軟件無線電技術是近年來提出的一種實現無線通信的新的體系結構。它的基本概念是把硬件作為無線通信的基本平臺，而把盡可能多的無線通信及個人通信功能用軟件實現。這樣無線通信新系統、新產品的開發將逐步轉到軟件上來，而無線通信的產品價值將越來越多地體現在軟件上。這是無線通信領域繼固定到移動、模擬到數字之后的第三次革命，并將在下個世紀形成和計算機及程控交換相當的巨大產業。

 

    從軟件無線電技術的實現看，決定性的步驟在于將A/D和D/A變換器盡量向射頻端靠攏，應用寬帶天線和多頻段天線，并將整個中頻信號作A/D變換，這之后整個處理都用通用可編程數字器件特別是軟件來實現。這樣一個體系具有非常大的通用性，可用來實現多頻段、多用戶和多體制的通用移動通信系統。所以下個世紀個人通信系統將很可能是一個具有驚人處理能力和標準射頻接口的通用硬件平臺，依靠不同軟件提供異常豐富的功能和業務，所以軟件無線電被稱為“通信世界里的PC（個人計算機）”，也就是說通信領域將經歷與PC在八、九十年代所經歷的變革。

 

    以美國為代表的西方國家對軟件無線電技術的發展非常重視。盡管最初的應用背景主要還是軍事方面，但在過去5年間，軟件無線電已從軍事研究脫穎而出，成為經濟的、應用廣泛的、全球通信的3G的戰略基礎。

 

 

 

    軟件無線電是70年代后期首次在美國提出的。在美國1992年開始介紹SWR在軍事技術上的應用。美國國防遠景規劃局（DARPA）的易通話第一期的發起人于1995年對軟件無線電在軍事通信的應用進行了全面的介紹。易通話第二期有力地促進了創立于1996年3月的模塊化多功能信息傳輸系統（MMITS）論壇的發展。MMITS論壇致力于支持開發和使用先進的無線系統開放式結構，最近MMITS論壇重新定義為SDR論壇，標志著軟件無線電開放結構標準從側重軍用向側重商用的轉變。該論壇的主要目標是：

（1）.在不同網絡、多個標準和技術方案環境中實現各種功能的無縫綜合；

（2）.加速軟件無線電系統的擴展；

（3）.推進無線開放式結構的采用；

（4）.提高多功能系統的靈活性；

（5）.確保滿足當前和未來用戶在話音、數據、圖像、多媒體等方面的需求。目前MMITS的全球參與者包括：法國的Alcatel、瑞典的Ericsson、日本的Keio University、英國的Motorola、芬蘭的Nokia、德國的Rhode and Schwarz、南朝鮮的Samsung Electronics和德國的Siemens等。

 

    美國除了成功研制出易通話多功能多頻段電臺外，美國麻省理工學院計算機科學實驗室Spectrum Ware項目從通用計算機實現軟件無線電的角度出發，引入了更多的軟件成分，提出并試圖實現“虛擬”無線電。Motorola等公司對軟件無線電的基站進行了深入的研究，同時美國Airnet公司已研制出可靈活配置的基站。

 

    隨著歐洲委員會于1997年5月在布魯塞爾成立軟件無線電專題研究組，歐洲個人通信產業中軟件無線電的前景已明朗了許多。在此之前，產業界已對軟件無線電進行調研，并在一定范圍內對軟件無線電進行試驗。在此之前，實現軟件終端的數字信號處理（DSP）和無線射頻（RF）技術的快速發展潛力在歐洲一直備受爭論。

 

    隨后布魯塞爾專題研究組根據第三代ACTS（先進通信技術和業務）移動通信委員會要求，于1998年6月在希臘的Rhodes舉行了第一屆國際軟件無線電研討會。大量相關的泛歐研究項目已在歐洲委員會的ACTS計劃中著手進行。歐洲共同體在歐洲先進通信和ACTS項目的研發中，資助軟件無線電的預先競爭。歐洲委員會目前正把軟件無線電技術作為重要的研發項目。

 

    亞洲有關軟件無線電的研究直到1998年4月，日本Keio大學成立第一個亞洲專題組才廣泛開展。但其研究的深度和廣度與歐美相比，還存在著一定的差距。

 

 

