楊 帆

（遼寧省重大技術(shù)裝備戰(zhàn)略基地建設(shè)工程中心，遼寧 沈陽 110034）

0 引 言

隨著無線電通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化的變革成為無線電通信發(fā)展的方向。而軟件無線電的出現(xiàn)正好順應(yīng)了無線電通信技術(shù)從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)變，并且實現(xiàn)了由軟件定義通信功能。軟件無線電的概念于20世紀90年代被提出，最初在美國得到應(yīng)用，主要思想是將所有的電臺安置在同一硬件平臺上，通過軟件安裝重新組裝不同功能類型的電臺，以實現(xiàn)不同的通信功能。軟件無線電具有靈活性和集中性[1]。靈活性是指軟件無線電可以實現(xiàn)不同信道的轉(zhuǎn)換，也可以改變調(diào)制方式，接收不同類型的信號[2]。集中性是指軟件無線電可以實現(xiàn)多信道的前端射頻級共享。本文主要探討軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

1 軟件無線電的通信原理

軟件無線電通信以硬件平臺為依托，通過軟件編程實現(xiàn)無線電臺的各種功能。其應(yīng)用多頻段天線、射頻前端、A/D寬帶轉(zhuǎn)換器以及高速數(shù)字信號處理器4個裝置，達到從模擬信號接收到數(shù)字化處理轉(zhuǎn)換的功能[3]。每一個組成裝置都有獨特的功能和作用。軟件無線電技術(shù)為了實現(xiàn)不同系統(tǒng)信息的聯(lián)通，將天線系統(tǒng)的頻段都設(shè)置得較寬，且具有多功率射頻轉(zhuǎn)換的功能。射頻前端主要用于實現(xiàn)信號的放大和過濾等功能。A/D寬帶轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字信號與模擬信號相互轉(zhuǎn)換的功能。高速數(shù)字信息處理器的主要功能是對數(shù)字信號進行一系列處理，如濾波、變頻、調(diào)制、加密、降噪以及抗干擾等[4]。

軟件無線電有機整合上述各組成部分的功能，通過多頻寬帶天線接收模擬信號。接收模擬信號后需要通過射頻前端放大信號，將放大后的模擬信號傳送到寬帶A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化處理，處理后的模擬信號再傳送至DSP編程處理器，后通過加載軟件實現(xiàn)軟件無線電的各種功能，并將不同功能處理后的信號傳送至用戶接收機[5]。當(dāng)用戶接收到軟件無線電的處理信息后，可以在硬件設(shè)備上應(yīng)用各種軟件分析通信的環(huán)境，管理需要處理的業(yè)務(wù)，同時可以實現(xiàn)軟件無線電結(jié)構(gòu)和性能的升級。

2 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

軟件無線電與信號間的數(shù)字化轉(zhuǎn)換、信息的處理方式、處理速度以及數(shù)據(jù)的運算與存儲等因素緊密聯(lián)系。其主要的系統(tǒng)組成是實現(xiàn)其各種功能的關(guān)鍵，下面詳細介紹軟件無線電通信的系統(tǒng)組成。

2.1 寬帶/多頻段天線

多頻段天線技術(shù)是軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)。軟件無線電需要通過多頻段天線接收來自不同系統(tǒng)和不同頻段的模擬信號，是軟件無線電通信的第一步。但是，在接收信號時，由于天線內(nèi)部的阻抗不匹配導(dǎo)致不同頻段天線不能混合使用。因此，軟件無線電的天線組成部分為了接收各種頻率的信號，必須要選擇性能好且運行穩(wěn)定的寬帶天線[6]。一般情況下，軟件無線電的天線接收頻率為2～2 000 MHz，可以滿足天線對模擬信號的接收需求。因此，使用多頻段組合方案可以實現(xiàn)對頻率的全覆蓋。實際驗證發(fā)現(xiàn)，這樣的天線組合方式不但技術(shù)上可行，而且符合軟件無線電的各項技術(shù)要求。但是需要對每一個系統(tǒng)和每一個波段都使用單獨的天線，從而接收大范圍的射頻信號并進行射頻數(shù)字化處理。受硬件設(shè)備的限制，目前技術(shù)難以實現(xiàn)射頻數(shù)字化處理，只能實現(xiàn)中頻數(shù)字化處理。因此，軟件無線電天線系統(tǒng)的射頻數(shù)字化技術(shù)還有待進一步的研究。

