软件无线电与移动通信

文章编号：1009－6868(2001)03－0027－06 文献标识码：A 中图分类号：TN929 .5

　　移动通信在过去20年中获得了飞速发展，成为现代通信中的一个亮点。同时由于移动通信的迅速发展和高收益，带来了激烈的竞争，从而造就了移动通信技术和系统的多样性，而各技 术标准和系统之间差别很大又不能互相兼容。特别是新业务的巨大吸引力又给用户和移动业 务提供商造成了很大的压力，迫使他们不断更新设备，可是这通常要造成设备和投资的浪费 。问题的关键在于目前的绝大多数移动通信设备是完全基于专用硬件设计的，给移动通信系 统的兼容和互联，以及快速、灵活的升级带来了很大的约束。如果能够利用运行于通用硬件平台上的软件来实现无线通信功能，充分发挥软件的灵活性，通过重新配置的软件来实现不 同的无线通信技术标准，将会带来基于专用硬件的无线系统所不具备的优越性--这就是软 件无线电概念产生的源头。

　　软件无线电是近年来随着计算机及微电子技术高速发展而产生的一种全新的无线电技术 。软件无线电技术的核心概念是随着大规模集成电路技术的不断进步, 芯片处理速度的迅速 提高，从而有可能在通用可编程DSP芯片或通用CPU芯片平台上,利用软件来完成以前必须用专用硬件电路才能实现的多种数字信号处理的功能。由于软件所具有的灵活、廉价等特点，在软件无线电通信系统中可以实现多种通信协议的兼容, 便于通信技术升级, 同时可以引入 多种先进的动态调整技术，从而大大提高无线通信系统的功能和服务质量,有利于各种通信 新标准的实施和兼容，使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。

　　软件无线电最初起源于军事通信，如美国军方研制的三军通用软件无线电台--基于可编程DSP芯片的多频段、多方式电台的计划--“易通话”(Speakeasy)，工作频段覆盖2～2 000MHz，可以替代现有的十多种军用电台。商用软件无线电的研究有ACTS(包括FIRST，FRAM ES等子项目)、RACE[1]。

　　软件无线电的基本思想有两点：将A/D/A(模/数/模转换)功能尽可能地靠近天线端；用 软件完成尽可能多的无线电功能。软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线的方式 连接起来构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能(包括不同频段、不同制式) 的一种开放式体系结构。这使软件无线电系统具有开放性、模块化、标准化、实现灵活、软件升级、适于大规模制造等诸多优点，将带来无线通信市场的又一次飞跃。因而软件无线电 技术的研究悄然成为各国竞相研究的焦点。

　　1 软件无线电的特点

　　图1给出了传统无线电系统和软件无线电系统的结构图。不难看出，两种体系的主要区 别在于A/D/A的位置不同(如图中阴影部分所示)。理想的软件无线电体系是要利用多波段天线和宽带A/D、D/A转换技术，尽量将模数变换向天线端推移，在尽可能宽的频带上将模拟信 号数字化，之后利用软件在通用可编程处理器上对中频及基带数字信号进行处理。而传统的 无线电系统则是使用专用的硬件设备解调之后，进行A/D转换，作基带数字信号处理，还原 用户数据的，这在很大程度上限制了不同无线通信体制之间的互通性。

图1 理想的软件无线电与传统无线电接收机结构

　　由于在软件无线电系统中，将A/D转换从基带和中频信号处理之间提到了中频处理之前 ，中频部分的信号处理也可以通过软件实现，从而给系统带来了巨大的灵活性，这是以往用专用硬件完成特定功能的方式所无法比拟的。因而，与传统的无线电相比，软件无线电具有下述特点[1,4,6]：

(1)具有可重配置性，实现灵活。RF频段和带宽、信道接入方式、传输速率、接口类型、业务种类及加密方式均可由软件编程方式来改变；
(2)开放性、模块化和标准化；
(3)可实现无缝连接、全球漫游；
(4)具有集中性，节省基站费用，每个基站收发信机而不是每个信道使用一部收发信机，即多个信道共享射频前端与宽带A/D或D/A转换器；
(5)软件升级，而硬件无需改动。产品投入市场的时间和升级将会更快速；
(6)稳定性好。由于采用数字电路，适于大规模制造；
(7)运营商拓展业务更快捷、廉价，并可以自行开发业务软件；
(8)软、硬件间的联系减弱，对产品制造商的依赖程度降低；
(9)系统配置灵活多变，也更安全。

　　一个理想的软件无线电系统肯定是一个多频段、多模式的无线通信系统，它在网络协议 各层次上的功能都能通过软件定义来“动态”实现，更重要的是，这种特有的灵活性同样也 支持物理层上功能的实现。图2给出了软件无线电通信系统的体系模型。