    美國和歐洲有關軟件無線電工作的方向和急切程度反映了非常不同的市場情況。在歐洲7年前才起動的GSM數字蜂窩移動通信系統發展非常迅速，所以目前歐洲人對于PC和話音電話業務的無線接入已非常容易和方便。當他們跨越整個歐洲和世界的大部分國家時，漫游已不成問題。

 

    相反，近年北美經歷了從模擬到多種數字標準的轉變。因此未來幾年軟件定義的多模式手機存在明顯的需求。對于軟件基站，北美也認為存在類似機會，它既能支持模擬的AMPS也能支持新的數字標準。然而值得注意的是，軟件無線電在應用市場中還未取得成功。另外，美國由于個人通信業務（PCS）已占用分配給3G的頻譜，所以迄今為止除了參與知識產權（IPR）爭議外，美國的3G還處于初級階段。

歐洲對多模式手機和基站的需求較不緊迫。由于GSM900/1800雙頻移動電話在今后兩年將成為市場標準，該產品的需求是由于歐洲為GSM分配了雙頻段所驅動的。然而這種需求真正影響的只是RF，而不是軟件無線電。雙模DECT/GSM產品的需求已降低，在任何情況下，這個市場與蜂窩市場相比都比較小。

 

    3G標準和支持移動多媒體業務的通用移動通信系統（UMTS）的出現已成為歐洲軟件無線電的商用驅動力。從基站的前景看，軟件無線電可為基礎設施提供從GSM向UMTS發展的手段；從手機的前景看，軟件無線電可為制造商提供3G手機在UMTS還無法延伸到區域軟切可換到GSM的潛力，同時它也允許制造商在UMTS不同發展階段尋找區域市場。

 

    這些區別預計導致商用軟件無線電產品首先在北美出現，而歐洲更象為3G所需的更有能力和更強大的產品鋪平道路。

 

 

 

    軟件無線電的關鍵思想在于：1）.將A/D/A盡量靠近天線；2）.用軟件實現盡可能多的功能。可以說除了上述兩點關鍵思想被普遍接受以外，其它方面的內容都在爭論和探討中。所以目前國際上軟件無線電更多的是以一種概念和假想的形式出現，具體的定義和體系結構尚無定論。

 

    理想的SWR是多頻段多模式電臺，這種電臺的動態能力完全由包括物理層的各層協議棧軟件來定義。這種理想的技術的更合理名稱應是“數字式可編程無線電”。數字式可編程無線電也用ADC對天線上的信號或中頻信號進行數字化，但數字化后的數據不是只靠軟件進行處理，而是利用各種靈活的可再配置的ASIC和通用數字信號處理器（DSP）來縮減系統功耗、體積和成本。這些ASIC是可編程的，可以針對不同頻道的特性和調制方式進行調節。具體的實施方案包括ASIC或現場可編程門陣列（FPGA），它們比完全靈活的DSP實施方案更為經濟。軟件無線電的實際定義包括那些含有一套預先定義的硬件模塊（如ASIC或FPGA）的無線電。這些模塊必須可以通過軟件進行選擇，用作幾種不同系統的公用硬件。因此，今天的實用軟件無線電是把一些挑選出來的功能交由集成電路去完成，但又得保持足夠靈活性，以便根據各種不同的標準對其重新進行配置。

 

    目前國外正在研究如何實現軟件的Plug&Play, 并提出了基于JAVA/CORBA的軟件協議和標準（Common Object Request Broker Architecture, 公共對象請求代理體系結構）。該標準是由面向對象管理集團（OMG）制定的。它的思想是在“軟件總線”的基礎上，建立一個開放、易用的體系結構。所謂“軟件總線”與通常的“硬件總線”類似，就是將應用模塊插入按標準做成總線即可實現集成運行，從而支持分布式的計算環境。這種設計思想與軟件系統中軟件的可重用性是一致的。

 

    面向對象結構可以方便地描述軟件無線電的實現方法，每一個功能塊對應一個類函數。例如第三代移動因特網業務，可通過業務和網絡支持庫的現有因特網協議（IP）棧與來自信道編解碼庫的3G IF調制解調器相混合設計。3G的移動分類可通過在Java虛擬裝置上執行的程序語言實現。這種擴展的觀點體現了SWR概念從理想的純理論抽象到實際應用體制的發展，商用產品正引導SWR朝這個方向發展。

