软件无线电的主要原理及技术

摘要：本文主要介绍了软件无线电的概念、主要原理、关键技术及在生活中的广泛应用。它是以开放性、标准化、模块化、通用性、可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。首先介绍了软件无线电的理论基础，即带通采样理论，多速率处理信号技术，高效信号滤波，数字正交变换理论，这些都是软件无线电实现的理论基础，然后是其关键技术，宽带智能天线技术，A/D转换技术，数字上/下变频技术，数字信号处理部分，这些技术是实现软件无线电的关键和核心所在。最后，对其应用领域也进行了描述，指出其在个人移动通信，军事通信，电子站，雷达和信息加电中的巨大潜力。

软件无线电这个术语最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。陆，海，空三军简单就工作频段来分，解决了互不干扰问题，但三军联合作战时互通，互联，互操作问题难以解决，于是1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。进而实现联合战术无线电系统（简称JTRS），它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。

软件无线电以开放性，标准化，模块化，通用性，可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能，选用不同软件可实现不同功能，软件可以升级更新，硬件也可像计算机升级换代，可称为超级计算机。它是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。

理想软件无线电的结构框图：

一、软件无线电的理论基础

•  采样理论：由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有这么宽的频段才能具有广泛的适应性。对于如此宽的频带采用Nyquist低通采样所需的采样速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不实际。所以无法使用Nyquist采样定理，而必须采用带通采样。一种接近理想化的软件无线电设计方案称为射频直接带通采样软件无线电体制，在天线与A/D间只存在跟踪滤波器和放大器，与软件无线电所要求的A/D尽可能靠近天线的设计宗旨完全一致。

•  多速率信号处理：带通采样定理大大降低了所需的射频采样速率，但从软件无线电的要求来看，带通采样带宽应越宽越好，对信号有更宽的适应性，这样就应当使采样速率尽可能地宽。然而又会导致后续的信号处理速度跟不上，因此要对A/D后的数据流进行降速处理。抽取和内插是最基本最重要的基本理论，对于软件无线电的研究及数字下/上变频器的实现有重大作用。

整数倍抽取是把原始采样速序列x(n)每隔（D-1）个数据抽取一个，形成一个新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，这样经过抽取的数据流速率只有后者的D分之一，显然大大降低了对后处理速度的要求，也提高了频域分辨率。这是软件无线电接收机的理论基础。

整数倍内插是在两个原始抽样点之间插入（I-1）个零值，也形成一个新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),经过内插大大提高了时域分辨率，也可以用来提高输出信号的频率。显然内插器起到了上变频作用。它是软件无线电发射机的理论基础。

整数倍抽取和内插都只是频率变换的一种特殊情况，实际中往往用到分数倍变换，它可通过先进行I倍内插，再进行D倍抽取来实现。（注意必须内插在前，以免引起信号失真）。

•  高效数字滤波：实现取样速率变换的主要问题是如何实现抽取前或内插后的数字滤波。FIR滤波器相对与IIR滤波器有许多独特优越性，线性相位，稳定性等。可采用窗函数法来设计，简单，直观，但滤波性能不是最佳。也可采用最佳滤波器的设计。半带滤波器适合于实现D=2的M幂次方倍的抽取或内插，计算效率也高实时性高。而在实际的抽取系统中抽取因子D往往不是2的M幂次方，此时可以积分梳状滤波器和半带滤波器结合起来使用。

•  数字正交变换理论：对一个实信号进行正交变换而用一个复解析信号来表示是因为从解析信号很容易获得三个特征参数：瞬时幅度，瞬时相位和瞬时频率，它们是信号分析，参数测量或识别解调的基础。窄带信号可用解析信号和基带信号表示，对于要满足高虚假抑制的要求，可采用数字正交混频的方法实现，即先对模拟信号x(t)通过A/D采样数字化形成数字序列x(n),然后与两个正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通过数字低通滤波器来实现。在采样速率很高时，对后续的数字低通滤波实现较困难。还可以采用基于多相滤波的数字正交变换，需用到抽取和内插理论。

二、软件无线电中的关键技术

●  宽频段智能天线技术

软件无线电要求接收机从天线接收的应该是宽频带信号，同时，由于射频信号的高频率，使得信号干扰成为严重问题，为获取宽带信号和减少干扰，使用宽带智能天线成为最好的选择。由于频谱资源的缺乏，提出了从空域来提高频谱利用率的想法，对位于不同空域的用户分配相同的时间，频率和伪码，通过电磁信号的空间隔离来消除用户之间的干扰。智能天线就是在这种想法下提出的一种新型天线系统通过对多个天线阵元输出的信号进行幅相加权获得所需的天线波束指向来实现空间分离。基于软件无线电的智能天线包括单信道智能天线，多信道智能天线和信道化智能天线。它们的核心和理论基础是波束形成法。

●  A/D技术

软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A尽量靠近射频前端，为减少模拟环节，在较高的中频乃至射频信号进行数字化，要求A/D具有适中的采样速率和很高的工作带宽。A/D的工作过程大致可以分为采样，保持，量化，编码，输出等几个环节。在模数转换中，衡量A/D转换性能的指标有：A/D转换位数，位数越高，灵敏度越高；信噪比（SNR），提高采样频率或降低模拟信号带宽都可以提高A/D信噪比；无杂散动态（SFDR），反映的是在A/D输入端存在大信号时，能检测出小信号的能力；有效转换位数（ENOB），信号越大，信号频率越低，所得到的转换位数越多；孔径误差，是由于模拟信号转换成数字信号需要一定的时间来完成采样，量化，编码等工作而引起的，可在其前加一个采样保持放大器，从而减少孔径误差。在软件无线电的设计中，A/D器件的选择应保证软件无线电功能和性能的实现，应遵循以下选取原则：

