（通信与信息系统专业论文）超短波无线数传的研究与实现.pdf

y 9 3 7 0 2 摘要 ( 软件无线电自1 9 9 2 年j e 。m i t o l a 提出以来，在近几年取得了引人注目的进 展，它的开放性硬件平台、尽可能地用可升级、可重新配置的应用软件来实现各 种无线电功能的设计新思路，引起了包括个人通信、军事通信、微电子以及计算 机等各个领域的巨大关注，被认为是未来通信技术发展的一个重要方向之_ 罗7 本文的软件无线电网关就是软件无线电技术在军事中的应用，本文在无线电 网关的基础上实现了一种1 6 k b p s 的g m s k 跳频无线数据传输。 本文的结构安排如下： 第一章对软件无线电的由来、定义、发展状况以及结构做了简要的概述 第二章介绍了软件无线电相关的一些理论 第三章介绍了无线信道的特性，及常用信道估计的方法 第四章介绍了无线数传的实施方案，在硬件平台上实现了1 6 k k b p s 的g m s k 跳频数传，主要的调制解调算法在t i 的d s p 上得到实现 第五章总结和展望 【关键词】软件无线电，超短波，无线数传，d s p a b s t r a c t s o f t w a r er a d i oh a v eg e tr e m a r k a b l ed e v e l o p m e n ts i n c ef i r s t l yi n t r o d u c e db yj e o m i t o l ai n1 9 9 2 i th a ss e v e r a ln e wc h a r a c t e r i s t i c ：o p e n i n gh a r d w a r ep l a t f o r m ，u s i n g u p d a t e a b l ea n dr e c o n f i g u r a b l ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t or e a l i z ea 1 1k i n d so fr a d i o f u n c t i o n t h i st y p eo fs o f t w a r er a d i oi s e x p e c t e dt ob eak e yt e c h n o l o g yi ns e v e r a l a p p l i c a t i o nf i e l d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n gc e l l u l a rt e l e p h o n y , m i l i t a r y c o m m u n i c a t i o n s ，m i c r o - e l e c t r o n i c sa n de t c t h es o f t w a r er a d i og a t e w a yi s a p p l i c a t i o no fs o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g yi n m i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h i sg a t e w a y , a1 6 k b p sf h g m s kw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nh a v ea c c o m p l i s h e d t h e a r r a n g e m e n t o f t h et h e s i si sb e l o w ： c h a p t e r1g i v e sb r i e fd e s c r i p t i o no fs o f t w a r er a d i oi nt h eo r i s i na n dd e v e l o p m e n t s t a t u sa n df o r t h ef u t u r e c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h et h e o r yr e l a t e dt os o f t w a r er a d i o c h a p t e r 3i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i ca b o u tw i r e l e s sc h a n n e la n ds o m ee s t i m a t i o n w a y o f c h a r m e l c h a p t e r4i n t r o d u c e ss c h e m eo fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n a16 k b p sf h g m s k w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nh a v ea c c o m p l i s h e d ，t h em a i n l ym o d e m a l g o r i t h mi sd o n e b y d s p c h a p t e r 5s u m m a r y k e y w o r d s s o f t w a r er a d i o ，v h f , w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，d s p 塑垩盔兰堡圭兰些笙苎 第一章绪论 现代通信技术、数字处理技术、微电子技术、天线技术和宽带功放等技术得 到了迅猛发展，正是在这一系列高新技术的基础之上，软件无线电应运而生。 