软件无线电的起源、体系结构及应用

随着数字技术和微电子技术的迅速发展，数字信号处理器（DSP）等通用可编程器件的运算能力成倍提高，而价格却显著下降，现代无线电系统越来越多的功能可以由软件实现，因此产生了软件无线电。软件无线电的核心思想是将宽带模／数（A／D）及数／模（D／A）变换器尽可能靠近射频天线，并尽可能用软件实现无线电功能。

1.软件无线电的起源

软件无线电起源于美国国防部的易通话（speakeasy）战术通信系统计划。1990年8月，美国国防部与Hazeltine公司签订了430万美元的合同，开始易通话无线电系统第一阶段的研制工作。其主要目标是研制三军通用的多频段多功能无线电台（MBMMR），工作频段2～2000MHz，能兼容现有15种主要军用电台，同时与其中4种电台通信。这项计划已于1997年完成，并装备部队，最终将取代军队所有的传统电台。

2.软件无线电的体系结构

传统的标准通信模式是源编码、信道编码、信道（加上噪声、干扰、失真）传输、信道解码和源解码。标准软件无线电采用基于标准虚拟机环境（VME）的硬件结构，将射频（RF）、中频（IF）、基带和比特流部分组装在一个VME系统中，完成无线系统的基本功能，用工作站将用户接口、研究工具、开发工具和本地信源编码／解码等集成在一起，提供对系统的软件支持。天线、VME分系统和工作站构成一个完整的软件无线电体系结构。
 

软件无线电的天线跨多个频段，形式统一，损耗低。射频部分完成输出功率的产生及前置放大，将射频信号转换成标准中频信号，或将标准中频信号转换成射频信号，该标准中频信号适合A／D和D／A转换。中频部分完成中频信号与已调基带信号之间的变换（接收和发射），它的主要功能是频率变换和滤波。基带信号处理部分把数据流变换成适合信道传输的基带信号和解调基带信号（含定时恢复），包括针对非线性信道的预失真、栅格编码和软判决参数估计等。比特流部分采用数字方式复接和分接多个用户的比特流，这些比特流经过信源编码，包括前向纠错码FEC（如比特交织、分组或卷积编码、ARQ等）帧定时、比特填充、无线链路加密等，它还具备信令、控制、运营、管理和维护等功能。
 

软件无线电硬件采用模块化结构宽带A／D和D／A及高速DSP，建立VME公共硬件平台，支持并行、流水线及异种多处理机。软件采用基于OSI参考模型的分层软件体系，支持开放式的模块化设计。灵活应用软件无线电的基本硬软件模块，可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力（包括频率、功率、速率及多径分集等），多种抗干扰能力（包括自适应天线调零、自适应干扰抵消、扩频及跳频等），灵活可变的多址方式（包括FDMA、TDMA、CDMA、SDMA及其混合等），用户需要的多种业务（包括话音、传真、数据及图象等）及多种组网与接口能力等。

3.应用

3.1蜂窝移动通信系统

在蜂窝移动通信系统中，基站和移动终端采用软件无线电结构，硬件简单，功能由软件定义。射频频段、信道访问模式及信道调制都可编程。在此系统中，软件无线电的发射与其它系统不同，它先划分可用的传输信道，探测传播路径，进行适合信道的调制，电子控制发射波束指向正确的方向，选择合适的功率，然后再发射。接收也同样如此，它能划分当前信道和相邻信道的能量分布，识别输入传输信号的模式，自适应抵消干扰，估计所需信号多径的动态特征，对多径的所需信号进行相干合并和自适应均衡，对信道调制进行栅格泽码，然后通过FEC译码纠正剩余错误，尽可能降低误比特率。此外，软件无线电能通过许多软件工具增加增值业务。这些软件工具能帮助分析无线电环境，定义所需的增加内容，在无线环境下，测试由软件开发增值业务的样板，最后通过软件和（或）硬件开放该增值业务。
 

1998年7月，我国向ITU提交的第三代移动通信提案TD－SCDMA中就采用了软件无线电技术。SCDMA的基站和终端设备采用高速DSP和高速A／D变换器，处理速度高于5000万次／秒。在SCDMA系统中，软件无线电技术实现的功能包括采用IS－95或G.729标准，实现编码速率8kb／S，质量接近于64kb／S PCM编码；直接序列码分多址（DS－CDMA）的调制和解调；同步检测和控制；天线波束的赋形（智能无线技术）；自动控制频率、发射功率、接收增益和时延；用户定位（确定用户基站的方位和距离）；处理空中接口Um物理层；基带预失真，以降低对收发信机线性的要求。软件无线电通过硬件平台安装不同的软件，完成不同的功能，因此可在不改变硬件设备的条件下，通过软件升级来实现系统功能。

3.2智能天线

智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素，一直未能普及到其它通信领域。近年来，数字信号处理技术迅速发展，数字信号处理芯片的处理能力不断提高，芯片价格已可接受。同时，利用数字技术可在基带形成天线波束，取代了模拟电路，提高了天线系统的可靠性和灵活程度。在我国的TD-CDMA方案中，基站采用智能天线技术，利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，形成天线主波束；引入空分多址（SDMA）方式，根据用户信号不同的空间传播方向，提供不同的空间信道；采用数字方法对阵元接收信号加权处理，形成无线波束，使主波束对准用户信号方向，在干扰信号方向，形成天线方向图零陷或较低的功率增益，达到抑制干扰目的。

SCDMA无线用户环路的智能天线及基带处理器。

使用智能无线的优势在于：（1）无线波束赋形的结果等效于提高天线的增益；（2）天线波束赋形后，可大大减少多径干扰；（3）信号到达方向（DOA）提供了用户终端的方位信息，用于实现用户定位；（4）用多个小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了设备可靠性。

3.3多频多模手机

在欧共体的ACTS FIRST项目中，将软件无线电技术应用于设计多频/多模（可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及现有的大多数模拟体制）可编程手机。它可自动检测接收信号，接入不同的网络，而且能满足不同接续时间的要求。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能，可任意改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件即可适应不同标准，构成多模手机和多功能基站，具有高度的灵活性。它的出现，使无线通信的发展经历了由固定到移动，由模拟到数字，由硬件到软件的三次变革。软件无线电技术正越来越广泛应用于移动通信领域，在第二代移动通信系统向第三代移动通信系统过渡过程中，软件无线电技术将发挥重要作用。