2009-6-5软件无线电.doc

软件无线电 定义 由于计算机与数字信号处理技术的高度发展和军事通信的迫切需要，在无线通信领域产生了一种突破性的新技术-软件无线电。近些年来，软件无线电技术已成为人们研究的一个热点。 软件无线电的概念是由MITRE公司的资深科学家美国人Jee Mitala在1992年5月的美国电信会议上首次明确提出的。软件无线电，概括起来就是两个尽可能：尽可能地将宽带模数和数模转换器靠近天线；尽可能地通过可编程的DSP器件，用软件来实现电台的各种功能。软件无线电的基本思想就是将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来。其最终目的是使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件来实现各种功能，使得系统的改进和升级都非常方便、代价小，同时不同系统间很容易互连与兼容。 软件无线电是一种基于宽带A/D、D/A器件、高速DSP芯片、以软件为核心的崭新体系结构，其主要特点是：1）软件无线电在射频或中频对接收信号进行数字化，通过软件编程灵活方便地实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信道均衡、信令控制、信源编码及加密解密等功能。2）软件无线电的高度可编程性和结构的标准化、模块化和开放性，使新业务、新技术的引入十分方便、经济，往往只需更新版本、加载新的软件模块或个别硬件模块即可实现。因此，软件无线电具有高度灵活性和很好的适应性，具有较长的生命周期。 软件无线电采用基于VME(Versa Module Europe)总线的硬件体系结构，主要包括以下功能模块：宽频带天线；宽频带射频前端；宽带A/D、D/A变换；数字中频滤波变频；多芯片并行DSP处理模块:完成单路或多路的基带、比特流、信源编码、加解密等数字信号处理；控制与接口模块：完成对射频前端及电台功能的控制，实现窄带A/D/A变换，并给用户提供各种模拟或数字接口（如话音、图象、传真、数据）。 系统的软件模块主要包括：DSP的指令、函数库；信号流变换库（FIR、IIR）：滤波、变换（傅里叶（FFT）、小波变换等）、波形合成等；调制解调算法库：AM、FM、FSK、BPSK、扩频、跳频等；信道纠错编码算法库：FEC、ARQ、交织编码等；信源编码算法库：图象编码（JPEM、MPEG、H.261、H.263等）、语音编码（PCM、CVSD、RPE-LTP、G.723等）；各类无线信令规程库。技术难点 从软件无线电的技术实现来说，决定性的步骤在于将A/D和D/A变换尽量向RF端靠拢。应用宽带天线或多频段天线，并将整个中频频段作A/D变换，此后整个的处理都用可编程数字器件特别是软件来实现。在宽带/多频段天线、高速ADC、高速处理部分等关键部分中包含了研制软件无线电台所面临的一些技术难点。 1)宽带/多频段天线 软件无线电台的天线必须覆盖多个频段，并且满足多信道不同方式同时通信的要求。射频频率和传播条件的不同使各频段对天线的要求存在巨大的差异，在多信道抗干扰方式下，要横跨HF/VHF/UHF及卫星通信多个频段，要求多倍频程带宽天线实现宽带匹配网络并与RF模块匹配。 软件无线电台对天线提出的要求是很高的，目前很难设计宽频带、低损耗天线和射频变换器，只能在技术可行性上和经济可行上采取折衷方案。 2)高速ADC 应用A/D-D/A技术，必须考虑几个重要的因素，包括采样方法的选择、带外能量的大小及影响、模拟滤波方法、量化噪声接收机噪声及失真的影响。常用的模拟数字变换（ADC）采样的方法有奈奎斯特采样、正交采样、带通采样和过采样。 理想的ADC位置应尽可能接近天线口，以便获得对通信电台设计的最大限度的可编程性，但目前受ADC性能指标的约束，还难以做到这一点。因为高速ADC的最高采样率限制了所能处理的已调信号频率；同时数字化采样的均匀量化中，模拟信号引入的量化噪声功率导致信号谐波失真，引起接收机灵敏度的恶化。不管最终采用何种A/D变换技术，ADC之前的抗扰滤波器都是至关重要的，对于采样速率较低的采样方法，对抗扰滤波器的要求更高。 