摘要：本文簡要介紹了軟件無線電技術(shù)及其發(fā)展概況,，并著重列舉了其在當(dāng)前通信領(lǐng)域，以及在未來第四代移動通信（4G）中的應(yīng)用,。

  關(guān)鍵詞：移動通信4G軟件無線電技術(shù)DSP智能天線

  一,、引言

  以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心,，以微電子技術(shù)為支持的軟件無線電（SoftwareRadio）或者稱軟件可定義的無線電（Software-DefinedRadio）提供了一條滿足未來個人通信需要的思路,。

  軟件無線電突破了傳統(tǒng)的無線電臺以功能單一、可擴(kuò)展性差的硬件為核心的設(shè)計(jì)局限性,，強(qiáng)調(diào)以開放性的簡硬件為通用平臺,，盡可能地用可升級、可重配置不同的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計(jì)新思路,。其中心思想是：構(gòu)造一個具有開放性,、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺,，將各種功能,，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型,、數(shù)據(jù)格式,、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成,，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線,，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng),。

  二,、軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)

  一個理想的軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。軟件無線電主要由天線,、射頻前端,、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器以及各種軟件組成,。軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段,，要求每個頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務(wù)的需求,。射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻,、濾波、功率放大等任務(wù),，接受時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波,、放大、下變頻等功能,。而模擬信號進(jìn)行數(shù)字化后的處理任務(wù)全由DSP軟件承擔(dān),。為了減輕通用DSP的處理壓力，通常把A/D轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)字信號,，經(jīng)過專用數(shù)字信號處理器件處理,，降低數(shù)據(jù)流速率，并且把信號變至基帶后,，再把數(shù)據(jù)送給通用DSP進(jìn)行處理,。
                           
                                      圖1軟件無線電框圖

  軟件無線電實(shí)現(xiàn)的體系結(jié)構(gòu)可分為三種:射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu),。射頻低通采樣數(shù)字化的軟件無線電,，其結(jié)構(gòu)簡潔，把模擬電路的數(shù)量減少到低程度,。射頻帶通采樣數(shù)字化的軟件無線電與低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)的主要不同點(diǎn)是,A/D前采用了帶寬相對較窄的電調(diào)濾波器,，然后根據(jù)所需的處理帶寬進(jìn)行帶通采樣。后,，寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化的軟件無線電結(jié)構(gòu)與目前的中頻數(shù)字化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)類似,，都采用了多次混頻體制或叫超外差體制，其主要特點(diǎn)是中頻帶寬更寬,，所有調(diào)制解調(diào)等功能全部由軟件加以實(shí)現(xiàn),。

  在軟件無線電中的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

  （1）寬帶/分頻段天線：軟件無線電臺要求能夠從短波到微波相當(dāng)寬的頻段內(nèi)進(jìn)行工作，好能研究一種新型的全向?qū)拵炀€,，可以根據(jù)實(shí)際需要用軟件智能地構(gòu)造其工作頻段和輻射特性,。目前的可行性方案是采取組合式多頻段天線,。

  （2）多載波功率放大器（MCPA）：理想的軟件無線電在發(fā)射方向上把多個載波合成一路信號，通過上變頻后,，用一種MCPA對寬帶的模擬混合信號進(jìn)行低噪音放大,。因?yàn)榛旌闲盘栔行盘柵c信號的包絡(luò)幅度相差很大，所以對放大器的非線性特別敏感,，MCPA采用前向反饋技術(shù)抑制不需要的互調(diào)載波,，得到有效的功率利用。需要很好地選擇器件并使用電路CAD優(yōu)化技術(shù),。

  （3）高速寬帶A/D,，D/A變換：A/D的主要性能是采樣速率和采樣精度，理想的軟件無線電臺是直接在射頻上進(jìn)行A/D變換,，要求必須具有足夠的采樣速率,。根據(jù)Nyquist采樣定理，要不失真的反映信號特性,，采樣頻率fs至少要是模擬信號帶寬Wa的兩倍,。為保證性能，在實(shí)際應(yīng)用中常進(jìn)行過采樣處理,，要求fs>2.5Wa,。根據(jù)目前研究結(jié)果，其中一種解決方案是,，可用多個高速采樣保持電路和ADC,，然后通過并串轉(zhuǎn)換將量化速度降低，以提高采樣分辨率,。

  （4）高速并行DSP：數(shù)字信號處理（DSP）芯片是軟件無線電所必須的基本的器件,。軟件對數(shù)字信號的處理是在芯片上進(jìn)行的。中頻以下主要包括三部分：基帶處理,、比特流處理和信源編碼,。基帶處理主要是完成各種波形的調(diào)制解調(diào),，擴(kuò)頻解擴(kuò)以及信道的自適應(yīng)均衡和各種同步的數(shù)字處理,，每路需要幾十到幾百個MIPS的處理能力。比特流處理主要完成信道編解碼（軟判決譯碼）,、復(fù)用或分解或交換,、信令、控制,、操作和管理以及加密解密等功能,，每路需要幾十個MIPS的處理能力。信源編碼要完成話音、圖像等的編碼算法,、每信道需要十幾個MIPS的處理能力,。要完成如此巨大的信號處理運(yùn)算，必須采用高速多個DSP并行處理結(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn),。

