軟件無線電技術(shù)

淺談軟件無線電技術(shù)及其在3G系統(tǒng)中的應(yīng)用1軟件無線電技術(shù)1、1軟件無線電的概念1992年5月在美國通信系統(tǒng)會(huì)議上，JoeMitola首次提出了“軟件無線電”(SoftwareRadio)的概念。軟件無線電是一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)。它的基本概念是把硬件作為無線通信的基本平臺(tái)，把盡可能多的無線通信及個(gè)人通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)。這樣無線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開發(fā)將逐步轉(zhuǎn)到軟件上來而無線通信產(chǎn)品的價(jià)值將越來越多地體現(xiàn)在軟件上．打破了傳統(tǒng)通信功能的實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局。軟件無線電的概念，最早是為軍事通信的互聯(lián)互通問題而提出來的。經(jīng)過近十年的迅速發(fā)展軟件無線電已發(fā)展成現(xiàn)代移動(dòng)通信(特別是第三代移動(dòng)通信)的基石。軟件無線電的出現(xiàn)是通信領(lǐng)域繼固定通信到移動(dòng)通信、模擬通信到數(shù)字通信之后的第三次變革。1、2軟件無線電的技術(shù)特點(diǎn)軟件無線電的中心思想是構(gòu)造一個(gè)開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)．將各種無線電通信功能如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等，用軟件編程來完成．并使寬帶A／D~I3D／A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。軟件無線電技術(shù)的主要特點(diǎn)包括：(1)靈活性：工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號(hào)接八方式和可編程的調(diào)制方式等。所以可任意更換信道接人方式，改變調(diào)制方式或接收不同系統(tǒng)的信號(hào)；可通過軟件工具來擴(kuò)展業(yè)務(wù)分析無線通信環(huán)境、定義所需增強(qiáng)的業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)環(huán)境測試升級(jí)便捷。(2)集中性：多個(gè)信道享有共同的射頻前端與寬帶A／D／A變換器以獲取每一信道的相對(duì)廉價(jià)的信號(hào)處理性能。(3)模塊化：模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標(biāo)符合開放標(biāo)準(zhǔn)在硬件技術(shù)發(fā)展時(shí)．允許更換單個(gè)模塊，從而使軟件無線電保持較長的使用壽命。1、3軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)1、3、1基于軟件無線電的寬帶多頻段、多波束天線與智能天線軟件無線電的天線要求有10倍頻程以上的工作帶寬，一般在1Mnz．3OHz左右。根據(jù)天線物理尺寸與信號(hào)波長的關(guān)系，這種寬頻段天線按傳統(tǒng)的方法是無法實(shí)現(xiàn)的。而實(shí)用中并沒有必要全頻段覆蓋，只需要覆蓋不同頻段的幾個(gè)窗口，因此可以采用組合寬帶多頻段天線和多波束天線。智能天線不僅在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中有著極其重要的作用，而且在軍事上，特別是快速展開無線網(wǎng)絡(luò)(RDRN)中發(fā)揮著越來越重要的作用?？焖僬归_與移動(dòng)意味著要在非常有限的時(shí)間來進(jìn)行預(yù)先的頻率、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與一些特定功能的規(guī)劃嘲。1、3、2寬帶模／數(shù)(A／D)和數(shù)／模(D／A)轉(zhuǎn)換技術(shù)根據(jù)軟件無線電技術(shù)要求，將適合的模天線，盡可能地移至射頻(RF)前端，減少模擬環(huán)節(jié)，則可在較高的中頻乃至對(duì)射頻信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字化。這就要求A／D器件具有適中的采樣頻率和很高的工作帶寬。一方面，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍直接決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）所必須支持的分辨率；另一方面，在采樣率和分辨率之間存在著平衡。