軟件無線電的產業化要求綜合兼容的硬件、微程序語言和軟件模塊，最近國外提出“分層虛擬機”的參考模型，通過“分層虛擬機”參考模型，軟件無線電將這些模塊組織起來，促進產業化。分層虛擬機使軟件無線電的每一功能的實現層次和手機的每一模式結合起來，層越少意味著調用手機的特定資源的運算效率越高。

 

 

(1).低功耗、小型化技術

 

    到目前為止，軟件無線電手機除了受技術制約以外，還受到功耗、體積和成本的制約。美軍的易通話第二期工程樣機接收功耗高達60瓦。所以降低功耗、減少體積是軟件無線電手機必須逾越的難關。

目前的電源管理DSP芯片由DSP ISA為ASIC核的ASIC構成。軟件無線電可控制話音和數據通信的短工作周期，使手機有更長的休眠模式或時間。尋呼信息的定時結構減少了錯誤概率，進一步保存了電池壽命。

 

(2).高速A/D和DSP數字處理

 

    AD變換和DA變換技術始終是軟件無線電手機的瓶頸，近期內滿足2000MHz頻段采樣的AD芯片尚無法實現，即使能生產其功耗、價格也無法解決，因此從信號分析的角度研究采樣方法是可取的。

從采樣頻率出發，人們把采樣分為過采樣、奈奎思特采樣和欠采樣，由于軟件無線手機接收的信號相對其覆蓋頻率而言是窄帶的，因此，欠采樣應是軟件無線電手機最有前途的研究方向。

DSP數字信號處理技術是軟件無線電手機的基礎。從“易通話”第二期工程的設計看，未來的軟件無線電臺將越來越依賴數字信號處理技術的發展，但目前盡管低功耗DSP、超強功能DSP發展迅速，但DSP在速度、功耗上的現狀仍然是制約軟件無線電手機發展的關鍵。

DSP的另一研究內容就是軟件，軟件是軟件無線電手機的核心。在目前DSP不能滿足軟件無線電手機設計要求的情況下，開發DSP的數字信號處理軟件應是軟件無線電手機的主攻方向。這其中包括各種FFT算法，調制解調、信源編碼、信號編碼等各種通信軟件，也包括方式控制、信號控制和數據交換軟件。

 

(3).時鐘的產生與分配

 

    時鐘的產生和分配會消耗大部分手機電源，特別是多模式SWR手機必須對所支持的每一標準產生幾個不同的時鐘速率，每一標準的參考晶振增加元器件數量、復雜性和由此產生的成本。手機總的損耗功率約與時鐘速率的平方成正比，而第二代手機W-CDMA、GSM的主時鐘速率較高，這種高速主時鐘的不實用性表明第二代手機的局限性。因此需要采用低功耗SWR手機時鐘的新技術以便在多標準手機的軟件中產生純頻譜的信號。對3G時鐘的選擇非常重要，它既可將多模式手機的成本減少到大量市場可接受的水平，或將3G降到小的高端市場的位置。

 

(4).接收機結構

 

    接收機的復雜性一般是發射機復雜性的四倍或更多倍，因此接收機結構是影響手機成本的首要因素。直接變換接收機可將本振參考信號與RF信號混頻后，直接產生基帶信號，并可抑制超外差接收機的雜波信號。理想的SWR接收機使用寬帶ADC接入IF，信道選擇和轉換到基帶信號由可編程濾波器ASIC或FPGA碼實現。但目前這種DSP和ADC非常耗電。所以松下公司已將其SWR手機發展計劃制定為從現階段的基帶DSP開始的三個階段。因此近期軟件無線電手機的接收機還將采用軟件包括IF處理的超外差式。但由于直接變換可實現便攜低成本手機的收發信機，且可兼容多種標準，所以最近幾年直接變換原理又開始受到重視。

 

(5).手機生產

 

    批量生產手機的成本幾乎與零件成本成正比。最近的微電子機械系統（MEMS）技術使用三維微切削加工將元器件集成到半導體基片上，MEMS器件包括400個微RF開關，這些開關的體積是傳統的PIN二極管RF開關的1/1000，平均功率不到傳統RF開關的1/100。懸臂梁濾波器的質量因子（Q）已高達80000。另外，鎳MEMS器件不需熔化可被裝配到現有CMOS芯片上。設置MEMS器件調諧頻率的機械結構本身可變，通過微驅動器設置到指定的數值。除了產品元件的微調參數，這種微驅動器還具有滿足未來SDR可編程特性的足夠的動態范圍和機械壽命。

