软件无线电技术综述_陶玉柱

2011年第01期，第44卷 通 信 技 术 Vol.44，No.01,2011 总第229期 Communications Technology No.229,Totally软件无线电技术综述陶玉柱， 胡建旺， 崔佩璋（军械工程学院 光学与电子工程系，河北 石家庄 050003）【摘 要】软件无线电是最近几年提出的一种实现无线电通信的体系结构 ,被认为是继模拟通信、数字通信之后的第三代无线电通信技术。

在无线电应用领域，软件无线电已经成为一个重要的研究课题。

特别是在信息成为主导市场竞争优胜劣汰、军事斗争成败等重大问题的关键因素后，软件无线电技术作为一种有利于技术体制改革创新、有利于提高信息处理能力的关键技术，已经得到了飞速的发展。

介绍了软件无线电的基本概念、功能结构、关键技术等问题，同时阐述了软件无线电的应用和发展前景。

【关键词】软件无线电；高速DSP；认知无线电【中图分类号】TN924.1 【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2011)01-0037-03An Overview of Software RadioTAO Yu-zhu， HU Jian-wang， CUI Pei-zhang(Department of Optics and Electronic Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang Hebei 050003, China)【Abstract】Software radio is a recently proposed system in realizing wireless communication, and is regarded as the 3rd generation wireless communication technique following the analog communication and the digital communication. Software radio technology has become an important subject in the field of radio application. Especially when the information becomes the key factor to dominating the market competition and the victory of a military warfare, SDR, as a technology in favour of reform and innovation of the system and of information processing ability, has already achieved fast development. This paper describes its concept, function structure and some key techniques, including its applications and development prospects.【Key words】software radio; high-speed DSP; cognitive radio0 引言伴随着通信系统由模拟体制向数字体制的逐步转变，无线通信得到了飞速发展。

但传统的通过硬件设备改造升级来完成无线通信新技术改革的方法带来了很多问题，如不同通信系统的兼容性差、互联互通互操作程度低、浪费成本不利于新技术的普及推广等，大大制约了无线电技术的进一步发展。

尤其是在信息成为主导通信领域的关键因素后，如何有效的提高信息的传输速率，以及适应新情况即使做出技术升级与改造，已经成为通信领域的关键问题[1]。

在这种情况下，软件无线电技术作为实现通信的新概念和新体制应运而生。

1 软件无线电技术概述1.1 软件无线电的概念软件无线电的概念最早是在1992年5月由Jeo Mitola首次提出的，即可编程或可重构电台当时提出的这个概念具有一定的局限性，后来随着技术发展和研究深入，软件无线电论坛对软件无线电进行了重新定义，即软件无线电是指能够实现充分可编程通信，对信息进行有效控制，覆盖多个频段，支持大量波形和应用软件的通信设备。

也就是说，一个无线电系统中，天线以后就数字化，对信号的所有的必要的处理都由存放在高速数字信号处理器中的软件来完成。

软件无线电的基本思想就是以一个通用、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台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。

功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理(宽带模数变换器收稿日期：2010-06-08。

作者简介：陶玉柱（1986-），男，硕士，主要研究方向为战场信息处理及信息应用；胡建旺（1967-），男，副教授，主要研究方向为通信设备检测、自动化测试；崔佩璋（1972-），男，讲师，主要研究方向为情报指挥系统及无线通信。

3738 (A/D)及数模变换器(D/A))尽可能地靠近射频天线，建立一个具有“A/D-DSP-D/A ”模型的、通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块，系统的升级是通过软件来实现的[2]。

1.2 软件无线电的基本特性（1）可重构性可重构性是软件无线电最根本的特性，软件无线电必须在软件和硬件两方面都支持系统重构，才具有通过改变所运行的软件来定义系统功能的能力。

可重构性可以是系统级的，支持系统在整体功能和各个层次上模拟各种虚拟设备；也可以仅仅是无线接口的重构，也可以是改变其中的某个算法。

具备可重构性是作为软件无线电的必要条件。

（2）灵活性灵活性是指系统在不改变软/硬件结构的条件下，对可重构性的适应能力。

软件无线电不仅能够被精确配置成各种不同的虚拟设备，还要支持不断涌现的新技术和新功能。

没有灵活性，系统可重构的优越性就会随之丧失，也就不能称作是软件无线电。

（3）模块化模块化就是将定义系统的各个任务分解为相互独立的软件和硬件模块，这些模块通过接口以逻辑的方式连接起来形成所需要的系统功能。

从理论上讲，软件无线电即使不按模块化设计，也能够支持各种重构，但是系统设计和重构的过程变得十分复杂，以至于难以实现，而且由于配件之间相互关联紧密，牵一发而动全身，基本丧失了新技术和新功能嵌入的能力。

