新一代的無線通信技術(shù)

新一代的無線通信技術(shù)———軟件無線電






孫增軍　周晨陽　蘇秀臣





　　[摘要]　軟件無線電 (ｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ)是近幾年提出的一種實現(xiàn)無線通信的新
體制 ,是無線通信領(lǐng)域的一次重大變革。文章論述了軟件無線電的概念和體系結(jié)構(gòu) ,分析了實現(xiàn)
的關(guān)鍵技術(shù)和難點 ,并介紹了美國軍用的Ｓｐｅａｋｅａｓｙ實驗系統(tǒng)。

　　[關(guān)鍵詞]　軟件無線電�。�/Ｄ�。模樱小。樱穑澹幔耄澹幔螅�



1　概述





從本世紀 70年代開始 ,隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)等的發(fā)展 ,通信技術(shù)發(fā)
生了很大的變化 ,從模擬通信系統(tǒng)到數(shù)字通信系統(tǒng)、從固定通信到移動通信 ,新的通信體制及標
準不斷提出 ,通信業(yè)務(wù)范圍不斷擴大。以移動通信為例 ,第一代是采用ＦＤＭＡ的模擬蜂窩移動
通信系統(tǒng) ;第二代是數(shù)字移動通信系統(tǒng) ,根據(jù)采用標準不同又分為ＴＤＭＡ系統(tǒng)、ＣＤＭＡ系統(tǒng)
等 ;最近發(fā)展起來的個人通信系統(tǒng) (ＰＣＳ)為第三代 ,它要達到的目標是“任何人在任何時間、
任何地點都可以和其他任何人進行通信”。



通信技術(shù)的迅速發(fā)展 ,一方面使通信產(chǎn)品的生存周期縮短 ,開發(fā)費用上升 ;另一方面 ,新老
通信體制共存 ,各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)變得更加復(fù)雜、困難 ,這在軍事通信中尤為突出。近幾
年來 ,數(shù)字信號處理技術(shù)不斷成熟 ,Ａ/Ｄ、ＤＳＰ器件性能越來越好 ,正是在這樣的背景下 ,軟
件無線電技術(shù)應(yīng)運而生。

在 1 992年 5月的全美遠程系統(tǒng)會議 (ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｓｙｓｔｅｍｓＣｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅ)上 ,Ｍｉｔｒｅ公司的科學家ＪｏｅＭｉｔｏｌａ在同ＩＥＥＥ的一位會員談話
時 ,首先提出了軟件無線電的概念。他認為 :軟件無線電基于一硬件平臺 ,其Ａ/Ｄ變換應(yīng)盡量地
靠近天線 ,而將盡可能多的無線通信功能用軟件來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的通信體制相比 ,軟件無線電有
以下幾個特點 :

(1 )系統(tǒng)功能軟件化　軟件無線電將Ａ/Ｄ變換盡量向射頻端靠攏 ,將中頻以后全部進行數(shù)字化處
理 ,使通信功能可由軟件來控制 ,系統(tǒng)的更新?lián)Q代變成軟件版本的升級 ,開發(fā)周期與費用大為降
低 ;

(2 )系統(tǒng)硬件模塊化　它采用模塊化設(shè)計 ,不同的模塊實現(xiàn)不同的功能 ,同類模塊通用性好 ,通
過更換或升級某種模塊就可實現(xiàn)新的通信功能 ;

(3)利于互聯(lián)　不同通信系統(tǒng)都基于相同標準的硬件平臺 ,只要加載相應(yīng)的軟件就可完成不同電
臺、不同系統(tǒng)之間的互聯(lián) ;

(4)系統(tǒng)監(jiān)控方便　由于軟件無線電至少在中頻以后進行數(shù)字化處理 ,通過軟件 ,就可很方便地完
成寬帶天線監(jiān)控、系統(tǒng)頻帶調(diào)整、信道監(jiān)測與自適應(yīng)選擇、信號波形在線編程、調(diào)制解調(diào)方式控制
及信源編碼與加密處理等等。



　



2　軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)





軟件無線電具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用、功能實現(xiàn)軟件化、互操作性好等一系列優(yōu)點 ,與傳統(tǒng)無線電
系統(tǒng)相比 ,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大不相同。圖 1給出了這兩種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。





