隨著無線通信數字化和計算機應用進入無線電領域，一種新的無線通信體系結構——軟件無線電，正受到國內外廣泛重視，這是繼模擬通信到數字通信、固定通信到移動通信的又一次重大變革。

 

軟件無線電ＳＷＲ　集無線電臺和計算機于一體：采用標準的開放式總線結構，進行模塊化設計；具有可編程功能、重組能力，實現多信道、多模式工作；使用寬帶智能天線，具有多頻段射頻變換能力：能在不同無線信道之間、各種網絡之間用作無線網關，并可靈活地擴展網絡功能；適應不同無線電環境，具有傳輸安全和信息保密性。

 

ＳＷＲ集中體現了無線通信寬帶化、數字化、綜合化、網絡化、智能化的發展方向。ＳＷＲ研究開發始于軍事通信，美國防部為解決多種軍用電臺互通，１９９２年開發易通話ＳＰＥＡＫｅａｓｙ　多頻段、多功能電臺，１９９９年完成四部樣機，其功能可替代１５種電臺。軍用無線電臺主要特點是多頻段、多信道、多模式、多調制方式、多編碼方式、多業務和多協議，ＳＷＲ通過軟件編程，可靈活地更改功能和提升性能。１９９５年北美、歐洲將ＳＷＲ技術用于通用移動通信系統ＵＭＴＳ　，提供高度靈活和自適應的傳輸方案，支持高達２Ｍｂｐｓ各項業務，在ＧＳＭ基站和各類手機進行開發應用。由我國提出的３ＧＰＰ規范的ＴＤ—ＳＣＤＭＡ ３Ｇ時分雙工移動通信方案也基于ＳＷＲ技術。

 

ＳＷＲ頻率覆蓋２１．５ＭＨｚ一２ＧＨｚ，此前大量的研究開發集中在３０—４００ＭＨｚ頻段，短波頻段因其頻率覆蓋系數大１５－２０　，造成射頻處理特別是寬帶天線技術難度大；信道存在頻率選擇性和時間選擇性衰落、多徑時延、頻率擁擠、干擾大；傳輸頻帶窄、數據傳輸速率嚴格受限，因而短波頻段成為實現ＳＷＲ的瓶頸。本文在分析ＳＷＲ含自適應智能天線　基本技術基礎上，探討短波ＳＷＲ相關技術。

 

２ 軟件無線電技術
２．１ ＳＷＲ概念

 

以硬件作為無線通信的基本平臺，把盡可能多的無線及個人通信功能用軟件實現。ＳＷＲ工作原理與個人電腦十分相似，可使多個收發信機同時在一個硬件平臺上運行，該平臺相當子數字信號處理器ＤＳＰ　利用指令，實現指定信號的帶通濾波、自動增益控制ＡＧＣ　、頻率變換和調制解調，每種波形有自己的程序，貯存在機內存儲器中，需要時輸入信號處理器。

 

中頻甚至射頻數字化是實現ＳＷＲ的先決條件，數字無線電采用專門的數字電路，實現單一的通信功能，而ＳＷＲ以可編程能力強的ＤＳＰ器件代替專用數字電路，使系統硬件結構與功能相對獨立，基于一種相對通用硬件平臺，通過軟件實現不同通信功能。 目前ＳＷＲ設計有兩類：一是軟件定義無線電ＳＤＲ　，能控制和配置信號處理單元：一是ＳＷＲ，由軟件本身完成信號處理。

 

２．２ ＳＲＷ結構

 

按處理功能區分，ＳＷＲ結構包括信道處理、環境管理和軟件工具（庫）三大部分。ＳＷＲ硬件結構的基礎是采用盡可能靠近天線端的寬帶模數或數模變換器ＡＤＣＤＡＣ　、微處理器和ＤＳＰ。

 

信道處理包括從天線到用戶終端所有處理，又可分成信道編解碼和信源編解碼兩部分，各部分處理功能如下： １　天線信號處理功能：射頻信號方向選擇、多徑補償、干擾抑制。

 

