软件无线电及其短波应用示例

 

随着无线通信数字化和计算机应用进入无线电领域，一种新的无线通信体系结构——软件无线电，正受到国内外广泛重视，这是继模拟通信到数字通信、固定通信到移动通信的又一次重大变革。

 

软件无线电ＳＷＲ　集无线电台和计算机于一体：采用标准的开放式总线结构，进行模块化设计；具有可编程功能、重组能力，实现多信道、多模式工作；使用宽带智能天线，具有多频段射频变换能力：能在不同无线信道之间、各种网络之间用作无线网关，并可灵活地扩展网络功能；适应不同无线电环境，具有传输安全和信息保密性。

 

ＳＷＲ集中体现了无线通信宽带化、数字化、综合化、网络化、智能化的发展方向。ＳＷＲ研究开发始于军事通信，美国防部为解决多种军用电台互通，１９９２年开发易通话ＳＰＥＡＫｅａｓｙ　多频段、多功能电台，１９９９年完成四部样机，其功能可替代１５种电台。军用无线电台主要特点是多频段、多信道、多模式、多调制方式、多编码方式、多业务和多协议，ＳＷＲ通过软件编程，可灵活地更改功能和提升性能。１９９５年北美、欧洲将ＳＷＲ技术用于通用移动通信系统ＵＭＴＳ　，提供高度灵活和自适应的传输方案，支持高达２Ｍｂｐｓ各项业务，在ＧＳＭ基站和各类手机进行开发应用。由我国提出的３ＧＰＰ规范的ＴＤ—ＳＣＤＭＡ ３Ｇ时分双工移动通信方案也基于ＳＷＲ技术。

 

ＳＷＲ频率覆盖２１．５ＭＨｚ一２ＧＨｚ，此前大量的研究开发集中在３０—４００ＭＨｚ频段，短波频段因其频率覆盖系数大１５－２０　，造成射频处理特别是宽带天线技术难度大；信道存在频率选择性和时间选择性衰落、多径时延、频率拥挤、干扰大；传输频带窄、数据传输速率严格受限，因而短波频段成为实现ＳＷＲ的瓶颈。本文在分析ＳＷＲ含自适应智能天线　基本技术基础上，探讨短波ＳＷＲ相关技术。

 

２ 软件无线电技术
２．１ ＳＷＲ概念

 

以硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现。ＳＷＲ工作原理与个人电脑十分相似，可使多个收发信机同时在一个硬件平台上运行，该平台相当子数字信号处理器ＤＳＰ　利用指令，实现指定信号的带通滤波、自动增益控制ＡＧＣ　、频率变换和调制解调，每种波形有自己的程序，贮存在机内存储器中，需要时输入信号处理器。

 

中频甚至射频数字化是实现ＳＷＲ的先决条件，数字无线电采用专门的数字电路，实现单一的通信功能，而ＳＷＲ以可编程能力强的ＤＳＰ器件代替专用数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立，基于一种相对通用硬件平台，通过软件实现不同通信功能。 目前ＳＷＲ设计有两类：一是软件定义无线电ＳＤＲ　，能控制和配置信号处理单元：一是ＳＷＲ，由软件本身完成信号处理。

 

２．２ ＳＲＷ结构

 

按处理功能区分，ＳＷＲ结构包括信道处理、环境管理和软件工具（库）三大部分。ＳＷＲ硬件结构的基础是采用尽可能靠近天线端的宽带模数或数模变换器ＡＤＣＤＡＣ　、微处理器和ＤＳＰ。

 

信道处理包括从天线到用户终端所有处理，又可分成信道编解码和信源编解码两部分，各部分处理功能如下： １　天线信号处理功能：射频信号方向选择、多径补偿、干扰抑制。

 

２　射频变换：中频射频信号变换成射频中频信号，产生功率输出。

 

３　中频处理：变换调制基带和中频之间发送接收信号，宽带ＡＤＤＡ变换。

 

４　基带处理：对数据信号进行调制解调。包括各种数字调制的算法如８ｐｓｋ、ＧＭＳＫ　和模拟基带调制如ＦＭ、ＳＳＢ　，传输安全处理等。

 

５　比特流处理：通过多路复用器ＭＵＸ　把多个用户的数据流合路分路，完成交错、分组、卷积等编码处理、信息加密处理：装入各种纠错码的编译码软件和各种密码算法软件。 ６　信源处理：完成窄带话音ＡＤ或ＤＡ转换，通过编码算法软件对话音信号进行编译码处理。

 

环境管理使用频率、时间和空间连续表征无线电环境，充分利用数字化和射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特性，根据无线电环境的变化而自适应地配置收发信机的数据速率、调制方式、信道编码方式，调节信道频率、带宽以及无线接入方式。

 

２．３ 软件分层通用模型

 

