關(guān)于無(wú)線電通信系統(tǒng)的軟件化設(shè)計(jì)問(wèn)題研究

摘要：軟件無(wú)線電是近年來(lái)國(guó)際上剛剛興起的一項(xiàng)新技術(shù)，是一種實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的新體制，是無(wú)線通信領(lǐng)域歷經(jīng)從模擬通信到數(shù)字通信、從固定通信到移動(dòng)通信后的第三次變革，它的實(shí)現(xiàn)將使通信硬件設(shè)備跟上無(wú)線電技術(shù)迅速發(fā)展的步伐，延長(zhǎng)通信設(shè)備的使用壽命，并降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)周期，促進(jìn)社會(huì)、科技極大進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：通信系統(tǒng)；軟件無(wú)線電

1軟件無(wú)線電概念提出的背景

軟件無(wú)線電技術(shù)最初是為解決軍方各種專(zhuān)有用途無(wú)線電臺(tái)間互通困難的問(wèn)題而首先在軍事領(lǐng)域中提出的。長(zhǎng)期以來(lái)，由于無(wú)線通信具有設(shè)備簡(jiǎn)單、便于攜帶、易于操作、架設(shè)方便等特點(diǎn)，成為軍事領(lǐng)域中不可或缺的重要通信手段。然而，軍用電臺(tái)往往是根據(jù)某種特定的用途而設(shè)計(jì)的，功能單一，雖然有些電臺(tái)基本結(jié)構(gòu)相似，但是信號(hào)特征差異很大，這便極大地限制了不同電臺(tái)之間的互聯(lián)互通，給部隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)帶來(lái)了困難。而現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)各軍兵種甚至多國(guó)軍隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)，因此，多種通信體制間的互聯(lián)互通要求在軍事領(lǐng)域成了日益突出的矛盾。同樣，目前在民用、商用無(wú)線通信領(lǐng)域中同樣也存在著多種通信體制間難以互通的矛盾。為了解決此矛盾，在過(guò)去幾年里，軟件無(wú)線電技術(shù)隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)等的進(jìn)步，得以迅猛發(fā)展。

2 軟件無(wú)線電的定義

軟件無(wú)線電是特指用軟件來(lái)定義和實(shí)現(xiàn)各種功能的多功能智能化無(wú)線電通信設(shè)備。它的核心是:將寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，在基本硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，盡可能地采用軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。這樣，無(wú)線通信系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性，使系統(tǒng)互聯(lián)和升級(jí)非常方便。軟件無(wú)線電被認(rèn)為是繼模擬通信到數(shù)字通信、固定通信到移動(dòng)通信之后無(wú)線通信領(lǐng)域的第三次突破。

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，日益提高的硬件工藝水平以及日臻成熟的可編程器件和EDA工具，使軟件無(wú)線電由概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用成為可能。無(wú)論是從軍用還是商用或是民用的要求考慮，軟件無(wú)線電都是通信系統(tǒng)用戶(hù)需求的必然產(chǎn)物。軍用無(wú)線電系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)海陸空一體化的立體戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境，要求在不同頻段、不同通信體制和不同的管理體制下均可以互聯(lián)通信，商業(yè)和民用客戶(hù)要求通信體制能支持多媒體服務(wù)，包括移動(dòng)通信、高速傳真和高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。為了滿(mǎn)足這些服務(wù)需求，物理層需要有高度靈活性和適應(yīng)性，必須有兼容多標(biāo)準(zhǔn)的操作和功能。傳統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)對(duì)多標(biāo)準(zhǔn)通信解決方法并不靈活，當(dāng)介質(zhì)和信道特性改變時(shí)，硬件就必須完全更新。尤其是在當(dāng)今無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)和接口種類(lèi)層出不窮的時(shí)期，為了節(jié)約成本，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，傳統(tǒng)的無(wú)線電通信系統(tǒng)必將被每層可軟件重構(gòu)的軟件無(wú)線電設(shè)備所取代。軟件無(wú)線電的出現(xiàn)，使無(wú)線電技術(shù)由以硬件為主的時(shí)代走向了以軟件為主的時(shí)代。

軟件無(wú)線電的主要特點(diǎn)可以歸納如下:

具有很強(qiáng)的靈活性。軟件無(wú)線電可以通過(guò)增加軟件模塊，很容易地增加新的功能?？梢耘c其它任何電臺(tái)進(jìn)行通信，并可以作為其它電臺(tái)的射頻中繼?？梢酝ㄟ^(guò)無(wú)線加載來(lái)改變軟件模塊或更新軟件。為了減少開(kāi)支，可以根據(jù)所需功能的強(qiáng)弱，取舍選用的軟件模塊。

具有較強(qiáng)的開(kāi)放性。軟件無(wú)線電由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要而不斷升級(jí)。軟件無(wú)線電不僅能和新體制電臺(tái)通信，還能與舊體制電臺(tái)兼容。這樣，既延長(zhǎng)了舊體制電臺(tái)的使用壽命，也保證了軟件無(wú)線本身有很長(zhǎng)的生命周期。

3軟件無(wú)線電的基本結(jié)構(gòu)

