軟體無線電

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什麼是軟體無線電

  軟體無線電是JoeMitola於1991年提出的一種無線通信新概念,指的是一種可重新編程或者可重構的無線電系統,也就是說,無線電在其系統硬體不需變更的情況下,可根據不同的需要通過軟體載入來完成不同的功能。軟體無線電概念的提出立馬得到了通信雷達、電子戰、導航、測控、衛星載荷及民用廣播電視等整個無線電工程領域的廣泛關註,成為無線電工程領域具有廣泛適用性的現代方法。

軟體無線電的關鍵技術

  1.多頻段、多波束無線與寬頻RF信號處理

  軟體無線電的工作頻率範圍應儘可能地覆蓋2—2000MHz。天線應該能覆蓋1O倍頻程,實現起來有兩種方法可供選擇:對於每個系統和波段使用單獨的天線;採用多模式天線。此外,要求能高質量、低成本地接收到大範圍的射頻信號,需要在射頻進行數字化處理。就目前的硬體性能而言,在射頻實行數字化處理還無法實現,故將數字化處理設在中頻。射頻放大器的線性的實現也是需要解決的問題。

  2.寬頻A/D變換

  軟體無線電結構的基本特征之一就是使A/D變換儘量靠近射頻端,目前的方案是在中頻對模擬信號進行數字化,中頻信號的帶寬通常在十幾兆赫到幾十兆赫,這種數字化有別於一般工程中的模數變換,要求具有相當高的抽樣頻率、位數和一定的動態範圍。依據抽樣定理,A/D變換器的抽樣頻率應大於2倍被抽樣信號的帶寬。在實際中,由於A/D變換器件的非線性、量化雜訊、失真及接收機雜訊等因素的影響,一般選取2.5倍。位數的選取需要滿足一定的動態範圍及數字部分處理精度的要求。就目前器件水平而言,要實現幾十兆赫的帶寬,必須採取多個A和D/A器件並聯使用。

  如前所述,軟體無線電需要寬頻、高頻、高精度、高抽樣頻率、高動態範圍的模數變換。由於晶元技術所限,目前還不能實現RF數字化,而把數字化點放在中頻未端。一般情況下,精度較高的A/D變換器,其抽樣頻率最大值相對較低。像ANALOG設備公司生產的AD9042產品,其l2位抽樣頻率最高可達到50MHz,如輸入一個20MHz的信號,則寄生自由動態範圍(SFDR)最高達到80dB。

  3.高速數字信號處理

  高速數字信號處理(DSP)部分主要完成基帶處理、調製解調、比特流處理和編碼解碼等工作。如有跳頻或擴頻,還需要完成解擴和部分解跳處理。考慮到擴頻信號的擴頻,解擴是相對獨立的部分,採用可編程的專用晶元來完成,同時電能保持軟體無線電系統的結構通用性和良好的適應性。

  由於DSP技術發展非常快,因此,上述各項功能目前均可由DSP模塊來完成,經寬頻A/I)變換後的數據流速率高達幾十至上百兆比每秒,對數字中頻信號進行濾波、變頻等處理需要幾百甚至上千兆次運算每秒的運算資源和幾十至幾百兆比每秒的I/O速度。目前必須採用高速並行的DSP多處理器模塊或專用集成電路,才能達到要求。

  可編程DSP模塊主要由DSP、FPGA、FIR專用晶元、存儲器、喲介面組成,按照不同的數據處理流程可將DSP模塊的功能劃分為:與終端的數據交換、自適應調製解調、通道環境分析和管理、自適應頻率估計選擇和校正、SSB調製解調、頻率交換等。可編程DSP模塊的關鍵是DSP晶元的選擇。

軟體無線電的體繫結構

  軟體無線電在設計理念和結構體繫上和傳統的無線電系統有著明顯的不同。軟體無線電則採用了硬體平臺與軟體平臺結合的全新體繫結構,通過硬體平臺來對軟體進行編程和管理以實現通信功能。

  (1)功能模型與功能介面。軟體無線根據不同的功能模型可分為多個不同的部分,主要包括通道集、通道編,解碼、信息安全、服務與網路支持、信源編譯和信源集。通道集包括RF通道、多波段傳播、有線互操作性及為了控制服務質量自動採用多通道模式。

  軟線無線電的介面示於各個功能模型之間,主要包括:RF波形介面,與之相對的是IF介面,信號被濾波及變換為IF波形進行處理。保護比特就是加密比特,明比特就是非加密比特。網路比特要符合網路協議要求,源比特適用於解碼器。這些介面組成了軟體無線電的介面系統,形成了信源到通道之間的信號的傳輸和控制。

