摘要：本文主要介紹了軟件無線電的概念、主要原理、關(guān)鍵技術(shù)及在生活中的廣泛應(yīng)用。它是以開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用性、可擴(kuò)展的硬件為平臺(tái)，通過加載各種應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)不同用戶，不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級(jí)形式。首先介紹了軟件無線電的理論基礎(chǔ)，即帶通采樣理論，多速率處理信號(hào)技術(shù)，高效信號(hào)濾波，數(shù)字正交變換理論，這些都是軟件無線電實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，然后是其關(guān)鍵技術(shù)，寬帶智能天線技術(shù)，A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)字上/下變頻技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理部分，這些技術(shù)是實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵和核心所在。最后，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)行了描述，指出其在個(gè)人移動(dòng)通信，軍事通信，電子站，雷達(dá)和信息加電中的巨大潛力。

軟件無線電這個(gè)術(shù)語最早是美軍為了解決海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中多國(guó)部隊(duì)各軍種進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)遇到的互通互操作問題而提出的新概念。陸，海，空三軍簡(jiǎn)單就工作頻段來分，解決了互不干擾問題，但三軍聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)互通，互聯(lián)，互操作問題難以解決，于是1992年提出了軟件無線電的最初設(shè)想，并于1995年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出了SPEAKEASY計(jì)劃，稱之為易通話計(jì)劃，其最終目的是開發(fā)一種能適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn)要求的三軍統(tǒng)一的多頻段，多模式電臺(tái)，即MBMMR電臺(tái)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱JTRS），它是在MBMMR的基礎(chǔ)上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

軟件無線電以開放性，標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，通用性，可擴(kuò)展的硬件為平臺(tái)，通過加載各種應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)不同用戶，不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，實(shí)現(xiàn)各種無線電功能，選用不同軟件可實(shí)現(xiàn)不同功能，軟件可以升級(jí)更新，硬件也可像計(jì)算機(jī)升級(jí)換代，可稱為超級(jí)計(jì)算機(jī)。它是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級(jí)形式。

理想軟件無線電的結(jié)構(gòu)框圖：

一、軟件無線電的理論基礎(chǔ)

•  采樣理論：由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，例如從0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有這么寬的頻段才能具有廣泛的適應(yīng)性。對(duì)于如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不實(shí)際。所以無法使用Nyquist采樣定理，而必須采用帶通采樣。一種接近理想化的軟件無線電設(shè)計(jì)方案稱為射頻直接帶通采樣軟件無線電體制，在天線與A/D間只存在跟蹤濾波器和放大器，與軟件無線電所要求的A/D盡可能靠近天線的設(shè)計(jì)宗旨完全一致。

•  多速率信號(hào)處理：帶通采樣定理大大降低了所需的射頻采樣速率，但從軟件無線電的要求來看，帶通采樣帶寬應(yīng)越寬越好，對(duì)信號(hào)有更寬的適應(yīng)性，這樣就應(yīng)當(dāng)使采樣速率盡可能地寬。然而又會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的信號(hào)處理速度跟不上，因此要對(duì)A/D后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理。抽取和內(nèi)插是最基本最重要的基本理論，對(duì)于軟件無線電的研究及數(shù)字下/上變頻器的實(shí)現(xiàn)有重大作用。

整數(shù)倍抽取是把原始采樣速序列x(n)每隔（D-1）個(gè)數(shù)據(jù)抽取一個(gè)，形成一個(gè)新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，這樣經(jīng)過抽取的數(shù)據(jù)流速率只有后者的D分之一，顯然大大降低了對(duì)后處理速度的要求，也提高了頻域分辨率。這是軟件無線電接收機(jī)的理論基礎(chǔ)。

整數(shù)倍內(nèi)插是在兩個(gè)原始抽樣點(diǎn)之間插入（I-1）個(gè)零值，也形成一個(gè)新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),經(jīng)過內(nèi)插大大提高了時(shí)域分辨率，也可以用來提高輸出信號(hào)的頻率。顯然內(nèi)插器起到了上變頻作用。它是軟件無線電發(fā)射機(jī)的理論基礎(chǔ)。

