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[摘 要] 软件无线电技术被誉为信息领域的第三次变革,它建立在通用开放的硬件平台上,充分利用软件定义的方法灵活有效的解决了目前军事领域和民用领域的诸多通信体制兼容性问题,具有很好的发展前景。本文就软件无线电的基本概念,所涉及的关键技术,发展前景等方面进行了简单介绍。
[关键词]软件无线电 FPGA 宽频带智能天线 宽带A/D/A转换 可编程DSP技术
一、前言
随着现代社会的飞速发展,在信息革命中,以实现随时随地、安全可靠、超越时空的交流为目的的通信系统已经经历了深刻的变革。1992年5月Joe Mitola提出了软件无线电的概念,由于其完全的数字化、模块化,完全的可编程性,系统升级的便捷性与可扩充性,使其被称为信息领域的第三次革命。软件无线电技术的应用可以解决各种通信设备的兼容性问题;通信系统使用的有效性问题。可以实现军民用各种电台及网系间的互联互通互操作;实现3G不同标准间的兼容;实现新旧通信系统经济合理的升级换代。因此,以灵活性,开放性,通用性为特点的软件无线电技术成为热门研究领域。
二、基本概念
1、软件无线电系统的基本定义
软件无线电是指以硬件系统为依托,以软件系统为手段,以数字信号为载体,能够适应各种工作作方式的适时变化,实现覆盖全频段信息通信的一种新型技术体系。具体而言有两点:一是尽可能将宽带A/D/A转换器靠近射频天线;二是尽可能地通过可编程DSP器件,用软件来定义各种通信功能。
2、软件无线电系统的结构
实际的软件无线电系统结构包括:电源、天线、多频段射频变换器、A/D/A转换器的芯片,以及片上通用处理器及存储器。如图1所示
图1中的A/D/A转换器只是尽可能地靠近RF前端,通过RF部分完成射频信号的中频转换,ADC仅仅对中频信号进行了数字化处理,但该信号的产生、调制、解编码等功能由可编程DSP来完成。
3、软件无线电系统的工作流程
首先,智能天线分析出信号能量在传输信道和临近信道上的分布特性,从各不同的带宽模拟信号中识别出所接收信号的模式,自动调整天线指向,将接收到的信号传至射频部分;第二步,RF部分对接收到的模拟信号,进行滤波、低噪声放大、模拟下变频处理,将信号频谱搬至中频。送到A/D/A转换器完成信号的数字化处理;第三,通过加载各种软件,可编程DSP对数字信号进行宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、解调、差错译码、信令控制、信源译码及解密等处理,送至用户端,完成信号的接收。在发送端,用户将模拟信号送至窄带A/D/A转换器,沿上述逆方向操作后,将数字信号按照特定方向发送出去。
三、关键技术
软件无线电系统的中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能诸如工作频段、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,并使宽带A/D-D/A转换器尽可能靠近天线,从而实现软件无线电系统的多波段、多模式、多功能的通信。正因为这一思想,意味着软件无线电系统必须具有以下主要的关键技术:宽频带智能天线技术、宽带A/D/A转换技术、通用可编程高速DSP技术、软件集成技术等。
1、 宽频带智能天线技术
软件无线电要求接收机从天线接收的应该是宽频带信号(通常是1MHz-3GHz),同时,由于射频信号的高频率(通常高达几吉赫),即使中频处理的信号也高达几十兆赫,这种高频率信号的存在使信号干扰成为严重问题,为获取带宽信号和克服信号干扰,我们可采用多频段组合式天线,即在全频段甚至每个频段使用几付天线,组合起来形成宽频带天线。而智能天线实际上就是一种多波束天线,它是通过多个天线阵元输出的信号进行幅相加权获得所需的天线波束指向来实现空间分离,对不同空间域的客户分配相同的时间、频率和伪码,通过电磁信号的空隔离来消除用户间的干扰,从而大大提高通信容量。宽频带智能天线既有一个较宽的频率覆盖范围(通常要求2到2000MHz),又可自动感知干扰源的存在,抑制其影响和自动增强有用信号的大小,并对各种无线通信制式具有兼容性,与传统的天线相比,它具有很强的抗干扰能力。
2、宽带A/D/A转换技术
在软件无线电通信系统中,要达到尽可能多地以数字形式处理无线信号,必须把A/D尽可能的向天线端推移,软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A转换部分尽量靠近RF前端,减少模拟环节,在较高的中频乃至对射频信号直接进行数字化。这就要求A/D器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽。为适应复杂的电磁环境,A/D器件除了要有高速率,大带宽外还要有大的动态范围。近年来A/D器件技术发展很快,随着技术的发展,A/D器件的性能将逐步提高,电路位置也越来越接近天线,最近将实现理想的软件无线电。
3、通用可编程高速DSP技术