1 1 软件无线电的概念由来 近几十年来无线通信经历了三次大变革，第一次是从模拟到数字的变革； 第二次是从固定到移动的变革；第三次则是指目前正在开始的软件无线电变革， 郎从硬件到软件从专用到通用的变革。 无线通信在现代通信中占据着及其重要的位置，被广泛应用于商业、气象、 ：军事、民用等领域。当代无线通信系统很多，例如，卫星通信系统、蜂窝移动通 信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统，等等。各种通信系统的 调制方式也很多，有a m 、刚、l s b 、u s b 、i s b 、f s k 、p s k 、m s k 、g m s k 、q a j 等。 各种通信系统由于自身的特点而应用于不同的场合。短波电台适合远距离传输， 其所需的发射功率不大，传输的“中继系统”一电离层不会被摧毁；卫星通信能 传播高质量的信息，所能提供的频带很宽；微波通信抗干扰能力强，适合大量的 数据传输。由于无线通信具有设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点， 在军事通信领域是不可或缺的重要通信手段。然而，军用电台往往是根据某种特 定的用途而设计的，功能单一，有些电台的基本结构相似，而信号特征差异很大。 例如，工作的频段不同，有的在h f 频段，有的在v h f 、u h f 频段，调制方式不同， 波形结构不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同，等等。电 台之间的这些差异极大地限制了不同电台之间地互连互通。而且，由于不同频段 地电台只能满足某些特定地要求，无法满足部队各种各样军事需求，给协同作战 带来了困难。 经过几十年的发展，无线通信有了长足的进步。通信系统由模拟体制不断向 数字化体制过渡，出现了许多中频数字化接收机。例如，德国r s 公司研制的宽 带数字化接收机e b d9 0 0 ，主要用于无线电监视，其工作频率范围为2 0 m h z - 2 g h z ， 搜索速度为4 g h z s ( 2 5 k h z 带宽) ，动态范围为8 0 d b 。又如，英国研制的p v s3 8 0 0 接收机，可以实现搜索、监听、分析识别等功能；还可以根据需要，通过加载不 同的软件，灵活地配置成各种不同功能地接收机，如p v3 8 3 0 截获接收机，p v3 8 4 0 分析接收机，p v 3 8 5 0 监视接收机，等等。这些接收机尽管能够覆盖多个频段， 但它们只能工作于单一的频段和模式，功能相对比较少，灵活性不够，可扩展能 力也较差，不同电台仍不能完全互通，无法完全满足现代军事通信的需要。 在格林纳达的冲突中，美军各种通信设备的不兼容性暴露无遗。在“沙漠风 暴”行动中，由于盟军联合作战，需要及时有效的通信联络，这大大增强了通信 保障的复杂程度，不得不借助额外的无线电台，才得以保证高效的通信联络。 在民用通信中也存在互通性差的问题。在欧洲( 主要是北欧、西欧) 的第一 代模拟网发展过程中，基本上各自为政，加入欧洲邮电会议( c e p t ) 的1 6 个国 家，分别共使用6 个不同的制式。这些模拟通信体制的制式、频率各不相同，不 能互通、兼容。虽然这些国家领土不大，但车一出国门电话就不通了，给喜欢周 末到邻国旅游的人们带来极大的不便。在第二带数字移动通信中，仍有许多不同 的通信体制，如g s m 、a m p s 、e t a c s 、p d c 、d a m p s 、c t 2 等，这些体制互不兼容， 无论给用户还是给经营者都带来了极大的不便。 为了解决互通性问题，各国军方给进行了积极的探索，努力使不同设备既能 满足互通的要求，又能满足抗干扰、保密性好的要求：既能使通信设备跟上无线 电飞速发展的步伐，又能延长设备使用的寿命。其中一种设想是研制多频段、多 功能电台，用一个系列的电台来代替其他所有电台。这种想法固然可以解决互通 问题，然而开支庞大，而且使用寿命也成问题，因为通信技术的发展是相当迅速 的，过不了多久这些电台就会落伍。 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 或者称软件可定义的无线电( s o f t d e f i n e d r a d i o ) 最初源于军事通信，在最近几年取得了引人关注的进展，引起了包括军 事通信、个人移动通信、微电子以及计算机邻域的巨大关注和广泛兴趣。人们普 遍认为软件无线电将使无线通信，甚至整个无线电邻域产生重大的变革，并由此 推动电子信息技术的快速发展，最终在全世界内形成巨大的软件无线电产业市 场，产生巨大的经济效益，推动社会和技术进步。 完整的软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 概念和结构体系是由美国的 j o e m i t o l a 首次于1 9 9 2 年5 月明确提出的。