1、采样速率选择：若A/D之前的带通滤波器的矩形系数为r,为防止带外信号影响有用信号，应取采样速率fs≥2B’=2rB,允许过渡带混叠时，fs≥(r+1)B
2、采用分辨率好的A/D器件。分辨率主要取决于器件的转换位数和器件的信号输入范围，转换位数越高，信号输入范围越小，A/D的转换性能越好。
3、一般来说A/D转换位数越高越好。因为其转换位数越高，其动态范围越高。
4、根据环境条件选择A/D转换芯片的环境参数，其功耗尽可能的低。
5、根据接口特征考虑选择合适的A/D转换器输出状态。

●  数字下/上变频器

数字下/上变频器主要是基于前面所述的抽取和内插理论。

数字下变频（DDC）和模拟下变频是一样的，就是输入信号与一个本地震荡信号的乘法运算。与模拟下变频相比，数字下变频的运算速度受DSP处理速度的限制，同时其运算速度决定了其输入信号数据流可达到的最高速率，相应也限定了ADC的最高采样率。数字下变频器的组成包括数字混频器，数字控制振荡器（NCO）和低通滤波器。

NCO产生的本振信号输入到数字混频器与输入的信号进行混频。数字混频器 就是一个乘法器，信号经混频后，输出到低通滤波器以滤除倍频分量和带外信号，然后进行抽取处理。由于下变频器工作原理较简单，可以很方便地利用FPGA或ASIC技术来设计实现。典型的数字下变频有功能强大的单信道DDC产品HSP50214B及四通道的HSP50216。

数字上变频（DUC）的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。典型的代表是只能进行单路数据调制的HSP50215和可进行四路数据调制的GC4114

●  数字信号处理

数字信号处理器（DSP）是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。软件无线电的灵活性，开放性，兼容性等特点是通过以数字信号处理器为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现的，从前端接收来的信号或将从功放发射出去的信号都要经过数字信号处理器的处理：或进行频谱分析，信号解调，信号类型识别，或进行信号的数字上下变频，或进行各种式样的数字调制，数字滤波，比特流的编码，译码，同步信号的获取等。软件无线电中的数字信号处理器除了能适应运算的高速度，高精度，大动态范围，大运算量外，还应具有高效率的结构和指令集，较大的内存容量，较低的功耗等特点。DSP的重要特点是其处理速度远远大于一般的微处理器，功能是快速实现各种运算，尤其在卷积，相关，滤波，FFT等应用要用到的乘法累加运算中更能发挥其作用。DSP的编程既可以用汇编语言又可以用C语言，极大地方便了其开发人员。目前的DSP在功能和性能上都还不能满足软件无线电的要求，可以采用多率信号处理技术对采样信号进行预处理后（即所谓的数字下变频器）然后再用DSP来完成各种功能，也可以用多个DSP芯片并行处理的方法来提高DSP的数据处理能力。

三、软件无线电的应用

●  个人移动通信

软件无线电把硬件作为通信平台，使其尽可能脱离通信体制，信号波形以及通信功能，尽可能多地用软件来实现，可扩展性强，成为第三代移动通信的基石。把软件无线电技术应用到基站设计即软件无线电基站，它是一种多频段，多模式，多功能可扩展的“智能”基站，它根据不同时间，不同用户，选择最佳的工作频段，工作模式和与用户相适配的功能与用户进行信息交换，以极大地提高通信质量和服务质量。除此之外，它还可用于多频多模手机，这一技术具有极大地挑战性。

●  军事通信

软件无线电最初是为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。进而实现联合战术无线电系统（简称JTRS），它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。

●  电子战

电子战的主要特点是频段宽，待处理的信号种类多，而目前的电子战系统往往是在已知或事先假设的几种信号样式下工作，一旦目标信号特征或通信方式发生变化，往往误失战机，所以研究一种工作频段宽，波形适应能力强，可扩展性好，既能适应通信信号，也能适应导航和敌我识别信号的综合电子战系统是现代信息战争的必然要求，软件无线电恰好是解决这一问题的最佳技术途径。软件化电子侦察接收机是基于软件无线电原理而实现的用于对目标信号进行分析识别，特征提取和参数测量，对通信信号还能解调信息的电子战侦察分析接收机，不仅能对各种通信信号侦察分析，也能对雷达信号，导航信号或是敌我识别信号进行侦察分析，是一种多频段，多模式，多功能的电子战接收机。

●  雷达和信息加电

目前设计研究的雷达往往功能单一，体制单一，无法适应在不同的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪探测的需要。如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，那么就能比较圆满地解决目前雷达设计所存在的问题。

进入20世纪90年代，以高清晰度电视（HDTV）为标志的第三代电视以其接近理想的视听效果和多功能，成为新一代数字电视的发展方向。但目前在信道编码（调制方式）上还没有统一的国际标准，而且随不同的传输媒介而不同。基于软件无线电的HDTV解决方案可以较好地解决HDTV面临的这些问题。

四、结束语

目前，人们对软件无线电的研究日趋深入细致，理论上已基本成熟，正处于实践阶段，由于软件无线电的灵活性，开放性等特点，它将成为未来通信乃至未来无线电的发展方向，不仅在军，民无线通信中获得应用，而且将在其他领域如电子战，雷达，信息化家电等领域得到推广。