论基于软件无线电的通信系统

来源:用户上传      作者: 邹建宏

　　摘要：软件无线电是一种智能化的多功能无线电通信系统，该系统的功能通过软件来定义和实现。软件无线电的基本设计思路是让宽带D/A转换器、A/D转换器与天线在最大程度上相互靠近，在模块化、标准化、通用化的硬件支持平台利用软件技术来实现各种所需要的无线通信功能。正是借助于以上特点，软件无线电拥有着使用灵活、通用性强、便于升级和系统联网的优势。在本文中，笔者首先概述了软件无线电的内涵，而后重点分析和探讨了软件无线电的若干关键性技术。
　　关键词：软件无线电 通信系统 信号处理技术 解调/调制
　　中图分类号：TD6515 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0037-02
　　
　　1、软件无线电概述
　　约瑟夫・米托拉（Jeseph Mitola）在1922年5月份举行的美国通信系统会议上第一次正式提出了“软件无线电”（SWR，Software Radio）的概念。该概念的核心思想就是积极建构一个模块化、标准化、通用化的硬件支持平台，而后借助该硬件支持平台，让宽带D/A转换器、A/D转换器与天线在最大程度上相互靠近，利用软件技术来实现各种所需要的无线通信功能，例如数据格式、工作频段、加密模式、调制解调方式以及通信协议等等，让软件无线电拥有使用灵活、通用性强、便于升级和系统联网的优势。由于软件无线电的各种功能是通过软件编程实现的，因此，假如需要对通信系统进行更新只需要添加新型软件模块即可；同时，软件无线电可以形成多种通信协议与调制波形，因此能够有效兼容以往的旧体制电台，延长了通信系统的使用寿命，降低了使用成本。
　　各个国家为了彻底解决通信中的互通性问题，均在积极开展研究和探索，在让通信系统充分满足互通性的前提下，还需要在保密性、抗干扰性、安全性等方面多做努力。除此之外，为了同时兼顾无线电台时代发展的衔接问题，通信系统还需要具有较长的使用寿命。除了软件无线电之外，还有另一设想也能够满足以上要求，即研发多功能化、多频段化的电台，并将其系列化，用以代替目前所有的电台，但是该想法需要有强大的资金支持，并且使用寿命也很难符合要求。在通信技术发展极为迅速的今天，那些系列化的电台会很快落伍。
　　在今天，日新月异的电子技术和计算机技术、高速发展的信号处理技术和宽带模数转换技术、具有较高技术成熟度的EDA工具和可编程器件尤其是不断提升的硬件制造水平，这些均为软线无线电提供了极大的技术便利。有鉴于此，软件无线电的物理层必须要具备非常优秀的适应性和灵活性，能够在最大程度上兼容各种操作系统，并保证各种通信功能可以正常使用。相对于传统的通信系统，软件无线电不需要考虑多标准通信问题、信道特性和介质的改变问题，总之不需要考虑硬件的更新问题以及由此带来的接口通用性问题，它在保证通信功能的同时，也有效节约了使用成本。
　　2、软件无线电的相关特点
　　软件无线电技术具有众多的优势，归纳起来主要有以下几个方面的优势：
　　第一，易于实现系统的模块化。软件无线电技术的基本设计思想就是模块化设计理念。利用该技术，非常容易实现通信系统的模块化设计。通信系统的硬件平台和电气接口方面均严格遵循开放和统一的标准，如果需要进行维护或者提升系统性能，仅仅通过更换某一个模块便可以实现，而不需要更新整个系统。
　　第二，全面的数字化。软件无线电技术能够为我们提供优秀于当前任何一个数字通信系统的全面数字化的通信系统。这主要是因为软件无线电技术数字化处理的重点便是通信系统的基带信号、射频段信号以及中频段信号。
　　第三，功能的软件化。软件无线电技术除了必需的具有良好通用性的硬件支持平台之外，其他的各种功能均能够通过软件编程的方式来实现。一般情况下，软件编程可以实现以下这些功能，主要包括：信源编码、解码方式以及可编程的射频频段、中频频段、信道解调方式与信道调制方式等等。
　　第四，优秀的可拓展性。软件无线电技术具有非常优秀的可拓展性，不管是系统功能的拓展，还是系统功能的升级，均可以非常轻松地完成。由于软件无线电技术基于模块化、标准化、通用化的硬件支持平台，因此在硬件方面的可拓展性不大，其优秀的可拓展性主要体现在软件方面。如果想要对系统进行升级或者拓展仅仅需要对相应的软件进行升级或者拓展即可，非常方便。升级和拓展软件要比改进和优化硬件电路简单许多。借助于软件工具，能够根据实际需求来实现各种通信业务的拓展。
　　3、软件无线电的若干关键性技术
　　3.1 DDC（数字下变频技术）
　　DDC是“Digital Down Converter”的缩写，即数字下变频技术。数字下变频是A/D变换完成之后排在第一位的需要处理的工作项目。通常而言，数字下变频主要包括数字下变频、二次采样以及滤波等三项内容，是通信系统当中进行数字处理工作量最大的环节，也是工作难度最大的环节。一般情况下，人们均抱有以下观点，即只有对每一个采样点进行一百次以上的操作才能够在比较好的程度上进行滤波等处理。我们假设基于软件无线电的通信系统的频率是10 MHz，那么采样率则必须要高于25 MHz。则单个DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）芯片需要具备至少2500 MIPS（Million Instructions Per Second，百万条指令）的运算水平，目前的DSP水平是很难满足这样的运算要求的。目前为了有效解决DSP预算能力的瓶颈问题，通常都将DDC（数字下变频技术）的工作交给专用的可编程芯片去完成。借助此举，软件无线电的可靠性不仅获得了保证，还保留了无线电所特有的优势。目前的DDC芯片通常具有很高的可编程能力，可以比较简单地通过改变控制参数的方式来控制信道的中心频率、二次采样率以及带宽，实现从一个带宽信号中将所需要频点和带宽的信号进行滤出的效果。
　　3.2 宽带/多频段天线技术
　　我们对基于软件无线电的通信系统的天线提出的要求是，能够有效地覆盖所有的无线通信频段。显然，这样的要求还是非常高的。我们以美军为例，它曾经研发出一款几个倍频程的宽带天线，然而由于效率非常之低而最终放弃。对于绝大多数的通信系统而言，其天线只需要覆盖几个频程不同的窗口便可以，而不是一定要覆盖所有的频段；如果想要覆盖所有的频段，则可以采用组合式多频段天线的方法来实现该要求。并且，组合式多频段天线在技术上具有很高的可行性，我们以美国研制的AN-400型的超宽带叶片状天线为例，它可以覆盖960MHz至1220MHz和30MHz至400MHz的频段。
　　3.3 高速信号处理技术
　　高速DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）芯片是基于软件无线电通信系统的核心部件之一，其中主要的职责就是完成编码/译码、比特流处理、调制解调以及基带处理等环节的工作内容。但是高速DSP芯片也是制约基于软件无线电通信系统发展的重要因素之一，主要原因就是单个的高速DSP芯片处理能力不能够有效地完成单路数字话音调制解调和编码/译码的工作量。因此，为了应对以上问题，通常需要采用多个DSP芯片并行处理的方式来获得运算能力的提升。
　　4、软件无线电接收机设计思路
　　4.1 选择软件无线电接收机的结构
　　软件无线电的结构基本上分为三种：射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。其中，射频低通采样数字化结构的软件无线电，对A/D转换器的性能如转换速度、工作带宽和动态范围等提出了非常高的要求，同时对后续的DSP或ASIC（专用集成电路）的处理速度要求也特别高。射频带通采样结构的软件无线电，虽然对后续DSP的处理速度要求不高，但是这种结构对A/D工作带宽的要求（实际上主要是对于A/D中采样保持器的速度要求）是比较高的。与前两种结构相比，宽带中频带通采样软件无线电结构，不仅不需要第一种结构所要求的超高速采样，也不要求第二种结构所需的高精度、高工作带宽所要求的采样保持放大器，使A/D设计大大简化，其代价只是增加了一些前端的复杂性，综合以上分析讨论，宽带中频带通采样软件无线电结构是近期软件无线电研究中一种较可行的设计方案。

