軟件無線電，顧名思義，就是利用軟件來實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)中的各種功能，是繼無線電臺從模擬制式過渡到數(shù)字后的又一次革命性的飛躍。有人把軟件無線電看作是一臺帶天線的超級計(jì)算機(jī)，通過對軟件模塊的重構(gòu)和控制，可以調(diào)整和改變電臺的工作頻段、調(diào)制解調(diào)方式、編解碼方式、業(yè)務(wù)種類、數(shù)據(jù)速率及格式、加密模式、接入控制協(xié)議等。軟件模塊由各種軟件算法庫組成，通過加載軟件算法或是升級軟件版本，就可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的擴(kuò)展和采用新的通信標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上有許多國家和一些大的通信公司都投入了大量的人力物力來對它進(jìn)行研究，可以看到，軟件無線電將廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

軟件無線電的發(fā)展歷史和研究背景

無線通信中的基本設(shè)備是無線電臺。從七、八十年代開始，隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展和成熟，傳統(tǒng)的無線電臺從系統(tǒng)的控制、信源信道編解碼、硬件技術(shù)等多方面都實(shí)現(xiàn)了從模擬到數(shù)字的過渡。微電子技術(shù)的發(fā)展使得器件的集成度越來越高，各種數(shù)字電路和數(shù)字芯片廣泛用于通信設(shè)備中，使無線電臺的體積、重量和功耗都大大減小，在功能和性能方面都有了長足的進(jìn)步。有人還提出了全數(shù)字收發(fā)信機(jī)的概念，就是將電臺中的絕大部分用數(shù)字電路來替代，將模擬信號經(jīng)A/D采樣數(shù)字化，運(yùn)用數(shù)字處理技術(shù)對信號進(jìn)行處理，完成信息的接收和發(fā)射，這是無線傳輸設(shè)備在本質(zhì)上的一次飛躍。但是，數(shù)字電臺仍存在許多不足之處，其功能的實(shí)現(xiàn)對于硬件有很強(qiáng)的依賴性，特定的電臺僅能在特定的通信系統(tǒng)中使用，不能在不同的通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通用；另外，隨著功能業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，新老電臺的兼容性很困難。因此，面對無線通信系統(tǒng)中的多種制式，現(xiàn)有的無線電臺無法滿足未來個(gè)人通信的目標(biāo)。

1992年5月，MILTR公司的Joe Mitola在美國電信系統(tǒng)會(huì)議上首次明確提出了“軟件無線電(Software Radios)”的概念，引起了各方面特別是軍方的注意。其基本思想是構(gòu)造一個(gè)通用的開放性可編程硬件平臺，通過加載相應(yīng)的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電臺功能。在通用平臺上，只需更改有關(guān)軟件就可以很方便地完成對電臺功能的修改及擴(kuò)展，而不必重新設(shè)計(jì)構(gòu)造硬件電路。這樣的軟件無線電臺很容易實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的或未來的多種電臺的兼容，最大限度地滿足互聯(lián)互通的要求，同時(shí)電臺更新時(shí)又可以節(jié)省大量的開發(fā)時(shí)間和研制費(fèi)用，在軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。美國空軍Rome實(shí)驗(yàn)室與Hazeltine公司簽定了研究開發(fā)軍用軟件無線電Speakeasy多頻段、多功能電臺（MBMMR）的合同，從此正式開展了軟件無線電的研究。

二、軟件無線電的原理及結(jié)構(gòu)
　
1、原理
所謂軟件無線電，就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實(shí)現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。即整個(gè)無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)。總之，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理（DSP）芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。軟件控制的全數(shù)字無線電臺雖然也采用了軟件控制和數(shù)字處理技術(shù)，但它并不是真正意義上的軟件無線電。兩者最重要的差別是軟件無線電的結(jié)構(gòu)和功能是完全可編程性，包括可編程的射頻頻段、可編程的信道接入模式、可編程的信號調(diào)制解調(diào)方式等等，而軟件控制的無線電臺則不能。
　
2、結(jié)構(gòu)
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件無線電臺包括：寬帶天線、前端接收、寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器、通用數(shù)字信號處理器等幾部分。在圖1中給出了它的功能和所需的接口。移動(dòng)用戶單元通過模擬接口（窄帶A/D和D/A），通過可選的混合源編碼提供諸如話音、數(shù)據(jù)、傳真和多媒體接口。準(zhǔn)實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)軟件通過可編程處理器完成窄帶與寬帶數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)分析、處理和變換，然后寬帶的A/D/A完成與射頻RF之間的變換。基站方面提供給公用交換電話網(wǎng)（PSTN）數(shù)字接口，另一方面通過各類設(shè)備提供自身的操作和維護(hù)，通過業(yè)務(wù)開發(fā)工作站，利用離線的軟件分析工具，為研究開發(fā)人員提供業(yè)務(wù)的開發(fā)環(huán)境支持。寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器的放置位置以及電臺功能的軟件定義程度是衡量軟件無線電品質(zhì)的重要指標(biāo)。A/D及D/A的位置越接近天線，說明電臺可以用軟件實(shí)現(xiàn)的部分越多，其軟件化程度就會(huì)越高。軟件無線電臺最理想的目標(biāo)是將數(shù)模轉(zhuǎn)換器件直接放置在寬帶天線之后，在射頻就直接將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這樣電臺其它所有的部分都可以用軟件來完成，實(shí)現(xiàn)通信電臺的全軟件化。