图2 软件无线电通信系统的体系模型

　　图2所示的软件无线电系统的体系模型充分体现了软件无线电同传统无线电技术的区别 ，突出了前者的主要特点。不同波段、不同模式的无线电功能可以灵活地通过个性化无线电 节点来实现。首先，软件无线电支持多频带技术，它将传统无线电系统中的RF信道部分扩展 为RF信道集，从而能够同时接通多个频段，并且，此信道集不单单包含RF频段，还包含所有 可能的信道方式，如光纤或电缆。同样，在软件无线电中信道处理部分也扩展为3部分：可 编程的RF/信道接入部分、中频IF处理部分和调制解调部分。其中可编程的射频及信道接入部分是对多个射频段和其他可能的信道接入方式进行自动的接入；中频处理部分是进行滤波 、频率变换、波束形成等处理；调制解调部分包含了多种可用的调制技术，它是为实现多模 式无线电所要求的多种调制方式而存在的。

　　传统通信系统只能完成话音信号的传输，而软件无线电要完成多种信息的传输，包括话音、数据、传真、视频以及多媒体信息，因此软件无线电的信源处理部分要能够处理所有可 能的信源信息。另外，有些信源在物理位置上可能是远离无线电收发信机的，因此这些信源 可能需要通过服务和网络支持连接到局域网或其它网络上。所有的这些函数模块共同实现一 个多频段、多模式、多线程以及多个性化的软件无线电节点，由一个联合控制函数来管理和 控制，保证了系统的稳定性以及系统的自动恢复。联合控制使得系统具有自动选择频带、自动选择数据格式以及自动选择调制方式的功能。无线电系统越先进，联合控制就越复杂[1]。

　　2 软件无线电的关键技术

　　软件无线电以其特有的方法赋予了无线电更多的个性。它以软件定义空间接口，其最重要的特征就是使数模转换尽可能地靠近天线，从而以软件控制的形式完成从中频到基带的数 字信号处理。软件无线电系统按照功能划分可以分为三大部分：射频处理部分、中频及基带 处理部分以及控制管理和支持部分。图3给出了软件无线电系统的关键模块框图。

图3 软件无线电系统的关键模块

　　典型的软件无线电系统根据功能及自身特点的不同，可将其划分为如下几个关键技术模 块：多波束智能天线、射频转换、模数转换、数字中频处理和基带和比特流处理，每一部分 都有其特点和技术要求，下面就逐一进行介绍。

　　(1)多波束智能天线

　　软件无线电的天线具有接入多个频段的功能，理想的软件无线电系统的天线部分则应该 能够覆盖全部无线通信频段，这对天线技术提出了较高的要求。对于第3代移动通信，一般 认为其频带宽度为180～230MHz。利用组合式多频段天线是可以实现全覆盖的[5]。

　　通常来说，无线电台的射频前端、机发射天线和接收天线部分都是由固定硬件实现的， 但是软件无线电具有智能的、可编程的数字信号处理核心，可以充分利用此优势对固定天线 接收下来的信号进行优化组合，达到提高信噪比、抑制同信道干扰、增大系统容量的目的。 这种可以动态配置的天线系统就是目前软件无线电系统中的关键热门技术之一--智能天线 技术[4]。

　　移动通信系统中的智能天线技术，简单地说，就是在基站端使用自适应的天线阵，并运 用可靠的自适应算法来抑制同信道干扰，达到提高信噪比、增大系统容量的目的[1,3]。把 智能天线技术运用到软件无线电系统中，同样可以得到系统的增益。理想的使用智能天线技 术的软件无线电系统使用的是由M个全向天线阵元组成的天线阵。对应于每一个天线阵元，都有一套下变频器和宽带A/D/A采样器。接收信号通过下变频器将射频信号搬移至中频，再通过宽带A/D采样形成数字信号。此时，每一个天线阵元接收到的信号已变换为中频数字信号，此信号经过信道分离，分别得到L个信道的信号。也就是说，对应于每一个用户信道都有M个天线阵元的接收信号，这样就可以利用自适应波束形成算法对接收信号进行处理。每一个信道独立使用一个波束形成模块，比如信道1的波束形成器，它所处理的信号包括第一个天线阵元接收到的信道1的信号、第二个天线阵元接收到的信道1的信号、…、第M个天线 阵元接收到的信道1的信号。通过自适应的调整波束形成算法中的加权矢量，所有的这些信 号分量可以合并，得到一个最佳的接收信号，从而可以提高接收信号的质量，有效抑制干扰 ，增加系统容量。目前，我们已经可以采用更为先进的波束形成与信道分配算法来替代简单 的波束形成算法[3]，使软件无线电中的智能天线技术得到更大的增益。