２　射頻變換：中頻射頻信號變換成射頻中頻信號，產生功率輸出。

 

３　中頻處理：變換調制基帶和中頻之間發送接收信號，寬帶ＡＤＤＡ變換。

 

４　基帶處理：對數據信號進行調制解調。包括各種數字調制的算法如８ｐｓｋ、ＧＭＳＫ　和模擬基帶調制如ＦＭ、ＳＳＢ　，傳輸安全處理等。

 

５　比特流處理：通過多路復用器ＭＵＸ　把多個用戶的數據流合路分路，完成交錯、分組、卷積等編碼處理、信息加密處理：裝入各種糾錯碼的編譯碼軟件和各種密碼算法軟件。 ６　信源處理：完成窄帶話音ＡＤ或ＤＡ轉換，通過編碼算法軟件對話音信號進行編譯碼處理。

 

環境管理使用頻率、時間和空間連續表征無線電環境，充分利用數字化和射頻信號中的大量信息，評估傳輸質量，分析信道特性，根據無線電環境的變化而自適應地配置收發信機的數據速率、調制方式、信道編碼方式，調節信道頻率、帶寬以及無線接入方式。

 

２．３ 軟件分層通用模型

 

一般ＰＣ機軟件有四層，應用程序、應用程序接口ＡＰｌ　、操作系統ＯＳ　和總線用驅動器、外圍設備及其他硬件。ＳＷＲ的應用程序是實現無線電通信功能的各種軟件模塊，如波形調制解調、信道編解碼、保密算法、網絡協議、機內測試等軟件。應用程序接口形成一個公用裝置，在應用程序和操作系統之間提供抽象電平，保證應用碼的可移植性，將參數表變換格式，并在各層之間調用或按參數變量調用轉譯程序。操作系統管理、執行應用軟件功能所需的處理過程、文件、資源和存儲器，建立內部處理器間通信、任務仲裁、應用程序調用、完成啟動、停機和其他“內務”工作——軟件驅動程序器控制總線、硬件部件外圍設備、視頻顯示器等。

 

２．４ 軟件功能模塊的劃分

 

ＳＷＲ軟件模塊間的接口供數據流和控制流使用，其數據為通過軟件電臺的端到端用戶信息，控制是軟件電臺應用的系統指令、參數和狀態，供建立、管理、監控通信使用。該概念模型不表示物理硬件實現，目的是把同類功能劃分為一個軟件模塊可分為若干子模塊　，各模塊作用如下：

 

１　ＲＦ模塊：ＲＦ軟件控制內部ＲＦ硬件，完成已調數字波形與可傳播的ＲＦ波形的相互變換、增益控制、調諧控制、功率設置等功能。

 

２　調制解調模塊：通過ＤＳＰ、現場可編程門陣列ＦＰＧＡ　實現信號處理功能；波形控制完成應用波形的建立和拆除，波形處理完成應用波形操作，包括ＡＤＣ、調制解調、糾錯、載波跟蹤、交織、特定波形所需的數據成幀。 ３　信息保密模塊：包括傳輸保密保護波形擴展碼　和通信保密 發送的信息　，同一硬件處理器實現許多不同加密算法的軟件可編程密碼，其功能分為執行密碼算法，管理算法和密鑰。

 

４　網絡化模塊：傳輸成形數據的路由選擇交換，不同協議或波形之間橋接轉換信息　，專用波形作網絡化的消息鏈路處理，移動用戶信息的移動性管理。

 

５　系統控制模塊：用于發送接收的指令、狀態和參數的控制信息，提供三類功能： ●資源管理：實現波形的初始化和配置，適用或處理加載應用軟件，資源分配、保護、仲裁，用戶授權和訪問保護。

 

●處理過程管理：模塊間處理過程中的通信，系統任務的同步，狀態監控，機內測試。

 

●數據庫管理：新軟件下載和存儲，文件存儲、尋址、命名，訪問控制和授權。此外，系統控制能實現具有自適應特性的智能無線電功能，包括信道可用性和利用評估、傳輸延時最小化、數據速率最大化、發射功率最小化等。