整數(shù)倍抽取和內(nèi)插都只是頻率變換的一種特殊情況，實(shí)際中往往用到分?jǐn)?shù)倍變換，它可通過先進(jìn)行I倍內(nèi)插，再進(jìn)行D倍抽取來實(shí)現(xiàn)。（注意必須內(nèi)插在前，以免引起信號(hào)失真）。

•  高效數(shù)字濾波：實(shí)現(xiàn)取樣速率變換的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)抽取前或內(nèi)插后的數(shù)字濾波。FIR濾波器相對(duì)與IIR濾波器有許多獨(dú)特優(yōu)越性，線性相位，穩(wěn)定性等。可采用窗函數(shù)法來設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單，直觀，但濾波性能不是最佳。也可采用最佳濾波器的設(shè)計(jì)。半帶濾波器適合于實(shí)現(xiàn)D=2的M冪次方倍的抽取或內(nèi)插，計(jì)算效率也高實(shí)時(shí)性高。而在實(shí)際的抽取系統(tǒng)中抽取因子D往往不是2的M冪次方，此時(shí)可以積分梳狀濾波器和半帶濾波器結(jié)合起來使用。

•  數(shù)字正交變換理論：對(duì)一個(gè)實(shí)信號(hào)進(jìn)行正交變換而用一個(gè)復(fù)解析信號(hào)來表示是因?yàn)閺慕馕鲂盘?hào)很容易獲得三個(gè)特征參數(shù)：瞬時(shí)幅度，瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率，它們是信號(hào)分析，參數(shù)測(cè)量或識(shí)別解調(diào)的基礎(chǔ)。窄帶信號(hào)可用解析信號(hào)和基帶信號(hào)表示，對(duì)于要滿足高虛假抑制的要求，可采用數(shù)字正交混頻的方法實(shí)現(xiàn)，即先對(duì)模擬信號(hào)x(t)通過A/D采樣數(shù)字化形成數(shù)字序列x(n),然后與兩個(gè)正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通過數(shù)字低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。在采樣速率很高時(shí)，對(duì)后續(xù)的數(shù)字低通濾波實(shí)現(xiàn)較困難。還可以采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換，需用到抽取和內(nèi)插理論。

二、軟件無線電中的關(guān)鍵技術(shù)

●  寬頻段智能天線技術(shù)

軟件無線電要求接收機(jī)從天線接收的應(yīng)該是寬頻帶信號(hào)，同時(shí)，由于射頻信號(hào)的高頻率，使得信號(hào)干擾成為嚴(yán)重問題，為獲取寬帶信號(hào)和減少干擾，使用寬帶智能天線成為最好的選擇。由于頻譜資源的缺乏，提出了從空域來提高頻譜利用率的想法，對(duì)位于不同空域的用戶分配相同的時(shí)間，頻率和偽碼，通過電磁信號(hào)的空間隔離來消除用戶之間的干擾。智能天線就是在這種想法下提出的一種新型天線系統(tǒng)通過對(duì)多個(gè)天線陣元輸出的信號(hào)進(jìn)行幅相加權(quán)獲得所需的天線波束指向來實(shí)現(xiàn)空間分離。基于軟件無線電的智能天線包括單信道智能天線，多信道智能天線和信道化智能天線。它們的核心和理論基礎(chǔ)是波束形成法。

●  A/D技術(shù)

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是將A/D和D/A盡量靠近射頻前端，為減少模擬環(huán)節(jié)，在較高的中頻乃至射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，要求A/D具有適中的采樣速率和很高的工作帶寬。A/D的工作過程大致可以分為采樣，保持，量化，編碼，輸出等幾個(gè)環(huán)節(jié)。在模數(shù)轉(zhuǎn)換中，衡量A/D轉(zhuǎn)換性能的指標(biāo)有：A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，位數(shù)越高，靈敏度越高；信噪比（SNR），提高采樣頻率或降低模擬信號(hào)帶寬都可以提高A/D信噪比；無雜散動(dòng)態(tài)（SFDR），反映的是在A/D輸入端存在大信號(hào)時(shí)，能檢測(cè)出小信號(hào)的能力；有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB），信號(hào)越大，信號(hào)頻率越低，所得到的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多；孔徑誤差，是由于模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)需要一定的時(shí)間來完成采樣，量化，編碼等工作而引起的，可在其前加一個(gè)采樣保持放大器，從而減少孔徑誤差。在軟件無線電的設(shè)計(jì)中，A/D器件的選擇應(yīng)保證軟件無線電功能和性能的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)遵循以下選取原則：

