刘 波 粒
河北师范大学 职业技术学院 电子系
河北 石家庄 050031
摘 要：在介绍软件无线电的产生、基本概念和系统结构的同时，分析了实现软件无线电的关键技术，并给出了基于目前器件技术水平的中频软件无线电流程框图的折衷方案，最后指出软件无线电技术的美好前景。
关键词：软件无线电；模拟上/下变频；数字上/下变频；实现方案
一、引言
软件无线电最初起源于军事研究。1992年5月，MILTRE公司的Joe Mitola［1］在美国国家远程系统会议上首次作为军事技术提出了软件无线电（Software Radio，简记为SWR）的概念，希望用这种新技术来解决三军无线电台多工作频段、多工作方式的互通问题，从此，对软件无线电的研究在国际范围内迅速展开。1994年，美军完成了“易通话”（Speakeasy）软件无线电的第一期工程。1995年5月，IEEE《通信杂志》出版了软件无线电专刊，进一步阐述了软件无线电的体系结构及其相关的A/D（模/数变换器）、DSP（数字信号处理器）等关键技术，并给出了可以用于软件无线电的现有DSP芯片清单，从此拉开了软件无线电在军事、商用领域研究的序幕。
所谓软件无线电［2］，是指构造一个具有标准化、模块化、开放性的硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，同时使宽带A/D转换器尽可能靠近天线，以充分实现数字化，提高可编程性。
如何评价一个软件无线电的“软件化”程度呢？1997年5月软件无线电概念的提出者Joe mitola在欧洲召开的软件无线电会议中提出了一种思路［3］：用一个矢量，频道数（N）、可编程数字化访问（PDA）、硬件模块化程度（HM）、硬件模块化程度（SFA）来表示其“软件化”程度。按照矢量分布，从4个尺度均为0到均为3，给出了对软件无线电评价的级别。
二、理想软件无线电台框图及其相关技术要求
众所周知，对于传统无线电系统结构而言，其射频部分（包括低噪放大、功率放大、上/下变频、滤波等）和基带处理全部采用模拟方式，其各部分功能均由相应的专门硬件结构来实现，属于软件无线电级别划分的0级。随后发展起来的数字无线电系统也只是在低频部分采用数字电路，如GSM手机中的逻辑/音频信号处理（将对数字信号进行一系列处理，内含CPU、DSP等），并且对数字信号的处理一般采用专用集成电路（ASIC）技术，若按软件无线电的级别来划分的话，最高达到1级。
由软件无线电的级别划分可知，第3级的“射频可编程”意味着直接实现射频数字化，即尽可能地缩短模拟级的使用范围，使无线电设备中的所有处理均是针对数字化信号进行的，其理想结构可描绘为图1的形式。其特点是：模拟信号只在天线和射频前端中存在，模数转换（ADC）和数模转换（DAC）器件直接放置在射频级的位置，变换后的数字信号送入可编程能力强的数字信号处理器（DSP，它代替了专用的数字电路），并通过编程各种软件完成各种功能，以便从射频到基带的所有电台功能都可以用软件来实现，使整个电台将获得最大的开放性、通用性和灵活性，使得通信系统摆脱了面向用途的设计思想。它是软件无线电研究的理想目标。
在图1框图中，各模块所对应的关键技术［4］分别为：
宽带天线：需要跨越多个频段，频率范围约在2MHz~2GHz。
射频前端：同样需要在较宽的频率范围内完成滤波、低噪声放大、功率放大等功能。
高速A/D/A：由于射频前端具有频率高、带宽宽的两大特点（比如对于GSM，应工作于900 MHz的高频段，占有带宽25MHz）。根据奈奎斯特（Nyquist）定理可知，若将A/D/A变换器设置在靠近天线的位置，势必使A/D在高频率和宽频带下直接进行数字化处理，这就要求A/D、D/A变换器也要有足够的带宽（2GHz以上）、较高的采样速率（60MHz以上）和较高的A/D转换位数。
高速可编程数字信号处理模块：将完成对射频和基带处理的全部数字信号的处理，以实现软件控制，它同样对所用芯片的处理能力提出了很高的要求。
三、软件无线电的关键技术及其现行解决方案［4，5，6］
