軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)綜述
加入技術(shù)交流群
關(guān)鍵詞 軟件無(wú)線(xiàn)電 智能天線(xiàn) 數字信號處理器 數字變頻
一、軟件無(wú)線(xiàn)電的起源
軟件無(wú)線(xiàn)電(Software Radio)最初起源于軍事通信。 軍用電臺一般是根據某種特定用途設計的，功能單一。雖然有些電臺基本結構相似，但其信號特點(diǎn)差異很大，例如工作頻段、調制方式、波形結構、通信協(xié)議、編碼方式或加密方式不同。這些差異極大地限制了不同電臺之間的互通性，給協(xié)同作戰帶來(lái)困難。同樣，民用通信也存在互通性問(wèn)題，如現有移動(dòng)通信系統的制式、頻率各不相同，不能互通和兼容，給人們從事跨國經(jīng)商、旅游等活動(dòng)帶來(lái)極大不便。為解決無(wú)線(xiàn)通信的互通性問(wèn)題，各國軍方進(jìn)行了積極探索。1992年5月，在美國電信系統會(huì )議。IEEENational Telesystems Conference)上，MITRE公司的JoeMitola首次明確提出軟件無(wú)線(xiàn)電的概念。
二、軟件無(wú)線(xiàn)電概念及特點(diǎn)
所謂軟件無(wú)線(xiàn)電，就是說(shuō)其通路的調制波形是由軟件確定的，即軟件無(wú)線(xiàn)電是一種用軟件實(shí)現物理層連接的無(wú)線(xiàn)通信設計。軟件無(wú)線(xiàn)電的核心是將寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線(xiàn)，用軟件實(shí)現盡可能多的無(wú)線(xiàn)電功能；其中心思想是在一個(gè)標準化、模塊化的通用硬件平臺上，通過(guò)軟件編程，實(shí)現一種具有多通路、多層次和多模式無(wú)線(xiàn)通信功能的開(kāi)放式體系結構。應用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，一個(gè)移動(dòng)終端可以在不同系統和平臺間暢通無(wú)阻地使用。
軟件無(wú)線(xiàn)電的主要優(yōu)點(diǎn)是它的靈活性，可以通過(guò)增加軟件模塊，方便地增加新功能。在軟件無(wú)線(xiàn)電中，諸如信道帶寬、調制及編碼等都可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，以適應網(wǎng)絡(luò )標準和環(huán)境、網(wǎng)絡(luò )通信負荷及用戶(hù)需求的變化。軟件無(wú)線(xiàn)電具有較強的開(kāi)放性，由于采用標準化、模塊化結構，其硬件可以隨器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴展，軟件也可以隨需要不斷升級。
軟件無(wú)線(xiàn)電推動(dòng)了可編程硬件的發(fā)展，擴展了它的編程能力，提高了它的靈活性?，F在的無(wú)線(xiàn)通信設備包括手機都使用了DSP，但DSP軟件大多固化在設備中，且DSP硬件是專(zhuān)用的。如果DSP硬件更加通用化，其軟件可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)手段裝入，那么一臺設備就可以實(shí)現在不同的制式、頻段和協(xié)議下工作了。當用戶(hù)攜帶一臺軟件無(wú)線(xiàn)電裝置到另一個(gè)國家，一入境就可以使用軟件無(wú)線(xiàn)電裝置從空中接收并下載該地區的通信標準，然后就可以利用該地區通信標準運行自己的軟件無(wú)線(xiàn)電裝置了，這將給人們帶來(lái)很大的方便。
三、軟件無(wú)線(xiàn)電的基本結構
1.寬帶/多頻段天線(xiàn)與RF模塊
寬帶/多頻段天線(xiàn)與RF模塊是軟件無(wú)線(xiàn)電不可替代的硬件出入口。軟件無(wú)線(xiàn)電要求天線(xiàn)能覆蓋所有頻段，能用程序控制方法對其功能及參數進(jìn)行設置?？刹捎弥悄芑炀€(xiàn)技術(shù)。
智能天線(xiàn)也稱(chēng)自適應陣列天線(xiàn)，由天線(xiàn)陣、波束形成網(wǎng)絡(luò )、波束形成算法三部分組成。它通過(guò)滿(mǎn)足某種準則算法調節各陣元信號的加權幅度和相位，進(jìn)而調節天線(xiàn)陣列的方向圖形狀，來(lái)達到增強所需信號，抑制干擾信號的目的。智能天線(xiàn)也可以用空分復用(SDMA)的概念加以解釋?zhuān)蠢眯盘柸肷浞较蛏系牟顒e，將同頻率、同時(shí)隙的信號區分開(kāi)來(lái)，從而達到成倍擴展通信系統容量的目的。智能天線(xiàn)具有抑制噪聲、自動(dòng)跟蹤信號、采用智能化時(shí)空處理算法形成數字波束等功能。目前，智能天線(xiàn)技術(shù)日趨完善，中國電信科學(xué)研究院信威公司已推出帶智能天線(xiàn)的同步CDMA系統，美國麥得威通信公司的智能天線(xiàn)也開(kāi)始投放市場(chǎng)。