一般ＰＣ机软件有四层，应用程序、应用程序接口ＡＰｌ　、操作系统ＯＳ　和总线用驱动器、外围设备及其他硬件。ＳＷＲ的应用程序是实现无线电通信功能的各种软件模块，如波形调制解调、信道编解码、保密算法、网络协议、机内测试等软件。应用程序接口形成一个公用装置，在应用程序和操作系统之间提供抽象电平，保证应用码的可移植性，将参数表变换格式，并在各层之间调用或按参数变量调用转译程序。操作系统管理、执行应用软件功能所需的处理过程、文件、资源和存储器，建立内部处理器间通信、任务仲裁、应用程序调用、完成启动、停机和其他“内务”工作——软件驱动程序器控制总线、硬件部件外围设备、视频显示器等。

 

２．４ 软件功能模块的划分

 

ＳＷＲ软件模块间的接口供数据流和控制流使用，其数据为通过软件电台的端到端用户信息，控制是软件电台应用的系统指令、参数和状态，供建立、管理、监控通信使用。该概念模型不表示物理硬件实现，目的是把同类功能划分为一个软件模块可分为若干子模块　，各模块作用如下：

 

１　ＲＦ模块：ＲＦ软件控制内部ＲＦ硬件，完成已调数字波形与可传播的ＲＦ波形的相互变换、增益控制、调谐控制、功率设置等功能。

 

２　调制解调模块：通过ＤＳＰ、现场可编程门阵列ＦＰＧＡ　实现信号处理功能；波形控制完成应用波形的建立和拆除，波形处理完成应用波形操作，包括ＡＤＣ、调制解调、纠错、载波跟踪、交织、特定波形所需的数据成帧。 ３　信息保密模块：包括传输保密保护波形扩展码　和通信保密 发送的信息　，同一硬件处理器实现许多不同加密算法的软件可编程密码，其功能分为执行密码算法，管理算法和密钥。

 

４　网络化模块：传输成形数据的路由选择交换，不同协议或波形之间桥接转换信息　，专用波形作网络化的消息链路处理，移动用户信息的移动性管理。

 

５　系统控制模块：用于发送接收的指令、状态和参数的控制信息，提供三类功能： ●资源管理：实现波形的初始化和配置，适用或处理加载应用软件，资源分配、保护、仲裁，用户授权和访问保护。

 

●处理过程管理：模块间处理过程中的通信，系统任务的同步，状态监控，机内测试。

 

●数据库管理：新软件下载和存储，文件存储、寻址、命名，访问控制和授权。此外，系统控制能实现具有自适应特性的智能无线电功能，包括信道可用性和利用评估、传输延时最小化、数据速率最大化、发射功率最小化等。

 

（６）人机接口模块：控制接口从用户收集指令和参数，把状态信息告知用户，数据Ｉ０包括键盘输入、字符图形输出。

 

 

３．１ 工作原理

 

自适应智能天线技术是一种软件技术，是软件无线电技术的基础，使用自适应阵列信号处理软件，对所有用户无线信号进行高速时空处理，实时调整无线信号的传输。智能天线是一个天线阵列，一般使用４～１６个天线阵元结构，阵元间距１２波长，每个阵元有Ｍ个加权器，可以形成Ｍ个不同方向的波束，同一组天线阵元可以形成不同的天线辐射图，一种天线尺寸，可以建立一个基本的阵元结构。可变增益放大器ＶＧＡ　通过调整增益的指令字驱动，可编程移相器进行相位调整，用ＤＳＰ实现ＶＧＡ和移相器，在振幅和相位上控制天线阵元激励以改变天线辐射图。

 

３．２ 关键技术

 

自适应智能天线的核心在基带的数字处理部分，由数个软件功能模块组成。天线辐射图没有固定的形状，随着信号和干扰而变化，采用ＤＳＰ技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束。由于自适应天线能形成不同的天线辐射图，并可用软件设计完成自适应算法更新、自适应地调整辐射图，可在不改变系统硬件配置的前提下，增加系统灵活性，因此称为软件天线。自适应智能天线的关键是自适应算法；非盲算法借助参考信号导频序列／导频信道　的算法，算法处理时先确定信道响应，再按逼零准则确定加权值，或直接按一定准则逐渐调整权值。盲算法无需发送已知导频信号，收端自己估计发送的信号，并以此为参考信号进行上述处理。一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，并调整权值，以使输出满足这种特性，将两者结合称为半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整。此外通过时域获得天线最优加权算法有：最小均方算法（ＬＭＳ）、取样协方差矩阵的直接求逆ＤＭｌ　、递归最小均方误差ＲＬＳ　算法、恒模（ＣＭ）算法；通过空域对频谱进行分析，以获得信号到达方位角ＤＯＡ　估计的算法有：多信号分类法算法、旋转不变技术信号参数估计法算法等。

 

３．３ 系统处理流程

 

自适应天线阵列系统持续监控其覆盖范围，针对不断变化的无线环境，系统提供有效的天线发送和接收模式跟踪用户信号，系统处理流程如下：

 

１　对来自所有天线中的信号进行取样，然后转换成数字形式，并存储下来。

 

