软件无线电的发展与展望
作者:李少谦 Li Shaoqian 张平 Zhang Ping
2005-03-16
１ 软件无线电的由来
软件无线电的概念是１９９２年作为与军事有关的技术被首次提出的。１９９２年５月，在美国电信系统会议上，ＭＩＴＲＥ公司的Ｊｅｏ Ｍｉ-ｔｏｌａ首次明确提出了软件无线电的概念，之后软件无线电技术即被美国军方用于研制多频段、多模式电台，该电台是美军为保证不同设备间的互通性，使各军种间实现高效、可靠的协同通信而研制的三军通用软件无线电台——基于可编程数字信号处理（ＤＳＰ）芯片的多频段、多方式电台——易通话（Ｓｐｅａｋｅａｓｙ），其工作频段覆盖２～
2000ＭＨｚ，其目标是与现在１５种军用电台兼容。
１９９５年美国国防高级研究计划局（ＤＡＰＲＡ）的易通话一期工程的技术工作者对软件无线电的军事应用进行了较系统、全面的论述。１９９５年５月ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｍａｇａｚｉｎｅ发表了一期软件无线电专刊，系统全面地介绍了软件无线电的体系结构，其中包括与数字无线电的区别、硬件和软件的实现方法、性能分析及其功能性结构。该专刊还较为系统地介绍了软件无线电中有关取样、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ变换的基本理论、ＤＳＰ处理器的结构特点及现有ＤＳＰ芯片清单、软件无线电中多处理器间相互通信的一些理论基础，所有这些为软件无线电的一些关键技术的研究（如开放式总线结构、宽频段／多频段天线及射频前端技术、高速高精度Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ技术及高速ＤＳＰ及ＡＳＩＣ的实现通信协议的标准化、模块化）提供了理论基础，至此以后，人们便尝试着将软件无线电技术应用于商业领域。
１９９６年，易通话二期计划促进了多功能模块化信息传输系统（ＭＭＩＴＳ）论坛的发展。最近，ＭＭＩＴＳ论坛改名为软件无线电论坛，它预示着软件无线电开放式结构标准开始从军用转向商用。１９９６年１０月，软件无线电技术被中国列入国家“８６３”计划的通信研究项目。近年来，软件无线电的技术被广泛地应用于陆地移动通信、卫星移动通信与全球通信系统，软件无线电成为解决数字移动通信中多种不同标准问题的最佳选择方式。
２ 软件无线电的概念与结构
（１）软件无线电的概念
究竟什么是软件无线电?芽关于软件无线电目前还没有一个统一的定义，存在很多种说法，但大体意思基本一致，我个人认为软件无线电可以这样理解：理想的软件无线电是一个多频段、多模式电台，它是以用总线方式连接的标准化、模块化的各硬件单元作为其基本平台，其无线通信功能主要由软件加载来实现的一种开放式体系结构。通过运行不同的软件算法，软件无线电可实时配置其通信功能，从而提供不同的无线通信业务。
（２）软件无线电的结构
软件无线电的基本平台主要包括：天线、多频段射频（ＲＦ）转换器、宽带Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ转换器和ＤＳＰ处理器几部分。
其中，ＤＳＰ处理器主要完成中频、基带与比特流处理等功能；ＲＦ模块完成射频／中频间信号转换。在本结构中需要注意两点：首先其功能是通过软件加载来实现的，即软件无线电具有完全的可编程性，它包括可编程的信道接入方式、信道调制方式和纠错算法；其次Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ转换器应尽可能靠近宽带／多频段天线以实现信号的数字化，这也是软件无线电的基本条件。
在早些年，软件无线电的数字化处理还仅局限于基带和信源部分，随着ＤＳＰ芯片和宽带、高速Ａ／Ｄ的出现，软件无线电的数字化现已扩展到了中频部分。目前，除了射频、低噪放大及功率放大部分仍为模拟方式外，软件无线电的其它部分模块均已实现了数字化，并可使用ＤＳＰ通过软件加载来完成软件无线电的绝大多数功能。由于还没有合适分辨率的高速、低成本的Ａ／Ｄ转换器，目前信号的数字化处理还局限于中频及以下。
３ 软件无线电的特点及关键技术
３．１ 软件无线电的特点
（１）软件无线电具有完全可编程性
这是软件无线电的一个最主要的特点，即ＲＦ频段和带宽、信道接入方式、传输速率、接口类型、业务种类及加密方法等均可由软件编程方式来改变。总言之，软件无线电可通过软件加载来扩展通信业务、定义所需增加的新业务、帮助分析通信环境（频率、时间与空间特性）并通过软件生成、调试与运行。
（２）软件无线电具有开放式模块化结构
