软件无线电历史背景、工作原理及其在中兴基站中的具体应用

软件无线电，顾名思义，就是利用软件来实现无线通信系统中的各种功能，是继无线电台从模拟制式过渡到数字后的又一次革命性的飞跃。有人把软件无线电看作是一台带天线的超级计算机，通过对软件模块的重构和控制，可以调整和改变电台的工作频段、调制解调方式、编解码方式、业务种类、数据速率及格式、加密模式、接入控制协议等。软件模块由各种软件算法库组成，通过加载软件算法或是升级软件版本，就可以实现业务功能的扩展和采用新的通信标准。目前世界上有许多国家和一些大的通信公司都投入了大量的人力物力来对它进行研究，可以看到，软件无线电将广泛地应用到各个领域中，具有巨大的经济价值和社会价值。
 

软件无线电的发展历史和研究背景

无线通信中的基本设备是无线电台。从七、八十年代开始，随着数字处理技术的发展和成熟，传统的无线电台从系统的控制、信源信道编解码、硬件技术等多方面都实现了从模拟到数字的过渡。微电子技术的发展使得器件的集成度越来越高，各种数字电路和数字芯片广泛用于通信设备中，使无线电台的体积、重量和功耗都大大减小，在功能和性能方面都有了长足的进步。有人还提出了全数字收发信机的概念，就是将电台中的绝大部分用数字电路来替代，将模拟信号经A/D采样数字化，运用数字处理技术对信号进行处理，完成信息的接收和发射，这是无线传输设备在本质上的一次飞跃。但是，数字电台仍存在许多不足之处，其功能的实现对于硬件有很强的依赖性，特定的电台仅能在特定的通信系统中使用，不能在不同的通信系统中实现通用；另外，随着功能业务的扩展，新老电台的兼容性很困难。因此，面对无线通信系统中的多种制式，现有的无线电台无法满足未来个人通信的目标。

1992年5月，MILTR公司的Joe Mitola在美国电信系统会议上首次明确提出了“软件无线电(Software Radios)”的概念，引起了各方面特别是军方的注意。其基本思想是构造一个通用的开放性可编程硬件平台，通过加载相应的软件模块来实现相应的电台功能。在通用平台上，只需更改有关软件就可以很方便地完成对电台功能的修改及扩展，而不必重新设计构造硬件电路。这样的软件无线电台很容易实现与现有的或未来的多种电台的兼容，最大限度地满足互联互通的要求，同时电台更新时又可以节省大量的开发时间和研制费用，在军事领域具有广阔的应用前景。美国空军Rome实验室与Hazeltine公司签定了研究开发军用软件无线电Speakeasy多频段、多功能电台（MBMMR）的合同，从此正式开展了软件无线电的研究。
 

二、软件无线电的原理及结构

　
1、原理
所谓软件无线电，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的A/D和D/A转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理（DSP）芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。软件控制的全数字无线电台虽然也采用了软件控制和数字处理技术，但它并不是真正意义上的软件无线电。两者最重要的差别是软件无线电的结构和功能是完全可编程性，包括可编程的射频频段、可编程的信道接入模式、可编程的信号调制解调方式等等，而软件控制的无线电台则不能。
　
2、结构
一个标准的软件无线电台包括：宽带天线、前端接收、宽带数模转换器、通用数字信号处理器等几部分。在图1中给出了它的功能和所需的接口。移动用户单元通过模拟接口（窄带A/D和D/A），通过可选的混合源编码提供诸如话音、数据、传真和多媒体接口。准实时和实时软件通过可编程处理器完成窄带与宽带数据之间的数据分析、处理和变换，然后宽带的A/D/A完成与射频RF之间的变换。基站方面提供给公用交换电话网（PSTN）数字接口，另一方面通过各类设备提供自身的操作和维护，通过业务开发工作站，利用离线的软件分析工具，为研究开发人员提供业务的开发环境支持。宽带A/D/A转换器的放置位置以及电台功能的软件定义程度是衡量软件无线电品质的重要指标。A/D及D/A的位置越接近天线，说明电台可以用软件实现的部分越多，其软件化程度就会越高。软件无线电台最理想的目标是将数模转换器件直接放置在宽带天线之后，在射频就直接将信号转换成数字信号。这样电台其它所有的部分都可以用软件来完成，实现通信电台的全软件化。

