淺談短波軟件無線電技術(shù)

短波通信是利用波長為100m～10m(3MHz～30MHz)的電磁波進行的無線電通信，主要靠天波傳播，可經(jīng)電離層一次或數(shù)次反射，最遠可傳上萬公里，廣泛用于語音、電報和數(shù)據(jù)傳輸。然而，深度衰落和干擾（電臺干擾、工業(yè)干擾和大氣噪聲等）嚴重影響著短波通信質(zhì)量。為克服這些問題，短波通信近年采用了自適應、寬帶抗干擾等新技術(shù)，但受傳統(tǒng)短波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1）和傳統(tǒng)器件的限制，這些新技術(shù)難以發(fā)揮自身優(yōu)勢以提高短波通信的性能指標。

圖1 傳統(tǒng)短波通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖

1992年Joe Mitola首次明確提出軟件無線電概念。軟件無線電的基本思想是: 將寬帶A/D/A變換盡可能地靠近射頻天線，盡早地將模擬信號數(shù)字化, 在基于DSP（數(shù)字信號處理）技術(shù)的支持多模式工作可編程控制的通用硬件平臺上，建立一種靈活的無線電系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，從射頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全由軟件編程來完成，把盡可能多的通信功能用軟件來實現(xiàn)，硬件的通用性和軟件的可重構(gòu)性使得系統(tǒng)的改進和升級非常方便，不同系統(tǒng)間可以很好地互連與兼容。軟件無線電的思想運用在短波通信上就形成了短波軟件無線電(HF-SR)。

HF-SR的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)短波通信設(shè)備過分依賴硬件實現(xiàn)通信功能的舊體制，可充分利用數(shù)字信號處理技術(shù)，便于研制出多功能、多模式、可編程的短波通信系統(tǒng)，為短波通信技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。

1 軟件無線電基本體系結(jié)構(gòu)

理想的軟件無線電是多頻段、多模式、開放式體系結(jié)構(gòu),其無線功能通過加載軟件來實現(xiàn)，從而提供多種無線電通信業(yè)務。軟件無線電的基本平臺包括：天線、多頻段射頻(RF)轉(zhuǎn)換器、寬帶A/D（D/A ）轉(zhuǎn)換器和DSP處理器等，如圖2所示。

圖2 開放結(jié)構(gòu)的短波軟件無線電發(fā)送原理

軟件無線電將A/D和D/A向RF靠近, 由基帶移到中頻甚至到射頻, 用可編程能力強的DSP或FPGA器件代替專用的數(shù)字電路,進行A/D后的一系列處理，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對獨立，這樣就可以基于一個相對通用的硬件平臺,通過軟件實現(xiàn)不同的通信功能,并可對工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調(diào)制方式、信源編碼加以編程控制,系統(tǒng)靈活性大大增強。功能強大的軟件開發(fā)工具可以根據(jù)通信技術(shù)的最新發(fā)展和需求，修改各工作模塊以實現(xiàn)系統(tǒng)升級。

2 短波軟件無線電的結(jié)構(gòu)

短波軟件無線電目前主要有三種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)：射頻全頻段數(shù)字化采樣、中頻數(shù)字化采樣結(jié)構(gòu)、虛擬無線電結(jié)構(gòu)。

（1）射頻全頻段數(shù)字化采樣

射頻全頻段數(shù)字化采樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與圖2類似。依據(jù)目前的器件水平，短波軟件無線電的射頻全頻段數(shù)字化采樣尚不能實現(xiàn)。按照Nyquist采樣定理對短波頻段采樣速率至少需要70Msp/s，短波頻段通信對ADC的動態(tài)范圍要求為120dB～130dB，A/D一般來說每bit提供6dB動態(tài)范圍。這樣對短波全頻段采樣需要130/6≈22bits，目前ADC達不到此要求。

（2）中頻數(shù)字化采樣結(jié)構(gòu)

如圖3所示，中頻采樣是將射頻信號預處理后，模擬變頻到中頻進行A/D采樣，采樣后的數(shù)據(jù)被送入DSP，在DSP中進行數(shù)字下變頻和數(shù)字解調(diào)處理。這種結(jié)構(gòu)的軟件無線電與目前的中頻數(shù)字化接收機的結(jié)構(gòu)是類似的,均采用了多次混頻體制。但是軟件無線電的中頻帶寬較寬，且一次混頻后的變頻均在DSP中實現(xiàn)，所有調(diào)制解調(diào)等功能均由軟件來實現(xiàn)，比普通超外差中頻數(shù)字化接收機更靈活，功能更強。盡管和理想的軟件無線電有一定差距，這已是目前短波軟件無線電的最佳選擇。

圖3 中頻數(shù)字化采樣結(jié)構(gòu)圖

（3）虛擬無線電結(jié)構(gòu)