一般采樣率越高，分辨率越低。在滿足采樣率的情況下，ADC轉(zhuǎn)換器要實(shí)現(xiàn)所要求的分辨率是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。常用的解決方案有兩種方式：并行采樣和帶通采樣。1、3、3高速數(shù)字處理技術(shù)(DSP)在軟件無線中，具備強(qiáng)大處理能力的數(shù)字處理核心是軟件無線電技術(shù)的關(guān)鍵所在。理想的軟件無線電系統(tǒng)要求對(duì)整個(gè)高頻波段進(jìn)行數(shù)字化，而且其后續(xù)的中頻處理基帶、比特流及其它功能都必須用軟件來實(shí)現(xiàn)。但這些數(shù)據(jù)流量大，進(jìn)行濾波、高頻等處理運(yùn)算次數(shù)多，這就要求DSP必須采用高效、實(shí)時(shí)、并行的數(shù)字處理器模塊或采用集成電路來處理。在單個(gè)DSP處理器(DSPs)無法實(shí)現(xiàn)的情況下，可采用多個(gè)DSP技術(shù)，即DSP單元由多個(gè)DSPs或FPGAs(現(xiàn)場可編程門陣列處理器)和DSPs等混合體組成。其中，F(xiàn)PGAs具有強(qiáng)大的現(xiàn)場調(diào)整功能的能力，DSPs具有高速數(shù)據(jù)處理能力，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)。1、3、4高速總線軟件無線電中采用總線結(jié)構(gòu)，各功能部件之間的相互關(guān)系成為面向總線的單一關(guān)系。這樣使無線通信產(chǎn)品易于實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。例如，摩托羅拉公司為“易通話”計(jì)劃設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶的發(fā)送接收單元，它采用PCI總線，具有良好的用戶界面。1．3．5軟件無線電信息安全與網(wǎng)絡(luò)功能以往軟件無線電技術(shù)側(cè)重于模塊化和用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)。目前，信息安全成為其必須考慮的一個(gè)方面，特別是軍用軟件無線電。加密處理計(jì)算軟件可以被信息安全子系統(tǒng)分配到指定的信道，在明文工作模式時(shí)，它只提供簡單的總線到總線的連接。在需要時(shí)，它可以對(duì)數(shù)據(jù)流提供實(shí)時(shí)的加密解密。例如，可以采用跳頻軟件，根據(jù)保存在信息安全模塊中跳頻圖案進(jìn)行頻率更新。1.4軟件無線電體系結(jié)構(gòu)軟件無線電的基本思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各種功能，打破基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法。功能軟件化的實(shí)現(xiàn)方法勢必減少功能單一、靈活性差的硬件電路(尤其是模擬環(huán)節(jié)j，把數(shù)字化處理(A／D和D／A變換)盡量靠近天線。軟件無線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)新的功能。軟件無線電采用標(biāo)準(zhǔn)、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)以利于硬件模塊的不斷升級(jí)和擴(kuò)展。然而，上述理想的軟件無線電臺(tái)在現(xiàn)有的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)．這是由于目前的高速DSP芯片、A／D轉(zhuǎn)換芯片的處理能力還遠(yuǎn)未達(dá)到理想軟件無線電要求的射頻頻段數(shù)字化的處理能力，因此在目前的實(shí)用軟件無線電結(jié)構(gòu)中，采用了一種折中的方案，即實(shí)用的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。中頻數(shù)字化軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。寬帶/多頻段天線寬帶/多頻段天線RF部分A/DD/ADDCDUC高速DSP專用可編程處理器低速DSP計(jì)算機(jī)圖1中頻數(shù)字化的軟件無線電結(jié)構(gòu)軟件無線電主要由天線射頻前端、寬帶A／D-D／A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)以及各種應(yīng)用軟件組成。軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，要求每個(gè)頻段的特性均勻以滿足各個(gè)頻段使用的需要．