射頻部分包括預放大和功率輸出兩部分。射頻發(fā)射機和接收機，由通用平臺和多個(gè)射頻發(fā)射機模塊組成，其工作頻帶應足夠寬，并采用數字頻率合成技術(shù)設置，對每種標準應能夠多載波工作。發(fā)射機包括多只高功率放大器，要求具有高線(xiàn)性。
2.模數轉換部分
數字化是軟件無(wú)線(xiàn)電的基礎，模擬信號必須經(jīng)過(guò)采樣轉化成數字信號才能用軟件進(jìn)行處理。軟件無(wú)線(xiàn)電體系結構的一個(gè)重要特點(diǎn)是將A/D和D/A盡量靠近射頻前段。A/D和D/A器件在軟件無(wú)線(xiàn)電中的位置非常關(guān)鍵，它直接反映了軟件無(wú)線(xiàn)電系統的軟件化可操作程度。為減少模擬環(huán)節及適應錯綜復雜的電磁環(huán)境，要求A/D器件具有適中的采樣頻率、較高的工作速度、較寬的工作帶寬和較大的動(dòng)態(tài)范圍。在設計無(wú)線(xiàn)電系統時(shí)，選擇模數器件依據的性能指標有：信噪比、轉換靈敏度、無(wú)散雜動(dòng)態(tài)范圍、非線(xiàn)性誤差、互調失真、全功率模擬輸入帶寬等。
A/D器件性能的局限及采樣時(shí)引入的頻譜混迭、量化誤差等，會(huì )對軟件無(wú)線(xiàn)電臺的性能產(chǎn)生不良影響，但這種影響尚缺乏定量分析。
3.高速數字信號處理器
DSP是軟件無(wú)線(xiàn)電必需的基本器件，是其靈魂和核心所在。系統在射頻或中頻(IF)對接收信號進(jìn)行數字化處理，通過(guò)軟件編程靈活地實(shí)現寬帶數字濾波、直接數字頻率合成、數字上下變頻、調制解調、差錯編碼、信令控制、信源編碼及加解密功能。接收時(shí)，來(lái)自天線(xiàn)的信號經(jīng)過(guò)RF處理和變換，由寬帶A/D數字化，然后通過(guò)可編程DSP模塊進(jìn)行所需的各種信號處理，處理后的數據信號送至多功能用戶(hù)終端。發(fā)送時(shí)，通過(guò)類(lèi)似接收信號處理流程的逆過(guò)程將數據通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去?？梢?jiàn)，軟件無(wú)線(xiàn)電的靈活性、開(kāi)放性、兼容性等特點(diǎn)主要是通過(guò)以數字信號處理為中心的通用硬件平臺及DSP軟件實(shí)現的。
目前的DSP無(wú)論在功能上還是在性能上，都不能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)電的要求，很難用單片DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號，可以先采用數字變頻技術(shù)對寬帶射頻或中頻信號進(jìn)行處理，然后再用DSP完成各種信號處理功能。數字變頻的組成與模擬變頻組成類(lèi)似，包括數字混頻器、數字控制振蕩器和低通濾波器三部分，所不同的是數字變頻采用正交混頻。數字變頻具有載頻和數字濾波器系數可編程性、不存在非線(xiàn)性失真、頻響特性好及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
四、軟件無(wú)線(xiàn)電的未來(lái)
由于軟件無(wú)線(xiàn)電具有現有無(wú)線(xiàn)通信體制所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，因此它有著(zhù)廣泛的應用前景。目前，軟件無(wú)線(xiàn)電在國內外得到迅速發(fā)展。美國國防部已完成“Speakeasy計劃”二期工程，并在電子戰領(lǐng)域應用；歐共體的ACTSFIRST項目和美國RUTGERS大學(xué)分別進(jìn)行了軟件無(wú)線(xiàn)電應用于第三代移動(dòng)通信系統的研究；我國也將軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)納入了國家“863”高科技發(fā)展計劃，目前我國正在研究開(kāi)發(fā)的第二代同步軌道航天測控設備方案的核心就是引入軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，各種無(wú)線(xiàn)通信體系結構和設計規范不斷出現。未來(lái)的無(wú)縫多模式網(wǎng)絡(luò )要求無(wú)線(xiàn)電終端和基站具有靈活的RF頻段、信道接入模式、數據速率和應用功能。軟件無(wú)線(xiàn)電可以通過(guò)靈活的應變能力，提高業(yè)務(wù)質(zhì)量；同時(shí)可以簡(jiǎn)化硬件組成，快速適應新出現的標準和管理方式。
可以預見(jiàn)，隨著(zhù)現代計算機軟、硬件技術(shù)與微電子技術(shù)迅猛的發(fā)展，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)必將在21世紀得到更快、更完善的發(fā)展，并付諸應用。
作者：宋麗麗 任治剛
評論