  (2)軟體分層結構。在軟體無線電的分層結構中,通過層可把無線電的功能實體分為介面層、配置層和處理層三層。這三層結構都建立在流處理的機制上。介面層主要控制各種信息資源的輸入與輸出,是無線電平臺硬體與外部信息資源的介面。配置層主要負責存儲硬體平臺的二進位存儲信息,並接收介面層輸入的各種信息包,在信息報內加上配製信息,然後發送給處理層。處理層主要負責對配置層信息的接收,並對其中的數據信息進行分析處理,由處理模塊的可重構模塊組成。

  (3)硬體平臺。平臺模塊化是軟體無線電的重要特征之一,它是由多種功能各異的硬體模塊和軟模塊按照一定的結構構成的。軟體無線電的多功能硬體模塊主要有:1)寬頻較大的多頻段天線模塊;2)射頻信號(RF)處理模塊;3)模擬信號、數字信號轉換模塊;4)數字信號處理模塊;5)平臺控制模塊與介面。在對軟體無線電的硬體平臺構建時必須遵循開放性、擴展性、即插即用性等原則,並且要具有對信號的並行處理機制。軟體無線電的主要硬體平臺結構包括:流水式結構、匯流排式結構、交換式結構等。

軟體無線電的應用

  (1)在現在通信系統中的應用3G通信是當今通訊系統中最為準確的通訊系統,它的完善性和規範性使之成為現今最常用的通訊系統,有著濃重的商業化。但是3G通信依然存在很大漏洞。全球化信息化的現代通信,存在非常大的局限性,各國並沒有消除相互之間的差異性,缺乏通訊系統之間統一的綜合標準。因此要使3G通訊完全達到全覆蓋全地區使用還需技術的進一步發展。技術的進一步發展可以分為兩類:寬頻連接,分佈網路。它的作用是在多個無線接收頻道中可以隨意實現信遞、接收、定位以及跟蹤,為通訊系統的發展、未來信息覆蓋提供便利。特點具有高效性、安全性及靈活多變性。

  軟體無線電的另一大特點就是它強大的適應多變性,可以運用於不同系統軟體的需要,可以與任意接收器為基礎做出相應適用性變化。不僅方便於今後系統開發,更為其提供了良好平臺,減少不必要的麻煩作為現在信息通訊系統的核心存在,軟體無線電技術必將在今後被廣泛運用。

  (2)用於衛星控制平臺。軟體無線電技術正日益廣泛地應用於現代通信的各個領域。隨著A/D/A器件與DsP處理器的迅速發展,使得軟體無線電技術廣泛地應用於陸上移動通信、衛星移動通信與全球定位系統等。用軟體無線電技術實現衛星控制平臺包括軟體無線電通用平臺的DsP技術和DSP實現信號調製和解調。其中軟體無線電通用平臺的DSP技術又包括TMS320C6701DSP晶元,DSP技術在軟體平臺中的應用,調製器與解調器。DSP實現信號調製和解調又包括信號調製,信號解調。

  軟體無線電通用測控平臺是衛星測控平臺發展的方向,可以很好地解決原來平臺開發成本高、周期長、通用性差的問題。以新一代DsP晶元TMs32oc6oo為軟體無線電平臺的核心,可以很好地滿足需要,且有較大的冗餘度,利用升級。

軟體無線電在通信系統中的優勢

  理想的軟體無線電系統可以有效減少模擬處理的環節,接收端的天線在接受信號之後,通過調製和變頻程式即可進行編碼,整個通信過程使用與無線電工程中的任何領域,具有廣泛的應用優勢,相比於其他類型的無線電通信技術,應用於通信系統中的軟體無線電具有以下顯著的優勢:

  (一)實現通信系統的功能模塊化

  功能模塊化是軟體無線電技術的設計理念,對通信系統的各個功能進行系統化的模塊設計,可以方便對整個通信系統進行管理,應用軟體無線電技術的整個通信系統硬體平臺實行統一標準,並且遵循開放性的設計原則,在需要對系統進行維護或者性能提升時,可以通過單獨模塊的更換實現,減輕了通信人員的工作壓力,也降低了通信系統建設的投資。

  (二)有利於通信系統的靈活重構

  軟體無線電技術是全面數字化的系統,整個系統的工作重點是以數字化的處理方式對天線周圍多頻段的信息進行處理,軟體化的功能增強了通信系統的靈活性。在通信技術曰新月異的當今時代,通信技術和通信設備在不斷更新,軟體無線電系統的寬頻處理方式依托於原有的硬體設備,具有極強的兼容性,以功能性的軟體實現對信息的編程,有助於通信系統的靈活重構。

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