其基本思想是：构造一个具有开 放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类 型、数据格式、通信协议等用软件来完成，使宽带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进行通信，还能在两种不同的电台系统间 充当“无线电网关”的作用，使两者能够互通互连。 2 塑垩查堂堡主生些笙苎 一 1 2 软件无线电的特点和关键技术 软件无线电最突出的特点是： ( 1 ) 有很强的灵活性：软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功 能。可以与其他任何电台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继。可以通过 无线加载来改变软件模块或更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱， 取舍选用的软件模块。 ( 2 ) 具有较强的开放性：软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬 件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件可以随需要而不断升级。软件 无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体制电台兼容。这样，既延长了旧体 制电台的使用寿命，也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。 软件无线电具有完全可编程特性，包括可编程的无线波段、信道接入方式、 信道调制、数据速率等，通过软件提供信令、控制和操作、管理和维护功能。软 件无线电台遵循开放平台的设计思想，采用模块化结构，方便硬件模块更换和软 件升级。物理、电气接口的技术指标符合高性能的v m e 总线标准，满足一般协议 如信令格式，线路自动建立及相关算法等要求。新业务的增加仅需在电台中加载 新的软件模块即可实现，从而降低了通信设备的成本，改善了性能。因此这样的 一个体系结构具有非常大的通用性，可用来实现多频段、多用户、多体制的通用 无线通信系统。 由于软件无线电的这些特点决定了其应用具有以下特征：业务多样化：优越 的低截获概率、低探测概率、抗干扰性能：自动选择通信模式，无感觉完成通信 联络；可作为网关站加入全球栅格通信网。例如在移动通信或p c s 中，它可解决 传统基站和移动终端的单一模式而造成的不能兼容问题，使基站和移动终端能够 满足多种标准，能应付当前和将来复杂的通信模式和信令结构。 软件无线电技术中的关键技术 ( 1 ) 宽带多频段天线 软件无线电台覆盖的频段从2 20 0 0m i - i z ，就目前水平而言研制出一种全 频段天线是不可能的。对于大多数系统只要覆盖不同频程的几个窗口，而不必覆 盖全部频段，故可以采用组合式多频段天线的方案。美军的“s p e a k e a s y ”项目 就采用了分段实现的宽带天线，即把2 20 0 0m h z 的频段分为三段：2 3 0 m i t z ， 3 0 5 0 0m h z ，5 0 0 20 0 0m h z 。这在技术上是可行的，且基本不影响战术使用 的要求。 ( 2 ) 宽频段射频前端和功率放大 宽带射频前端要求器件有较宽的频率范围，主要完成低噪声放大、滤波、混 频、自动增益控制( a g c ) 以及输出功率放大等功能。宽带低噪声前置放大器可 达到几个倍频程，这无论是在器件上还是电路设计上都没有困难，几个倍频程的 宽带功放则需要很好地选择器件并使用电路c a d 优化技术。 ( 3 ) a d 部分 对a d 的要求主要是采样速率和位数。现有的a d 还不能同时满足速率与 采样位数的要求。解决方法：一方面考虑用多个高速的采样保持电路和a d c ，然 后通过并串转换将量化速度降低，以提高采样分辨率；另外也可考虑研究适合于 低分辨率、高采样率的a d 编码调制方案。 ( 4 ) 高速并行d s p 数字下变频( d d c ) 是a d 变换后首先要完成的处理工作， 包括数字下变频、滤波和二次采样，是系统数字处理运算量最大的部分，也是最 难完成的部分。为了较好地进行滤波等处理，需要每采样点i 0 0 次操作，对于一 个系统带宽为i 0m h z 的系统，采样频率要大于2 5 m h z ，这就需要2 5 0 0m i p s 的 运算能力，这是现有的任何单个d s p 无法完成的，故必须采用高速并行d s p 组成 的多处理器模块( m c m ) 或专用集成电路。数字下变频后的高速信号处理部分主 要完成基带处理、比特流处理和信源编码等工作。 ( 5 ) 信令处理 软件无线电用于实现多模互联时，需实现通用信令处理，因此有必要把现有 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。 1 3 软件无线电的应用 软件无线电是把硬件作为无线通信的通用平台，使它尽可能地脱离通信体 制、信号波形和通信功能，尽可能多地由软件来实现，这样的无线通信系统具有 很好的通用性、灵活性，而且系统升级也变得非常容易。软件无线电有这么多的 特点和优越性，它在通信领域中有极广泛的应用天地。例如在个人移动通信中、 军事通信中、卫星通信中和数字电视中等。 