　　4.2 软件无线电接收机硬件设计思路
　　硬件电路的实现是检验理论的最有效的方法，基于软件无线电的通信系统是基于中频带通采样数字化结构的，使用专用数字下变频芯片HSP50214进行设计的软件无线电接收机，可实现模拟下变频、采样、数字下变频、信号处理和模拟输出等功能。此接收机的整体设计思路包括以下几个模块：
　　(1)模拟前端。此部分主要是实现射频信号的模拟下变频，将信号变换成中频，模块的主要器件可采用UV1316。
　　(2)中频放大A/D采样模块。此模块主要实现对信号的中频放大和高速A/D采样，器件可选用中频放大芯片MAX4265和A/D采样芯片MAX1444。
　　(3)数字下变频模块。此部分主要功能是从输入的宽带高速数据流的数字信号中提取所需的窄带信号，将其下变频为数字基带信号，并转换成较低的数据流。
　　(4)直接数字合成器模块。直接数字合成器部分可利用AD公司的AD9851芯片实现可变采样频率的合成。AD9851的功能十分强大，在本系统中用作产生数字可调的A/D芯片的采样时钟和DDC芯片HSP50214B的采样时钟输入信号CLKIN。其目的是为了满足DDC的CLKIN等于A/D采样频率的倍数关系，并且实现可变采样频率采样，增加系统的灵活性。
　　(5)数字信号处理（DSP）模块。本系统可应用TMS320C5402高速定点DSP芯片，它在整个系统中起着中心控制和实现数字调制解调等数字信号处理算法的功能，是整个系统的核心。
　　(6)D/A转换模拟功放模块。D/A转换模拟功放模块可采用MAX525芯片和MAX4298芯片，主要实现对数字信号的数模转换，并对模拟信号进行功率放大。
　　5、结语
　　基于软件无线电结构的通信信号调制解调通用平台软件，通信系统可以实现对多种模拟、数字调制解调模式的兼容，如要实现对信号其它模式的调制解调，只需基于此结构添加新的调制解调算法即可，而不需要改变系统整体的结构。
　　总之，在现代的移动通信系统中，信令部分已经是用软件完成，软件无线电的任务是将通信协议及软件标准化、通用化和模块化。同时，把现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成几个标准的层次，开发出标准的信令模块，研究通用信令框架。软件无线电的关键和重点技术使其具有相对于传统数字电台的优越性，让软件无线电技术在具有多元化功能的同时，也为电台的宽频段提供了必要的保证。
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