1、采樣速率選擇：若A/D之前的帶通濾波器的矩形系數(shù)為r,為防止帶外信號(hào)影響有用信號(hào)，應(yīng)取采樣速率fs≥2B’=2rB,允許過渡帶混疊時(shí)，fs≥(r+1)B
2、采用分辨率好的A/D器件。分辨率主要取決于器件的轉(zhuǎn)換位數(shù)和器件的信號(hào)輸入范圍，轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，信號(hào)輸入范圍越小，A/D的轉(zhuǎn)換性能越好。
3、一般來說A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高越好。因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換位數(shù)越高，其動(dòng)態(tài)范圍越高。
4、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的環(huán)境參數(shù)，其功耗盡可能的低。
5、根據(jù)接口特征考慮選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)。

●  數(shù)字下/上變頻器

數(shù)字下/上變頻器主要是基于前面所述的抽取和內(nèi)插理論。

數(shù)字下變頻（DDC）和模擬下變頻是一樣的，就是輸入信號(hào)與一個(gè)本地震蕩信號(hào)的乘法運(yùn)算。與模擬下變頻相比，數(shù)字下變頻的運(yùn)算速度受DSP處理速度的限制，同時(shí)其運(yùn)算速度決定了其輸入信號(hào)數(shù)據(jù)流可達(dá)到的最高速率，相應(yīng)也限定了ADC的最高采樣率。數(shù)字下變頻器的組成包括數(shù)字混頻器，數(shù)字控制振蕩器（NCO）和低通濾波器。

NCO產(chǎn)生的本振信號(hào)輸入到數(shù)字混頻器與輸入的信號(hào)進(jìn)行混頻。數(shù)字混頻器 就是一個(gè)乘法器，信號(hào)經(jīng)混頻后，輸出到低通濾波器以濾除倍頻分量和帶外信號(hào)，然后進(jìn)行抽取處理。由于下變頻器工作原理較簡(jiǎn)單，可以很方便地利用FPGA或ASIC技術(shù)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。典型的數(shù)字下變頻有功能強(qiáng)大的單信道DDC產(chǎn)品HSP50214B及四通道的HSP50216。

數(shù)字上變頻（DUC）的主要功能是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行各種調(diào)制和頻率變換，即在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和混頻。典型的代表是只能進(jìn)行單路數(shù)據(jù)調(diào)制的HSP50215和可進(jìn)行四路數(shù)據(jù)調(diào)制的GC4114

●  數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是整個(gè)軟件無線電方案的靈魂和核心所在。軟件無線電的靈活性，開放性，兼容性等特點(diǎn)是通過以數(shù)字信號(hào)處理器為中心的通用硬件平臺(tái)及DSP軟件來實(shí)現(xiàn)的，從前端接收來的信號(hào)或?qū)墓Ψ虐l(fā)射出去的信號(hào)都要經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器的處理：或進(jìn)行頻譜分析，信號(hào)解調(diào)，信號(hào)類型識(shí)別，或進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字上下變頻，或進(jìn)行各種式樣的數(shù)字調(diào)制，數(shù)字濾波，比特流的編碼，譯碼，同步信號(hào)的獲取等。軟件無線電中的數(shù)字信號(hào)處理器除了能適應(yīng)運(yùn)算的高速度，高精度，大動(dòng)態(tài)范圍，大運(yùn)算量外，還應(yīng)具有高效率的結(jié)構(gòu)和指令集，較大的內(nèi)存容量，較低的功耗等特點(diǎn)。DSP的重要特點(diǎn)是其處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的微處理器，功能是快速實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，尤其在卷積，相關(guān)，濾波，F(xiàn)FT等應(yīng)用要用到的乘法累加運(yùn)算中更能發(fā)揮其作用。DSP的編程既可以用匯編語言又可以用C語言，極大地方便了其開發(fā)人員。目前的DSP在功能和性能上都還不能滿足軟件無線電的要求，可以采用多率信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后（即所謂的數(shù)字下變頻器）然后再用DSP來完成各種功能，也可以用多個(gè)DSP芯片并行處理的方法來提高DSP的數(shù)據(jù)處理能力。

