淺析軟件無線電中虛擬無線電技術(shù)

姜薇

摘要：軟件無線電是對傳統(tǒng)無線電通信體系的一次重大改革。它擺脫了硬件體系結(jié)構(gòu)的束縛，是解決不同通信體制之間互相操作問題和開展多種通信業(yè)務(wù)的最佳途徑， 具有巨大的商業(yè)和軍事價值。

虛擬無線電的概念是在Spectrum Ware項目的支持下提出來的。這個項目致力于建立一個理想化的無線電結(jié)構(gòu)，充分利用工作站提供的資源。使這樣一個無線電結(jié)構(gòu)不盡能提供豐富功能，而且還能以與眾不同的方式實現(xiàn)傳統(tǒng)的功能，這樣的一個理想話的無線電結(jié)構(gòu)被稱之為虛擬無線電結(jié)構(gòu)。用兩臺 PC 機仿真 DRM 發(fā)射機，信道和 DRM 接收機。就可以實時地對語音進行錄音、編碼調(diào)制、發(fā)送及播放等，為我國的中短波數(shù)字調(diào)幅廣播試驗提供了一個很好的演示平臺。

關(guān)鍵字：軟件無線電；虛擬無線電；PC機仿真

1 軟件無線電系統(tǒng)研究背景與現(xiàn)狀

無線電通信在社會生活、經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用。近二十年來，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、VLSI技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，無線電通信也經(jīng)歷了卻日益增強；使用頻段由低到高，調(diào)制方式由AM ， FM到數(shù)字調(diào)制：多址方式由FDMA到TDMA，CDMA；傳遞信息由電報、語音發(fā)展到數(shù)據(jù)和多媒體。無線電通信技術(shù)，尤其是移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展。早在70年代末英國的Romsey公司為了研究解決頻譜擁擠問題的方法，制造了第一個軍用“軟件無線電”系統(tǒng)[2]。它工作在很低的頻率，在中頻對信號采樣后送入8085處理器，用軟件進行后續(xù)處理。受當時技術(shù)水平的限制，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，但它驗證了直接對低載頻信號進行采樣的可行性。

軟件無線電是對傳統(tǒng)無線電通信體系結(jié)構(gòu)的一次重大革新。它使通信系統(tǒng)擺脫了硬件結(jié)構(gòu)的束縛，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對通用和穩(wěn)定的情況下，可以拓展多種服務(wù)。因此，軟件無線電己成為解決不同體制之間互操作問題和開展多種業(yè)務(wù)的手段，具有巨大的商業(yè)和軍事價值。目前以美國和西歐為主導的各國都在積極地致力于軟件無線電技術(shù)的研究和系統(tǒng)的開發(fā)。

2 軟件無線電模型

理想中的軟件無線電平臺要由幾部分構(gòu)成：RF模塊與天線子系統(tǒng)AlD/A模塊、由DSP芯片織成的高速處理模塊。

軟件無線電的基本思想是：直接對RF信號進行采樣，通過加載軟件模塊來實現(xiàn)所需的功能，包括以前由專用硬件完成的信道檢測、調(diào)制解調(diào)，以及編碼解碼等等。

3 DRM 系統(tǒng)的軟件模擬

DRM 使用 COFDM 技術(shù)，是 OFDM 調(diào)制與信道編碼的組合。所有的編碼音頻和相關(guān)數(shù)據(jù)，都均勻分配到多個相鄰載波上，而所有載波都在分配的傳輸頻道中。當前 30MHz 以下無線電廣播頻道帶寬為 9/10kHz。DRM 系統(tǒng)可用于：1標準帶寬，以滿足當前規(guī)劃的情況；2半帶寬（4.5/5kHz），允許與模擬調(diào)幅信號聯(lián)播；3雙倍帶寬（18/20kHz），在頻率規(guī)劃允許時可提供更大的傳輸容量。

系統(tǒng)的輸入基本上可分為音頻/數(shù)據(jù)信號和信息數(shù)據(jù)信號兩大類，各有其不同的用途，所以在信號處理上略有不同，應該根據(jù)信號和節(jié)目材料的類型，選擇適合的編碼參數(shù)，才能達到數(shù)字 DRM 系統(tǒng)的信號質(zhì)量。主業(yè)務(wù)信道最終要加到信道編碼器中，其形成過程簡述如下只能傳送一套節(jié)目的單一性。

DRM 系統(tǒng)采用 COFDM 方案，其發(fā)射機是將語音和數(shù)據(jù)信息通過信源編碼變?yōu)閿?shù)字信號，然后通過信道編碼有選擇地加入冗余保護，再通過 OFDM 調(diào)制、上變頻后發(fā)送到 DRM 廣播的 MW/SW 頻段。