 

三、研究内容和关键技术

天线

软件无线电台要求能够在从短波到微波相当宽的频段内进行工作，所配备的天线也必须能够覆盖整个频段。最好能研制出一种新型的全向宽带天线，可以根据实际需要用软件智能地构造其工作频段和辐射特性，能够覆盖所有常用的无线通信频段，并且在整个频段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低的功率损耗，这是软件无线电天线研制的最终目标。但是以目前国内外宽带天线的技术水平，设计制造这样的全频段全向天线是很不现实的。

多载波功率放大器（MCPA)
理想的软件无线电在发送方向上把多个载波合成一路信号，经过上变频后，用一种多载波信号功率放大器（MCPA），对宽带的模拟混合信号进行放大。因为混合信号中信号与信号的包络幅度相差很大，所以对放大器的非线形特别敏感。MCPA采用前向反馈技术抑制不需要的互调载波，得到有效的功率利用率。
　
3、高速宽带A/D、D/A变换
数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样转化成数字信号才能用软件进行处理；而生成的数字信号也需要变换成模拟信号才能进行射频放大输出，完成这些功能的就是各种A/D、D/A转换器件。
A/D转换器的主要性能包括采样速率和采样精度。理想的软件无线电台是直接在射频上进行A/D变换，要求数/模转换器件必须具有足够的采样速率。根据Nyquist采样定理，要不失真的反映信号特征，采样频率fs至少也要是模拟信号带宽Wa的两倍。为了保证性能，在实际应用中经常进行过采样处理，要求fs> 2.5Wa。
A/D/A器件在软件无线电台中所处的位置是非常关键的，它直接反映了软件电台的软件化程度。随着技术的发展，数/模器件的性能将逐步提高，其位置也就越来越接近于天线，最终将达到软件无线电的理想目标。
　
5、并行DSP处理器
数字信号处理芯片（DSP）是软件无线电所必需的最基本的器件，软件对数字信号的处理都是在DSP上进行的。中频以下主要包括三个部分：基带处理、比特流处理和信源编码。基带部分主要完成各种波形的调制解调、扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理，每路需要几十到几百个MIPS的处理能力。比特流处理主要完成信道编解码（软判决译码）、复用和分解或交换、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能。每路需要几十个MIPS的处理能力。信源编码部分要完成的功能包括话音、图像的编码算法，每信道需要十几个MIPS的处理能力。要完成如此巨大的信号处理运算，必须采用多DSP并行处理结构才有可能实现。
用于软件无线电的DSP必须满足下列要求：

运算速度快。软件电台要求在射频或中频对数字信号进行数字处理，需要很大的运算量，普通处理器不能胜任。因此DSP必须具有高速的指令执行速度，同时还要具备功能强大的指令系统，支持单周期内完成常用的浮点运算和逻辑运算的能力。

高精度的数据处理。由于数字信号处理中所固有的量化效应和有限长寄存器效应的影响，在实际处理过程中会产生误差，并随着运算的增加逐渐积累。要求数据一定要具备足够的精度并且处理器支持高精度运算，才能尽可能减小这些误差，DSP至少也要支持32位浮点运算的能力。

高速数据交换能力。软件无线电台在工作时，各个处理模块之间需要进行大量的数据交换，DSP芯片总线必须能够提供足够的数据传输和I/O吞吐能力，才能保证对信号进行实时处理。

支持几百个SHARC同时工作。

DSP技术的发展将使软件电台的软件化程度和性能逐渐提高，最终实现无线电台全软件化的目标。研制速度更高和功能更强大的DSP芯片也是影响软件无线电发展的关键。

 