虛擬無線電是軟件無線電的一個新的發(fā)展趨勢。虛擬無線電利用工作站(或者高速PC機)的強大計算能力取代DSP來完成所有數(shù)字信號處理。有代表性的是美國麻省理工學院的計算機科學實驗室開發(fā)的Spectrum Ware系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，虛擬無線電以A/D變換為劃分界線，整個系統(tǒng)分為子卡和工作站兩個部分。子卡部分用于獲得射頻信號的采樣數(shù)據(jù)，將射頻信號模擬下變頻到中頻，然后對中頻信號進行采樣。采樣后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過工作站上的GuPPI（通用PCI I/O）接口被送入內(nèi)存緩存區(qū)。為了滿足實時數(shù)據(jù)處理的要求，這里采用DMA（直接存儲接入）技術(shù)，數(shù)據(jù)流直接送入內(nèi)存緩存區(qū)，無需經(jīng)過設(shè)備驅(qū)動程序和一般操作系統(tǒng)功能的處理。然后，工作站中的軟件無線電應用模塊對內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù)流進行處理，完成軟件無線電技術(shù)中DSP所能完成的功能。

基于PC機的虛擬無線電結(jié)構(gòu)具有以下幾個特點：①更好的靈活性。工作站的容量和開發(fā)環(huán)境均優(yōu)于專用DSP芯片，容易實現(xiàn)新協(xié)議和信號處理新算法以及性能的改進提高。②升級快捷。用戶可以很方便地通過更新軟件來增強現(xiàn)有設(shè)備功能。③易與其他應用結(jié)合。虛擬無線電的研究將無線和其他應用的界限模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。

圖4 虛擬無線電結(jié)構(gòu)圖

3 短波無線電的關(guān)鍵技術(shù)

（1）寬帶/多頻段天線技術(shù)

根據(jù)短波軟件無線電的結(jié)構(gòu)，天線要能覆蓋1.5MHz～30MHz頻率范圍；能用程序控制的方法對功能及參數(shù)進行設(shè)置。而實現(xiàn)這些功能的技術(shù)包括：組合式多頻段天線及智能化天線技術(shù)；模塊化收發(fā)雙工技術(shù)；多倍頻程寬帶低噪聲放大器方案等。

（2）寬頻A/D轉(zhuǎn)換

在軟件無線電通信系統(tǒng)中，要達到盡可能多的以數(shù)字形式處理的無線信號，必須把A／D轉(zhuǎn)換盡可能地向天線端推移，這樣就對A/D轉(zhuǎn)換器的性能提出了更高的要求。為保證抽樣后的信號保持原信號的信息，A/D轉(zhuǎn)換要滿足Nyquist抽樣準則，而在實際應用中，為保證系統(tǒng)更好的性能，通常抽樣率為帶寬的2.5倍。由于短波通信的頻率變化范圍較大，對采樣頻率、位數(shù)及動態(tài)范圍也提出了較高的要求，對此可采用并行A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（如圖5所示）。高速采樣保持電路的時間精度可達納秒級，通過串/并轉(zhuǎn)換將量化速度降低，提高采樣分辨率，這樣用多個高速采樣保持和A/D可完成超高速轉(zhuǎn)換。

（3）DSP處理部分

可編程DSP模塊主要由DSP、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)、FIR專用芯片組、存儲器、I/O接口組成。按照不同的數(shù)據(jù)處理流程可將DSP模塊的功能分為：與終端的數(shù)據(jù)交換、自適應調(diào)制解調(diào)、信道環(huán)境分析和管理、SSB調(diào)制解調(diào)、頻率變換等。DSP是軟件無線電的核心部件，但單個DSP的處理速度也是現(xiàn)階段一個主要的瓶頸。當單個DSP處理能力不足時，可采用多個DSP芯片的并行來提高運算能力，如Quad－40CMCM處理器包括4片TMS320C40處理器、5MB內(nèi)存，已用于多頻段多模式軍用電臺。

（4）開放式模塊結(jié)構(gòu)

軟件無線電的一個重要特點就是其優(yōu)良的開放性，這主要體現(xiàn)在軟件無線電所采用的開放式標準化總線結(jié)構(gòu)，只有采用先進的標準化總線，軟件無線電才能發(fā)揮其適應性廣、升級換代方便等特點。現(xiàn)有軟件無線電研究和試驗系統(tǒng)中一般采用雙總線結(jié)構(gòu)，即：控制總線和高速數(shù)據(jù)總線�？刂瓶偩�結(jié)構(gòu)，如VME總線、PCI總線等，應盡可能采用現(xiàn)有的工業(yè)標準，以便于利用已有的軟件和硬件平臺，加快開發(fā)速率。VME總線是一種支持多機并行處理的高性能總線，市場占有率也很高，故可將VME總線作為軟件無線電的首選總線。

（5）軟件協(xié)議和標準

軟件無線電的評價標準中，軟件的可用性是其中很重要的一條。目前正研究在軟件無線點中如何實現(xiàn)軟件的Plug&Play，提出了基于JAVA/CORBA的軟件無線電協(xié)議和標準。其中CORBA(Common Object Request Broker Architecture,公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu))是由面向?qū)ο蠊芾砑瘓F（OMG）制訂的標準。

4 結(jié)束語

軟件無線電是當今計算機技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)在無線電通信應用的產(chǎn)物，它與短波通信的結(jié)合，克服了短波通信固有的缺點，提高了數(shù)字通信的可靠性，增強了自動化和新業(yè)務的能力，從而形成了現(xiàn)代短波通信的新技術(shù)和新體制。