软件无线电对ADC的技术要求如下： 取样方法应满足取样定理，适当加入抗混迭滤波器； 应尽量在中频或射频工作，以尽可能保证整机的全软件化； 减少量化噪声。 3)高速DSP技术 高速DSP芯片主要完成各种波形的调制解调和编解码过程。经宽带ADC变换后的数据流高达几十至上百兆位，对数字中频信号进行滤波、变频等处理往往要几百至上千Mops的运算资源和几十至几百兆位的I/O速度。因此必须采用高速并行的DSP多处理器模块或者专用集成电路，才可能达到要求。DSP是软件无线电的瓶颈。 软件无线电通信采用并行和顺序分割的算法，以获得所要求的处理能力。这就要求数字处理速度更快，必须利用多重处理分担工作。最近的发展趋势是将一个CPU和一个专用DSP核心集成在同一芯片上，将 CPU的通用性与DSP功能结合起来。 当系统处于实时操作时，数据必须从DSP输出和输入，这就造成DSP的I/O瓶颈问题。为了快速存取数据，要求有高速存储器，但这很昂贵，如果同时使用几个处理器，必须有连接和协调多个处理器工作的有效方法。传统的DSP结构不能很好地适应多重处理，因此必须研制新的DSP多重处理器结构。 目前已研制出的新的 DSP多重处理结构采用基于全局和局部存储器的多处理器互联技术，正是因这种互联的多处理器链路加快了数据流的速度，同时统一的地址空间和专门的控制操作简化了存储器存取和多重处理，而内部的存储器简化了I/O的数据流量，减轻了总线的瓶颈效应。但在输入输出带宽、多路处理深度和关键性片上存储器等方面，仍有较大的局限，还需进行深入研究。国外概况 软件无线电一经提出即受到军方的重视。长期以来，军用电台都是针对某些特定用途设计的，各种电台在发送和接收单元虽有许多共同功能，但它们之间也有很大差异，如不同的射频载波频率、调制方式和波形结构等，导致不同部队内部以及同一部队不同军事目的的电台无法实现互通，形成了军事通信装备品种杂、系列多、互通差、协同难的局面，很难适应未来海、陆、空一体化立体作战的需要。美军为了改变目前军用无线电互不兼容的现状，提出并实施了Speakeasy计划。该计划就是美军的军用软件无线电通信电台开发计划，其目标就是要设计出美军新一代无线电战术电台，该电台具有原15种以上战术电台的功能，其工作频段为22000MHz，具有多种模式（可传送话音、数据和图象等）、多种速率、多种调制方式（AM、FM、MPSK、QAM等）、多种接口（可以入有线网、卫星网等）方式和多种信息安全（INFOSEC）方式，其大部分功能用软件实现，并且是可编程的。该计划的第一期工程已经完成，并于1994年8月为政府代表做了成功演示，它同美军使用的多种电台如HAVE QUICK、HF Modem、ALE（自动链路建立）和SINCGARS进行了互通；Speakeasy还能同时与UHF波段的HAVE QUICK和VHF波段的SINCGARS跳频网进行通信，演示的业务包括话音、数据及图象等。演示的结果表明软件无线电不仅在技术上是完全可行的，而且还代表着未来军用电台的发展趋势。1995年美军启动了Speakeasy第二期工程，目标是完成一个实用系统，能够集成现役的15种主要军用电台。现在，美国在军用软件无线电开发与应用方面处于一定的领先水平。 此外，Ericsson、Motorola等公司对软件无线电用在移动基站方面进行了深入研究，同时，美国Airnet公司已研制出可灵活配置的基站。 总体来说，由于受到处理芯片速度及性能的限制，软件无线电这项新技术还不能得到完全意义上的实现，目前都采用了某种折衷方案进行实现。 软件无线电的实现，使无线通信的发展经历了继由模拟到数字、固定到移动之后由硬件到软件的第三次变革。在军用通信方面软件无线电代表了军用无线通信的未来。软件无线电也将越来越多地用于民用通信，尤其是在蜂窝移动通信方面，呈现了广阔的商业应用前景。可以预见，随着计算机、微电子及天线技术的发展，软件无线电必将成为21世纪无线电通信领域的核心技术。影响 软件无线电首先在军事通信领域得到应用，而后逐渐扩展到民用通信领域。随着该技术发展日臻完善，它将对国防武器装备和国民经济产生极大的影响。 软件无线电采用基于同一硬件安装不同的软件模块来实现不同性质通信功能的设计思想，满足了未来高技术条件下立体战争对通信保障的要求，实现了电台设计的模块化、