这里面包括两个方面：首先软件无线电的基本平台是由标准化、模块化的硬件单元以总线方式连接而构成的。其硬件单元各部分（包括射频、中频、基带、信源等各层）均为模块化结构，各模块间通过总线方式互连。其次软件无线电是一种开放式体系结构。它能在尽可能标准化、统一的硬件平台上，通过不同的软件加载来实现各种不同门类、不同型号通信产品的不同功能，这就使在尽可能不改变产品的硬件平台的情况下，通过软件更新的方式来研制开发新的系统成为可能。在通信技术飞速发展的今天，这无疑是通信领域里一次崭新的革命。
（３）软件无线电具有集中性
软件无线电的集中性是指多个信道共享射频前端与宽带Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ转换器以获取每一信道相对廉价的信号处理功能。软件无线电的这种集中性在移动通信系统中具有很高的应用价值，它可使移动通信系统的每个基站能容纳更多的无线接收器。
３．２ 软件无线电的几个关键技术
软件无线电之所以比传统的数字电台优越，是因为其采用了许多关键技术，正是这些关键技术确保了电台的宽频段和功能的灵活性，因此，软件无线电的关键技术若解决不好，软件无线电的各种优越性将只是一个空中楼阁。其中的关键技术主要有：
（１）开放式体系结构
软件无线电的硬件设计以开放式总线结构为基础，所以硬件和软件都采用开放式物理接口和电气接口规范，按标准的通用模块进行设计。目前，用于通信的开放式结构标准已经建立，但软件无线电中用于高性能、适时数字信号处理的开放式标准还处于未成熟阶段。
（２）宽频段／多频段天线及ＲＦ部分技术
ＲＦ转换器部分功能包括产生输出功率、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变换还只能采用模拟方式。
（３）宽带模数或数模（Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ）转换技术
在软件无线电中，理想的ＡＤＣ的位置应尽可能地靠近射频天线，以使接收到的模拟信号尽早数字化及获得最大限度的可编程性。在Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ转换技术中需考虑的几个重要因素有：采样速率、采样方式的选择、带外能量的数值及效应、量化噪声等，目前在软件无线电Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ技术中存在的最大问题是目前ＡＤＣ的采样速率难以完全满足软件无线电所要求的高速、高精度的性能。
（４）中频处理技术
发射端中频处理部分是实现已调基带信号与中频信号之间的变换，这种变换通过离散时间点运算来实现；接收端中频处理部分包括宽带数字滤波，可从可用的业务波段中选出一个来，恢复出中等带宽的用户信道，同时将信号转换到基带。频率变换和滤波的复杂程度决定了中频段对处理能力的需求，其功能完成要求用数字处理方法来实现。
（５）基带处理技术
基带处理段对信号进行第一级信道调制（相应地在接收机中是对信号进行解调）。另外，针对非线性信道的信号预畸变、格型编码和软判决参数估计都包括在基带处理段中。因此，该段的复杂性由基带带宽、信道波形和相应处理（如：软判决支持）的复杂性来决定。
（６）数字信号处理（ＤＳＰ）技术
在软件无线电中，高速ＤＳＰ的运算能力高低将直接影响到软件无线电系统性能的好坏。在多频段多功能电台中，ＤＳＰ部分的设计不再是为某种功能所附加，而是承担电台的大部分信号处理功能，包括调制／解调、变频、数字滤波、信号检测、信息处理、语音编解码、抗干扰及实时控制、网络协议等多种功能。
（７）可重构的实时软件处理技术
软件无线电在多工作方式实现过程中，要求能实时加入新的功能软件，因为尽管目前存储器的容量已经够大，但存储所有软件仍然是一种负担，因此软件无线电应该能够通过特定的用户入口来实时装载新的功能软件，从而通过软件资源重新分配的办法来实现软件的功能重组，这就要求将通信协议及软件标准化、通用化，这也是软件无线电的一个基本要求。
（８）开放式总线结构的标准化
软件无线电采用双总线结构：控制总线（现有工业标准）和高速数据总线（还没有相应标准）。
４ 软件无线电的应用和发展前景
纵观无线电台的发展历史，我们可以看到其体系结构已从早期的点对点和对等通信网络发展到今天的具有复杂等级结构并具有更好服务质量的通信网络。同时，通过复用和扩频技术，信道中的数据传输速率也得到了持续的提高。在多层网络的应用中，一个无线电台单元（通常是一个移动终端）往往参与了多个网络层次的运作。以一个软件无线电台的终端为例，它既可以工作在ＧＳＭ和ＡＭＰＳ网络中，也可以工作在未来的卫星移动通信系统中。未来通信技术发展的两个重要目标是：①在商业领域里，建立一个通过多种接入方式“无隙”地将多种媒体服务结合成一个整体的个人通信系统（ＰＣＳ）；②在军事领域里，大力发展与现有各种电台兼容的多频带、多模式的军用无线电台，以解决三军电台的多频段、多工作方式的互通问题。这就要求未来的无线电终端和基站具有灵活的射频频段、信道接入方式、数据传输速率、误码率（ＢＥＲ）以及功率等。软件无线电台正是实现该目标的最佳选择方案。软件无线电通过对模拟和数字硬件功能的软件化，达到了提高业务质量和信道接入灵活性的目标，同时，软件无线电体系结构也减轻了对硬件资源的要求。更重要的是：它为解决各种不断涌现出来的新的通信协议之间的兼容问题提供了一条新的有效的途径。由于软件无线电具备了现有无线体制所不具备的种种优点，它有着广泛的应用前景。