２　处理器立即分析样本，对无线环境进行评估，确认用户干扰源及其所在位置。

 

３　处理器对天线信号的组合方式进行计算，最佳地恢复用户信号，以提高用户信号接收质量，屏蔽非用户信号和干扰。

 

４　系统进行模拟计算，使天线阵列有选择地向空间发射信号。 通过上述处理，系统便能在每条空间信道上发射和接收信号。

 

４ ＳＷＲ在短波通信中的应用

 

４．１ 短波通信技术体制

 

新一代短波通信立足于无线数据分组交换网络，在传统单边带ＳＳＢ　传输体制基础上，吸取美军标一１４ｌＢ核心技术，融合直接序列扩频ＤＳ　、低速语音压缩编码、变速跳频等先进技术，形成一种建链速度快、通信功能多、数据容量大、适应能力强的新技术体制。

 

自动链路建立ＡＬＥ　和数据传输使用同类波形，协议、信令和用户数据以不同协议数据单元ＰＤＵ　形式进行传输交换，数据波形加有探测报头、ＴＬＣＡＧＣ保护序列，经前向纠错ＦＥＣ　、交织、正交符号形成、伪随机噪声ＰＮ　扩展、ＣＲＣ计算一系列编码码型变换处理，然后以８ＰＳＫ调制到１８００ＨＺ副载波上，以便在ＳＳＢ信道上传输，收端将音频信号解调变换成数字信号，由数字信号处理平台进行处理。低速数据报以极低数据速率如７ｂｐｓ　，经ＤＳ扩频，使其扩展频谱限制在ＳＳＢ传输带宽内，以保障恶劣电磁环境下可靠通信。呼叫信道和数传信道分离，保证快速连接和高效传输。

 

４．２ 数字信号处理平台功能

 

１　自动通信控制功能：使用ＰＤＵ和服务原语交换信息，ＡＬＥ、自动链路选择和自动链路保持：根据用户选择的业务与信道干扰情况，自动选择最佳抗干扰方式：收方业务类型和网络参数自动跟踪发方，具有组网能力，自动选择路由。

 

２　中频数字化处理：宽带ＡＤＣＤＡＣ、可编程数字变频ＰＤＣ　、ＤＳＰ完成中频以下信号信息处理。

 

３　数字业务：数字话话音压缩编码　、数据流、数据报。

 

４　数字保护和数字保密：链路保护、对传输链路加密保护；对所传输的用户信息进行加密。

 

５　抗于扰功能：综合运用纠错编码、跳频、ＤＳ扩频、猝发、频率捷变、速率自适应、功率自适应多种抗干扰手段。

 

６　兼容老电台模拟定频跳频和自适应选频通信。

 

７　组网功能：以分布式自组织方式组网，具有自动中继功能的数据通信网，通过接口和无线信令实现与相关网系用户话音和数据通信。

 

８　外部控制与信息注入功能：通过数据口和数字处理平台进行遥控和数据交换，实现电台功能控制、网络参数注入、内部功能软件编程。

 

９　系统控制：处理来自各种接口的数据，完成多种算法：前向反向功率检测、电压、温度检测、加权计算，提供ＡＬＣ；接收信号强度检测、ＡＤ分析处理，提供ＡＧＣ；开机自动检测、人工随机检测、故障自动诊断、快速维修。

 

１０　扩展功能：新业务扩展、快速跳频、网络控制与管理、与ＶＨＦ、ＵＨＦ、微波频段通信功能的融合。

 

实现以上功能需要相应的硬件功能模块，功能复杂的可以派生多个子模块，以构成数字处理共用平台。

 

４．３ 软件模块划分

 

软件模块可划分为：自动通信控制软件包括链路建立管理、电路连接管理、业务管理ＴＭ　、高速数据链路协议ＨＤＬ　、低速数据链路协议ＬＤＬ　　、ＲＦ控制模块、中频数字化软件、话音编码软件、调制解调软件、数字跳频控制软件、直接序列扩频软件、系统控制软件、信息加密算法软件、入机界面软件等。

 

５ 结束语

 

ＳＷＲ对大量多变的信息格式与传输技术进行综合和协调操作，彻底改变了无线通信设备的面貌：一台设备多个频段、多种模式、多个信道同时工作，使无线通信具有适应性、互连互通和互操作性；高度可编程性和现场可再编程，对扩展新业务、增加新功能和环境多变、任务多变提供了灵活性：开放式总线和模块化设计，使设备易于升级换代，方便使用维修。同一硬件平台，运行不同软件，可改变通信设备特性，兼容性好，使得设备体积、重量、功耗和造价大幅度下降，研制周期大大缩短。 目前ＳＷＲ技术在各频段的应用取得了不同程度的研制成果，在充实和提高各频段成果的基础上，军用民用相结合，做好各频段信道处理的融合、电磁环境管理的综合、智能天线的组合、软件程序的整合，实现软件无线电跨越式发展。

 

摘自“通信世界报”2004年