 

（６）人機接口模塊：控制接口從用戶收集指令和參數，把狀態信息告知用戶，數據Ｉ０包括鍵盤輸入、字符圖形輸出。

 

 

３．１ 工作原理

 

自適應智能天線技術是一種軟件技術，是軟件無線電技術的基礎，使用自適應陣列信號處理軟件，對所有用戶無線信號進行高速時空處理，實時調整無線信號的傳輸。智能天線是一個天線陣列，一般使用４～１６個天線陣元結構，陣元間距１２波長，每個陣元有Ｍ個加權器，可以形成Ｍ個不同方向的波束，同一組天線陣元可以形成不同的天線輻射圖，一種天線尺寸，可以建立一個基本的陣元結構。可變增益放大器ＶＧＡ　通過調整增益的指令字驅動，可編程移相器進行相位調整，用ＤＳＰ實現ＶＧＡ和移相器，在振幅和相位上控制天線陣元激勵以改變天線輻射圖。

 

３．２ 關鍵技術

 

自適應智能天線的核心在基帶的數字處理部分，由數個軟件功能模塊組成。天線輻射圖沒有固定的形狀，隨著信號和干擾而變化，采用ＤＳＰ技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。由于自適應天線能形成不同的天線輻射圖，并可用軟件設計完成自適應算法更新、自適應地調整輻射圖，可在不改變系統硬件配置的前提下，增加系統靈活性，因此稱為軟件天線。自適應智能天線的關鍵是自適應算法；非盲算法借助參考信號導頻序列／導頻信道　的算法，算法處理時先確定信道響應，再按逼零準則確定加權值，或直接按一定準則逐漸調整權值。盲算法無需發送已知導頻信號，收端自己估計發送的信號，并以此為參考信號進行上述處理。一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特征，并調整權值，以使輸出滿足這種特性，將兩者結合稱為半盲算法，即先用非盲算法確定初始權值，再用盲算法進行跟蹤和調整。此外通過時域獲得天線最優加權算法有：最小均方算法（ＬＭＳ）、取樣協方差矩陣的直接求逆ＤＭｌ　、遞歸最小均方誤差ＲＬＳ　算法、恒模（ＣＭ）算法；通過空域對頻譜進行分析，以獲得信號到達方位角ＤＯＡ　估計的算法有：多信號分類法算法、旋轉不變技術信號參數估計法算法等。

 

３．３ 系統處理流程

 

自適應天線陣列系統持續監控其覆蓋范圍，針對不斷變化的無線環境，系統提供有效的天線發送和接收模式跟蹤用戶信號，系統處理流程如下：

 

１　對來自所有天線中的信號進行取樣，然后轉換成數字形式，并存儲下來。

 

２　處理器立即分析樣本，對無線環境進行評估，確認用戶干擾源及其所在位置。

 

３　處理器對天線信號的組合方式進行計算，最佳地恢復用戶信號，以提高用戶信號接收質量，屏蔽非用戶信號和干擾。

 

４　系統進行模擬計算，使天線陣列有選擇地向空間發射信號。 通過上述處理，系統便能在每條空間信道上發射和接收信號。

 

４ ＳＷＲ在短波通信中的應用

 

４．１ 短波通信技術體制

 

新一代短波通信立足于無線數據分組交換網絡，在傳統單邊帶ＳＳＢ　傳輸體制基礎上，吸取美軍標一１４ｌＢ核心技術，融合直接序列擴頻ＤＳ　、低速語音壓縮編碼、變速跳頻等先進技術，形成一種建鏈速度快、通信功能多、數據容量大、適應能力強的新技術體制。

 

