許 丹

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

1 引言

在互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展下，人們對(duì)通信質(zhì)量提出了更高的要求，軟件無線電，將信號(hào)用數(shù)字表示的信號(hào)處置方法作為中心，運(yùn)用微電子作為系統(tǒng)運(yùn)行的器件，其核心思想是在通用的通信硬件平臺(tái)上加載不同的通信軟件，用來實(shí)現(xiàn)不同的通信方式的轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)思想使得幾乎無論什么樣的通信方法都可以找到對(duì)應(yīng)的電臺(tái)。目前的軟件無線電和傳統(tǒng)的無線電臺(tái)相比較，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是突破了后者以硬件為核心、可擴(kuò)展性比較差的的設(shè)計(jì)局限和功能的相對(duì)單一性。如今硬件平臺(tái)的創(chuàng)建基本都是通過軟件無線電來實(shí)現(xiàn)的，主要包括可編程邏輯器和數(shù)字信號(hào)處理器兩種方式，其主要強(qiáng)調(diào)使用的開放性和簡單化，其應(yīng)用軟件最好能夠根據(jù)不同的使用要求進(jìn)行重新構(gòu)建，并且能夠隨時(shí)升級(jí)，使無線電的功能具有可變性且多樣化。同樣，其在雷達(dá)、醫(yī)療、信息化發(fā)展、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域也得到了積極的推廣，是當(dāng)前移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。

2 軟件無線電發(fā)展背景

理想的軟件無線電系統(tǒng)需要盡可能的減少模擬環(huán)節(jié)，而將數(shù)字化處理（包括A/D，D/A等）盡可能靠近天線端，直接在射頻進(jìn)行數(shù)字化，以便所有的信號(hào)處理過程都在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行，在最大程度上通過DSP軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 理想軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軟件無線電的實(shí)現(xiàn)主要有三種結(jié)構(gòu)：一為輻射到空間的電磁波頻率進(jìn)行低通采樣，第二種為對(duì)電磁波頻率進(jìn)行帶通采樣，第三種是對(duì)電磁波頻率進(jìn)行的中間段頻率進(jìn)行帶通采樣，通過數(shù)字化布局實(shí)現(xiàn)以軟件技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)無線通訊這一技術(shù)的運(yùn)行。

幾種結(jié)構(gòu)中最不復(fù)雜的是以數(shù)字化布局實(shí)現(xiàn)的電磁波頻率的低通采樣。它能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路的最少化，在由最初的天線前端輸入的信號(hào)到最終的A/D數(shù)字化采樣的一整條流程中，僅僅需要濾波和放大兩個(gè)步驟即可完成。但是，操作流程的簡便同時(shí)帶來的是操作技術(shù)的高要求，其中，指標(biāo)的嚴(yán)格控制就是一項(xiàng)，包括了A/D轉(zhuǎn)換器的工作帶寬、轉(zhuǎn)換速率和動(dòng)態(tài)范圍等方面；還有操作的速率的提升，主要是后端DSP處理器的工作速度。

由于受A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器及數(shù)字化芯片運(yùn)行速度不能達(dá)到較高速要求，當(dāng)前的想要以軟件手段實(shí)現(xiàn)無線通訊，只能退而求其次，選擇既能以現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，又能較符合無線電要求的計(jì)劃，即寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)從信號(hào)的中頻階段就進(jìn)行采樣的數(shù)字化，隨后所有的調(diào)制和解調(diào)都是以數(shù)字化的方式來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于以后進(jìn)行升級(jí)以及調(diào)整都會(huì)比較方便。但是，由于信號(hào)的數(shù)字化從中頻階段就開始了，從而使整個(gè)系統(tǒng)的操作模式較為固定死板。但是，時(shí)代在發(fā)展前進(jìn)，A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器在工作時(shí)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)也將持續(xù)優(yōu)化，從而將會(huì)廣泛實(shí)現(xiàn)用射頻段的相關(guān)技術(shù)來處理信息，使數(shù)字化向純數(shù)字化以及高效的軟件無線電平臺(tái)的發(fā)展邁進(jìn)更大的一步。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

軟件無線電作為現(xiàn)今通信領(lǐng)域的新技術(shù)，一直受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，這種無線電通信方式很特別，它與以模擬的方式實(shí)現(xiàn)通信、以是數(shù)字化的方法實(shí)現(xiàn)通信，只能在特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的通信、能夠在移動(dòng)中進(jìn)行的通信均有不同之處，它使它們的繼承與提升，廣泛應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、智能天線、多頻多模手機(jī)、衛(wèi)星通訊等非有線的通訊領(lǐng)域。