　　由圖 1可見 ,對于傳統(tǒng)的模擬無線電系統(tǒng) ,其射頻部分、上 /下變頻、濾波及基帶處理全部
采用模擬方式 ,某個頻段、某種調(diào)制方式的通信系統(tǒng)都對應(yīng)專門的硬件結(jié)構(gòu) ;隨后發(fā)展起來的數(shù)
字無線電系統(tǒng)是將低頻部分采用數(shù)字電路 ,如本振用數(shù)字頻率合成器、信源編譯碼和調(diào)制解調(diào)由專
用芯片完成 ,等等 ,而其射頻部分和中頻部分仍離不開模擬電路。與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比 ,軟件
無線電系統(tǒng)的Ａ/Ｄ、Ｄ/Ａ變換移到了中頻并盡可能地靠近射頻端 ,對整個系統(tǒng)頻帶進行采樣 ,
即從中頻 (甚至射頻 )開始就進行數(shù)字化處理 ,這是軟件無線電的一個突出特點。乍看起來 ,軟
件無線電好象只是數(shù)字無線電的進一步發(fā)展 ,事實上兩者有著本質(zhì)的區(qū)別。數(shù)字無線電采用專門的
數(shù)字電路 ,實現(xiàn)單一的通信功能 ,無可編程性可言。而軟件無線電的關(guān)鍵步驟是以可編程能力強
的ＤＳＰ器件代替專用的數(shù)字電路 ,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
碼等進行編程控制 ,系統(tǒng)靈活性大大增強。

軟件無線電的硬件平臺采用模塊化設(shè)計 ,是一個開放的通信平臺 ,這點與ＰＣ的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很
相似 ,例如 :我們?nèi)衾�用ＰＣ欣賞ＶＣＤ ,只需在ＰＣ上插塊聲卡和圖像解壓卡 ,加載相應(yīng)的驅(qū)
動程序就能實現(xiàn) ;若想通過ＰＣ上Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng) ,則插上網(wǎng)卡并安裝網(wǎng)絡(luò)瀏覽軟件 (如Ｎ
ｅｔｓｃａｐｅ、ＩＥ4. 0等 )就可在網(wǎng)上暢游了。可以想象 ,我們基于一相對通用的硬件平
臺 ,通過加載不同的軟件 (需要時可更換插卡 )來實現(xiàn)不同的通信功能。軟件無線電的硬件平臺
比ＰＣ要求高得多 ,它需要寬帶射頻前端、寬帶Ａ/Ｄ、Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換器、高速ＤＳＰ器件等 ,不但
工作頻率高達幾至幾十兆赫 ,信號干擾也是個很嚴重的問題 ,對此 ,ＰＣ的ＡＴ、ＰＣＩ總線是
不能滿足要求的。由于軟件無線電需要進行高速的Ａ/Ｄ、Ｄ/Ａ變換及數(shù)字信號處理 ,必須多個
ＣＰＵ并行工作才能滿足系統(tǒng)處理速度的要求 ;其次 ,數(shù)字信號處理數(shù)據(jù)要高速交換 ,系統(tǒng)總線
必須具有極高的Ｉ/Ｏ傳輸速率。在符合要求的系統(tǒng)總線中 ,ＶＭＥ總線技術(shù)最成熟、通用性最
好、得到的支持最廣泛 ,它可提供多ＣＰＵ并行處理 ,支持獨立的 32位數(shù)據(jù)總線和地址總線 ,總
線速率達

40Ｍｂｉｔ/ｓ(1 997年 1月的ＶＭＥ32 0產(chǎn)品總線速率可達 32 0Ｍｂｉｔ/ｓ),基本滿足軟件
無線電的要求。ＶＭＥ總線是軟件無線電的首選總線方式 ,美國軍用的Ｓｐｅａｋｅａｓｙ軟件無
線電系統(tǒng)就采用了這種總線 ,基于ＶＭＥ總線的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)如圖 2所示。





3　Ｓｐｅａｋｅａｓｙ系統(tǒng)





由于軟件無線電能帶來一系列的好處 ,以美國為首的西方發(fā)達國家十分重視此項技術(shù)的研究
和實驗。隨著當今通信技術(shù)的發(fā)展 ,軍用電臺必須及時更新?lián)Q代才能跟蹤先進技術(shù) ,這就難免造
成大量的軍費開支。如何節(jié)約軍費 ,又能保持軍用通信設(shè)備技術(shù)不落后 ,是擺在世界各國面前的
一個棘手問題。正是基于這樣的背景 ,美國國防部高級研究計劃總

署 (ＡＲＰＡ)提出了Ｓｐｅａｋｅａｓｙ計劃。計劃第一階段的目標是研制開發(fā)多頻段多模電
臺 (ＭＢＭＭＲ),它由Ｈａｚｅｌｔｉｎｅ公司主承包 ,ＴＲＷ公司是波形軟件子承包商 ,此計
劃從 1 991年 1 0月開始 ,ＳｐｅａｋｅａｓｙⅠ的先期開發(fā)模型 (ＡＤＭ)已于 1 994年 8月
對政府的一些代表作了演示。