四、软件无线电技术在中兴基站的具体应用

传统的基站窄带超外差接收机是一种模拟电路和数字电路的混合型系统结构，如图2所示。
 

图2 传统的接收机结构

在这种接收机结构中，它的前端全部采用模拟信号。对模拟信号的数字化采样处理仅仅是在基带部分的DSP处理前才进行。每个接收信机中都有一套相同的从射频RF变换到基带信号的设备。如果要增加一路载波，就要添加一整套重复的设备。这种传统结构的优点在于技术比较成熟，模拟的低损耗的RF器件和IF器件比较容易实现。但是，其最大的缺点是在功能实现上对硬件的依赖性很强，缺乏可编程性，所以这种接收机一般用于窄带（单信道）处理。
在GSM移动通信系统设计中，要求接收支路的动态范围很高。为了符合系统指标，有两种传统的解决方案：高低支路增益方案和快速AGC方案。为了减小电路的复杂程度，一般较多地在中频电路中采取AGC控制方案来实现接收机的动态范围控制（如图3）。但是，AGC的响应速度必须适应每个时隙的要求。

所以，目前在中频进行A/D转换模拟信号的完成数字化处理，采用的结构多由专用的通信处理芯片和通用的DSP器件构成。采用软件无线电方案示意图如图4所示。

在这种结构中，前端的一次中频变换部分与原来的接收机结构完全一样，模拟信号经过带通滤波器后，直接在中频对信号进行A/D转换。转换后的数字信号送入通信专用处理芯片可编程的下变频器（PDC）中处理完成对IF的选频和滤波。这种接收机的结构和传统的接收机相比，因为在中频就采用了数字信号，用可编程的中频处理器件，使得基站应用比较灵活，采用不同的软件模块就可以在不同的通信系统中使用。还可以更多的采用数字电路，多个载波可以共享前端电路，使基站减小体积，降低功耗，每载波信道设备的价钱也相对较低。另外，这种结构在中频对信号进行数字滤波，可以降低对滤波器的要求，降低中频处理部分的成本，可以用于多种场合。蜂窝系统中中频处理的主要功能都在PDC中完成，可以完成信号的选频滤波，输出基带信号，由后面的DSP多处理器来处理。下图给出了基于软件无线电的基站结构。

图六 宽带软件无线电基站的收发信机结构

 

五、结论

由于现代通信特别是移动通信在世界范围内的快速发展，使得软件无线电技术有着广阔的应用前景。由于发展初期的各自为政，产生了众多的制式和标准，已投入应用的就有AMPS、IS-54、GSM、DECT、CDMA等系统。这些系统有模拟的，也有数字的；有蜂窝系统，也有低功率系统。其调制方式、信道分配和数据速率等各不相同，相差很大。一个系统的手机在其它系统中不能很好地兼容，甚至完全不能使用。这对于我们的日常生活非常不便，不利于现代通信的应用和发展。
个人通信是未来通信的发展方向，到目前为止已经提出了多种空中接口标准：仅美国就采用了7种（PACS、IS-136、IS-95、IS-665、PCS1900、PCS2000和DECT）标准；ITU和欧洲也正在制定IMT-2000/UMTS的标准。这些标准推出的时间不同，应用的范围不同，很难期望在短期内用一个统一的接口标准进行“无缝”地连接起来。
由于软件无线电对硬件的依赖程度很小，具有高度的开放性和可编程特性，是实现上述智能终端的最好方法。从短期来看，软件电台可以实现各种通信系统的相互兼容，提高通信效率，方便用户；也可最大程度地提高设备的使用率，减少不必要的重复投资，从而获得高的投入产出比。从长远来说，软件无线电具有开发简便、耗资少、见效快的特点，可以将最新科研成果迅速融入到产品应用之中，创造出更多的经济效益；也可推动相关产业如计算机、微电子等行业的发展。可以说：软件无线电是现代科技发展的一个“助推器”。

作者简介
黄志军
硕士，毕业于西安电子科技大学，中兴通讯移动产品事业部系统部工程师。