三、軟件無線電的應(yīng)用

●  個(gè)人移動(dòng)通信

軟件無線電把硬件作為通信平臺(tái)，使其盡可能脫離通信體制，信號(hào)波形以及通信功能，盡可能多地用軟件來實(shí)現(xiàn)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成為第三代移動(dòng)通信的基石。把軟件無線電技術(shù)應(yīng)用到基站設(shè)計(jì)即軟件無線電基站，它是一種多頻段，多模式，多功能可擴(kuò)展的“智能”基站，它根據(jù)不同時(shí)間，不同用戶，選擇最佳的工作頻段，工作模式和與用戶相適配的功能與用戶進(jìn)行信息交換，以極大地提高通信質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量。除此之外，它還可用于多頻多模手機(jī)，這一技術(shù)具有極大地挑戰(zhàn)性。

●  軍事通信

軟件無線電最初是為了解決海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中多國(guó)部隊(duì)各軍種進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)遇到的互通互操作問題而提出的新概念。1992年提出了軟件無線電的最初設(shè)想，并于1995年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出了SPEAKEASY計(jì)劃，稱之為易通話計(jì)劃，其最終目的是開發(fā)一種能適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn)要求的三軍統(tǒng)一的多頻段，多模式電臺(tái)，即MBMMR電臺(tái)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱JTRS），它是在MBMMR的基礎(chǔ)上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

●  電子戰(zhàn)

電子戰(zhàn)的主要特點(diǎn)是頻段寬，待處理的信號(hào)種類多，而目前的電子戰(zhàn)系統(tǒng)往往是在已知或事先假設(shè)的幾種信號(hào)樣式下工作，一旦目標(biāo)信號(hào)特征或通信方式發(fā)生變化，往往誤失戰(zhàn)機(jī)，所以研究一種工作頻段寬，波形適應(yīng)能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，既能適應(yīng)通信信號(hào)，也能適應(yīng)導(dǎo)航和敵我識(shí)別信號(hào)的綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)是現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭(zhēng)的必然要求，軟件無線電恰好是解決這一問題的最佳技術(shù)途徑。軟件化電子偵察接收機(jī)是基于軟件無線電原理而實(shí)現(xiàn)的用于對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別，特征提取和參數(shù)測(cè)量，對(duì)通信信號(hào)還能解調(diào)信息的電子戰(zhàn)偵察分析接收機(jī)，不僅能對(duì)各種通信信號(hào)偵察分析，也能對(duì)雷達(dá)信號(hào)，導(dǎo)航信號(hào)或是敵我識(shí)別信號(hào)進(jìn)行偵察分析，是一種多頻段，多模式，多功能的電子戰(zhàn)接收機(jī)。

●  雷達(dá)和信息加電

目前設(shè)計(jì)研究的雷達(dá)往往功能單一，體制單一，無法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對(duì)不同屬性的目標(biāo)進(jìn)行智能化跟蹤探測(cè)的需要。如果能把軟件無線電的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于雷達(dá)的設(shè)計(jì)研制，那么就能比較圓滿地解決目前雷達(dá)設(shè)計(jì)所存在的問題。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，以高清晰度電視（HDTV）為標(biāo)志的第三代電視以其接近理想的視聽效果和多功能，成為新一代數(shù)字電視的發(fā)展方向。但目前在信道編碼（調(diào)制方式）上還沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而且隨不同的傳輸媒介而不同。基于軟件無線電的HDTV解決方案可以較好地解決HDTV面臨的這些問題。

四、結(jié)束語

目前，人們對(duì)軟件無線電的研究日趨深入細(xì)致，理論上已基本成熟，正處于實(shí)踐階段，由于軟件無線電的靈活性，開放性等特點(diǎn)，它將成為未來通信乃至未來無線電的發(fā)展方向，不僅在軍，民無線通信中獲得應(yīng)用，而且將在其他領(lǐng)域如電子戰(zhàn)，雷達(dá)，信息化家電等領(lǐng)域得到推廣。