（１）在军用方面
软件无线电在国外已得到了迅速的发展，在美国，以军方的易通话计划为代表的军用软件无线电技术处在世界的前沿。在发展软件无线电之前，军方的各种军用电台的型号、种类很多，其占用的频率也各不相同，这就造成了三军不同型号电台之间无法互通，从而极大限制了三军之间协同作战的能力，因此，发展软件无线电技术就显得尤为重要。多频段、多功能电台采用标准化可编程模块复用技术，其工作频段可覆盖２～２ ０００ＭＨｚ，可兼容军方现有各种电台，并具备与现有的电台同时通信的能力。它的出现为三军协同作战通信、战术移动通信的网间桥接提供了一个通信平台，并可作为无线电入口（ＲＡＰ）中心台使用。目前，第一代多频段多功能电台（ＭＢＭＭＲ）已被投入使用并取得了很好的效果。第二代产品正处于研制阶段，第二代ＭＢＭＭＲ的明显改善之处是将各方面的设计综合到更高的使用水平，它将在更小的体积上集成更多的功能，通信的可靠性也将大大增加，其战场通信的效益将是第一代所无法比拟的。软件无线电代表着未来军用电台的发展趋势，具有广阔的前景。
（２）在商用方面
美国易通话电台最初虽然是为军方而开发的，但其应用范围却大大超出了军事领域，在商用方面大有前途，易通话计划现阶段集中在开发一种六信道的ＭＢＭＭＲ体系结构，其中４条信道是可编程的，一条信道是全球定位系统只收信道，一条是商用蜂窝移动电话信道。所以易通话电台除能与现役战术电台互通外，其技术也适用于蜂窝移动电话、航空管制等其它民用领域。目前，随着数字信号处理技术的迅猛发展，应用了软件无线电技术的“智能天线”已被应用于８００ＭＨｚ蜂窝／ＰＣＳ基站系统以实现无线电测向和波束成型，以增强传输紧急业务能力；另外，商用的多频段、多功能无线电接收机也已面世，各种ＤＳＰ芯片及ＡＤＣ等都已实现了商用化，所有这些都为软件无线电的商用化奠定了基础。
在当代通信领域中，卫星通信是一种很重要的通信方式。但是，由于目前卫星通信系统设备种类繁多，设备管理和维护工作复杂，使得卫星通信系统更新换代周期长，不能很好地适应现代科技的发展，而软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地解决卫星通信系统中存在的问题。在卫星通信系统中，系统的功能主要指多址方式、网络结构、组网协议和通信业务等；而其设备功能主要指接口标准、调制解调方式、信道编码方式、信源编码方式、信息速率、复用方式等。软件无线电思想就是使上述功能可以用软件来定义，通过友好的人机界面，人们可以在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统功能，从而使该系统能适应各种应用环境而具有很强的适用性和灵活性。
在移动通信方面，近年来移动通信发展迅猛，自７０年代末期模拟蜂窝系统问世以来，不到２０年，已经发展到了以数字化技术为主要特征的第二代移动通信，进入９０年代以来，世界各国着手努力探寻第三代移动通信，即未来个人通信的实现途径。
对于第三代移动通信系统，争论最多的还是无线传输体制问题。对于传输体制，目前具有代表性的主要有两个：以欧洲为代表的Ｗ－ＣＤＭＡ系统，以北美为代表的基于ＩＳ－９５标准的ｃｄｍａ２０００系统。根据目前的发展，由于商用利益和应用场合等条件的限制，要在世界范围内将无线移动个人通信统一到一个体制上还有一定困难，多种体制并存很可能是未来无线移动通信系统发展的趋势。在不同的应用场合，不同的体制有其固有的优越性，而这是其它体制所不能代替的，因此，不同体制间的互联互通便成为一个重要的讨论课题。
软件无线电通过对模拟和数字硬件功能的软件化，达到了提高业务质量和信道接入灵活性的目的，软件无线电在标准的兼容性、技术接入和经济性之间能够取得良好的折衷，它已成为实现不同的多址接入方式之间兼容的最佳方案。通过软件无线电技术对多种体制进行综合，开发出新一代的多模式移动手机，使人们摆脱终端的束缚，一机在手漫游天下的思想已成为第三代移动通信的发展方向。
目前在软件无线电技术领域里还有许多挑战，如数字信号处理器的运算能力远达不到软件无线电的要求等，但是随着微电子技术和计算机通信技术的飞速发展，相信在不久的将来这些问题将会得到圆满的解决，软件无线电技术也将在通信领域里大放异彩。