软件无线电技术

浅谈软件无线电技术及其在3G系统中的应用1软件无线电技术1、1软件无线电的概念1992年5月在美国通信系统会议上，JoeMitola首次提出了“软件无线电”(SoftwareRadio)的概念。软件无线电是一种实现无线通信的新的体系结构。它的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。这样无线通信新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来而无线通信产品的价值将越来越多地体现在软件上．打破了传统通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电的概念，最早是为军事通信的互联互通问题而提出来的。经过近十年的迅速发展软件无线电已发展成现代移动通信(特别是第三代移动通信)的基石。软件无线电的出现是通信领域继固定通信到移动通信、模拟通信到数字通信之后的第三次变革。1、2软件无线电的技术特点软件无线电的中心思想是构造一个开放性、标准化、模块化的通用硬件平台．将各种无线电通信功能如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等，用软件编程来完成．并使宽带A／D~I3D／A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。软件无线电技术的主要特点包括：(1)灵活性：工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接八方式和可编程的调制方式等。所以可任意更换信道接人方式，改变调制方式或接收不同系统的信号；可通过软件工具来扩展业务分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试升级便捷。(2)集中性：多个信道享有共同的射频前端与宽带A／D／A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。(3)模块化：模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准在硬件技术发展时．允许更换单个模块，从而使软件无线电保持较长的使用寿命。1、3软件无线电的关键技术1、3、1基于软件无线电的宽带多频段、多波束天线与智能天线软件无线电的天线要求有10倍频程以上的工作带宽，一般在1Mnz．3OHz左右。根据天线物理尺寸与信号波长的关系，这种宽频段天线按传统的方法是无法实现的。而实用中并没有必要全频段覆盖，只需要覆盖不同频段的几个窗口，因此可以采用组合宽带多频段天线和多波束天线。智能天线不仅在蜂窝移动通信系统中有着极其重要的作用，而且在军事上，特别是快速展开无线网络(RDRN)中发挥着越来越重要的作用。快速展开与移动意味着要在非常有限的时间来进行预先的频率、拓扑结构与一些特定功能的规划嘲。1、3、2宽带模／数(A／D)和数／模(D／A)转换技术根据软件无线电技术要求，将适合的模天线，尽可能地移至射频(RF)前端，减少模拟环节，则可在较高的中频乃至对射频信号直接进行数字化。这就要求A／D器件具有适中的采样频率和很高的工作带宽。一方面，信号的动态范围直接决定了模数转换器（ADC）所必须支持的分辨率；另一方面，在采样率和分辨率之间存在着平衡。一般采样率越高，分辨率越低。在满足采样率的情况下，ADC转换器要实现所要求的分辨率是一个技术难点。常用的解决方案有两种方式：并行采样和带通采样。1、3、3高速数字处理技术(DSP)在软件无线中，具备强大处理能力的数字处理核心是软件无线电技术的关键所在。理想的软件无线电系统要求对整个高频波段进行数字化，而且其后续的中频处理基带、比特流及其它功能都必须用软件来实现。但这些数据流量大，进行滤波、高频等处理运算次数多，这就要求DSP必须采用高效、实时、并行的数字处理器模块或采用集成电路来处理。在单个DSP处理器(DSPs)无法实现的情况下，可采用多个DSP技术，即DSP单元由多个DSPs或FPGAs(现场可编程门阵列处理器)和DSPs等混合体组成。其中，FPGAs具有强大的现场调整功能的能力，DSPs具有高速数据处理能力，两者优势互补。1、3、4高速总线软件无线电中采用总线结构，各功能部件之间的相互关系成为面向总线的单一关系。这样使无线通信产品易于实现模块化、标准化和通用化。例如，摩托罗拉公司为“易通话”计划设计了一个宽带的发送接收单元，它采用PCI总线，具有良好的用户界面。1．3．5软件无线电信息安全与网络功能以往软件无线电技术侧重于模块化和用软件来实现调制解调。目前，信息安全成为其必须考虑的一个方面，特别是军用软件无线电。加密处理计算软件可以被信息安全子系统分配到指定的信道，在明文工作模式时，它只提供简单的总线到总线的连接。在需要时，它可以对数据流提供实时的加密解密。例如，可以采用跳频软件，根据保存在信息安全模块中跳频图案进行频率更新。1.4软件无线电体系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台的各种功能，打破基于硬件、面向用途的电台设计方法。功能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(尤其是模拟环节j，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、高性能的开放式总线结构以利于硬件模块的不断升级和扩展。然而，上述理想的软件无线电台在现有的实际工程设计中难以实现．这是由于目前的高速DSP芯片、A／D转换芯片的处理能力还远未达到理想软件无线电要求的射频频段数字化的处理能力，因此在目前的实用软件无线电结构中，采用了一种折中的方案，即实用的软件无线电系统结构。中频数字化软件无线电的组成结构如图1所示。