對(duì)天線接收到的模擬輻射電磁波頻率的信號(hào)最大限度的轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，使其成為便于DSP或者是計(jì)算機(jī)操作的數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用軟件處理實(shí)現(xiàn)各種性能是以軟件的手段實(shí)現(xiàn)無線通訊這項(xiàng)技術(shù)的基本思路。目前，國內(nèi)外以軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)通訊這一手段已被用在了以除有線通訊方式以外的多個(gè)通訊區(qū)域。這種技術(shù)是在軍事區(qū)被開發(fā)出來的，但是它的各項(xiàng)特點(diǎn)也適用于商業(yè)、日常等其他方向，因此被廣泛運(yùn)用。運(yùn)用軟件的方式進(jìn)行無線通訊，可以距離天線很近的區(qū)域?qū)⑿盘?hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，也就是最大限度的減小了AD器件與RF射頻距離，為通訊系統(tǒng)的逐代升級(jí)提供了方法。衛(wèi)星通訊的中也可以用到這項(xiàng)技術(shù)，尤其是現(xiàn)在普遍適用的小型衛(wèi)星。

4 軟件無線電信號(hào)采樣

無線電的軟件系統(tǒng)是利用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線通信的，它將數(shù)字化處理盡量靠近天線端，對(duì)天線接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)序列，而采樣是實(shí)現(xiàn)該功能的最主要手段。因此對(duì)接收機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣就成了軟件無線電的關(guān)鍵。通常所用的采樣技術(shù)有Nyquist采樣和帶通取樣。

4.1 低通取樣

Nyquist低通取樣定理[1]：如果某個(gè)模擬信號(hào) )(tx 的頻帶區(qū)間限定在 ),0(Hf 之間，其中Hf為信號(hào) )(tx 的最大頻率，等間距取樣是用大于等于模擬信號(hào)頻率2倍 ( fs≥2fH)的取樣速度對(duì) )(tx 進(jìn)行，此事能得出時(shí)域上離散型取樣信號(hào)?（公式中的Ts表示取樣的時(shí)間間隔），所以最原來信號(hào) )(tx 就能夠通過采樣后的序列信號(hào) )(nx 被還原出來。Nyquist定理的作用是讓時(shí)間區(qū)域上不間斷的模擬信號(hào)可經(jīng)時(shí)域上離散型采樣信號(hào)來被替換，從而為模擬信號(hào)的數(shù)字化處置打下基礎(chǔ)。

根據(jù)上述定理我們可知：若要使采樣后的離散信號(hào)能使原始信號(hào)被還原出來，則需在模擬信號(hào)的最大頻率Hf的每一個(gè)周期內(nèi)對(duì)原始信號(hào) )(tx 進(jìn)行兩次采樣，否則將會(huì)出現(xiàn)混疊失真現(xiàn)象，從而不能使原始信號(hào) )(tx 得到恢復(fù)。以下我們結(jié)合實(shí)際數(shù)字信號(hào)的特性，從頻域的角度來分析說明Nyquist采樣定理。

抽樣信號(hào)的頻譜若在采樣周期內(nèi)（相鄰的周期內(nèi)）沒有發(fā)生混疊，則通過低通濾波器就能夠無失真的恢復(fù)出原始信號(hào)， Ts= 1/2fH為最大的采樣間隔，相對(duì)應(yīng)的 fs=2fH就稱之為奈奎斯特速率。在理想的軟件無線電系統(tǒng)中，輸入信號(hào)的最大頻率可達(dá)到2 GHz甚至更高。根據(jù)Nyquist采樣定理可知，采樣率要大于4 GHz，然而這一要求對(duì)于目前的 DA/轉(zhuǎn)換器來說還無法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)后端的DSP對(duì)采樣得到的高速數(shù)據(jù)的處理也相對(duì)比較困難。

4.2 帶通取樣

Nyquist低通取樣理論僅討論分析了基帶信號(hào)的頻譜在區(qū)間為 ),0(Hf 上的取樣問題，要是信號(hào)的頻譜布局僅在某非無限的頻帶 ),(HLff 上，參照Nyquist取樣理論，仍舊可以根據(jù) fs≥ 2fH的采樣速率進(jìn)行采樣。但當(dāng)fH＞ B=fH-fL時(shí)，如果在信號(hào)的頻率峰值fH遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過他的信號(hào)帶寬B時(shí)仍舊依據(jù)Nyquist取樣率來取樣，將會(huì)導(dǎo)致目的難以實(shí)現(xiàn)且取樣率偏高，且較慢的處理速度也難以滿足需求。在這時(shí)，利用帶通采樣，其可以利用大幅度降低速率進(jìn)行取樣來完善這一問題，就是信號(hào)的最高頻是帶寬的整數(shù)倍。

假設(shè)某個(gè)頻率帶限信號(hào) )(tx ，改信號(hào)頻率限定在( fL,fH)內(nèi)范圍，其取樣率fs等時(shí)間間隔取樣所得出的信號(hào)取樣值?可精準(zhǔn)地還原原信號(hào) x( t)。

但是，以上描述帶通取樣理論存在適用條件，它只容許在之中的某一頻帶上存有信號(hào)，而如果在不同的頻帶上同時(shí)存在信號(hào)就會(huì)引起信號(hào)的混疊。為能解決這一問題，一般要在信號(hào)采樣之前，先將其通過一個(gè)帶通濾波器，也稱為抗混疊濾波器。