三、研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

天線

軟件無線電臺要求能夠在從短波到微波相當(dāng)寬的頻段內(nèi)進(jìn)行工作，所配備的天線也必須能夠覆蓋整個(gè)頻段。最好能研制出一種新型的全向?qū)拵炀€，可以根據(jù)實(shí)際需要用軟件智能地構(gòu)造其工作頻段和輻射特性，能夠覆蓋所有常用的無線通信頻段，并且在整個(gè)頻段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低的功率損耗，這是軟件無線電天線研制的最終目標(biāo)。但是以目前國內(nèi)外寬帶天線的技術(shù)水平，設(shè)計(jì)制造這樣的全頻段全向天線是很不現(xiàn)實(shí)的。

多載波功率放大器（MCPA)
理想的軟件無線電在發(fā)送方向上把多個(gè)載波合成一路信號，經(jīng)過上變頻后，用一種多載波信號功率放大器（MCPA），對寬帶的模擬混合信號進(jìn)行放大。因?yàn)榛旌闲盘栔行盘柵c信號的包絡(luò)幅度相差很大，所以對放大器的非線形特別敏感。MCPA采用前向反饋技術(shù)抑制不需要的互調(diào)載波，得到有效的功率利用率。
　
3、高速寬帶A/D、D/A變換
數(shù)字化是軟件無線電的基礎(chǔ)，模擬信號必須經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號才能用軟件進(jìn)行處理；而生成的數(shù)字信號也需要變換成模擬信號才能進(jìn)行射頻放大輸出，完成這些功能的就是各種A/D、D/A轉(zhuǎn)換器件。
A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能包括采樣速率和采樣精度。理想的軟件無線電臺是直接在射頻上進(jìn)行A/D變換，要求數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件必須具有足夠的采樣速率。根據(jù)Nyquist采樣定理，要不失真的反映信號特征，采樣頻率fs至少也要是模擬信號帶寬Wa的兩倍。為了保證性能，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常進(jìn)行過采樣處理，要求fs> 2.5Wa。
A/D/A器件在軟件無線電臺中所處的位置是非常關(guān)鍵的，它直接反映了軟件電臺的軟件化程度。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)/模器件的性能將逐步提高，其位置也就越來越接近于天線，最終將達(dá)到軟件無線電的理想目標(biāo)。
　
5、并行DSP處理器
數(shù)字信號處理芯片（DSP）是軟件無線電所必需的最基本的器件，軟件對數(shù)字信號的處理都是在DSP上進(jìn)行的。中頻以下主要包括三個(gè)部分：基帶處理、比特流處理和信源編碼。基帶部分主要完成各種波形的調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻解擴(kuò)以及信道的自適應(yīng)均衡和各種同步的數(shù)字處理，每路需要幾十到幾百個(gè)MIPS的處理能力。比特流處理主要完成信道編解碼（軟判決譯碼）、復(fù)用和分解或交換、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能。每路需要幾十個(gè)MIPS的處理能力。信源編碼部分要完成的功能包括話音、圖像的編碼算法，每信道需要十幾個(gè)MIPS的處理能力。要完成如此巨大的信號處理運(yùn)算，必須采用多DSP并行處理結(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。
用于軟件無線電的DSP必須滿足下列要求：

運(yùn)算速度快。軟件電臺要求在射頻或中頻對數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字處理，需要很大的運(yùn)算量，普通處理器不能勝任。因此DSP必須具有高速的指令執(zhí)行速度，同時(shí)還要具備功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，支持單周期內(nèi)完成常用的浮點(diǎn)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的能力。

高精度的數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)字信號處理中所固有的量化效應(yīng)和有限長寄存器效應(yīng)的影響，在實(shí)際處理過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，并隨著運(yùn)算的增加逐漸積累。要求數(shù)據(jù)一定要具備足夠的精度并且處理器支持高精度運(yùn)算，才能盡可能減小這些誤差，DSP至少也要支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。

高速數(shù)據(jù)交換能力。軟件無線電臺在工作時(shí)，各個(gè)處理模塊之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，DSP芯片總線必須能夠提供足夠的數(shù)據(jù)傳輸和I/O吞吐能力，才能保證對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

支持幾百個(gè)SHARC同時(shí)工作。

DSP技術(shù)的發(fā)展將使軟件電臺的軟件化程度和性能逐漸提高，最終實(shí)現(xiàn)無線電臺全軟件化的目標(biāo)。研制速度更高和功能更強(qiáng)大的DSP芯片也是影響軟件無線電發(fā)展的關(guān)鍵。