1 3 1 软件无线电在军事通信中的应用 近年来在军用通信领域中，无线通信技术也获得了巨大发展。军用通信电台 主要为h f v h f u h f 波段的各种电台。随着技术的发展，军用电台也经历了从模 拟到数字化，从点对点的通信到网络化的发展。在上世纪末，h f a l e 、a t c - v h f h f 、 d i ，i n k l l 1 2 1 4 1 6 等各种数据链相继出现并在陆海空各军种中广泛应用，用于 4 塑坚查兰堡主兰些堡奎一 信号监听和分析的宽带数字化接收机也相继出现。但是问题也日益出现，由于各 个电台的波段、传输速率、调制方式等各不相同，其相互间通信十分不便，这给 各军种联合协同作战带来困难。单一模式的电台和数据链平台显然已经不能满足 未来建立在高度信息共享基础上的战争。于是人们开始寻找新的无线电通信实现 方法。 软件无线电的术语最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军进行联合 作战时所遇到的互通互联互操作问题而提出来的一个新概念。因为以往的军事 通信装备无论是工作频段，还是信息传输格式或者通信体制，陆海空三军各自为 政，互不兼容，导致在联歙乍战时各军种之间法进行快速沟通、互传信息情报， 结果是名义上的联合作战，而实际上只是各军种的简单参与，完全形成不了真正 意义上的“联合”。就工作频段来说，陆军主要工作在3 0 m h z 8 8 删z ，空军主 要工作在2 2 5 m h z 4 0 0 心z ，而海军则主要以短波( 2 m h z 3 0 m h z ) 为主。陆海空 三军上述这种简单的频率划分，虽然解决了三军互相干扰的问题，但军联合作战 时的互通互联互操作是根本不可能解决的。特别在海湾战争中暴露出来的军事互 通信极差、反应速度慢、带宽太窄、速度太低等一系列影响合作作战的关键技术 问题。1 9 9 5 年美国国防部提出了s p e a k e a s y 计划，开发一种能适应联合作战要 求的电台，它具有多频段、多模式( m u l t i b a n dm u l t i - m o d er a d i o ) 的特点， 称为临埘r 电台。随时间的推移，美国又进行s p e a k e a s yi i 和s p e a k e a s yi i i 计 划。图卜1 中给出船啪r 电台的组成。 信号处理射频前端信号处理控制 翠曜q 犁掣崤烈霹图印 耕il 曲晶 j i 一i 外部接口人机 也到 接口 图i - 1i v i b m m r 电台的组成 软件无线电的新技术在电子战中也有广阔的应用前景。电子战的最主要的特 点是频段宽( 几乎覆盖整个无线频段) ，待处理的信号种类多，而且是处有被动 浙江大学硕士毕业论文 接收的条件下工作。而目前的电子战系统往往都是已知的，或者在事先假设的几 种信号样式下工作，一旦目标信号的特征或信号的通信方式发生变化，该系统就 无能为力了，必须研制开发新的电子战系统来适应变化，这样必然贻误战机。所 以研究开发一种工作频段宽，波形适应能力强，可扩展性好，既能适应通信信号， 又能适应雷达信号，还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 战的必然要求。软件无线电正好是解决这一问题的最佳途径。 雷达的作用是对目标( 飞机或舰船) 的探测、定位和跟踪，它的基本原理是 通过向目标物发射一串电磁信号，然而接收目标对该信号的反射波，根据该反射 波可计算出目标物的距离、方位、高度和速度等参数。雷达有几种分类方法，按 工作频段有：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和毫米波雷达等：按功能和用 途有：远程警戒雷达、炮酷雷达、轰炸瞄准雷达、制导雷达和战场监视雷达；按 r 作体制有：连续波雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、编码脉冲雷达、动 目标显示雷达、捷变频雷达、相控雷达和合成孔径雷达等。总的说来，雷达的种 类繁多，每一种雷达用于某一种特殊的用途。不同的雷达其信号叁数不一样，使 其功能单一，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 需求。而在软件无线电基础上的软件雷达恰是解决这问题的途径。图卜2 中给出 软件雷达的系统组成。 雷达波形 发生器 d s p 篓自习囡瓯 一 雷达信号p 气王搴塑il = 。 相关ltt 。 篓旨南南： 下变频 图1 2 软件雷达的系统组成 1 3 2 软件无线电在个人移动通信中的应用 模拟卜一功放 上变频ll 共用 本振源 宽带接 收前端 收发 开关 个人移动通信已从第一代一f d m a 模拟蜂窝移动通信发展到第二代一一 蜂窝移动通信( g s m 和c d m a ) ，目前正在向第三代w c d m a 移动通信( 3 g ) 系统发展。未来的个人移动通信要达到的目标是：任何人在任何时间、任何地点 6 浙江大学硕士毕业论文 都可以和其它任何人进行任何种类( 话音、数据和图象等) 的通信。由于越来越 大的通信需求，一方面使通信产品的生存周期短，开发费用上升；另一方面，新 老体制通信共存，各种通信系统之间的互联变得更加复杂和猓难，因此要寻求一 种既能满足新一代移动通信需求，又能兼容老的体制，而且更具扩展能力的新的 个人移动通信体系结构就成为人们努力的方向。而软件无线电正好提供了解决这 一问题的技术途径，成为第三代移动通信系统研究的热点。 