这里的DSP不是特指的DSP芯片,也不是现场可编程逻辑门阵列和一般目的的处理器,或者是它们的混合体。它主要完成电台内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。在软件无线电中,经A/D转换所获得的数字信号将由DSP完成软件对数字信号的处理,除射频部分外,中频和基带处理全部采用数字信号处理方式,该部分包括数字上、下变频、基带处理、调制解调、比特流处理以及解码。对于调频和扩频系统,该部分还包括解扩和解调。数字下变频(DDC)是A/D变换后首先要完成的处理工作,包括数字下变频、滤波和二次采样,是系统数字处理运算量最大的部分,也是难以完成的部分。现有的A/D转换器的采样率、分辩率、转换精度在使用软件无线电结构的系统中已基本达到可应用的程度,因此在由软件控制的专用数字信号处理器的应用中,对DSP器件的处理速度要求更高。
4、软件集成技术
软件无线电适时操作系统的硬件平台是将不同的功能模块互联起来,组成一个开放的、可扩展的硬件平台。为满足这一要求,必须采用软件集成技术。所谓软件集成,就是使软件具有类似于计算机系统硬件总线的功能,只要按标准编译的应用模块,接入总线接口即可实现实时集成运行,从而支持分布式的计算环境。这一技术的采用,使得软件无线电的即插即用、可重用成为可能。
四、结束语
软件无线电是一个高度数字化、完全可编程、系统可扩充的开放性体系结构,它符合未来通信技术发展的趋势,是现代通信技术,微电子技术,计算机软硬件技术在通信系统中相结合的必然产物。虽然目前硬件水平仍然限制着软件无线电技术的发展,但随着科技水平的提高,这些问题终将得到解决,软件无线电技术也终将成为21世纪通信领域的核心技术之一。一项主要技术的发展都会带来相关产业的发展,软件无线电也不例外。目前全世界软件无线电的参与者正致力于确定软件无线电技术在产业价值链中的定位。软件无线电的许多潜在效益存在于价值链的不同层次上,但由于更多的功能是在软件上开发,新业务的推出和升级是在软件上实现的,因此最终的产值将从硬件向软件转移。相比于传统的无线电技术,其所具有的灵活性、可编程性、开放性等特殊优势,使得在军事领域以及民用领域特别是新一代移动通信领域都有着广泛的应用前景。
参考文献:
[1] 陈大海, 张健, 向敬成. 软件无线电体系结构研究[J ]. 信息与电子工程, 2003,(4)。
[2] 杨道田. 软件无线电技术—无线电监测的明天[J ]. 中国无线电, 2006, (5) : 53。
[3] 刘建中,熊华,机动通信与指挥控制系统组织运用,武汉:通信指挥学院,2007.2。
[4] 王海涛,刘晓明,软件无线电技术的进展及应用,电子世界,4-6,2005.3。
[5] 杨小牛,楼才义,徐建良. 软件无线电原理与应用,[M ]. 北京:电子工业出版社, 2001。
[关键词]软件无线电 FPGA 宽频带智能天线 宽带A/D/A转换 可编程DSP技术
一、前言
随着现代社会的飞速发展,在信息革命中,以实现随时随地、安全可靠、超越时空的交流为目的的通信系统已经经历了深刻的变革。1992年5月Joe Mitola提出了软件无线电的概念,由于其完全的数字化、模块化,完全的可编程性,系统升级的便捷性与可扩充性,使其被称为信息领域的第三次革命。软件无线电技术的应用可以解决各种通信设备的兼容性问题;通信系统使用的有效性问题。可以实现军民用各种电台及网系间的互联互通互操作;实现3G不同标准间的兼容;实现新旧通信系统经济合理的升级换代。因此,以灵活性,开放性,通用性为特点的软件无线电技术成为热门研究领域。
二、基本概念
1、软件无线电系统的基本定义
软件无线电是指以硬件系统为依托,以软件系统为手段,以数字信号为载体,能够适应各种工作作方式的适时变化,实现覆盖全频段信息通信的一种新型技术体系。具体而言有两点:一是尽可能将宽带A/D/A转换器靠近射频天线;二是尽可能地通过可编程DSP器件,用软件来定义各种通信功能。
2、软件无线电系统的结构
实际的软件无线电系统结构包括:电源、天线、多频段射频变换器、A/D/A转换器的芯片,以及片上通用处理器及存储器。如图1所示
图1中的A/D/A转换器只是尽可能地靠近RF前端,通过RF部分完成射频信号的中频转换,ADC仅仅对中频信号进行了数字化处理,但该信号的产生、调制、解编码等功能由可编程DSP来完成。
3、软件无线电系统的工作流程
首先,智能天线分析出信号能量在传输信道和临近信道上的分布特性,从各不同的带宽模拟信号中识别出所接收信号的模式,自动调整天线指向,将接收到的信号传至射频部分;第二步,RF部分对接收到的模拟信号,进行滤波、低噪声放大、模拟下变频处理,将信号频谱搬至中频。送到A/D/A转换器完成信号的数字化处理;第三,通过加载各种软件,可编程DSP对数字信号进行宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、解调、差错译码、信令控制、信源译码及解密等处理,送至用户端,完成信号的接收。在发送端,用户将模拟信号送至窄带A/D/A转换器,沿上述逆方向操作后,将数字信号按照特定方向发送出去。
三、关键技术