Ｓｐｅａｋｅａｓｙ系統(tǒng)ＭＢＭＭＲ電臺的結(jié)構(gòu)如圖 3所示 ,它工作于 2～ 2 0 0 0ＭＨ
ｚ,采用雙總線結(jié)構(gòu) ,即ＶＭＥ總線和高速數(shù)據(jù)總線 ,其ＤＳＰ器件采用ＴＩ公司的ＴＭＳ32 0Ｃ
40多芯片模塊 (ＭＣＭ ),它可提供1 1 0 0ＭＩＰＳ和 2 0 0ＭＦＬＯＰＳ的處理能力 ,Ｉ/Ｏ
速度達30 0Ｍｂｉｔ/ｓ。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ系統(tǒng)是美國軍隊為使多種通信電臺互聯(lián)互通而研制
的 ,是先進的軟件無線電系統(tǒng) ,它共演示了以下幾項內(nèi)容 :

(1 )分別與四種政府裝備的標準電臺互通 ,其中包括戰(zhàn)術(shù)無線電臺ＨａｖｅＱｕｉｃｋ、ＨＦＭ
ｏｄｅｍ(ＭＩＬ ＳＴＤ 1 88 1 1 0Ａ )、自動鏈路建立ＡＬＥ (ＭＳ 1 88 1 41Ａ)和單信道
地面和機載無線電系統(tǒng)Ｓｉｎｃｇａｒｓ;

(2 )在ＨａｖｅＱｕｉｃｋ和Ｓｉｎｃｇａｒｓ的跳頻網(wǎng)上同時發(fā)射 ,實現(xiàn)同時與這兩種電臺通
信 ;

(3)作為網(wǎng)橋 /關(guān)連接ＨａｖｅＱｕｉｃｋ和Ｓｉｎｃｇａｒｓ網(wǎng) ,使兩個網(wǎng)上的用戶信息透明地
傳輸 ;

(4)在兩部Ｓｐｅａｋｅａｓｙ電臺上 ,同時改變ｓｉｎｃ ｇａｒｓ的波形參數(shù)后仍能互通 ,顯
示了波形可編程能力。這次演示的內(nèi)容包括語音、數(shù)據(jù)及計算機產(chǎn)生并通過ＨＦＭｏｄｅｍ傳輸?shù)?br />視頻圖像。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ計劃第二步方案于 1 995年獲政府批準 ,將進一步研究增加軟件
無線電的網(wǎng)絡(luò)功能 ,并擴展ＭＢＭＭＲ電臺可兼容的波形 ,包括ＧＰＳ、ＷＮＡ(無線電網(wǎng)絡(luò)接
入 )、ＵＨＦＳａｔｃｏｍａｄａｍａ、蜂窩電話等。





4　實現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)





軟件無線電采用開放式模塊化設(shè)計 ,使電臺業(yè)務(wù)功能與硬件平臺相對獨立 ,由此可帶來一系
列的好處。但由于硬件水平的限制及體系結(jié)構(gòu)理論尚待成熟 ,理想的軟件無線電還不可能馬上實
現(xiàn) ,實現(xiàn)軟件無線電的“瓶頸”包括 :寬帶天線和射頻模塊、寬帶Ａ/Ｄ變換、高速ＤＳＰ器件等
等。





4. 1　寬帶天線和射頻模塊

軟件無線電臺可以在多頻段工作 ,必須應(yīng)用寬帶、低損耗天線 ,美國已研究出幾個倍頻程的
天線 ,但效率太低。射頻前端同樣需要很寬的頻率范圍 ,如低噪聲放大器、濾波、功放、ＡＧＣ
等 ,這在技術(shù)上不存在困難 ,市場上已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn) ,如Ｍｉｎｉ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ公司的Ｍ
ＡＲ系列寬帶低噪聲放大器就可滿足要求。





4. 2　寬帶Ａ/Ｄ變換

軟件無線電的一個顯著特點是將Ａ/Ｄ變換盡可能地靠近天線 ,至少要對中頻進行Ａ/Ｄ變
換 ,它要求Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器件具有較高的性能。評價Ａ/Ｄ變換器性能的參數(shù)包括信噪比 (ＳＮＲ)、
無寄生動態(tài)范圍 (ＳＦＤＲ)、互調(diào)失真 (ＩＭＤ)、采樣速率和采樣精度等 ,其中主要的兩項是
采樣速率和采樣精度 ,一般用ＳＮＲ來綜合表示這兩項指標 ,ＳＮＲ可用下式計算 :ＳＮＲ
=6.0 2Ｂ +1 .76+1 0ｌｏｇ1 0 (ｆｓ/ 2 ｆｍａｘ)　 (ｄＢ)