由于受宽带天线、高速A/D及高速数字信号处理器（如DSP）等技术水平的限制，目前实现上述理想软件无线电体系结构的条件尚不具备。为此，本文在简述现有的技术和器件水平条件下，结合理想软件无线电的设计思想，提出适于目前的现行解决方案。
1．宽带多频段天线关键技术的提出
理想软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段，然而由于内部阻抗的不匹配，致使不同频段电台的天线不能混用。目前还不能研制出2MHz~2GHz的全频段天线。
若从大多数系统只要求覆盖不同频段的几个窗口，而不必覆盖整个频段的角度来考虑，可以采用多频段组合式天线或采用多模式天线。
2．宽带射频关键技术的提出需附加一个“模拟上/下变频”的环节
除了射频前端需要完成对信号的低噪声放大、滤波、功率放大等功能外,为了适应目前A/D/A的技术特点，必须在图1中附加一个“模拟上/下变频”的环节，以便将射频信号变换为适合于A/D采样的宽带模拟中频信号或把D/A输出的宽带模拟中频信号变换为射频信号。
目前，宽带低噪声前置放大器可达到几个倍频程（如2MHz~2GHz），这无论是在器件上还是电路设计上都没有困难。几个倍频程的宽带功放则需要很好地选择器件并使用电路CAD优化技术。
3．宽带A/D、D/A变换关键技术的提出
宽带A/D、D/A变换技术及其在无线电体系结构所处的位置标示着软件无线电的级别，反映了软件无线电的软件化程度，体现了无线电通信技术的发展水平。其中靠近天线的A/D方案应用于接收部分，射频信号通过A/D变换为数字信号提供给DSP处理；而对应的D/A方案则应用于发射部分，DSP处理后的数字信号通过D/A变换成为射频信号。
正如上述“宽带射频关键技术”中所说，鉴于目前厂商能提供A/D/A器件的采样率低于当前移动通信射频的要求，为此可暂时先考虑将A/D/A变换器设置在中频（10MHz左右）进行，这样就需要提供一个降低了一定要求的、可实现的相应中频宽带A/D、D/A变换技术。
一般解决的方法有2种，即并行采样和带通采样。并行采样就是采用多个ADC并行工作的方式，每个ADC处理一定子带带宽内的信号，以降低对单个ADC采样率的要求，从而获得一定的分辨率。带通采样就是理想的带通信号在低于一定的频率和高于一定频率范围内的频率分量为零，只要采样率不低于2倍的信号带宽，时域采样就不会导致信号频谱的重叠，显然可见带通采样可较好地降低采样率。当然应以被采样信号的最高频率不能超过ADC转换器的全功率模拟输入带宽为限。
4．可编程高速数字处理关键技术的提出——需引入一个“数字上/下变频”的环节
图1中，A/D/A右侧系统所需要的信号处理工作，如变频、滤波、调制、信道编译码、信道和接口的协议与信令处理、加解密、抗干扰处理、以及网络监控管理等，均是基于可编程DSP芯片对数据流的实时或近实时处理来实现的，以体现无线电的软件化。
按目前普通的DSP可提供200MIPS的处理能力，在中频宽带采样后的信号需要信道选择滤波器选中某一窄带信道，而一个优良的FIR/IIR滤波器大约需要每个采样点100次操作，对于30MSPS的采样率，即需要3 000MIPS完成信道选择和下变频。因此在DSP上使用软件实现下变频目前还无法实现，DSP只能完成基带处理。显然，目前还没有象图1所示的软件无线电所要求的单个DSP处理器。于是，人们提出了解决上述问题的有效方案引入一个“数字上/下变频”环节的设想。其中“数字下变频”的基本功能是从输入的宽带高数据流的数字信号中提取所需的窄带信号，将其下变频为数字基带信号，并转换成较低的数据流；“数字上变频”为“数字下变频”的逆过程。
解决方案大体分为以下几种：
（1）用“数字上/下变频+DSP并行处理”组合结构的实现方案