软件无线电系统的中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能诸如工作频段、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,并使宽带A/D-D/A转换器尽可能靠近天线,从而实现软件无线电系统的多波段、多模式、多功能的通信。正因为这一思想,意味着软件无线电系统必须具有以下主要的关键技术:宽频带智能天线技术、宽带A/D/A转换技术、通用可编程高速DSP技术、软件集成技术等。
1、 宽频带智能天线技术
软件无线电要求接收机从天线接收的应该是宽频带信号(通常是1MHz-3GHz),同时,由于射频信号的高频率(通常高达几吉赫),即使中频处理的信号也高达几十兆赫,这种高频率信号的存在使信号干扰成为严重问题,为获取带宽信号和克服信号干扰,我们可采用多频段组合式天线,即在全频段甚至每个频段使用几付天线,组合起来形成宽频带天线。而智能天线实际上就是一种多波束天线,它是通过多个天线阵元输出的信号进行幅相加权获得所需的天线波束指向来实现空间分离,对不同空间域的客户分配相同的时间、频率和伪码,通过电磁信号的空隔离来消除用户间的干扰,从而大大提高通信容量。宽频带智能天线既有一个较宽的频率覆盖范围(通常要求2到2000MHz),又可自动感知干扰源的存在,抑制其影响和自动增强有用信号的大小,并对各种无线通信制式具有兼容性,与传统的天线相比,它具有很强的抗干扰能力。
2、宽带A/D/A转换技术
在软件无线电通信系统中,要达到尽可能多地以数字形式处理无线信号,必须把A/D尽可能的向天线端推移,软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A转换部分尽量靠近RF前端,减少模拟环节,在较高的中频乃至对射频信号直接进行数字化。这就要求A/D器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽。为适应复杂的电磁环境,A/D器件除了要有高速率,大带宽外还要有大的动态范围。近年来A/D器件技术发展很快,随着技术的发展,A/D器件的性能将逐步提高,电路位置也越来越接近天线,最近将实现理想的软件无线电。
3、通用可编程高速DSP技术
这里的DSP不是特指的DSP芯片,也不是现场可编程逻辑门阵列和一般目的的处理器,或者是它们的混合体。它主要完成电台内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。在软件无线电中,经A/D转换所获得的数字信号将由DSP完成软件对数字信号的处理,除射频部分外,中频和基带处理全部采用数字信号处理方式,该部分包括数字上、下变频、基带处理、调制解调、比特流处理以及解码。对于调频和扩频系统,该部分还包括解扩和解调。数字下变频(DDC)是A/D变换后首先要完成的处理工作,包括数字下变频、滤波和二次采样,是系统数字处理运算量最大的部分,也是难以完成的部分。现有的A/D转换器的采样率、分辩率、转换精度在使用软件无线电结构的系统中已基本达到可应用的程度,因此在由软件控制的专用数字信号处理器的应用中,对DSP器件的处理速度要求更高。
4、软件集成技术
软件无线电适时操作系统的硬件平台是将不同的功能模块互联起来,组成一个开放的、可扩展的硬件平台。为满足这一要求,必须采用软件集成技术。所谓软件集成,就是使软件具有类似于计算机系统硬件总线的功能,只要按标准编译的应用模块,接入总线接口即可实现实时集成运行,从而支持分布式的计算环境。这一技术的采用,使得软件无线电的即插即用、可重用成为可能。
四、结束语
软件无线电是一个高度数字化、完全可编程、系统可扩充的开放性体系结构,它符合未来通信技术发展的趋势,是现代通信技术,微电子技术,计算机软硬件技术在通信系统中相结合的必然产物。虽然目前硬件水平仍然限制着软件无线电技术的发展,但随着科技水平的提高,这些问题终将得到解决,软件无线电技术也终将成为21世纪通信领域的核心技术之一。一项主要技术的发展都会带来相关产业的发展,软件无线电也不例外。目前全世界软件无线电的参与者正致力于确定软件无线电技术在产业价值链中的定位。软件无线电的许多潜在效益存在于价值链的不同层次上,但由于更多的功能是在软件上开发,新业务的推出和升级是在软件上实现的,因此最终的产值将从硬件向软件转移。相比于传统的无线电技术,其所具有的灵活性、可编程性、开放性等特殊优势,使得在军事领域以及民用领域特别是新一代移动通信领域都有着广泛的应用前景。
参考文献:
[1] 陈大海, 张健, 向敬成. 软件无线电体系结构研究[J ]. 信息与电子工程, 2003,(4)。
[2] 杨道田. 软件无线电技术—无线电监测的明天[J ]. 中国无线电, 2006, (5) : 53。
[3] 刘建中,熊华,机动通信与指挥控制系统组织运用,武汉:通信指挥学院,2007.2。
[4] 王海涛,刘晓明,软件无线电技术的进展及应用,电子世界,4-6,2005.3。
[5] 杨小牛,楼才义,徐建良. 软件无线电原理与应用,[M ]. 北京:电子工业出版社, 2001。