 

 

    靈活綜合無線電系統和技術（FIRST）和ACTS計劃的FRAMES項目已對使用原型SWR的下一代空中接口進行調研。ADC性能的缺陷是基站SWR的經濟制約。基站應用所需的并行數字信道的數量取決于已知帶寬上ADC的有效動態范圍（分辯率精確度）。基站的成本與RF-ADC信道的數量成正比。因此ADC技術將是具有真正全球化能力的SWR基站的主要技術挑戰。

 

    軟件無線電基站的開發動力可能會促使第三代系統的出現。但運營公司已在第一代和第二代無線系統中投入大量的投資，因此，至少從目前來說，運營公司在不久的將來不愿意考慮部署軟件無線電網絡。預計，全世界的移動通信制造商都把軟件無線電看作是很久以后才能實現的機遇，它們將把重點放在市場活力大的變種軟件無線電上。這種實用的態度導致數字式可編程無線電的研制，這種無線電實現了第二代系統向第三代系統的跨越。

 

    軟件無線電正處于艱難的誕生階段。它的萌芽包括軍用的低RF頻段、控制可編程濾波器ASIC和基帶DSP。然而它的近期經濟性取決于3G的發展。一些技術挑戰是由于無法實現跨越世界各地區的空中接口規范化而產生的；另一些技術挑戰是由于電源損耗、時鐘速率、動態范圍和線性技術的局限性產生的。隨著時間的推移，這兩方面都會產生先進的ADC、DSP、ASIC、FPGA和軟件技術。成功的關鍵是通過開放標準控制軟件無線電的發展進程。

 

 

    由于受到基礎產業和元器件的制約，發展我國新一代無線電系統只能走系統集成和專題配套相結合的道路。一方面，在系統控制、軟件和模塊設計上下功夫，明確軟件無線電的發展方向、目標和應用前景，以需求為牽引推動軟件無線電的發展；另一方面，安排國內的元器件單位開展配套元器件的研究。同時利用市面上已有的國外元器件，如DSP、高速AD、DA等國內尚不具備研制基礎的元器件為我所用，加快軟件無線電系統的研究進度。

 

 

    軟件無線電需要將現代先進的通信技術、微電子技術和計算機技術相結合，是一個中長期的研究項目，需要很強的綜合實力。采用什么樣的體系結構對于發展我國的軟件無線電非常重要，這包括兩個層次。一是系統的總體結構，不僅要考慮目前的實現，還要考慮到長遠的發展，不然很可能使得軟件無線電成為眾多“標準”之后的又一種，甚至是出現多種互不兼容的軟件無線電“標準”，而不是將這些現有的標準統一起來。另一個層次是子系統的設計，我們認為關鍵的部分是RF端設計和計算機體系結構設計。

 

    系統總體涉及的主要技術應包括：系統的功能定義、模塊劃分、接口標準、總線定義、軟件平臺的選擇和實際應用的模擬。

 

 

    軟件無線電技術涉及當今電子、計算機和通信技術的最新成果，盡管我國在“九五”就開始跟蹤研究，但受總體技術和配套元器件的制約。應該承認我國在軟件無線電領域和歐美相比存在著一定的差距，不可能在近期解決軟件無線電的全部問題，有必要選擇關鍵技術實施突破。

(1).多信道數據交換技術；

(2).高速數字信號處理技術；

(3).系統軟件設計技術；

(4).寬帶射頻和模塊化技術；

(5).高速AD/DA技術；

(6).嵌入式開放系統控制技術；

(7).多媒體業務。

 

 

    目前我國軟件無線電的開發與研制基本是依靠國外的元器件，主要原因一方面是受國內基礎電子工業技術水平的限制，國內目前尚不具備研制和生產高速AD、DSP、CPU芯片的能力；另一方面則是元器件配套未能跟上，所以建議未來我國部分軟件無線電臺的配套器件如電調濾波器、寬帶中頻放大器、功率放大器模塊等相關模塊和整機一起配套研制。