以下图卜3 是移动通信中软件无线电在手持终( 端移动手机) 的功能框图 d s p 处理 图1 3 移动通信中软件无线电在手持终端的功能框图 1 3 3 软件无线电在卫星通信中的应用 卫星通信是当代最重要的通信方式之一，但是由于目前卫星通信系统设备种 类繁多，设备管理和维护工作复杂，使得卫星通信系统更新换代周期长，不能很 好地适应现代高科技的发展步伐。同时考虑到卫星通信频带宽，信息速率高且变 化范围大的特点，在目前的计算机技术水平上，如果设备功能全由软件来实现， 图卜4 卫星站软件无线电的结构图 7 浙江大学硕士毕业论文 由于软件的逐条运行指令的特点，即使采用多处理器来协同运算，也无法实现高 信息速率下的实时处理，使其在卫星通信中的使用范围受到了限制。 而软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地 解决卫星通信系统存在的问题。软件无线电的主要特点是通信系统的功能可以用 软件来定义。通信系统的功能包括设备功能和系统功能。在卫星通信系统中，系 统功能主要指多址方式、网络结构、组网协议和通信业务等；而设备功能指接口 标准、调制解调方式、信道编码方式、信源编码方式、信息速率、复用方式等。 软件无线电技术采用先进的技术手段，使得上述功能可以用软件来定义。通过友 好的人机界面，人们可以在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统的功 能，从而使该系统能适应各种应用环境，因而具有很强的适用性和灵活性。 上图卜4 中给出卫星通信地面站软件无线电的结构图，接口设备和信道设备 模块都由d s p 处理。 1 3 4 软件无线电在数字电视系统中的应用 2 0 世纪9 0 年代广播电视领域掀起划时代的数字革命，以高清晰度电视( h d t v ) 为标志的第三代电视达到了理想的视听功效，成为新的一代数字电视发展方向。 h d t v 信源编码速率达2 5 m h z ，为了使h d t v 能在现有的模拟电视信道( 带宽为 6 姒z 8 旧z ) 上进行传输广播，必须对h d t v 进行信道编码，以压缩传输带宽。 所谓信道编码就是选择合适的调制方式，把2 5 m b p s 的视频数据调制到射频上， 并保持其带宽在6 m h z 8 m h z 范围内。信源编码现已有统一标准，采用m p e g 一2 ，而 信道编码在国际上还没有统一的标准，它将会各种体制并存。为完成信源编码和 多种体制的信道编码，采用软件无线电来实现就比较方便。图卜5 中给出数字电 视的结构图。 s 1 3 5 软件无线电在民用中的应用 软件无线电在民用、商业等方面的应用也取得了很大的发展。例如已经研制 成功的2 2 0 m t i z 地震遥测系统，采用1 6 q a m 的调制方式，信道带宽为2 0 k h z 。 美国8 0 0 9 0 0 z 的专用移动无线电( s m r ) 系统为了实现f c c 频谱规范，并 和现有业务共存的要求，也采用了软件无线电技术。系统除采用目前的调频标准 外，还采用了1 6 q a m ，模拟话音和f s k 等调制方式。它能与现有和将来的系统兼 ：荐，并确保系统能平稳、低成本地过渡到新地大系统。欧洲还推出了a c t sf i r s t 计划，以研究探讨硬件开发的方法，把真正的软件无线电的灵活性用于新一代的 u m t s 系统( 主要是手机) 。 在移动通信方面，无论是第二代还是第三代移动通信，都有多种接口标准给 全球通信造成了一定的困难。如果采用软件无线电技术的基站和手机，通过选择 不同的软件模块，就可以工作于不同的模式。美韩合资的a i r c o m 公司于1 9 9 6 年1 1 月在北京召开的国际通信展览会上展示了它的软件无线电基站。这种基站 采用了开放式的硬件和软件结构，减小了体积，增强了可扩展性。 总之，目前人们对软件无线电的研究日趋深入细致，理论上己基本成熟，正 在进行各种应用的具体实践。 1 4 软件无线电的发展 随着标准处理器、数字信号处理器( d s p ) 的发展和软件互操作能力的提高， 使得研制不依赖于硬件结构的软件无线电系统成为可能。“易通话”( s p e a k e a s y ) 是软件无线电的基础，该计划由美国防部负责，目的是研制多频段、多模式、软 件可编程电台、使不同军种可在战场上或战场附近通信。“易通话”的互通性实 验于1 9 9 3 年在空军电子系统司令部所在地贝德福德进行。“易通话”i 装在6 英 尺的机架中，采用中频模数变换器、t i 公司t m s 3 2 0 c 3 0 d s p 芯片和e 波形因 素商用插件，这种通信方式表明电台可在软件的控制下在不同的频段上工作，并 利用不同的空中接( “模式”或“波形”) 把2 部不同电台连接起来。在吸取了“易 通话”i 研制经验的基础上，摩托罗拉公司研制了“易通话”i i ，并在国家训练 中心进行了类似的演示验证。 “易通话”电台的成功演示验证，促使来自全球范围内的5 0 多个公司成立 了模块化多功能信息传输系统( m m i t s ) 沦坛，后更名为“软件定义天线电( s d r ) ” 论坛。s d r 论坛的目的是加快软件无线电的研制、布署和使用，致力于使设备采 用开放式结构并制定相应的无线标准。该论坛的研究小组解决与软件无线电研制 塑坚盔兰堡主兰些丝苎 订关的关键问题。如软件下载、硬件和软件模块接口和协议等。 从理论上讲、这种开放式结构允许不同制造商都可为无线设备编制软件。