并采用智能化天線技術(shù)。射頻前端在發(fā)射時(shí)，主要完成上變頻濾波、功率放大等任務(wù)：射頻前端在接收時(shí)主要實(shí)現(xiàn)濾波、放大下變頻等功能。A／D和D／A轉(zhuǎn)換器主要是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的互相轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)主要完成基帶信號(hào)和處理調(diào)制解調(diào)信號(hào)的各種抗干擾、抗衰落、自適用均衡算法．信號(hào)源的編碼、解碼等。1、5軟件無線電的核心思想軟件無線電的核心思想是對(duì)天線感應(yīng)的射頻模擬信號(hào)盡可能地直接進(jìn)行數(shù)字化．將其變換為適合于數(shù)字信號(hào)處理器或計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)流，然后通過軟件(即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理)來完成無線電臺(tái)的各種功能。根據(jù)這一特點(diǎn)可知，軟件無線電數(shù)學(xué)模型是軟件、無線電工程設(shè)計(jì)以及專用集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，也是軟件無線電理論分析的最佳途徑。軟件無線電突破了傳統(tǒng)無線電臺(tái)的局限性，可在同～硬件平臺(tái)上通過選用不同的應(yīng)用軟件改變通信方式滿足不同環(huán)境不同通信用途的需要。軟件無線電技術(shù)又可以說是電磁兼容(EMC)技術(shù)的發(fā)展和延伸，一方面，軟件無線電能根據(jù)不同通信要求主動(dòng)兼容多種通信體制．提高頻譜利用率：另一方面，軟件無線電能根據(jù)所處電磁環(huán)境的情況，對(duì)調(diào)制方式天饋系統(tǒng)等作出選擇調(diào)整提高系統(tǒng)抗干擾能力。因此軟件無線電是在一定程度上的積極的電磁兼容技術(shù)。2．軟件無線電技術(shù)在第三代移動(dòng)通信(3G)系統(tǒng)中的應(yīng)用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要目標(biāo)是要將包括衛(wèi)星在內(nèi)的所有的網(wǎng)絡(luò)融合為可以替代眾多網(wǎng)絡(luò)功能的統(tǒng)一系統(tǒng)，它能提供寬帶業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。國際電信(ITU)提出的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)ITM．2000，目前已有多種技術(shù)候選方案，而其中最有影響的三種技術(shù)方案為W-CDMA、CDMA2000(寬帶分碼多工存取的無線通信技術(shù))以及中國TD-SCDMA(分時(shí)．同步分碼多工存取無線通信技術(shù))。ITM．2000計(jì)劃將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用到由中國提出的TD．SCDMA方案中，實(shí)現(xiàn)多頻多模的可編程。該方案融合了當(dāng)今國際領(lǐng)先技術(shù)——智能天線、同步CD．MA和軟件無線電技術(shù)。另外兩個(gè)組織對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)開展得比較深入，一個(gè)是歐共體的ACTSFIRST項(xiàng)目，另一個(gè)是美國Rutgcrs大學(xué)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，目前普遍看好的是寬帶CD．MA(W-CDMA)方案。Rutgers大學(xué)的研究側(cè)重于將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于W．CDMA接收機(jī)。W-CDMA體制能夠提供多種質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)，不同的多媒體業(yè)務(wù)對(duì)CDMA接收機(jī)的性能要求是不同的。而CDMA接收機(jī)的性能與其多用戶檢測的性能是密切相關(guān)的。目前提出的多用戶檢測算法一般都是通過計(jì)算復(fù)雜度的增加獲取性能的提高。由于軟件無線電接收機(jī)具有易于改變的特點(diǎn)，它可根據(jù)多媒體業(yè)務(wù)的技術(shù)要求動(dòng)態(tài)地調(diào)用不同的多用戶檢測算法。