軟件無線電及其在移動通信中的應(yīng)用

隨著數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理器（DSP）等通用可編程器件的運算能力成倍提高，而價格卻顯著下降，現(xiàn)代無線電系統(tǒng)越來越多的功能可以由軟件實現(xiàn)，因此產(chǎn)生了軟件無線電。軟件無線電的核心思想是將寬帶模／數(shù)（A／D）及數(shù)／模（D／A）變換器盡可能靠近射頻天線，并盡可能用軟件實現(xiàn)無線電功能。

1.軟件無線電的起源

軟件無線電起源于美國國防部的易通話（speakeasy）戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)計劃。1990年8月，美國國防部與Hazeltine公司簽訂了430萬美元的合同，開始易通話無線電系統(tǒng)第一階段的研制工作。其主要目標(biāo)是研制三軍通用的多頻段多功能無線電臺（MBMMR），工作頻段2～2000MHz，能兼容現(xiàn)有15種主要軍用電臺，同時與其中4種電臺通信。這項計劃已于1997年完成，并裝備部隊，最終將取代軍隊所有的傳統(tǒng)電臺。

2.軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信模式是源編碼、信道編碼、信道（加上噪聲、干擾、失真）傳輸、信道解碼和源解碼。標(biāo)準(zhǔn)軟件無線電采用基于標(biāo)準(zhǔn)虛擬機環(huán)境（VME）的硬件結(jié)構(gòu)，將射頻（RF）、中頻（IF）、基帶和比特流部分組裝在一個VME系統(tǒng)中，完成無線系統(tǒng)的基本功能，用工作站將用戶接口、研究工具、開發(fā)工具和本地信源編碼／解碼等集成在一起，提供對系統(tǒng)的軟件支持。天線、VME分系統(tǒng)和工作站構(gòu)成一個完整的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)。

軟件無線電的天線跨多個頻段，形式統(tǒng)一，損耗低。射頻部分完成輸出功率的產(chǎn)生及前置放大，將射頻信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)中頻信號，或?qū)?biāo)準(zhǔn)中頻信號轉(zhuǎn)換成射頻信號，該標(biāo)準(zhǔn)中頻信號適合A／D和D／A轉(zhuǎn)換。中頻部分完成中頻信號與已調(diào)基帶信號之間的變換（接收和發(fā)射），它的主要功能是頻率變換和濾波。基帶信號處理部分把數(shù)據(jù)流變換成適合信道傳輸?shù)幕鶐盘柡徒庹{(diào)基帶信號（含定時恢復(fù)），包括針對非線性信道的預(yù)失真、柵格編碼和軟判決參數(shù)估計等。比特流部分采用數(shù)字方式復(fù)接和分接多個用戶的比特流，這些比特流經(jīng)過信源編碼，包括前向糾錯碼FEC（如比特交織、分組或卷積編碼、ARQ等）幀定時、比特填充、無線鏈路加密等，它還具備信令、控制、運營、管理和維護等功能。

軟件無線電硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)寬帶A／D和D／A及高速DSP，建立VME公共硬件平臺，支持并行、流水線及異種多處理機。軟件采用基于OSI參考模型的分層軟件體系，支持開放式的模塊化設(shè)計。靈活應(yīng)用軟件無線電的基本硬軟件模塊，可使軟件無線電設(shè)備對傳播條件具有多種自適應(yīng)能力（包括頻率、功率、速率及多徑分集等），多種抗干擾能力（包括自適應(yīng)天線調(diào)零、自適應(yīng)干擾抵消、擴頻及跳頻等），靈活可變的多址方式（包括FDMA、TDMA、CDMA、SDMA及其混合等），用戶需要的多種業(yè)務(wù)（包括話音、傳真、數(shù)據(jù)及圖象等）及多種組網(wǎng)與接口能力等。

3.應(yīng)用

3.1蜂窩移動通信系統(tǒng)

在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，基站和移動終端采用軟件無線電結(jié)構(gòu)，硬件簡單，功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問模式及信道調(diào)制都可編程。在此系統(tǒng)中，軟件無線電的發(fā)射與其它系統(tǒng)不同，它先劃分可用的傳輸信道，探測傳播路徑，進行適合信道的調(diào)制，電子控制發(fā)射波束指向正確的方向，選擇合適的功率，然后再發(fā)射。接收也同樣如此，它能劃分當(dāng)前信道和相鄰信道的能量分布，識別輸入傳輸信號的模式，自適應(yīng)抵消干擾，估計所需信號多徑的動態(tài)特征，對多徑的所需信號進行相干合并和自適應(yīng)均衡，對信道調(diào)制進行柵格澤碼，然后通過FEC譯碼糾正剩余錯誤，盡可能降低誤比特率。此外，軟件無線電能通過許多軟件工具增加增值業(yè)務(wù)。這些軟件工具能幫助分析無線電環(huán)境，定義所需的增加內(nèi)容，在無線環(huán)境下，測試由軟件開發(fā)增值業(yè)務(wù)的樣板，最后通過軟件和（或）硬件開放該增值業(yè)務(wù)。

1998年7月，我國向ITU提交的第三代移動通信提案TD－SCDMA中就采用了軟件無線電技術(shù)。SCDMA的基站和終端設(shè)備采用高速DSP和高速A／D變換器，處理速度高于5000萬次／秒。在SCDMA系統(tǒng)中，軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)的功能包括采用IS－95或G.729標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)編碼速率8kb／S，質(zhì)量接近于64kb／SPCM編碼；直接序列碼分多址（DS－CDMA）的調(diào)制和解調(diào)；同步檢測和控制；天線波束的賦形（智能無線技術(shù)）；自動控制頻率、發(fā)射功率、接收增益和時延；用戶定位（確定用戶基站的方位和距離）；處理空中接口Um物理層；基帶預(yù)失真，以降低對收發(fā)信機線性的要求。軟件無線電通過硬件平臺安裝不同的軟件，完成不同的功能，因此可在不改變硬件設(shè)備的條件下，通過軟件升級來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

3.2智能天線

智能天線最初用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價格等因素，一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來，數(shù)字信號處理技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理芯片的處理能力不斷提高，芯片價格已可接受。同時，利用數(shù)字技術(shù)可在基帶形成天線波束，取代了模擬電路，提高了天線系統(tǒng)的可靠性和靈活程度。在我國的TD-CDMA方案中，基站采用智能天線技術(shù)，利用數(shù)字信號處理技術(shù)識別用戶信號到達方向，形成天線主波束；引入空分多址（SDMA）方式，根據(jù)用戶信號不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道；采用數(shù)字方法對陣元接收信號加權(quán)處理，形成無線波束，使主波束對準(zhǔn)用戶信號方向，在干擾信號方向，形成天線方向圖零陷或較低的功率增益，達到抑制干擾目的。

SCDMA無線用戶環(huán)路的智能天線及基帶處理器。

使用智能無線的優(yōu)勢在于：（1）無線波束賦形的結(jié)果等效于提高天線的增益；（2）天線波束賦形后，可大大減少多徑干擾；（3）信號到達方向（DOA）提供了用戶終端的方位信息，用于實現(xiàn)用戶定位；（4）用多個小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了設(shè)備可靠性。

3.3多頻多模手機

在歐共體的ACTSFIRST項目中，將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計多頻/多模（可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及現(xiàn)有的大多數(shù)模擬體制）可編程手機。它可自動檢測接收信號，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，而且能滿足不同接續(xù)時間的要求。軟件無線電技術(shù)可用不同軟件實現(xiàn)不同無線電設(shè)備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調(diào)制方式，利用不同軟件即可適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)，