2002-35软件无线电及其关键技术.doc

软件无线电及其关键技术 陈坚 李在铭 （电子科技大学通信学院102教研室 成都 610054） 摘要 软件无线电是近年提出的一种无线通信的体系结构，是继从模拟技术到数字技术后，无线通信领域的又一突破性新技术，本文从软件无线电的基本概念出发，讨论了其发展背景、功能结构、关键技术、先进特点和存在问题及应用与发展前景。 关键词 软件无线电 体系结构 模数转换 数字信号处理 数字下变频 一、引言 随着通信技术不断地从模拟向数字化转变，现代无线系统越来越多的功能靠软件实现，因此产生了新一代的无线通信技术——软件无线电(software radio)[1]。完整的软件无线电概念和结构体系是由美国MILTR公司的Jeo Mitola于1992年5月首次明确提出的。其基本思想是：将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台通信，还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关”，使两者能够互通互连。这样就解决了由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。人们研究软件无线电技术的主要原因如下：1)为了满足日趋复杂的无线电通信要求，通信设备必须符合各种无线通信手段相互协同的要求；同时，由于通信技术日新月异，为使电台保持与当今先进的通信技术同步，更新或增加电台功能速度加快；2)数字处理理论与技术的高度发展，以及A/D转换器和数字信号处理器(DSP)等器件的逐步成熟，为发展软件无线电奠定了技术基础。 软件无线电充分利用嵌入通信设备里的单片微机和专用芯片的可编程能力，提供一种通用的采用宽带A/D转换器、DSP和通用中央处理器(CPU)相结合的无线电台硬件平台，既保持无线电台硬件结构的简单化，又带来如下的优点：1)灵活性：能转换信道、改变调制方式和接收不同类型信号，对目前面临许多新标准或环境变化的无线电设计者而言，很有吸引力；2)集中性：软件无线电技术多信道共享前端射频级，可对每一信道进行低成本的数字处理，尽管软件无线电台比单个传统接收机要昂贵得多，但每个信道的成本大大降低了。 二、软件无线电台的功能结构 典型的软件无线电系统[2]包括天线、多频段射频变换器、含有A/D和D/A变换器的芯片以及片上通用处理器和存储器等部件，可以有效地实现无线电台功能及其所需的接口功能。其功能结构框图如下：  图1 软件无线电系统功能结构框图 其关键思想和与传统结构的主要区别在于：1)将A/D和D/A向RF端靠近，由基带到中频对整个系统频带进行采样；2)用高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路与低速DSP/CPU做A/D后的一系列处理。A/D和D/A移向RF端仅为软件无线电的实现提供了必要条件，关键步骤是采用通用的可编程能力强的器件(DSP和CPU等)代替专用的数字电路，由此带来的一系列好处才是软件无线电的真正目的所在。 典型的软件无线电台的工作模块主要包括下面三个部分:1)实时信道处理：实时信道处理包括天线、射频变换、A/D和D/A变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。其中射频变换包括输出功率的产生、前置放大、射频信号变换为标准中频或由标准中频变换为射频信号，以适应宽带A/D和D/A变换。中频处理部分变换基带和中频之间的发射和接收信号。比特流部分将多个用户产生的信源编码复用成比特流，或与之相对应将比特流多路分解。还提供信令、控制和操作、管理和维护功能。实时信道处理部分最合适的结构是多指令多数据(MIMD)多处理器的结构，即将多处理器组成一个流水线，来实现软件模块分配给内部连接在一起的各个处理器的不同的功能序列。2)环境管理：在准实时环境管理模块中持续地使用频率、时间和空间特征来表征无线电环境，这些特征包括信道识别和估计其它参数。环境管理模块的操作模块化，容易用一台MIMD并行处理器来实现。这种并行环境管理模块和流水线工作方式的实时信道处理模块之间的接口必须使环境管理的参数和信道处理模块同步。3)在线和离线的软件工具：在线和离线系统分析、信号处理和变宿主工具允许人们确定增量业务。这些业务的增加可在实时信道处理模块中生成和连接，也允许人们调整算法，以便测试参数位置、确定业务的一些数值和资源影响。高度集成化的软件工具可比较快地实施增值的软件升级，当软件定义的网络迅速扩大后，可通过无线传输提供改进了的业务服务。 三、软件无线电关键技术发展状况 3.1 软件无线电通信结构 通用移动软件无线终端的接口直接连接用户，基站与公共交换网(PSTN)连接。软件无线电的标准结构如图2所示。用软件来定义无线电功能是软件无线电的特征，但由软件控