軟件無(wú)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(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法中解放出來(lái)。功能的軟件化實(shí)現(xiàn)勢(shì)必要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理(A/D和D/A變換)盡量靠近天線。軟件無(wú)線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和全面可編程性，通過(guò)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(wú)線電采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開(kāi)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。理想軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

軟件無(wú)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(zhuān)用數(shù)字處理器以及各種軟件組成。軟件無(wú)線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，例如1MHz-2GHz，要求頻段的特性均勻，以滿(mǎn)足各種業(yè)務(wù)的需求。

射頻前端在發(fā)射時(shí)要完成上變頻、濾波和功率放大等任務(wù)，接收時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大和下變頻等功能。在射頻變換部分，寬帶、線性和高效射頻放大器的設(shè)計(jì)和電磁兼容問(wèn)題的處理是比較困難的。如果采用射頻直接數(shù)字化方式，射頻前端的功能可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，但對(duì)數(shù)字處理的要求提高。要實(shí)現(xiàn)射頻直接帶通采樣，要求A肋轉(zhuǎn)換器有足夠的工作帶寬(2GHz以上)，較高的采樣率(一般在60MHz以上)，而且要有較高的刀D轉(zhuǎn)換位數(shù)，以提高動(dòng)態(tài)范圍。

模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的處理任務(wù)全部由DSP軟件承擔(dān)，通常把A/D轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器件(如數(shù)字下變頻DDC)處理，降低數(shù)據(jù)流速率，并把信號(hào)變至基帶后，再把數(shù)據(jù)送給通用DSP進(jìn)行處理。通用DSP主要完成各種數(shù)據(jù)率相對(duì)較低的基帶信號(hào)的處理，例如信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，各種抗干擾、抗衰落和自適應(yīng)均衡算法的實(shí)現(xiàn)等，還要完成經(jīng)信源編碼后的前向糾錯(cuò)幀調(diào)整、比特填充和鏈路加密等算法。由于DSP技術(shù)和器件的發(fā)展，高速、超高速的數(shù)字處理器的不斷涌現(xiàn)，如TMS32OC6X、TMS320C54X和ADSP21160等，DSP己能基本滿(mǎn)足軟件無(wú)線電的需要。如果采用多芯片并行處理的方法，其處理能力還能大大提高。

與傳統(tǒng)無(wú)線電系統(tǒng)相比，軟件無(wú)線電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)通用、功能軟件化和互操作性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。圖2.2畫(huà)出了這兩種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。

如圖2所示，傳統(tǒng)模擬無(wú)線電系統(tǒng)的射頻部分、上/下變頻、濾波及基帶處理全部采用模擬方式，某個(gè)頻段和某種調(diào)制方式的通信系統(tǒng)都對(duì)應(yīng)專(zhuān)門(mén)的硬件結(jié)構(gòu)，而數(shù)字無(wú)線電系統(tǒng)的低頻部分采用數(shù)字電路(如本振用數(shù)字頻率合成器、信源編譯碼和調(diào)制解調(diào)由專(zhuān)用芯片完成)，但其射頻部分和中頻部分仍離不開(kāi)模擬電路。與傳統(tǒng)無(wú)線電系統(tǒng)相比，軟件無(wú)線電系統(tǒng)的A/D/A變換移到了中頻，并盡可能靠近射頻端，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)頻帶進(jìn)行采樣，即從中頻(甚至射頻)開(kāi)始就進(jìn)行數(shù)字化處理，這是軟件無(wú)線電的一個(gè)突出特點(diǎn)。數(shù)字無(wú)線電采用專(zhuān)用數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)單一通信功能，無(wú)可編程性可言。而軟件無(wú)線電以可編程能力強(qiáng)的DSP器件代替專(zhuān)用數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)獨(dú)立。這樣就可基于一相對(duì)通用的硬件平臺(tái)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能，并可對(duì)工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調(diào)制方式和信源編碼等進(jìn)行編程控制，系統(tǒng)靈活性大為增強(qiáng)。軟件無(wú)線電的硬件平臺(tái)采用模塊設(shè)計(jì)，是一個(gè)開(kāi)放的通信平臺(tái)，這與PC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似。這樣我們就可以基于一相對(duì)通用的硬件平臺(tái)，通過(guò)加載不同軟件(需要時(shí)可更換插卡)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的通信功能。

軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)基本上分為三種:射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。

結(jié)語(yǔ)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，移動(dòng)通信領(lǐng)域一場(chǎng)新的技術(shù)革命悄然興起，這就是以軟件無(wú)線電技術(shù)為特征的新一代通信系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。軟件無(wú)線電是將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元以總線方式連接構(gòu)成基本平臺(tái)，并通過(guò)軟件加載實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能的一種開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)。它的核心是:將寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，而電臺(tái)功能盡可能地采用軟件進(jìn)行定義。這樣，無(wú)線通信系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性，使系統(tǒng)互聯(lián)和升級(jí)非常方便。軟件無(wú)線電被認(rèn)為是繼模擬通信到數(shù)字通信、固定通信到移動(dòng)通信之后無(wú)線通信領(lǐng)域的第三次突破。

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