5 多速率信號(hào)整理

多速率信號(hào)整理技術(shù)[3]為完成軟件無線電信號(hào)整理數(shù)字化的關(guān)鍵，運(yùn)用帶通采樣可以大幅度降低所需射頻的采樣速率，但從對(duì)其系統(tǒng)的要求角度來講，帶通取樣的帶寬越寬越好，這樣系統(tǒng)就能更切合地適應(yīng)不同的信號(hào)，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化。

通過提高采樣速度，采樣量化的信噪比也會(huì)增加。但采樣后高速的數(shù)據(jù)流將會(huì)使后面接上的信號(hào)整理速率難以跟進(jìn)。尤其是對(duì)那些數(shù)據(jù)吞吐率高同時(shí)計(jì)算量又較大的同步解調(diào)算法，系統(tǒng)難以達(dá)到實(shí)時(shí)性的處理需求。是以，A/D整理后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速整理就尤為重要。完成此功能的理論基礎(chǔ)是把多速率信號(hào)處理技術(shù)作為依據(jù)，其本質(zhì)是對(duì)采樣后的離散信號(hào)進(jìn)行重采樣，主要包括抽取和內(nèi)插兩個(gè)部分。

5.1 整數(shù)倍抽取

整數(shù)倍抽取[4]是表示依照原始抽樣序列 )(nx ，相隔(D -1)個(gè)數(shù)據(jù)再抽取一個(gè)，可表示為?， y(n)即為抽取之后形成的新的序列。其中，D為抽取因子，一般情況下取正整數(shù)。抽取后所得原始序列 )(nx 的頻譜與新序列 )(ny 的頻譜之間關(guān)系是：后者是前者通過頻移和D倍展寬后的D個(gè)頻譜的加權(quán)和。

抽取后的頻譜會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，以至于無法從新序列y( n)中恢復(fù)出原始抽樣序列 x( n)。因此，為了避免這種混疊現(xiàn)象的發(fā)生，一般在抽取之前加一個(gè)起抗混疊作用的數(shù)字濾波器先進(jìn)行濾波，把原始抽樣信號(hào)進(jìn)行頻帶限制處理后再進(jìn)行D倍的抽取，從而可以完全恢復(fù)出原始抽樣序列。

5.2 整數(shù)倍內(nèi)插

所說的整數(shù)倍內(nèi)插[3]，表示在原始抽樣序列 )(nx false的相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)之中插入 )1(-L 個(gè)零值，可以得到內(nèi)插后的新序列為 )(ny ，L為內(nèi)插因子。原始序列譜X (ejω)通過L倍壓縮后得到新序列頻譜。在內(nèi)插后的序列譜 Y ( ejω)中不僅包含了原始頻譜的基帶分量（陰影部分），還包含了高頻鏡像分量。因此，要對(duì)原始序列進(jìn)行內(nèi)插，則需對(duì)這類信號(hào)進(jìn)行整形。所以，可以在插值后接一個(gè)低通濾波器，從而濾除掉不想要的頻譜分量。

5.3 取樣率分?jǐn)?shù)倍變換

前文所述的抽取和內(nèi)插都是整數(shù)倍的變換是取樣速率變換的一種特殊情況。而在實(shí)際的應(yīng)用中，除了整數(shù)倍抽取和內(nèi)插外，經(jīng)常還會(huì)碰到一些延遲的狀況不是整數(shù)倍的—分?jǐn)?shù)倍變換。如果想實(shí)現(xiàn)延遲的倍數(shù)是 LDR /=（即分?jǐn)?shù)倍變換的變換比），我們可通過先內(nèi)插L倍再抽取D倍來完成。需強(qiáng)調(diào)，內(nèi)插一定要在抽取前先進(jìn)行，從而保證中間序列 )(kS 的基帶頻譜寬度不小于原始序列x( n)以及輸出序列 y ( n)的基帶頻譜寬度，不然會(huì)容易產(chǎn)生信號(hào)的失真。

通過前述可知，抽取過程的抗混疊濾波器和內(nèi)插過程的抗鏡像濾波器同屬于低通濾波器，所以要消除混疊和鏡像現(xiàn)象，可以用一個(gè)組合的低通濾波器來代替[2]。

6 總結(jié)

隨著我國移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件無線電技術(shù)的適用范圍不斷增大，已普及在我國各個(gè)領(lǐng)域，特別是全面進(jìn)入5G時(shí)代以來，其為用戶提供立體化的信息環(huán)境、高速率的信息傳輸。面對(duì)大量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存的現(xiàn)狀，無線通信新技術(shù)，在移動(dòng)技術(shù)不斷發(fā)展、完善的形勢(shì)下，呈現(xiàn)出茁壯發(fā)展的勢(shì)態(tài)。作為一種新型的通信方式，由于其軟件的靈活性、易于升級(jí)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，無線通信新技術(shù)的出現(xiàn)，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度提高到一個(gè)新的層次，進(jìn)一步提升了人們的通信質(zhì)量。因此在軟件無線電通信系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議的相互兼容，有利于各種通信新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。本文針對(duì)軟件無線電通信新技術(shù)的背景和應(yīng)用，展開詳細(xì)的分析，為我國無線通信新技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。