南陽師範學院物理與電子工程學院
題目： 軟體無線電技術
完**張曉旭
班級09通訊四班
學號09006510455
專業通訊工程
摘要：現行的面向具體用途來設計不同頻段、不同制式的無線電通訊電台及組網的思想已經遠遠不能滿足現代無線電通訊的實際需要，因此軟體無線電系統及其技術，這種革新的通訊理念與體制應運而生。文章對軟體無線電技術的概念、功能和關鍵技術等進行了介紹，並闡述了軟體無線電的應用和發展前景。
一．引言
軟體無線電是近些年來隨著微電子、訊號處理、計算機等技術的高速發展應運而生的一種新的無線電技術。它最初起源於軍事通訊，是為了解決多軍聯合作戰時通訊互通互聯問題而提出來的。經過這幾年的迅速發展，軟體無線電早已從軍事領域的階段逐步發展成為移動通訊發展的基石，特別是第3、4代移動通訊系統。
個人移動通訊系統已從第一代模擬蜂窩系統發展到第二代數字蜂窩系統（gms、cdma），目前正在向第三代移動通訊系統發展，而且***移動通訊技術也已經悄然問世。隨著越來越大的通訊需求，一方面使通訊產品的生存週期縮短，開發費用上公升；另一方面，新老體制共存，各種通訊系統之間的互聯變得更加複雜和困難、由於通訊技術的迅猛發展，新的通訊體制與標準不斷提出，通訊產品的生存週期減少，開發費用上公升，導致以硬體為基礎的傳統通訊體制無法適應新的局面；同時，不同體制互通的要求日趨強烈，並且隨著通訊業務的不斷增長，無線頻段資源變得越來越擁擠，對現有通訊系統的頻帶利用率及抗干擾能力提出了更高的要求。但是沿著現有通訊體制的發展，很難對頻帶重新規劃。
所以尋求一種既能滿新一代通訊系統需求，由能相容老體制，而且更具有擴充套件能力的新的個人移動通訊系統體系結構成為人們努力的方向。而軟體無線電正好提供了解決這一問題的技術途徑成為第三代移動通訊系統研究的熱點。
二．軟體無線電的概念及特性
軟體無線電技術將硬體、軟體、無線技術有機地結合在一起，組成靈活多樣的多功能系統。它的基本思想是以乙個通用、標準、模組化的硬體平台為依託，從通過軟體程式設計來實現無線電台的各種功能，從基於硬體、面向用途的電台設計方法中解放出來。功能的軟體化實現勢必要求減少功能單一的、靈活性差的硬體電路，尤其是減少模擬環節，把數位化處理（a/d和d/a轉換）盡量靠近天線。
軟體無線電強調體系結構的開放性和全面可程式設計性，通過軟體更新改變硬體配置結構，實現新的功能。軟體無線電採用標準的、高效能的開放式匯流排結構，以利於硬體模組的不斷公升級和擴充套件。在設計和應用中軟體無線電技術有下列優點：
（1）完全的數位化。由於軟體無線電的基本思想之一就是力圖從通訊系統的基帶訊號至中頻、射頻段進行數位化處理。因此，它是一種比目前任何乙個數字通訊系統的數位化程度都要高得多的全數位化通訊系統。
（2）完全的可程式設計性。軟體無線電通過一種通用的硬體平台，將通訊的各種功能實現完全由相應軟體執行來完成。它包括：
寬頻段內的可程式設計的通道調製方式、可程式設計的射頻與中頻頻段、可程式設計的通道解調方式、信源編碼、解碼方式等。
（3）系統公升級的便捷性與系統功能的可擴充性。由於軟體無線電通訊系統的功能更多體現在軟體上，因此，系統的公升級只需要改變相應的軟體，即對軟體公升級即可。顯然，它比以往對硬體電路的設計與改進更加快捷。
通過軟體工具可擴充套件通訊系統業務、分析無線通訊環境、定義所需擴充套件增強的各項通訊業務。
（4）系統便於實現模組化。利用軟體無線電的基本思想，對現行的通訊系統均可實行模組化設計，模組的物理及電氣介面效能指標符合統一開放的標準。通過更換單一模組，可以維護或提高系統的效能。
由於軟體無線電的這些特點，使其一方面在軍事領域，符合三軍協同快速通訊的需要；另一方面在民用領域，可通過軟體程式設計，保持一種硬體平台結構的通用性。所以在移動通訊領域內，可以對不同體制進行綜合相容真正實現移動通訊系統「一機在手，漫遊天下」的設想及其優越性。因此，軟體無線電思想技術的提出與實現是非常必要的。
三．軟體無線電系統的功能結構
理想軟體無線電的結構如圖所示。
實現系統的無線通訊需要經過訊號的發射，訊號的通道傳輸與訊號的接收3個過程。由於現在這種新型的軟體無線電通訊系統的通道接入、通道調製方式和通道的選址分配方式均可由系統終端的可程式設計軟體功能來定義和實現，從而可使軟體無線電通訊系統的實現縮減為發射和接收兩個過程。此外，在軟體無線電系統中承擔發射過程的軟體相當豐富。