  （5）軟件無線電的算法：軟件的構(gòu)造,，自然是把對設(shè)備各種功能的物理描述建立起數(shù)學(xué)模型（建模）,，再用計(jì)算機(jī)語言描述的算法,，后轉(zhuǎn)換成用計(jì)算機(jī)語言編制的程序。軟件無線電中的算法特點(diǎn)：

  ⊙對信號處理的實(shí)時(shí)性,。對算法的要求在時(shí)空上很高,；

  ⊙軟件無線電算法應(yīng)具高度自由化（便于升級），開放性（模塊化,，標(biāo)準(zhǔn)化）,；

  ⊙目前主要算法為數(shù)值法，但并不排斥其他算法,，或者多種算法的結(jié)合,。

  以上技術(shù)都有待深入研究，實(shí)踐和優(yōu)化,。

  三,、軟件無線電發(fā)展?fàn)顩r

  當(dāng)前，蜂窩移動通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第三代,，3G系統(tǒng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行一方面需要解決不同標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)間的兼容性,；另一方面為了適應(yīng)技術(shù)的飛速發(fā)展，3G無線通信系統(tǒng)要求具有高度的靈活性和擴(kuò)展升級能力,。軟件無線電技術(shù)無疑是好的解決方案,。作為3G移動通信標(biāo)準(zhǔn)中的兩個主要標(biāo)準(zhǔn)，W-CDMA和CDMA2000都采用碼分多址接入方式,，且具有信道帶寬寬,，數(shù)據(jù)速率多樣且支持高速率，不同業(yè)務(wù)采用信道編碼不同等共性,，同時(shí),，這兩種標(biāo)準(zhǔn)之間在碼片速率、信道帶寬和信道選擇碼等方面也存在差異,。為了解決這些方面的問題及為了提高系統(tǒng)容量,，在3G中將采用的智能天線技術(shù)（SmartAntenna）、多用戶檢測技術(shù)（MUD）等,，使得軟件無線電技術(shù)在3G系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用空間,。

  首先，智能天線技術(shù)在我國的TD-SCDMA的方案中,，利用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向,，形成天線主波束,；引入空分多址（SDMA）方式，根據(jù)用戶信號不同的空間傳播方向,，提供不同的空間信道,；采用數(shù)字方法對陣元接收信號進(jìn)行加權(quán)處理，形成多個波束賦形,，每一個波瓣對應(yīng)于一個特別的手機(jī)用戶,，波束也可以動態(tài)追蹤用戶，使主波束對準(zhǔn)用戶信號方向,，在干擾信號方向上,，形成天線方向圖零陷或功率增益較低，從而達(dá)到抑制干擾的目的,。

  其次,，在歐共體的ACTSFIRST項(xiàng)目中，軟件無線電技術(shù)也用到了設(shè)計(jì)多頻/多?？删幊淌謾C(jī)中,。它可自動檢測接收信號，接入不同的網(wǎng)絡(luò),，而且能滿足不同的接續(xù)時(shí)間要求,。軟件無線電技術(shù)可用不同軟件實(shí)現(xiàn)不同無線電設(shè)備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調(diào)制方式,，利用不同軟件即可適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn),，構(gòu)成多模手機(jī)和多功能基站，具有高度的靈活性,。

  除此之外,，軟件無線電出現(xiàn)了一些新的發(fā)展趨勢：主要表現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)分層化、軟件模塊化,、結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)分析化,、面向?qū)ο蠡⒂?jì)算機(jī)化,、網(wǎng)絡(luò)化和安全化,。

  四、4G中的軟件無線電技術(shù)

  隨著3G技術(shù)不斷地成熟并終進(jìn)入市場進(jìn)行運(yùn)營,，國際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)開始研究制訂第四代移動通信標(biāo)準(zhǔn),，并已達(dá)成共識：把移動通信系統(tǒng)同其他系統(tǒng)（例如無限局域網(wǎng)、WLAN等）結(jié)合起來,，產(chǎn)生4G技術(shù),，2010年之前使數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率達(dá)到100Mb/s，以提供更有效的多種業(yè)務(wù)，終實(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò),、局域網(wǎng),、藍(lán)牙、廣播,、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互兼容,。