DRM 接收機將接收信號下變頻為中頻信號，再進行同步、信道估計、信道解碼、信源解碼后得到原來的語音和數(shù)據(jù)信息。

4 DRM 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

信源編碼主要解決數(shù)據(jù)存儲、交換和傳輸?shù)挠行詥栴}，即通過對信源數(shù)據(jù)率的壓縮，力求用最少的數(shù)碼傳遞最大的信息量。

DRM 系統(tǒng)中應用了 SBR（頻帶恢復）技術(shù)，它是一種在低比特率下獲得完全音頻帶寬的音頻編碼增強方法，可與 AAC 和 CELP 聯(lián)合應用，構(gòu)成目前能力最強的壓縮方法。使用 SBR 的目的是重建音頻信號中被編碼器丟失的高音段。為了更好地實現(xiàn)這個目的，需要在音頻比特流中傳送某些邊信息。SBR 可以將普通低比特率編解碼系統(tǒng)帶寬提高到等于或大于模擬 FM 音頻帶寬（15kHz）。在語音編碼時，SBR 還可以提升窄帶語音編解碼系統(tǒng)性能，給播音員提供 12kHz 的音頻帶寬，用于多語言廣播等。由于多數(shù)語音編解碼系統(tǒng)都是窄帶的，SBR 的重要作用不僅在于提高音質(zhì)，而且可用于提升語音的清晰度和語音的可懂度。

OFDM 技術(shù)對頻率偏移非常敏感，這種頻率偏移是由于信道的多普勒頻移和振蕩器的不穩(wěn)定，破壞了接收端各子載波間的正交性。頻率偏移會造成 ICI，而采樣時刻不準確的后果是 ISI，嚴重時接收機將完全不能識別調(diào)制在原信號中的信息。OFDM 系統(tǒng)對時域偏差的敏感性要比單載波系統(tǒng)好一些，但是，頻域上頻率的很小偏移卻會產(chǎn)生很大的誤碼率，因此，如何精確估計頻偏非常重要可以人為在發(fā)送端加一些輔助序列，使得接收端能夠基于最大似然法正確估計時域偏移和頻域偏移。

5 DRM 系統(tǒng)的虛擬無線電仿真

1992年5月，美國Mitre公司提出了軟件無線電的概念，即由硬件作為無線電通信的基本平臺，而把盡可能多的無線及個人通信的功能用軟件來實現(xiàn)。軟件無線電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)通用化、功能靈活、系統(tǒng)改進和升級方便，以及可對不同無線電系統(tǒng)進行互操作的優(yōu)點，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)通用，功能實現(xiàn)靈活，系統(tǒng)的改進和升級很方便；

2. 提供不同系統(tǒng)互操作的可能性；

3. 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，模塊具有很強的通用性，能在不同系統(tǒng)間復用；

4. 一般而言軟件開發(fā)周期較短，能快速跟蹤市場變化，成本也會降低。

總之，本章在前面研究的基礎(chǔ)上，根據(jù) DRM 標準，開發(fā)出了 DRM 系統(tǒng)虛擬無線電中頻仿真軟件，將DRM的COFDM基帶信號調(diào)制到中頻上，為DAMB發(fā)射機和接收機的實體設(shè)計，提供了一個很好的仿真與測試平臺。

軟件無線電是對傳統(tǒng)無線電通信體系結(jié)構(gòu)的一次重大革新。它擺脫了硬件體系結(jié)構(gòu)的束縛，是解決不同通信體制之間互操作問題和開展多種業(yè)務(wù)的最佳途徑，具有巨大的商業(yè)和軍事價值。開發(fā)虛擬無線電系統(tǒng)可以快速建立軟件無線電原型系統(tǒng)，促進對軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的深入研究，因而具有理論和實踐上的雙重意義。

參考文獻

[1]樊昌信等，通信原理，第4版，國防工業(yè)出版社，2001年3月

[2]李棟，DRM 接收機技術(shù)，廣播和電視技術(shù)，2003 年第 9 期

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[4]羅琳、吳樂南，基于虛擬無線電平臺的AM廣播接收系統(tǒng)，電子技術(shù)應用，1999年10期

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[6]馬玉松等，虛擬無線電，天津通信技術(shù)，2000 年第 2 期

[7]束峰等，OFDM 通信系統(tǒng)中的一種通用的信道估計模型，電路與系統(tǒng)學報，2004年