自動鏈路建立ＡＬＥ　和數據傳輸使用同類波形，協議、信令和用戶數據以不同協議數據單元ＰＤＵ　形式進行傳輸交換，數據波形加有探測報頭、ＴＬＣＡＧＣ保護序列，經前向糾錯ＦＥＣ　、交織、正交符號形成、偽隨機噪聲ＰＮ　擴展、ＣＲＣ計算一系列編碼碼型變換處理，然后以８ＰＳＫ調制到１８００ＨＺ副載波上，以便在ＳＳＢ信道上傳輸，收端將音頻信號解調變換成數字信號，由數字信號處理平臺進行處理。低速數據報以極低數據速率如７ｂｐｓ　，經ＤＳ擴頻，使其擴展頻譜限制在ＳＳＢ傳輸帶寬內，以保障惡劣電磁環境下可靠通信。呼叫信道和數傳信道分離，保證快速連接和高效傳輸。

 

４．２ 數字信號處理平臺功能

 

１　自動通信控制功能：使用ＰＤＵ和服務原語交換信息，ＡＬＥ、自動鏈路選擇和自動鏈路保持：根據用戶選擇的業務與信道干擾情況，自動選擇最佳抗干擾方式：收方業務類型和網絡參數自動跟蹤發方，具有組網能力，自動選擇路由。

 

２　中頻數字化處理：寬帶ＡＤＣＤＡＣ、可編程數字變頻ＰＤＣ　、ＤＳＰ完成中頻以下信號信息處理。

 

３　數字業務：數字話話音壓縮編碼　、數據流、數據報。

 

４　數字保護和數字保密：鏈路保護、對傳輸鏈路加密保護；對所傳輸的用戶信息進行加密。

 

５　抗于擾功能：綜合運用糾錯編碼、跳頻、ＤＳ擴頻、猝發、頻率捷變、速率自適應、功率自適應多種抗干擾手段。

 

６　兼容老電臺模擬定頻跳頻和自適應選頻通信。

 

７　組網功能：以分布式自組織方式組網，具有自動中繼功能的數據通信網，通過接口和無線信令實現與相關網系用戶話音和數據通信。

 

８　外部控制與信息注入功能：通過數據口和數字處理平臺進行遙控和數據交換，實現電臺功能控制、網絡參數注入、內部功能軟件編程。

 

９　系統控制：處理來自各種接口的數據，完成多種算法：前向反向功率檢測、電壓、溫度檢測、加權計算，提供ＡＬＣ；接收信號強度檢測、ＡＤ分析處理，提供ＡＧＣ；開機自動檢測、人工隨機檢測、故障自動診斷、快速維修。

 

１０　擴展功能：新業務擴展、快速跳頻、網絡控制與管理、與ＶＨＦ、ＵＨＦ、微波頻段通信功能的融合。

 

實現以上功能需要相應的硬件功能模塊，功能復雜的可以派生多個子模塊，以構成數字處理共用平臺。

 

４．３ 軟件模塊劃分

 

軟件模塊可劃分為：自動通信控制軟件包括鏈路建立管理、電路連接管理、業務管理ＴＭ　、高速數據鏈路協議ＨＤＬ　、低速數據鏈路協議ＬＤＬ　　、ＲＦ控制模塊、中頻數字化軟件、話音編碼軟件、調制解調軟件、數字跳頻控制軟件、直接序列擴頻軟件、系統控制軟件、信息加密算法軟件、入機界面軟件等。

 

５ 結束語

 

ＳＷＲ對大量多變的信息格式與傳輸技術進行綜合和協調操作，徹底改變了無線通信設備的面貌：一臺設備多個頻段、多種模式、多個信道同時工作，使無線通信具有適應性、互連互通和互操作性；高度可編程性和現場可再編程，對擴展新業務、增加新功能和環境多變、任務多變提供了靈活性：開放式總線和模塊化設計，使設備易于升級換代，方便使用維修。同一硬件平臺，運行不同軟件，可改變通信設備特性，兼容性好，使得設備體積、重量、功耗和造價大幅度下降，研制周期大大縮短。 目前ＳＷＲ技術在各頻段的應用取得了不同程度的研制成果，在充實和提高各頻段成果的基礎上，軍用民用相結合，做好各頻段信道處理的融合、電磁環境管理的綜合、智能天線的組合、軟件程序的整合，實現軟件無線電跨越式發展。

 

摘自“通信世界報”2004年