rèn)情況下對戰(zhàn)術(shù)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(dá)到多個倍頻帶。設(shè)備或電路設(shè)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(yōu)化技術(shù)。

3.3 A/D部分

A/D的要求主要是采樣率和位數(shù)。現(xiàn)有的A/D仍然不能同時滿足速度和采樣位數(shù)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(zhuǎn)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(diào)制方式。

3.4 高速并行DSP

數(shù)字下變頻（DDC）是A/D轉(zhuǎn)換后完成的第一項處理任務(wù)，包括數(shù)字下變頻，濾波和二次采樣，是系統(tǒng)數(shù)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(jìn)行更好的過濾和其他處理。對于系統(tǒng)帶寬為10 MHz的系統(tǒng)，采樣頻率必須至少為25 MHz，這需要2500 MIPS的計算能力，而傳統(tǒng)的單個DSP則無法實現(xiàn)。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(shù)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(wù)。

3.5 信號處理

當(dāng)使用軟件無線電實現(xiàn)多模式互連時，必須執(zhí)行通用的信號處理，因此，根據(jù)軟件無線電的要求，有必要將現(xiàn)有的各種無線電信號劃分為幾個標(biāo)準(zhǔn)級別，并開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)信號模塊。它研究了一般的信令框架。

4 軟件無線的具體應(yīng)用

4.1 無線電子技術(shù)在直升機(jī)通信和導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1.1 寬帶多頻帶天線

在當(dāng)前應(yīng)用中，用于直升機(jī)通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的天線必須是可覆蓋整個頻帶的全向?qū)拵炀€。這意味著可以根據(jù)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(yīng)用。高頻無線電通信頻帶可以在整個頻帶上實現(xiàn)低功率損耗和相似的接受特性。

4.1.2 帶寬D/A、A/D轉(zhuǎn)換器

在基于無線技術(shù)的直升機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)中，數(shù)字化使系統(tǒng)具有靈活性。即，它不僅決定了無線電收發(fā)器的結(jié)構(gòu)，而且限制了收發(fā)器的性能。該系統(tǒng)直接在射頻中實現(xiàn)D/A和A/D轉(zhuǎn)換，因此D/A和A/D轉(zhuǎn)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(yīng)用中，我們需要提高采樣處理頻率，并且fs至少應(yīng)為Wa的2.5倍。同時，對于D/A和A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備，采樣率和采樣精度必須足夠高。以下參數(shù)確定D/A和A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備的技術(shù)特性，從而增加采樣值的位數(shù)并減少量化噪聲。輸入：噪聲功率比，無雜散動態(tài)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(zhuǎn)換器是直升機(jī)通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它是系統(tǒng)軟件的直接表示。在技術(shù)支持下，D/A和A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)性能。

4.2 無線技術(shù)在雷達(dá)網(wǎng)中的應(yīng)用

4.2.1 GSM網(wǎng)絡(luò)仿真

GSM網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是軟件無線技術(shù)和雷達(dá)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合過程中最具代表性的通信系統(tǒng)，也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，對此技術(shù)的研究相對成熟。

許多地區(qū)距離很遠(yuǎn)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(tǒng)的通信站。即使電信密集，由于人口不多，對建設(shè)資金的要求也很高。在電臺的有效范圍內(nèi)可以接收信號的人數(shù)也非常有限，不是很有效。但是，將軟件無線電應(yīng)用到GSM可以解決此問題。

構(gòu)建了一個模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了基站與移動終端之間的信息對接，并實現(xiàn)了以O(shè)penBTS為中心的語言信息的數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)具有完整的系統(tǒng)和完整的功能，可以在解決GSM信號問題中發(fā)揮重要作用，現(xiàn)在是更好的通信系統(tǒng)解決方案。

4.2.2 短波跳頻網(wǎng)絡(luò)仿真

顧名思義，無線通信是通過無線電信號實現(xiàn)的，無線電信號發(fā)送器發(fā)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(fù)信號內(nèi)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(fēng)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(shù)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(zhì)量并破壞信息的準(zhǔn)確性，這時跳頻技術(shù)發(fā)揮了作用。

短波跳頻技術(shù)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(xiàn)抗干擾功能。跳頻序列具有自己的算法，利用短波跳頻網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)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(jīng)過一系列復(fù)雜的計算，并且在最終獲得該序列之后，才在跳頻網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)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(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)在抵抗無線電信號干擾方面的突出作用，其在軍事通信領(lǐng)域的應(yīng)用范圍非常廣泛。

4.3 現(xiàn)代通信技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代移動通信領(lǐng)域的更新非?？?，而5G網(wǎng)絡(luò)是迄今為止最常見的網(wǎng)絡(luò)。在4G網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)過程中，我們面臨著與4G和3G的兼容性問題。使用硬件設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換會增加成本并降低靈活性。下次升級將出現(xiàn)更多問題。可以使用軟件無線技術(shù)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(zhí)行下一次更新時，僅升級軟件即可解決兼容性問題。當(dāng)然，還應(yīng)使用技術(shù)更新來更新硬件設(shè)備，以更好地適應(yīng)軟件無線技術(shù)。