按 照s d r 论坛的说法未来的软件电台类似于个人计算机，不是在电台小装入一大 堆软件、而是随文件配置信息一起装入几个软件块，给每个软件都分配一些重要 功能。该论坛规定的模式，允许根据通用体系结构定义的基础结构的多个平台采 用一个标准波形或一组波形。实际上，各制造商正在开展适合各白技术特长的软 件无线电工程，而且还有许多并不是该论坛成员的知名s d r 生产厂家，如德国的 r s 公司。毫无疑问，该论坛的活动以及其它国际性s d r 开发计划将不断推动软 件无线电的研究和发展。 可以预见，今后的软件无线电系统及技术的发展必将具有以下鲜明的特性： ( 1 ) 完全具有宽带的，接近天线的a d a 转换特性，是充分数字化的电台， 而不是目前的基于中频( ) 的混合数字化结构。也就是说，它应当从信 源基带信号的处理到射频信号的发生与接收都将实现数字化传输的全数 字化软件处理系统，即实现理想的软件无线电结构。 ( 2 ) 是“完全的可编程特性”的数字化无线电台。可通过更换模块插件或更换 不同软件即可适应多频段多模式的工作目标。它具有性能良好的多频段智 能天线和可编程的多频段、多功率的射频转换能力。 ( 3 ) 它是一种采用标准的、开放的、高性能的总线结构，支持模块化的设计， 可支持并行、流水线、分布式计算机和异种多处理机。 它可通过更换不同的软件及版本来方便地、低成本地增加、改进无线通信地 业务功能及系统通信性能。在移动软件无线电通信网内的各个信源终端还允许多 种通信业务( 话音、传真、数据、图像等) 接入。具有软件无线电结构的标准基 站还应具有和公共交换电话网( p s t n ) 互通能力及对自身系统地管理与维护能 力。 现将西方发达国家军用软件无线电的研制情况介绍如下。 1 、j t r s 美国利用软件无线电技术的主要工程是联合战术无线电系统( j t r s ) 。j t r s 旨在提供2 - - 2 0 0 0 m h z 频段的视距( l o s ) 和超视距( b l o s ) 话音、图像和数据传输， 以代替一系列战术电台。5 t r s 可以看作是“易通话”工程的延续。美军通讯与 电子设备司令部( c e c o m ) 领导的7 t r s 联合工程办公室代表各军兵种已就定义、支 持软件的开发以及样机系统的验证和生产签订了一系列合同。以雷声公司的指 挥、控制、通信与信息系统分公司为首的承包小组，包括i t t 工业公司、罗克韦 1 0 浙江大学硕士毕业论文 尔柯林斯公司和马可尼c n i 公司，已定义了j t r s 的体系结构，这是消除各军兵 种间和联合作战互通性这一基本问题所迈出的坚实一步。 雷声公司牵头的研究小组于2 0 0 0 年1 2 月交付了软件通信体系结构( s c a ) 的 最新版本，这是开发j t r s 应用程序的基础，交付软件通信体系结构是j t r s 工程 的第l 和第2 a 阶段。其它生产厂家包括哈里斯公司、波音公司、莫托罗拉公司 和t h a l e s 公司( 其前身为汤姆逊一c s f 公司和雷卡通信公司) 在内的制造商正在 对不断演变的软件通信体系结构标准进行验证，这属于2 b 阶段。其目的是看看 二 原始财团的制造商能否把硬件集成到所开发的结构中。以及能否给该结构编写 软件。在2 c 阶段，b a e 系统公司得到了一份1 4 0 0 万美元的“其它交易”合同， 研制验证软件通信体系结构的组网部分的工作样机。该合同要交付的设备包括 4 0 部工程研制模型和2 2 0 部外场试验用加固式2 信道j t r sb l o c k1 样机，对后 者的要求包括能把电台安装在车辆上，如删w v 改进型、m 1 0 6 8 履带式指挥车和 m 4 c 2 v 指挥车。 哈里斯公司以其a n p r c 一1 1 7 f ( c ) 费尔康i i 多频段电台为基础，实现其软 件通信体系结构合同中自己的那一部分项目。该电台目前供应给海军，具有几种 对j t r s 来说特别重要的特性，最值得一提的是，它是软件可编程的、可工作于 多个频段，并采用了多种波形。一些工作还涉及把电台的通信功能扩展列高频。 除了生成软件体系结构外，推动j t r s 计划的几种设想之一就是生成频谱效率更 高、数据容量更大的新波形，j t r s 面临的挑战是支持新的和不断出现的要求， 而不是仅仅重复老波形。 摩托罗拉公司的2 b 阶段合同要求利用其数字模块化电台( d m r ) 验证软件通 信体系结构，该数字模块化电台是该公司根据另一项合同为美国海军研制的，它 可支持d a m a 、h a v eq u l c k 和s i n c g a r s 波形，并可为4 a 链和1 1 号链提供数据链 覆盖。摩托罗拉公司要做的工作是使其数字模块化电台适合软件通信体系结构， 并演示包括a m 和p h 这2 种波形的完楚系统。 第3 步是竞争采购阶段，预计于2 0 0 3 - - 2 0 0 4 年开始。目前正在起草j t r s b l o c ki i 的需求，最终要取代近期数字化电台( n t d r ) 和j t r sb l o c ki 。要求j t r s b l o c ki i 可支持航空地面通信，且最少应有3 个信道b l o c ki ij t r s 将用于便 携手持电台，预计于2 0 0 4 - - 2 0 0 5 年开始工程与生产研制( e m d ) ，于2 0 0 7 年或 之前开始生产。手待式只有1 个信道( 目标是2 个信道) 。