因此，模块化也被视为软件无线电的基本特性。

2 软件无线电的功能结构软件无线电的基本平台主要包括：天线、多频段射频转换器、宽带A/D 和D/A 转换器和DSP 处理器几部分。

理图1 理想的软件无线电系统结构其常用结构基本可以分为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数字化采样结构[3]。

2.1 射频低通采样数字化结构这种结构是一种理想的软件无线电结构，如图2所示。

图2 射频低通采样数字化结构它将数字化程度扩展到最大，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，特别符合软件无线电概念的需要，但它对A/D 转换器的性能提出了非常高的要求，对后续DSP 的处理速度要求也特别高，目前还不能很好的解决上述问题，因此，射频带通采样数字化结构作为一种折中的解决方案被提到了发展研究的日程上来。

2.2 射频带通采样数字化结构这种结构与低通采样数字化结构最大的区别就在于A/D 前采用了带宽相对较窄的电调滤波器，如图3所示。

然后根据所需的处理带宽进行带通采样，大大降低了对A/D 采样速率以及DSP处理速度的要求。

图3 射频带通采样数字化结构2.3 宽带中频数字化采样结构此软件无线电结构与目前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4所示。

图4 软件无线电的中频数字化结构它的主要特点是中频带宽更宽(比如20 MHz)，所有调制解调等功能全部由软件加以实现。

中频带宽比较宽是这种软件无线电与普通超外差中频数字化接收机的本质区别。

显而易见，这种宽带中频带通采样软件无线电结构是上述3种结构中最容易实现的，对器件的性能要求最低。

但它离理想软件无线电的要求最远，可扩展性、灵活性也是最差的。

3 软件无线电的关键技术软件无线电能够普及使用在技术上至少要做到三点：A/D 转换器要尽量的靠近天线；用软件处理取代硬件处理；数字信号处理要尽量用通用微处理器替代专用集成电路，以降低成本。

这就要求软件无线电系统要采用一些关键技术来解决上述问题。

3.1 宽带／多频段天线技术软件无线电台覆盖的频段从2~2 000 MHz ，就目前水平而言研制出一种全频段天线是不可能的。

但在实际应用中并没有必要全频段覆盖，而只需覆盖不同频段的几个窗口，因此可以采用组合式多频段天线。

3.2 宽带A/D 部分决定宽带模/数性能的关键因素是采样速率和位数，采样速率是由信号带宽决定的，量化位数则要求满足一定的动态范围和数字信号处理精度，目前的A/D还不能同时满足速率和采样位数的要求。

解决的办法是用多个高速的采样保持电路和ADC，然后通过并串转换将量化速度降低，以提高采样分辨率。

此外，适合于低分辨率、高采样率的A/D编码调制方案也是解决这个问题的有效途径。

3.3 高速DSP技术数字信号处理部分是软件无线电技术的核心，高速DSP 的运算能力高低将直接影响到软件无线电系统性能的好坏。

模拟信号经A/D转换至数字信号后，进入高速DSP处理模块进行数字信号处理，包括信号编解码、调制解调、加解密形式、载波频率生成、工作模式转换等功能。

该模块的功能实现直接影响系统的整体水平。

3.4 中频处理技术发射端中频处理部分是实现已调基带信号与中频信号之间的变换，这种变换通过离散时间点运算来实现；接收端中频处理部分包括宽带数字滤波，可从可用的业务波段中选出一个来，恢复出中等带宽的用户信道，同时将信号转换到基带。

频率变换和滤波的复杂程度决定了中频段对处理能力的需求，其功能完成要求用数字处理方法来实现[4]。

4 软件无线电技术的应用与发展展望4.1 软件无线电技术的应用参考文献[5]。

在军用方面，最早的三军软件无线电台是由美国率先研制开发的“易通话”系统。

“易通话”计划由美国国防高级研究计划局（DARPA）提出，由空军Rome实验室管理，三军联和国防高级计划局资助。

它采用了模块化结构，符合开放标准的物理电气接口。

工作频段为2 MHz～2 GHz，能够同时处理4种不同的信号波形，兼容美军15种以上的在役或在研电台，战场适应性较强。

美军联合指挥无线电系统（JIRS）是美军为适应三军联合作战的需要，在多频段多功能电台MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。