2.2 寬帶A/D轉(zhuǎn)換器

在軟件無線電系統(tǒng)中，將寬帶A/D轉(zhuǎn)換器的位置盡可能放置在靠近天線端，便于數(shù)字化的信號處理。如圖1所示，在實際應(yīng)用中，A/D轉(zhuǎn)換器的抽樣頻率需要大于2Wa（Wa為抽樣信號的帶寬）。但是，受轉(zhuǎn)換器的非線性和接收機量化噪聲失真的影響，為保障轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的速度和精度，將抽樣頻率選定為大于2.5Wa。此外，寬帶A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)要滿足動態(tài)范圍和數(shù)字處理的精度，但受寬帶技術(shù)的限制，無法通過一個A/D寬帶轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)接近幾十兆寬帶的傳播。因此，在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，往往將多個A/D寬帶轉(zhuǎn)換器進行組合[7]。A/D寬帶轉(zhuǎn)換器要實現(xiàn)高頻、高動態(tài)范圍、高精度以及高抽樣頻率的模數(shù)變換十分困難，在目前的芯片技術(shù)限制下并不能實現(xiàn)RP數(shù)字化。因此，需要將數(shù)字化放在中頻末端，以實現(xiàn)寬帶轉(zhuǎn)換器對模擬信號的數(shù)字化處理。

圖1 A/D轉(zhuǎn)換器工作過程

2.3 高速數(shù)字信號處理器技術(shù)

數(shù)字信號處理器主要進行電臺內(nèi)部信號的解調(diào)、處理以及編碼等。在實際數(shù)字信號處理時，由于電臺內(nèi)部的數(shù)據(jù)流量較大，濾波和變頻等操作步驟較為頻繁，因此需要采用專用的集成電路實現(xiàn)數(shù)字信號的高速處理。但是，這對硬件的處理速度、芯片容量以及處理算法提出了較高要求。因此，要進一步發(fā)展數(shù)字信號處理器技術(shù)，需不斷進行優(yōu)化和改進。只有對數(shù)字處理器進行優(yōu)化和改進，才可以實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的控制和切換，實現(xiàn)內(nèi)部電臺軟件的高速運行[8]。DSP數(shù)字信號處理器主要由DSP、FPGA、PIR存儲器、I/O接口以及專用芯片組成。除在功能上可以實現(xiàn)數(shù)字信號的基本操作外，還可以實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)交換、頻率交換、自適應(yīng)調(diào)制以及解調(diào)等功能。在高速數(shù)字信號處理器的組成中，專用芯片是最重要的組成部分。它不僅可以實現(xiàn)錄波器和變頻器的功能，而且對數(shù)字信息的處理速度遠超于普通芯片[9]。例如，F(xiàn)PGA專用芯片通過可編程陣列可以滿足靈活性和處理速度的要求，同時可以設(shè)置軟件無線電動態(tài)功能。在高速信息處理器的信息處理過程中，密集型計算主要在DSP內(nèi)進行。專用芯片F(xiàn)PGA主要用于實現(xiàn)數(shù)字信息處理的固定功能部分。圖2為數(shù)字信號處理器工作原理圖。

圖2 數(shù)字信號處理器工作原理

2.4 實時操作系統(tǒng)

軟件無線電各種功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)在于不斷提高處理器處理的速度。但是，實際應(yīng)用中需要通過實時的軟件處理系統(tǒng)和軟件操作系統(tǒng)來實現(xiàn)軟件無線電處理器功能。與傳統(tǒng)的通用操作系統(tǒng)相比，軟件無線電的實時操作系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對處理任務(wù)時間調(diào)度的控制，還可以更好地分配數(shù)字信號處理資源。在進行軟件無線電通信時，采用實時操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，可以實現(xiàn)通信模式軟件的功能[10]。隨著實時操作系統(tǒng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)模塊會不斷更新，會有更多的新功能保障軟件無線電通信提供高效的服務(wù)。

3 結(jié) 論

軟件無線電作為一種新興的無線電通信技術(shù)，發(fā)展至今已經(jīng)在多個領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但軟件無線電的功能特性還有待開發(fā)。因此，了解軟件無線電通信的結(jié)構(gòu)原理，掌握軟件無線電通信的關(guān)鍵技術(shù)，對軟件無線電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。