  4G的關(guān)鍵技術(shù)主要有：OFDM（正交頻分復(fù)用）、軟件無線電,、智能天線和IPv6技術(shù),。

  在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)之中,，軟件無線電技術(shù)是通向未來4G的橋梁,。由于各種技術(shù)的交迭有利于減少開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，所以未來的4G技術(shù)需要適應(yīng)不同種類的產(chǎn)品的要求,。而軟件無線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)。它不僅能減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn),，還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)品,。此外，它還減少了硅芯片的容量,，從而削減了運(yùn)算器件的價(jià)格,，其開放的結(jié)構(gòu)也會允許多方運(yùn)營的介入；同時(shí),，由于DSP的使用,，也彌補(bǔ)了廉價(jià)RF（RadioFrequency）所造成的不足。在實(shí)際應(yīng)用中,，RF部分是昂貴而缺乏靈活性的,，寬帶的RF是非線性的，而通過使用SDR技術(shù)可彌補(bǔ)其在靈活性上的不足,。

  在網(wǎng)絡(luò)支持方面,，由于4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議,。而大量鏈路類型（如data,，voip）的不同鏈接可通過SDR進(jìn)行互聯(lián)。同時(shí),，動態(tài)頻譜的分配也有利于在已占用帶寬上實(shí)現(xiàn)新的服務(wù),。

  智能天線技術(shù)也是4G中的關(guān)鍵，它與SDR技術(shù)同樣緊密相連,。它是在軟件無線電基礎(chǔ)上提出的天線設(shè)計(jì)新概念,，是數(shù)字多波束形成（DBF）技術(shù)與軟件無線電完美結(jié)合的產(chǎn)物。一方面，軟件無線電為智能天線的實(shí)現(xiàn)提供了一條有效可行的技術(shù)途徑,，另一方面智能天線也為軟件無線電的發(fā)展起到了推動作用,。它們兩者相互滲透、相互促進(jìn),?；谲浖o線電的智能天線主要包括：單信道智能天線，即通過天線陣感應(yīng)的射頻信號,，首先經(jīng)過前端模擬預(yù)處理變換為適合于A/D采樣的寬帶中頻信號,，該寬帶中頻信號經(jīng)A/D數(shù)字化后送到數(shù)字下變頻器（DDC），對寬帶數(shù)字中頻內(nèi)某一感興趣的信號進(jìn)行數(shù)字正交下變頻和采樣率變換,，變換為與信號帶寬相適應(yīng)的低采樣率的基帶正交（I/Q）數(shù)字信號,，這N路I/Q基帶數(shù)據(jù)被同時(shí)送到M個數(shù)字波束形成器（DBF），分別進(jìn)行不同指向的波束形成運(yùn)算,，終獲得所需的M個波束,。信息解調(diào)模塊（DEMOD）要么對所形成的這M個波束同時(shí)進(jìn)行解調(diào)，要么選取其中信噪比大的波束進(jìn)行解調(diào),，前者可以實(shí)現(xiàn)同頻空分復(fù)用,，后者則可以實(shí)現(xiàn)定向接受，改善輸出信噪比,。其次為多信道智能天線,，它與單信道智能天線相比只是在A/D后設(shè)置多個單信道多波束形成器SCMBF。此外還包括多相濾波信道化智能天線,，它的大特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)頻域空域上的全波束形成,。

  五、結(jié)束語

  由于多種移動通信標(biāo)準(zhǔn)的加入,，使得現(xiàn)存的移動通信標(biāo)準(zhǔn)族變得十分繁雜,。從近期發(fā)展上看，軟件無線電技術(shù)可以解決不同標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,，為實(shí)現(xiàn)全球漫游提供方便,；從長遠(yuǎn)發(fā)展上看，軟件無線電發(fā)展的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具有可以根據(jù)無線電環(huán)境變化而自適應(yīng)地配置收/發(fā)信機(jī)的數(shù)據(jù)速率,，調(diào)制,、解調(diào)方式，信道編,、譯碼方式,，甚至調(diào)整信道頻率、帶寬以及無線接入方式的智能化無線通信系統(tǒng),，從而更加充分地利用頻譜資源,，在滿足用戶QoS要求的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)容量大,。相信隨著SDR技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，其在4G中的作用會越來越突出,，這必將加快4G系統(tǒng)的完善,。

  關(guān)于坤馳科技：

  坤馳科技是專注于高速數(shù)據(jù)采集與信號處理、高速數(shù)據(jù)存儲與記錄的高科技公司,。坤馳科技為用戶提供成熟的標(biāo)準(zhǔn)高速數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品與技術(shù),，也可為用戶提供定制化的高速信號采集解決方案。目前坤馳科技服務(wù)過的研究所,、科研單位已達(dá)近百家,。高速數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品線涵蓋PCIExpress、cPCI,、PXIe,、VPX、USB等總線,，包含高速AD,、DA平臺、FPGA,、DSP處理平臺,，SATA/SSD、Flash存儲平臺等,。

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