軟件無線電是最近幾年提出的一種實現無線電通信的體系結構 ,是繼模擬到數字、固定到移動之后 ,無線通信領域的又一次重大突破。并從軟件無線電的基本概念出發 ,討論了其功能結構、關鍵技術和難點以及應用和發展前景。

1.引言

    完整的軟件無線電 (Software Definition Radio)概念和結構體系是由美國的Joe.Mitola首次于1992年5月明確提出的。其基本思想是 :將寬帶A/D 變換盡可能地靠近射頻天線 ,即盡可能早地將接收到的模擬信號數字化 ,最大程度地通過軟件來實現電臺的各種功能。通過運行不同的算法 ,軟件無線電可以實時地配置信號波形 ,使其能夠提供各種語音編碼、信道調制、載波頻率、加密算法等無線電通信業務。軟件無線電臺不僅可與現有的其它電臺進行通信 ,還能在兩種不同的電臺系統間充當“無線電網關”的作用 ,使兩者能夠互通互連。

    軟件無線電充分利用嵌入通信設備里的單片微機和專用芯片的可編程能力 ,提供一種通用的無線電臺硬件平臺 ,這樣既能保持無線電臺硬件結構的簡單化 ,又能解決由于擁有電臺類型、性能不同帶來的無線電聯系的困難。

2.軟件無線電臺的功能結構

    圖1給出了典型的軟件無線電系統的結構簡圖 ,包括天線、多頻段射頻變換器、含有A/D 和D/A變換器的芯片以及片上通用處理器和存儲器等部件 ,可以有效地實現無線電臺功能及其所需的接口功能。

   其關鍵思想以及與傳統結構的主要區別在于 :

(1)將A/D 和D/A向RF端靠近 ,由基帶到中頻對整個系統頻帶進行采樣。
(2)用高速DSP/CPU代替傳統的專用數字電路與低速DSP/CPU做A/D 后的一系列處理。A/D 和D/A移向RF端只為軟件無線電的實現提供了必不可少的條件 ,而真正關鍵的步驟是采用通用的可編程能力強的器件 (DSP和CPU等 )代替專用的數字電路 ,由此帶來的一系列好處才是軟件無線電的真正目的所在。

   典型的軟件無線電臺的工作模塊主要包括實時信道處理、環境管理以及在線和離線的軟件工具三部分。

1)實時信道處理

   實時信道處理包括天線、射頻變換、A/D 和D/A變換器、中頻處理、基帶與比特流處理及信源編碼。其中射頻變換包括輸出功率的產生、前置放大、射頻信號變換為標準中頻或由標準中頻變換為射頻信號 ,以適應寬帶A/D和D/A變換。中頻處理部分變換調制基帶和中頻之間的發射和接收信號。比特流部分數字復用由多個用戶產生的信源編

碼比特流 ,而且相反的使它們成幀或多路分解。還提供信令、控制和操作、管理和維護功能。實時信道處理部分最合適的結構是多指令多數據 (MIMD)多處理器的結構 ,即將多處理器組成一個流水線 ,來實現模塊分配給內部連接在一起的各個處理器的不同的功能序列。

2)環境管理

    在準實時環境管理模塊中持續地使用頻率、時間和空間特征來表征無線電環境 ,這些特征包括信道識別和估計其它參數。環境管理模塊使用操作的塊結構很容易用一臺MIMD并行處理器來實現。這種高度的并行環境管理模塊和流水線工作方式的實時信道處理模塊之間的接口必須使環境管理的參數和信道處理模塊同步。

3)在線和離線的軟件工具

    在線和離線系統分析、信號處理和變宿主工具允許人們確定增量業務。這些業務的增加可在實時信道處理模塊中生成和連接 ,也允許人們調整算法 ,以便實驗參數位置、確定業務的一些數值和資源影響。高度集成化的軟件工具可比較快地實施增值的軟件升級 ,當軟件定義的網絡迅速擴大后 ,可通過無線傳輸提供改進了的業務服務。

3.軟件無線電技術中的關鍵技術

1)寬帶 /多頻段天線

    軟件無線電臺覆蓋的頻段從2-2000MHz ,就目前水平而言研制出一種全頻段天線是不可能的。對于大多數系統只要覆蓋不同頻程的幾個窗口 ,而不必覆蓋全部頻段 ,故可以采用組合式多頻段天線的方案。美軍的“Speakeasy”項目就采用了分段實現的寬帶天線 ,即把2-2000MHz 的頻段分為三段 :2-30MHz ,30～500MHz ,500-2000MHz。這在技術上是可行的 ,且基本不影響戰術使用的要求。

２)寬頻段射頻前端和功率放大

    寬帶射頻前端要求器件有較寬的頻率范圍 ,主要完成低噪聲放大、濾波、混頻、自動增益控制(AGC)以及輸出功率放大等功能。寬帶低噪聲前置放大器可達到幾個倍頻程 ,這無論是在器件上還是電路設計上都沒有困難 ,幾個倍頻程的寬帶功放則需要很好地選擇器件并使用電路CAD優化技術。

3)A/D部分