宽带/多频段天线宽带/多频段天线RF部分A/DD/ADDCDUC高速DSP专用可编程处理器低速DSP计算机图1中频数字化的软件无线电结构软件无线电主要由天线射频前端、宽带A／D-D／A转换器、通用和专用数字信号处理器(DSP)以及各种应用软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段，要求每个频段的特性均匀以满足各个频段使用的需要．并采用智能化天线技术。射频前端在发射时，主要完成上变频滤波、功率放大等任务：射频前端在接收时主要实现滤波、放大下变频等功能。A／D和D／A转换器主要是实现模拟信号与数字信号的互相转换。数字信号处理器(DSP)主要完成基带信号和处理调制解调信号的各种抗干扰、抗衰落、自适用均衡算法．信号源的编码、解码等。1、5软件无线电的核心思想软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化．将其变换为适合于数字信号处理器或计算机处理的数据流，然后通过软件(即对数据进行数学处理)来完成无线电台的各种功能。根据这一特点可知，软件无线电数学模型是软件、无线电工程设计以及专用集成电路设计的基础和前提，也是软件无线电理论分析的最佳途径。软件无线电突破了传统无线电台的局限性，可在同～硬件平台上通过选用不同的应用软件改变通信方式满足不同环境不同通信用途的需要。软件无线电技术又可以说是电磁兼容(EMC)技术的发展和延伸，一方面，软件无线电能根据不同通信要求主动兼容多种通信体制．提高频谱利用率：另一方面，软件无线电能根据所处电磁环境的情况，对调制方式天馈系统等作出选择调整提高系统抗干扰能力。因此软件无线电是在一定程度上的积极的电磁兼容技术。2．软件无线电技术在第三代移动通信(3G)系统中的应用第三代移动通信系统的主要目标是要将包括卫星在内的所有的网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统，它能提供宽带业务实现全球无缝覆盖。国际电信(ITU)提出的第三代移动通信系统ITM．2000，目前已有多种技术候选方案，而其中最有影响的三种技术方案为W-CDMA、CDMA2000(宽带分码多工存取的无线通信技术)以及中国TD-SCDMA(分时．同步分码多工存取无线通信技术)。ITM．2000计划将软件无线电技术应用到由中国提出的TD．SCDMA方案中，实现多频多模的可编程。该方案融合了当今国际领先技术——智能天线、同步CD．MA和软件无线电技术。另外两个组织对第三代移动通信系统开展得比较深入，一个是欧共体的ACTSFIRST项目，另一个是美国Rutgcrs大学。第三代移动通信系统中，目前普遍看好的是宽带CD．MA(W-CDMA)方案。Rutgers大学的研究侧重于将软件无线电技术应用于W．CDMA接收机。W-CDMA体制能够提供多种质量的多媒体业务，不同的多媒体业务对CDMA接收机的性能要求是不同的。而CDMA接收机的性能与其多用户检测的性能是密切相关的。目前提出的多用户检测算法一般都是通过计算复杂度的增加获取性能的提高。由于软件无线电接收机具有易于改变的特点，它可根据多媒体业务的技术要求动态地调用不同的多用户检测算法。由于目前DSP开发板的处理能力不够，这种接收机在中频和基带部分采用FPGA和DSP开发板实现，射频部分仍采用传统方法实现，目前尚未研制出样机。我国的TD．SCDMA移动通信技术的发展则提出了利用软件无线电技术完成设计的理念。SCDMA是一种同步的直接扩频CDMA技术。它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码技术等通信新技术。软件无线电是TD．SCDMA技术的核心技术之一。在SCDMA中软件无线电可实现如下技术功能：(1)提供一个开放的模块化的系统结构：(2)智能天线的实现；(3)同步检测的建立和保持；(4)用户终端口、D．QPCK(差分正交移相键控)解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪；(5)每码道功率的检测和发射功率控制的实现；(6)接收通道的电平检测和接收增益控制；(7)扩频调制与解调，包括Walsh(沃什)码和PN(伪随机)码的产生：(8)语音编译码；(9)DTMF(双音多频)、MFC(多频编码)及各种信号的产生和检测；(1O)信道编码、复接和分接；(11)发射脉冲成形滤波；(12)SWAP(交换)信令的差错检测；(13)接收信令的差错检测；(14)发射通道的数字预失真；(15)基站收发信机的校准。基于软件无线电技术并适应未来个人通信的移动系统应有以下技术特点：(1)在同一硬件平台上，通过软件的更新兼容现有的各种系统和以后将要出现的各种系统(包括各种体制的蜂窝系统、无绳系统、卫星系统和固定的无线系统)；(2)具有自动漫游能力，能在不同系统之间进行智能切换(包括自动检测，参数设备和自动进入)；（3)在公共空中接口的技术支持下，可以下载软件并进行自身软件更新；(4)有多址接入能力，有较宽的工作频带，应能在不同系统的不同频段下工作；(5)支持多种业务，如语音、数据、图像和传真等，并能根据业务流量、信道质量等，自动选择合适的传输信道；(6)自动选择通信模式，建立通信链路，采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。利用软件无线电技术，可以在平台上实现TD．SCDMA的智能天线结构，获得波达方向(DOA)估计等空间特征矢量，计算射频通道权重完成天线阵列的波束赋形，从而大大增加系统的有效容量，更有效地完成通信任务。实际上TD．SCDMA软件无线电的第一阶段将实现数字无线电，如图2所示。数字通信的基本特征是把数字信号作为载体传送信息，它传输的信号是“离散’，或“数字”的。数字通信系统是一种传输数字信号的系统。或者说，它是利用数字信号来传输信息的通信系统，其基本原理框图如图3所示。物理信道划分物理信道划分智能天线（空分多址）射频前端FDMAFDMAFDMA信道编码技术均衡技术卷积码TURBO码信道资源管理PRMAW-ATM业务数据语音编码图形编码数据图2软件无线电的数字无线电框图信息源信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字调制器信道译码器