　　(2)RF转换技术

　　RF转换部分包括产生输出功率、接收信号的预放大、射频信号和中频信号的转换等。现 阶段RF变换采用模拟方式。此外，软件无线电对天线设备提出了严格的要求，包括放大器的线性要求、对邻道的隔离要求以及避免基带处理器的时钟频率调谐进入射频的模拟电路中去。在商用的移动通信系统中，天线应该在UHF波段内具有相同的方向图形状和极低的损耗。

　　(3)A/D/A模数转换技术

　　信号在中频甚至射频的数字化是用软件对信号进行处理，实现软件无线电的关键之一。宽带A/D/A转换器实现的正是这一功能。宽带A/D/A通常设置在中频处理部分和RF转换部分之间，完成对中频信号的数模转换，这给中频的数字处理带来了很高的灵活性，但同时对A/D 、D/A的性能提出了很高的要求。

　　一般来说，根据被采样信号的频率和带宽来决定采用何种A/D采样技术[1,3]。根据Nyquist抽样定理，对带限信号的采样率必须大于信号带宽的两倍。实际系统中通常采用过采样 来抗频谱混叠，一般要求A/D/A的采样率fs>2.5Wa，其中Wa表示中频数字化带宽(数十兆甚至上百兆)，除采样率外，A/D采样的参数指标还包括采样精度和采样信号的动态范围，同时A/ D/A要具有较高的信噪比和无寄生动态范围。对于一个给定的A/D芯片，由于受处理速度的限 制，它能够达到的采样频率和动态范围及采样精度是成反比的。当前流行的A/D/A采样率最 高可达每秒数百兆抽样点，但仍不能满足宽带射频信号的要求。因此，在实用系统中，通常 使用数字化带宽更窄的并行A/D/A，而不是单一高速的A/D/A数字化整个频带。由于动态范围 与采样率的乘积基本上是常数，所以这种方法既降低了对A/D/A高抽样率的要求又可以保证A /D/A具有较宽的动态范围[3,5]。最近AD公司推出了第一片可用于第3代移动通信系统软件无 线电的14bit 65MSPS的A/D转换器(AD6644)。

　　(4)数字中频处理

　　在一个软件无线电系统中，数字中频部分是连接射频和基带信号的纽带，它接收到的是 从宽带A/D/A送来的一个含有多路信道的宽带数字信号。数字中频的任务就是将其中的某种 特定信道提取出来，并经过抗混叠中频(IF)数字滤波和数字下变频的处理，将这个信号转换 到基带，然后进行基带的数字信号处理。

　　数字中频部分的复杂性和大运算量主要在于频率转换(即数字下变频)和中频数字滤波[1,3]。这部分实现了已调基带信号与中频信号之间的变换，这种变换是通过离散时间点运算 实现的。在发送信道中，离散的基带波形乘以离散的参考载波形成离散的数字中频信号。在接收信道中，该部分能够以宽带滤波的方式从宽带信号中恢复出所需的信道(如200kHz的GSM 信道的和1.25MHz的IS－95 CDMA信道)，并将信号转换成基带信号。频率变换和滤波的复杂 度是该部分处理需求的决定性因素[1,2,6]。

　　天线端接收到的射频信号经过一或两次混频，将信号搬移到几十兆频的中频频段，然后用宽带A/D进行ADC采样。数字中频处理部分则对这个含有多路信道的宽带数字信号进行大数 据量的处理，包括用于信道选择的中频数字滤波和将频率降低到基带的数字下变频，功能框图如图4所示。如此大量的数据处理，对DSP芯片的技术要求就会很高，随着宽带移动通信系统的日益成熟，人们开始结合使用ASIC、DSP、FPGA以及一些专用的CPU来完成这部分功能。在实际应用中，由于可使用的DSP芯片性能的限制以及为保证系统工作的稳定性而增加的冗余度，在目前使用软件无线电技术的基站系统中，往往采用多处理器的硬件结构[2,3]。

图4 数字中频处理部分功能框图

　　(5)基带和比特流数字信号处理

　　比特流处理部分完成将多个信源比特进行复合，对比特流进行前向纠错(FEC)处理，包括交织、卷积编码算法以及自动重发请求(ARQ)的检测和响应等。此外还应支持比特填充、比特加密。通常通信安全处理(加密和解密)也在其中完成。这部分的复杂度与比特的复合、帧排列、FEC编码方式、复用操作、加密以及相应的一些控制操作算法有关。此外该部分还 完成抗衰落、抗干扰的各种算法，如GSM的自适应均衡算法、CDMA的RAKE接收算法和功率控制算法。这部分运算的复杂度与基带的带宽、调制方式及调制波形的复杂度以及算法的复杂度都有关系。