此方案包括“DDC（数字下变频器）+DSP”组合结构和“DSP + DUC（数字上变频器）”组合结构。对于“DDC+DSP”组合结构：固定模拟中频信号通过模/数（A/D）转换器件变换为数字中频信号，再进入可编程数字下变频器（DDC）进行内差和下变频运算，使数字中频信号的载波频率进一步降低（完成第二次频率变换），甚至变到基带（即载频为0）；此外还对输入的数字信号进行采样数据处理，进一步降低后面的DSP所需处理的数据量，使现有的DSP能够有效地完成实时处理数据的任务。从DDC输出的低中频数字信号或基带，经数字信号处理器（DSP）（一般采用多个DSP构成并行处理系统）完成解调、解码等后继处理，最后还原为原始的信息数据。至于“DSP + DUC”组合结构，其流程过程正好相反。
（2）用“参数化ASIC +DSP”组合结构的实现方案
DSP仅进行较低速的数字信号处理，而把数字上/下变频等高速、大运算量的处理移嫁给可有限编程的参数化ASIC来完成。从表2看出，此法受可编程的限制，难以体现软件无线电所要求的灵活性和开放性；并且对于支持更多的模式和频带，也将使ASIC的个数随之增加。
（3）用FPGA（可编程逻辑器件）实现数字上/下变频和基带处理的一体化方案
从表2可见，FPGA与高速DSP和参数化ASIC的技术性能相比，具有体积小、功耗小、现场可编程能力强的特点，此外还有多流并行处理（与DSP相比，DSP为单流处理方式）的特点，可完成数字上/下变频、滤波、调制/解调、扩频/解扩、载波以及PN（伪随机码）的同步和跟踪等功能。
四、中频软件无线电的实现方案
鉴于目前关键技术（即A/D器件的采样率低于软件无线电射频的要求和DSP器件只能完成基带信号处理）的现状，研究设计人员只好暂时采用表1中第2级的“中频可编程”方案，如图2所示。该方案可分为两部分，即射频到中频的模拟部分和A/D/A以后的数字部分。
显见，图2与图1的区别在于引入了2个环节：模拟上/下变频和数字上/下变频。就接收信号而言，两环节的作用分别是：先通过模拟下变频器将高频转换为适当的中频，然后在中频由A/D器件直接数字化，再经DDC器件将中频数字信号下变频至低频或基带。
关于该方案的可行性，最具代表性的是美国的“易通话”（Speakeasy）系统，此外国内的一些研究机构也研制出很多具体的实用设备［5，6］。为此，本文不再设计相关设备来证实图2的实用性。
五、结 束 语
综上所述，由于受宽带天线、高速A/D/A及高速可编程数字信号处理模块等技术水平的限制，目前实现图1所示的理想软件无线电体系结构的条件尚不具备。为此，人们对软件无线电的研究，一方面集中在上述关键技术的探究上，另一方面是在现有的技术和器件水平条件下，探索如何最大限度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将软件化、智能化的设计思想体现到具体的应用中。
自从软件无线电概念提出以来，引起了各个领域的广泛关注。目前，软件无线电技术的研究已从最初的军事领域发展到民用通信，特别是带动了移动通信的研究。相信软件无线电是继模拟通信、数字通信后的第三代无线电通信技术。
参考文献
［1］孙红梅．软件无线电的产生与应用［Ｊ］．电子展望与决策，1997，（4）：45~46．
［2］Joe mitola．The Software Radio Architecture［Ｊ］．IEEE Communications Magazine，1995，（5）：26~38
［3］Joe mitola.Software Radio Technolody Challenges and Opportunities［A］.First European Workshop on Software Radios［Ｃ］.May 1997.
［4］赖玉强，王甲琛．软件无线电的体系结构及其关键技术［Ｊ］．武警工程学院学报，2002，（4）：67~69．
［5］张睿，李建东.一种实用的软件无线电结构[J].电子学报，1999，（11）：38~41.
［6］王晓虎，刘金银．中频软件无线电系统的FPGA实现方案［Ｊ］．电讯技术，2002，42（1）：59~63
摘自《电讯技术》
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