便携式有2 个信道( 目 标是4 个) ，其波形将包括e p l r s ，s i n c g a r se s i p i n c ，u h fd a i a ，g p s ，h a y e q u i c k 和宽带。 2 、m 3 t r 塑垩查兰堡主兰些丝墨 德国r s 公司已研制成功了用途非常广泛的商质量软件无线系列一m 3 t r 、 m 3 s r ( 4 4 0 0 系列) 和m 3 a r ( 6 0 0 系列) 。其通用性表现在3 个方面：多频段、多功 能和多模式。 m 3 t r 覆盖的频段包括h f 频段、战斗网电台( c n r ) 的w h f 频段、地一空通信 的v h f 频段高端以及地一空和卫虽通信的u h f 频段。多功能性意味着除了进行话 音传输外，还可以进行自动数据处理，并以较高的数据率进行数据传输，例如， 实时图像和视频显示，在线位置显示与分发。m 3 t r 可作为战斗网电台在战场网 络中进行半双工话音和数据传输；作为功能性终端集成到分组元线网( p r n ) ，具 有分组数据传输的多跳功能，在于扰和重新分配电台的情况下能实现路由自适 应；它还可以作为距离扩展商点( r e n ) 用于在不问通信频段和保密配置的电台间 建立话音和数据服务；作为无线接入点( r a p ) 时、m 3 t r 可为固定网络提供接口， 它还具有智能网关和转信功能。 m 3 s r 基于高度模块化的电台方案，其基本部件和选择件扩展部件很多。电 台配置可根据用户需求定制供海军海上通信、军事空中交通管制( a t c ) 、防空、 无线网络系统、移动站和特殊飞机( 如a w a c s ) 使用的无线电系统。 由于m 3 a r 的紧凑设计以及控制单元和收发信机间具有串行或并行接口，人 们可以方便地将其集成到当前的系统中。至于座舱类型，m 3 a i 可从形式和功能 上取代诸如a r c 1 6 4 之类的a n a r c 电台。 在军事应用中，防止侦收和干扰是非常重要的。r s 公司为m 3 t r 、m 3 s r 和m 3 a r 系列软件电台提供了综合保护措施。 3 、p d r 雷声公司及其伙伴t h a l e s 与英国国防部签订了可编程数字化电台( p d r ) 工 程的合同。该合同包括利用c o t s 硬件和标准接口研制可编程数字化电台技术的 一个两期工程计划的第一期工程。该研究小组目前先从事定义研究，而后开发语 言、解释程序和对象库，这些是能够为p d r 生成各种通信波形的波形编译程序的 3 个关键部分。第二期工程将涉及在各种数字化电台上运行选定的波形。 4 、m m r - - a d m 另一个t h a l e s 公司业务单位( 前汤姆逊一c s f 通信系统公司) 及其伙伴 e a d s ( 前d a i m l e rc h r y s l e r 航空公司) 正在进行一项由法国和德国政府联合投资 的庞大的软件无线电计划一多模式、多频段电台先进演示验证机模型( 姗r a i ) m ) 。州r a d m 作为具有无线功能的网络节点，将取代大量当前与称之为通信 服务器相连接的单个无线设备。研究人员称这些节点完全与传统系统兼容，但早 期型中没有北约的1 6 号链终端。法国和德国都各自对本国的波形和保密原理特 别感兴趣，主要是p r 4 g 和s e m9 3 波形，双方同时都对符合当前和未来标准化协 议( s t a n a g s ) 感兴趣。t h a l e s 和e a d s 将利用这一共同工程的成果建立各自的生 产线。预计于2 0 0 2 年交付删r a d m 样机，2 0 0 3 年将针对7 个建议的波形 ( h f v h f u h f ) 进行外场试验。 1 5 软件无线电的基本结构 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中 解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤 其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠近天线。软件无线 电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结 构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开发式总线结构，以利于 硬件模块的不断升级和扩展，理想软件无线电的组成结构如图卜6 所示。 图i - 6 软件无线电模型框图 软件无线电主要有天线、射频前端、宽带a d d a 转换器、通用和专用数字 信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般需要覆盖比较宽的频段， 例如i m h z 一2 g h z ，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。例如， 在军事通信中，可能需要、，h f u h f 的视距通信、u h f 卫星通信，h f 通信作为备用 通信方式。为便于实现，可在全频段甚至每个频段用几付天线，并智能化天线技 术。 射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤 波、放大、下变频等功能。在射频变换部分，宽带、线性、高效射频放大器的设 计和电磁兼容问题的处理是较困难的。