其中Ｂ為ＡＤＣ的位數(shù) ,ｆｓ 表示采樣速率 ,ｆｍａｘ為輸入模擬信號的最高頻率。對于一個
70ＭＨｚ的中頻信號 ,若要求采樣精度達到 1 2位 ,ＳＮＲ等于 80ｄＢ ,可以算出采樣速率為
558ＭＳＰＳ。表 1給出了幾種現(xiàn)有Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器件的性能







由表 1可知 ,目前的Ａ/Ｄ器件水平還遠不能達到要求 ,一個比較好的解決方法是采用多片精
度高的Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換并行采樣。如對前面的例子來說 ,采用6片 1 2位 1 0 0ＭＳＰＳ的ＡＤＣ ,就
基本達到要求。





4 .3　高速ＤＳＰ

軟件無線電是對整個工作頻段 (2 5ＭＨｚ左右 )進行數(shù)字化 ,中頻和基帶處理全部采用數(shù)字
信號處理方式 ,實現(xiàn)軟件控制 ,它對ＤＳＰ芯片的處理能力提出了很高的要求。以蜂窩移動通信
為例 ,系統(tǒng)頻帶為 1 2 .5ＭＨｚ,采取過抽樣時的抽樣頻率為 30 .72

ＭＨｚ,采樣后的頻率變換、濾波、抽取等處理每個樣點至少進行 1 0 0次操作 ,則處理速率為
30 72ＭＯＰＳ。表 2列出了目前ＤＳＰ器件的性能：







由表 2可見 ,目前任何一片ＤＳＰ器件都無法滿足要求 ,解決方法有兩種 :一是用多個ＤＳ
Ｐ芯片并行處理 ,ＳｐｅａｋｅａｓｙⅠ系統(tǒng)就是采用了這種方法 ,選用的是ＴＩ公司的Ｑｕａ
ｄ Ｃ40ＭＣＭ芯片模塊 ,它由 4片ＴＭＳ32Ｃ40及 5Ｍｂｙｔｅ的ＲＡＭ組成 ,可達1 1 0 0Ｍ
ＩＰＳ(1 6ｂｉｔ)和 2 0 0ＭＦＬＯＰＳ(32ｂｉｔ)的處理速度 ,Ｉ/Ｏ速率為 30 0Ｍｂｉｔ/
ｓ。二是采用專門的可編程芯片 ,將中頻進行下變頻 ,然后再進行ＤＳＰ處理。Ｈａｒｒｉｓ公
司的數(shù)字下變頻器 (ＤＤＣ)ＨＳＰ50 0 1 6可完成從寬帶信號中提取有用信號的功能 ,其最大輸
入速率為 75ＭＳＰＳ(1 6ｂｉｔ),通過編程可控制數(shù)據(jù)速率及數(shù)據(jù)輸出格式等。在目前來說 ,采
用ＤＤＣ的軟件無線電系統(tǒng)是比較現(xiàn)實的 ,一旦ＤＳＰ器件達到所需水平 ,就很容易過度到理想
的軟件無線電系統(tǒng)。采用ＤＤＣ的軟件無線電系統(tǒng)如圖 4所示







軟件無線電是無線電通信領(lǐng)域的一次重大變革 ,從 1 992年提出到現(xiàn)在 ,世界各國進行了大
量深入的研究與實驗 ,我國也已將軟件無線電納入國家“863”高科技發(fā)展計劃。誠然 ,軟件無線
電還處于初步研究階段 ,具體的體系結(jié)構(gòu)尚無定論 ,Ａ/Ｄ、ＤＳＰ器件的現(xiàn)有水平也限制了軟件
無線電的發(fā)展 ,但軟件無線電具有開放式的硬件平臺及很強的可編程性 ,便于電臺間的互聯(lián)互
通 ,易于新業(yè)務(wù)、新技術(shù)的引入 ,必將成為未來無線電通信的主宰。軟件無線電的最終目標 ,是
可以工作于ＧＳＭ、ＡＭＰＳ等多種通信網(wǎng)絡(luò) ,適應(yīng)各種通信標準 ,能夠“無縫”地接入到個人
通信系統(tǒng) (ＰＣＳ)和多媒體服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中去。