邢永中李坤

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鶴壁458030）

1.引言

現(xiàn)代的無(wú)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(yán)重。移動(dòng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)范圍的非優(yōu)化，還導(dǎo)致物理層上處理器的不靈活。軟件無(wú)線電的研究，為解決上述問題提供了技術(shù)支持。

2.軟件無(wú)線電技術(shù)

2.1 軟件無(wú)線電概念

軟件無(wú)線電(Software Radio)是在一個(gè)開放的公共研究平臺(tái)上利用不同可編程的軟件方法實(shí)現(xiàn)所需要的無(wú)線電系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在無(wú)線電通信中應(yīng)用的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)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(dòng)通信的快速發(fā)展歷程。

2.2 軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基于軟件無(wú)線電的寬帶多頻段、多波束天線與智能天線

軟件無(wú)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(hào)波長(zhǎng)的關(guān)系，這種寬頻段天線按傳統(tǒng)的方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。而實(shí)用中并沒有必要全頻段覆蓋，只需要覆蓋不同頻段的幾個(gè)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(dòng)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(wú)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(dòng)意味著要在非常有限的時(shí)間來進(jìn)行預(yù)先的頻率、拓?fù)浣Y(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(wú)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(duì)射頻信號(hào)直接進(jìn)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(hào)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)所要求的分辨率是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。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(wú)線中，具備強(qiáng)大處理能力的數(shù)字處理核心是軟件無(wú)線電技術(shù)的關(guān)鍵所在。理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)要求對(duì)整個(gè)高頻波段進(jìn)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(shí)現(xiàn)。但這些數(shù)據(jù)流量大，進(jìn)行濾波、高頻等處理運(yùn)算次數(shù)多，這就要求DSP必須采用高效、實(shí)時(shí)、并行的數(shù)字處理器模塊或采用集成電路來處理。在單個(gè)DSP處理器（DSPs）無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況下，可采用多個(gè)DSP技術(shù)，即DSP單元由多個(gè)DSPs或FPGAs(現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)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(shì)互補(bǔ)。

2.2.4 高速總線

軟件無(wú)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(wú)線通信產(chǎn)品易于實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。例如，摩托羅拉公司為“易通話”計(jì)劃設(shè)計(jì)了一個(gè)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(wú)線電信息安全與網(wǎng)絡(luò)功能

以往軟件無(wú)線電技術(shù)側(cè)重于模塊化和用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。目前，信息安全成為其必須考慮的一個(gè)方面，特別是軍用軟件無(wú)線電。加密處理計(jì)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(shí)，它只提供簡(jiǎn)單的總線到總線的連接。在需要時(shí)，它可以對(duì)數(shù)據(jù)流提供實(shí)時(shí)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(jìn)行頻率更新。

3.軟件無(wú)線電技術(shù)在第三代移動(dòng)通信（3G）系統(tǒng)中的應(yīng)用

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要目標(biāo)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(wù)實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋。

國(guó)際電信（ITU）提出的第三代移動(dòng)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(wú)線通信技術(shù)）以及中國(guó)的TD-SCDMA（分時(shí)-同步分碼多工存取無(wú)線通信技術(shù)）。ITM-2000計(jì)劃將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用到由中國(guó)提出的TD-SCDMA方案中，實(shí)現(xiàn)多頻多模的可編程。該方案融合了當(dāng)今國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)——智能天線、同步CDMA和軟件無(wú)線電技術(shù)。另外兩個(gè)組織對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)開展得比較深入，一個(gè)是歐共體的ACTS FIRST項(xiàng)目，另一個(gè)是美國(guó)Rutgers大學(xué)。

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

我國(guó)的TD-SCDMA移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展則提出了利用軟件無(wú)線電技術(shù)完成設(shè)計(jì)的理念。SCDMA是一種同步的直接擴(kuò)頻CDMA技術(shù)。它結(jié)合了智能天線、軟件無(wú)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(wú)線電是TD-SCDMA技術(shù)的核心技術(shù)之一。在SCDMA中軟件無(wú)線電可實(shí)現(xiàn)如下技術(shù)功能：

(1)提供一個(gè)開放的模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

(2)智能天線的實(shí)現(xiàn)；

(3)同步檢測(cè)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(fù)、頻率校準(zhǔn)和跟蹤；

(5)每碼道功率的檢測(cè)和發(fā)射功率控制的實(shí)現(xiàn)；

(6)接收通道的電平檢測(cè)和接收增益控制；

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

(8)語(yǔ)音編譯碼；

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

(10)信道編碼、復(fù)接和分接；

(11)發(fā)射脈沖成形濾波；

(12)SWAP（交換）信令的差錯(cuò)檢測(cè)；

(13)接收信令的差錯(cuò)檢測(cè)；

(14)發(fā)射通道的數(shù)字預(yù)失真；

(15)基站收發(fā)信機(jī)的校準(zhǔn)。

基于軟件無(wú)線電技術(shù)并適應(yīng)未來個(gè)人通信的移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)有以下技術(shù)特點(diǎn)[3]：

(1)在同一硬件平臺(tái)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(wú)繩系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和固定的無(wú)線系統(tǒng)）；

(2)具有自動(dòng)漫游能力，能在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行智能切換（包括自動(dòng)檢測(cè)，參數(shù)設(shè)備和自動(dòng)進(jìn)入）；

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

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

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

(6)自動(dòng)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(hào)格式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端通信。

利用軟件無(wú)線電技術(shù)，可以在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA的智能天線結(jié)構(gòu)，獲得波達(dá)方向(DOA)估計(jì)等空間特征矢量，計(jì)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(wù)。

實(shí)際上TD-SCDMA軟件無(wú)線電的第一階段將實(shí)現(xiàn)數(shù)字無(wú)線電，如圖1所示。數(shù)字通信的基本特征是把數(shù)字信號(hào)作為載體傳送信息，它傳輸?shù)男盘?hào)是“離散”或“數(shù)字”的。數(shù)字通信系統(tǒng)是一種傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)?；蛘哒f，它是利用數(shù)字信號(hào)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(dāng)然圖3的實(shí)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(wú)線電技術(shù)在第三代通信（3G）TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常廣泛的。而且，只有軟件無(wú)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(yǔ)

在歐共體的ACTS FIRST項(xiàng)目中已將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)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(jī)。它能自動(dòng)檢測(cè)接收信號(hào)，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，而且能滿足不同接續(xù)時(shí)間的要求。軟件無(wú)線技術(shù)可用不同軟件實(shí)現(xiàn)不同無(wú)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(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建多模手機(jī)和多功能基站，具有高度的靈活性。

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