由于目前DSP開發(fā)板的處理能力不夠，這種接收機(jī)在中頻和基帶部分采用FPGA和DSP開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，射頻部分仍采用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)，目前尚未研制出樣機(jī)。我國的TD．SCDMA移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展則提出了利用軟件無線電技術(shù)完成設(shè)計(jì)的理念。SCDMA是一種同步的直接擴(kuò)頻CDMA技術(shù)。它結(jié)合了智能天線、軟件無線電及全質(zhì)量話音壓縮編碼技術(shù)等通信新技術(shù)。軟件無線電是TD．SCDMA技術(shù)的核心技術(shù)之一。在SCDMA中軟件無線電可實(shí)現(xiàn)如下技術(shù)功能：(1)提供一個(gè)開放的模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：(2)智能天線的實(shí)現(xiàn)；(3)同步檢測的建立和保持；(4)用戶終端口、D．QPCK(差分正交移相鍵控)解調(diào)器中的載波恢復(fù)、頻率校準(zhǔn)和跟蹤；(5)每碼道功率的檢測和發(fā)射功率控制的實(shí)現(xiàn)；(6)接收通道的電平檢測和接收增益控制；(7)擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)，包括Walsh(沃什)碼和PN(偽隨機(jī))碼的產(chǎn)生：(8)語音編譯碼；(9)DTMF(雙音多頻)、MFC(多頻編碼)及各種信號(hào)的產(chǎn)生和檢測；(1O)信道編碼、復(fù)接和分接；(11)發(fā)射脈沖成形濾波；(12)SWAP(交換)信令的差錯(cuò)檢測；(13)接收信令的差錯(cuò)檢測；(14)發(fā)射通道的數(shù)字預(yù)失真；(15)基站收發(fā)信機(jī)的校準(zhǔn)?；谲浖o線電技術(shù)并適應(yīng)未來個(gè)人通信的移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)有以下技術(shù)特點(diǎn)：(1)在同一硬件平臺(tái)上，通過軟件的更新兼容現(xiàn)有的各種系統(tǒng)和以后將要出現(xiàn)的各種系統(tǒng)(包括各種體制的蜂窩系統(tǒng)、無繩系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和固定的無線系統(tǒng))；(2)具有自動(dòng)漫游能力，能在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行智能切換(包括自動(dòng)檢測，參數(shù)設(shè)備和自動(dòng)進(jìn)入)；（3)在公共空中接口的技術(shù)支持下，可以下載軟件并進(jìn)行自身軟件更新；(4)有多址接入能力，有較寬的工作頻帶，應(yīng)能在不同系統(tǒng)的不同頻段下工作；(5)支持多種業(yè)務(wù)，如語音、數(shù)據(jù)、圖像和傳真等，并能根據(jù)業(yè)務(wù)流量、信道質(zhì)量等，自動(dòng)選擇合適的傳輸信道；(6)自動(dòng)選擇通信模式，建立通信鏈路，采用合適的通信協(xié)議和信號(hào)格式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端通信。利用軟件無線電技術(shù)，可以在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)TD．SCDMA的智能天線結(jié)構(gòu)，獲得波達(dá)方向(DOA)估計(jì)等空間特征矢量，計(jì)算射頻通道權(quán)重完成天線陣列的波束賦形，從而大大增加系統(tǒng)的有效容量，更有效地完成通信任務(wù)。實(shí)際上TD．SCDMA軟件無線電的第一階段將實(shí)現(xiàn)數(shù)字無線電，如圖2所示。數(shù)字通信的基本特征是把數(shù)字信號(hào)作為載體傳送信息，它傳輸?shù)男盘?hào)是“離散’，或“數(shù)字”的。數(shù)字通信系統(tǒng)是一種傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)?；蛘哒f，它是利用數(shù)字信號(hào)來傳輸信息的通信系統(tǒng)，其基本原理框圖如圖3所示。物理信道劃分物理信道劃分智能天線（空分多址）射頻前端FDMAFDMAFDMA信道編碼技術(shù)均衡技術(shù)卷積碼TURBO碼信道資源管理PRMAW-ATM業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)語音編碼圖形編碼數(shù)據(jù)圖2軟件無線電的數(shù)字無線電框圖信息源信息源信源編碼器信道編碼器數(shù)字調(diào)制器信道數(shù)字調(diào)制器信道譯碼器