四、軟件無線電技術(shù)在中興基站的具體應(yīng)用


傳統(tǒng)的基站窄帶超外差接收機(jī)是一種模擬電路和數(shù)字電路的混合型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)

在這種接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，它的前端全部采用模擬信號。對模擬信號的數(shù)字化采樣處理僅僅是在基帶部分的DSP處理前才進(jìn)行。每個(gè)接收信機(jī)中都有一套相同的從射頻RF變換到基帶信號的設(shè)備。如果要增加一路載波，就要添加一整套重復(fù)的設(shè)備。這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)比較成熟，模擬的低損耗的RF器件和IF器件比較容易實(shí)現(xiàn)。但是，其最大的缺點(diǎn)是在功能實(shí)現(xiàn)上對硬件的依賴性很強(qiáng)，缺乏可編程性，所以這種接收機(jī)一般用于窄帶（單信道）處理。
在GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求接收支路的動(dòng)態(tài)范圍很高。為了符合系統(tǒng)指標(biāo)，有兩種傳統(tǒng)的解決方案：高低支路增益方案和快速AGC方案。為了減小電路的復(fù)雜程度，一般較多地在中頻電路中采取AGC控制方案來實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍控制（如圖3）。但是，AGC的響應(yīng)速度必須適應(yīng)每個(gè)時(shí)隙的要求。

所以，目前在中頻進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換模擬信號的完成數(shù)字化處理，采用的結(jié)構(gòu)多由專用的通信處理芯片和通用的DSP器件構(gòu)成。采用軟件無線電方案示意圖如圖4所示。

在這種結(jié)構(gòu)中，前端的一次中頻變換部分與原來的接收機(jī)結(jié)構(gòu)完全一樣，模擬信號經(jīng)過帶通濾波器后，直接在中頻對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入通信專用處理芯片可編程的下變頻器（PDC）中處理完成對IF的選頻和濾波。這種接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的接收機(jī)相比，因?yàn)樵谥蓄l就采用了數(shù)字信號，用可編程的中頻處理器件，使得基站應(yīng)用比較靈活，采用不同的軟件模塊就可以在不同的通信系統(tǒng)中使用。還可以更多的采用數(shù)字電路，多個(gè)載波可以共享前端電路，使基站減小體積，降低功耗，每載波信道設(shè)備的價(jià)錢也相對較低。另外，這種結(jié)構(gòu)在中頻對信號進(jìn)行數(shù)字濾波，可以降低對濾波器的要求，降低中頻處理部分的成本，可以用于多種場合。蜂窩系統(tǒng)中中頻處理的主要功能都在PDC中完成，可以完成信號的選頻濾波，輸出基帶信號，由后面的DSP多處理器來處理。下圖給出了基于軟件無線電的基站結(jié)構(gòu)。

圖六 寬帶軟件無線電基站的收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)

五、結(jié)論
由于現(xiàn)代通信特別是移動(dòng)通信在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，使得軟件無線電技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。由于發(fā)展初期的各自為政，產(chǎn)生了眾多的制式和標(biāo)準(zhǔn)，已投入應(yīng)用的就有AMPS、IS-54、GSM、DECT、CDMA等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有模擬的，也有數(shù)字的；有蜂窩系統(tǒng)，也有低功率系統(tǒng)。其調(diào)制方式、信道分配和數(shù)據(jù)速率等各不相同，相差很大。一個(gè)系統(tǒng)的手機(jī)在其它系統(tǒng)中不能很好地兼容，甚至完全不能使用。這對于我們的日常生活非常不便，不利于現(xiàn)代通信的應(yīng)用和發(fā)展。
個(gè)人通信是未來通信的發(fā)展方向，到目前為止已經(jīng)提出了多種空中接口標(biāo)準(zhǔn)：僅美國就采用了7種（PACS、IS-136、IS-95、IS-665、PCS1900、PCS2000和DECT）標(biāo)準(zhǔn)；ITU和歐洲也正在制定IMT-2000/UMTS的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)推出的時(shí)間不同，應(yīng)用的范圍不同，很難期望在短期內(nèi)用一個(gè)統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“無縫”地連接起來。
由于軟件無線電對硬件的依賴程度很小，具有高度的開放性和可編程特性，是實(shí)現(xiàn)上述智能終端的最好方法。從短期來看，軟件電臺可以實(shí)現(xiàn)各種通信系統(tǒng)的相互兼容，提高通信效率，方便用戶；也可最大程度地提高設(shè)備的使用率，減少不必要的重復(fù)投資，從而獲得高的投入產(chǎn)出比。從長遠(yuǎn)來說，軟件無線電具有開發(fā)簡便、耗資少、見效快的特點(diǎn)，可以將最新科研成果迅速融入到產(chǎn)品應(yīng)用之中，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益；也可推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)如計(jì)算機(jī)、微電子等行業(yè)的發(fā)展。可以說：軟件無線電是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)“助推器”。

作者簡介
黃志軍
碩士，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，中興通訊移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部系統(tǒng)部工程師。