　　3 软件无线电在蜂窝移动通信系统中的应用

　　(1)软件无线电在蜂窝移动通信系统中的功能实现

　　随着A/D/A器件与DSP处理器的迅速发展，使得软件无线电技术可以广泛地应用于陆上、卫星移动通信与全球定位系统等。

　　在蜂窝移动通信系统的基站端，软件无线电系统利用宽带ADC将整个业务频段转换至中频，然后经过可编程的数字滤波器进行信道分离以及利用高速的DSP芯片完成解调功能。由 于采用了宽带的ADC和软件可编程控制的中频到基带数字信号处理机制，这样一个软件无线 电系统可以支持任意制式的空中接口标准。但同时，该系统与理想软件无线电之间的差距取 决于工程上一些因素的限制，比如：ADC和DAC的带宽、定时准确性和硬件平台的处理速度( 包括ASIC、可编程的FPGA、DSP芯片和一些专用处理芯片)[1,3]。

　　从处理功能的角度看，蜂窝移动通信系统中的软件无线电应包括3个部分[3]：实时信道处理部分、准实时环境分析与控制部分和用于业务增强的软件工具(见图5)。

图5 移动通信系统中软件无线电的功能划分（基站端）

　　实时信道处理可分为两大部分：信源编解码和信道编解码。其中信道编解码的范围要更广一些，包括RF变换、中频处理、基带处理和比特流处理等。准实时环境分析与控制部分不断地检测接收到的信号中的能量分布，确定接收信号的方位，进行信道识别，估计各类参数 ，并将估计的参数映射成实时信道处理所需的控制信号。系统分析、信号处理和变换宿主的 软件工具定义了增强的业务，它连接到实时信道处理部分，通过联机的方式调试算法，验证参数设置，估计服务质量和对处理器资源的要求等。这种基于软件的业务增强在按照一定的 标准完成后，可以通过空中接口传输给别的软件无线电基站，以实现业务增强的扩展。

　　(2)软件无线电技术与第3代移动通信系统的融合

　　第3代移动通信系统要求实现多种网络的综合，为用户提供全球无缝覆盖，以及在无线 与有线环境下统一的业务使用方式和多种业务环境，且要与第2代移动通信系统兼容。对于 通信终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端(手机)。软 件无线电正是解决这一矛盾的关键技术，也只有软件无线电技术才能解决多频多模式多业务 终端问题。 该技术在第3代移动通信系统中的应用体现在以下几个方面[4]：

　　为第3代移动通信手机与基站提供了一个开放的、模块化的系统结构；

　　智能天线结构的实现，空间特征矢量包括DOA(来波方向估计)的获得、每射频通道权重的 计算和天线波束赋形；

　　各种信号处理软件的实现，包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解 调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件算法等。

　　基于软件无线电的第3代移动通信系统可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特点，实时采用最佳接入模式，灵活分配无线资源，实现移动通信系统 的动态管理和优化。

　　软件无线电技术为第3代移动通信系统提供了通用的系统结构，功能实现灵活，系统改进与升级很方便。软件的生存周期决定了通信系统的生存期，这样系统就能更快地跟踪市场 的变化，降低更新换代的成本。

　　参考文献

1 J Mitola III, David Chester, Shinichiro Haruyama,et al.Globalization of Softwa re Radio. IEEE Communication Magazine,Feb 1999
2 J Mitola.The Software Radio Architecture.IEEE Communication Magazine, May 1995
3 Robert Arnott, Seshaiah Ponnekanti, Carl Taylor, et al.Advanced Base Station T echnology. IEEE Communication Magazine, Feb 1999
4 蔡涛, 宋俊德, 王海.基于软件无线电技术的第三代移动通信系统结构.信息产业部电子第 五十四研究所所刊第25卷第3期
5 吴启晖,王全龙.软件无线电在第三代移动通信系统中的应用与新进展.http://www.bytesw orld.com
6 软件无线电论坛.http://www.sdrforum.org

[摘要] 文章介绍了软件无线电的概念、特点及其在移动通信中的应用，并对软件无线电的关键 技术及其发展方向作了详细分析。

[关键词] 软件无线电 多波束智能天线 射频转换技术

[Abstract] During the past few years, Software Radio(SWR) has emerged from military res earch and become the cornerstone of third－generation (3G) strategies for afforda ble high－performance regional and global communications. In this paper ,the conc ept and features of SWR are presented with details of its application in mobile communications. An expatiatory analysis of key technologies and a summary of the research prospect in SWR are also presented in the paper.

[Keywords] SWR Multibeam smart antenna RF conversion technique