当然如果采用射频直接数字化方式，射频 前端的功能可以进一步简化，但对数字处理的要求高。要实现射频直接带通采用， 要求a d 转换器有足够的工作带宽( 2 g h z 以上) ，较高的采样速率( 一般在6 0 m h z 以上) ，而且要有较高的转换位数，以提高动态范围。 模拟信号进行数字化后的处理任务全由d s p 软件承担。为了减轻d s p 的处理 压力。通常把a d 转换器传来的数字信号，经过专业数字信号处理器件( 如数字 下变频器d d c ) 处理，减低数据流速率，并把信号变至基带后，再把数据送给通 用d s p 进行处理。通用d s p 主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，例 如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等，还要完成 经信源编码后的前向纠错( f e e ) 、帧调整、比特填充和链路加密等算法。由于 d s p 技术和器件的发展，高速、超高速的数字信号处理器的不断涌现，如 7 f m s 3 2 0 c 6 4 x x 等，d s p 已能基本满足软件无线电的技术需求。如果采用多芯片并 行处理的方法，其处理能力还将大大提高。 软件无线电的结构基本上可以分为3 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。如下图l 一7 所示。 图1 7 射频低通采用数字化的理想软件无线 射频低通采样数字化的软件无线电，其结构简洁，把模拟电路的数量减少到 最低的程度，如图所示。从天线进来的信号经过滤波放大后就由a d 进行采样数 字化，这种结构不仅对a d 转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围提出 了非常高的要求，同时对后续d s p 或a s i c ( 专用集成电路) 的处理速度要求也 特别高，因为射频低通采样所需的采样速率至少是射频工作带宽的2 倍，例如工 作在1 m h z i g h z 的软件无线电接收机，其采样速率至少需要2 g h z ，这样高的采 样率，a d 能否达到暂且不说，后续的数字信号处理器也是难以满足要求的。 1 4 塑婆查堂堡主望些堡苎 图1 - 8 射频带通采样软件无线电结构 图卜8 所示的射频带通采样软件无线电结构可以较好地解决上述射频低通采 样软件无线电对a d 转换器、高速d s p 等要求过高、以至无法实现地问题。 这种射频带通采样软件无线电结构与低通采样软件无线电结构的主要不同 点是，a d 前采用了带宽相对较窄的电调滤波器，然后根据所需的带宽进行带通 采样。这样对a d 采样速率的要求就不高了，对后续d s p 的处理速度也可以随之 大大降低。但是需要指出的是，这种射频带通采样软件无线电结构对a o 工作带 宽的要求( 实际上主要是对a d 中采样保持器的速度要求) 仍然还是比较高。 宽带中频带通采样软件无线电结构与目前的中频数字化接收机的结构类似， 都采用了多次混频体制或叫超外差体制，如图卜9 所示。这种宽带中频软件无线 电结构的主要特点是中频带宽更宽( 例如2 0 m h z ) ，所有调制解调等功能全部由 软件加以实现。中频带宽宽是这种软件无线电与普通超外差中频数字接收机的本 质区别。显而易见，这种宽带中频带通采样软件无线电结构是上述三种结构中最 容易实现的，对器件的性能要求低，但它离软件无线电的要求最远，可扩展性、 灵活性也是最差的。 软件无线电的硬件具有开放性，其硬件必将采用总线式的结构。工业控制 图1 - 9 软件无线电的中频数字化结构 总线的总线标准很多，例如i s a 、p c i 、e i s a 、v e s a 、v m e 等。 1 6 本课题的研究背景和任务 “超短波软件无线电数传”项目是在“无线电网关”项目的基础上，增加数 传的功能。在这里有必要先介绍一下无线电网关。 1 6 1 研究背景 无线电网关采用软件无线电的设计思想，实现一个高度模块化的、多通道的 智能无线电通信平台，可以与陆、海、空三军现役的主要电台互通，并且具有无 线电网关的功能，可以沟通不同频段、不同体制的电台；以开放式总线( p c i 总 线) 结构为基础，中频以下的处理主要通过软件编程来完成，设备功能的扩充可 以通过增加软件模块的方式实现。我们参与的无线电网关项目主要是实现u h f 、 v h f 电台的互连互通，还有软件的c v s d 编码和解码，以及无线的话音检测等功 能。 无线电网关采用了p c i 总线结构，模块化的设计，下图卜1 0 是无线电网关 的结构图。 图1 i 0p c i 总线结构的无线电网关硬件平台模型 由于无线电网关，只是实现语音的互联互通。随着网络和无线数字通信技术的发 展，无线电网关的数传功能显的越来越迫切。本文的超短波软件无线电数传项目 就是在此背景下产生的。 1 6 2 本文所做的工作 通信的数字化进程，使得现代通信的发展，越来越依赖相关的数字信号处理。 而软件无线电是种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子 为技术支撑的新的无线通信体系结构。本文作者是在参加了“无线电网关”项目 1 6 浙江大学硕士毕业论文 后，接着参加了“超短波软件无线电数据传输”的项目，写的这篇论文。在这个 项目中，作者主要负责软件无线电无线数据传输的实施方案以及数字中频部分硬 件实现，最后实现了一种低速的