虚拟无线电

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虚拟无线电(virtual radio)

　　虚拟无线电不是由软件控制的专门数字硬件或者是由DSP芯片实现的，而是从通用机角度出发，充分利用工作站等计算机资源来实现软件无线电的。虚拟无线电是指这样的通信设备：所有的数字信号处理过程都在用户的现有工作站(也可以是高速PC机)上实现，处理过程既能提供新的特殊功能，也能实现传统功能。虚拟无线电的目的是把模数转换部分尽可能地靠近天线，以A/D转换器作为软／硬件划分界限。由于技术的限制，目前多采用多频段硬件前端将RF频段信号下变频到IF，然后直接采样IF频段波形，再将采样结果送到主内存中，而这之后的处理将全部在应用层软件中完成。

　　(1)易于实验。工作站的容量和可编程环境优于专用DSP芯片，容易实现新算法和新协议的信号处理。

　　(2)开发快捷。用户可以很方便地通过更新设备驱动程序和升级软件来开发新设备或增强现有设备的功能。

　　(3)与其他应用结合。虚拟无线电的研究将无线和其他应用的界限模糊化了，提高了多功能性和端到端的有效性。

　　(4)改进功能实现。软件模块中所有的信号处理不仅可以动态地分配信道和带宽，也可以改变同一信道的调制和编码。这种结构有利于新标准的推广，可将不同标准的通信系统构造在一起。

　　虚拟无线电将采样送到计算机主内存的方法被称为后台直接存储接入(DMA)。计算机采用虚拟内存操作，所需成本很低。为支持这一功能，需开发通用PCII／O系统及构造可编程应用环境，这是在计算机上建立虚拟无线电的两个关键技术。

　　1.通用PCII／O系统

　　通用工作站I／O系统需要解决的问题有两个：一个是必须消除采样信号和处理信号不稳定性的根源；另一个则是必须满足应用和～D转换器之间的高吞吐率。I／O系统结构主要由两部分组成，通用PCII／O和操作系统相加。PCII／O提供系统前端到模拟前端的外部接口，接口设计必须满足两个需求，第一，以采样速率接收或发送采样后数据。第二二，易于设计。接口采用千兆比的PCI总线，支持连续双向VO流，采样速率达32MSPS(每秒百万采样数)。PCII／O可使模拟前端和主内存之间突发数据的速率接近VO总线的最高速率。此外，还能在不丢失任何采样的前提下保证模拟前端速率固定以及保证I／O总线上可变速率问的解耦时间，这样可有效地吸收由突发接入I／O总线所引起的不稳定。这些功能的完成都不需要处理器的参与，所需处理开支的每个采样不超过半个周期。

　　2.可编程环境

　　可编程环境主要采用SPECTRA结构，它是一个支持受实时限制的便携式自适应信号处理系统的可编程环境。SPECTRA环境支持几种不同的自适应信号处理概念，包括自适应环境、自适应用户、自适应功能和自适应资源。为支持这几种自适应，需要采用“数据牵引”结构，即当数据流程从输入到输出时，控制流程从输出到输入。通过控制下行流，实行预先估计并自适应下行流模块所需求的系统构造结构。因为下行流部件只在上行流模块需要数据时才处理，从而使总处理量减少。另外，对每个模块都以数据块形式进行操作可充分利用高速缓冲存储器，避免引入不期望的等待延迟。

　　虚拟无线电的应用依赖于高性能的～D转换器，但是并不采用DSP，而是选择快速发展的工作站硬件。下面以软件蜂窝移动电话接收机为例介绍一个虚拟无线电的具体应用。软件蜂窝移动电话宽带数字接收机工作在美国“A—side”蜂窝移动电话频段。接收机前端是把825MHz～835MHz带宽的信号下变频到基带信号，然后以25．6MSPS采样信号速率对信号进行采样。12bit采样流送入PC1I／O卡后，所有信号处理都在软件中执行。值得注意的是所有系统都由软件进行控制。这样即使接收机正在工作，这些参数也可以很容易地被修改。

　　类似这样的软件接收机开发快捷，在开发期间充分利用大量容易修改的滤波算法进行实验。实现接收机构造的一个重要因素就是可利用现有的器件或软件，这不但有利于缩短开发周期，也有利于增加新功能。此外，虚拟无线电也可以应用实现软件无线网络接口卡，使网络接口卡功能可动态调整。软件无线网络接口卡系统比普通的网络接口卡更具有动态灵活性、便携性、兼容性强和软件重复使用率高等优势。