它不僅能發射訊號，而且能預先分析傳輸通道與相鄰通道的干擾特性，從而探測確定訊號的最佳傳輸途徑。它能自行選擇確定適應通道傳輸的最佳解調方式與編碼方法；也能決策調整寬頻天線的位置，以使發射波束獲得最佳方向；並能自動調集成適的發射功率，以避免不必要的功率損失。軟體無線電通訊系統接收過程的軟體功能是：
它不僅能夠接收訊號，而且能夠分析接收訊號功率在本傳輸通道和相鄰通道上的分布特性並能自動調整接收天線的方向；能識別接收訊號的調製方式和編碼方式；能自適應的抑制干擾，評估所需訊號多徑傳輸的動態特性，並對其總體值進行相關的自適應均衡處理；能採用交織編碼方式對通道解調方式進行解調，並能運用前向糾錯控制方式（fec）對漏檢差錯編碼糾錯以及更正駐留誤碼，從而使接收訊號的差錯位元率（ber）最小；同時，它還能對不同系統通訊的相關協議進行轉換。更重要的是，軟體無線電系統還可以通過廣泛的軟體功能來支援該系統業務的廣泛可擴充性。顯然這些功能都是以往或現有數字無線電通訊系統所不能比擬的。
四．軟體無線電系統「軟體化」程度的評價
如何評價乙個軟體無線電系統的「軟體化」程度呢？2023年5月軟體無線電概念的提出者在歐洲召開的軟體無線電會議中提到了一種思路：用乙個向量（n，pda，hm，sfa）來表示其「軟體化」程度，該向量的每一維座標取值均為0~3。
其含義如下：
n為空中介面所能支援的頻道數，分為4中型別：單一頻道（0），雙頻道（1），多頻道（小於6個）（2）以及rf頻段中的所有頻道（3）。
pda是指可程式設計數位化訪問（programmable digital access），即指軟體無線電中數字可程式設計的程度，也分為4種型別：無可程式設計性（完全模擬或固定功能的數字無線電）（0），在基帶可程式設計（1），在中頻可程式設計（2）在射頻可程式設計（3）。
hm指硬體的模組化程度（hardware modularity），實際指硬體的可程式設計程度，分為4類：無可程式設計性（0），系統採用可程式設計專用模組（1），系統採用dsp（2），及採用fpga等（3）。
sfa指軟體模組化程度，也可以認為是軟體的可重用性（reuse），即軟體是否可以應用於不同的硬體平台上，有如下4類：無定義空中介面的軟體（0）；硬體平台上只能夠執行乙個廠商所提供的軟體（1）；多個廠商的軟體均可載入到硬體平台上，但硬體平台是乙個（2）；多個廠商的軟體可載入到多個硬體平台上（3）。
按照向量分布，從四個尺度均為0到均為3，軟體無線電評價的級別也是從0級到3級。如表1所示。目前很多的可程式設計數字無線電處於級別1，美**方的speakeasy處於級別2。
表1 軟體無線電的級別
從上面的描述我們可以看出，目前國外對軟體無線電概念的認識正在逐步加深，不僅無線通訊系統中的各個功能模組是用軟體實現，同時要求整個系統中的軟體和硬體都具有靈活性和開放性，對「軟體」特性提出了更高的要求。
五．軟體無線電系統的關鍵技術與研究熱點
軟體無線電之所以比傳統的數字電台優越，是因為採用了許多關鍵技術，正是這些關鍵技術確保了電台的寬頻段和功能的靈活性。其中的關鍵技術主要有：
（1）開放式體系結構。軟體無線電的硬體設計以開放式匯流排結構為基礎，所以硬體和軟體都採用開放式物理介面和電氣介面規範，按標準的通用模組進行設計。目前，用於通訊的開放式體系結構標準已經建立，但軟體無線電中用於高效能、實時數字訊號處理的開放式標準還處於未成熟階段。
（2）寬頻段、多頻段天線及rf部分技術。rf轉換器部分功能包括產生輸出功率、接收訊號的預放大、射頻訊號和中頻訊號的轉換等，現階段rf變換還只能採用模擬方式。
（3）寬頻模數或數模（a/d或d/a）轉換技術。在軟體無線電中，理想的adc的位置應盡可能的靠近天線，以使接收到的模擬訊號盡早數位化及獲得最大限度的可程式設計性。在a/d或d/a轉換技術中需要考慮的幾個因素有：
取樣速率、取樣方式的選擇、帶外能量的數值及效應、量化雜訊等，目前在軟體無線電a/d或d/a技術中存在的最大問題是目前adc的取樣速率難以完全滿足軟體無線電所要求的高速、高精度的效能。
（4）中頻處理技術。發射端中頻處理部分是實現已調基帶訊號與中頻訊號之間的變換，這種變換通過離散時間點運算來實現；接收端中頻處理部分包括寬頻數字濾波，可從可用的業務波段中選出乙個來 ，恢復出中等頻寬的使用者通道，同時將訊號轉換到基帶。頻率變換和濾波的複雜程度決定了中頻段對處理能力的需求，其功能完成要求用數字處理方法來實現。
（5）基帶處理技術。基帶處理段對訊號進行第一級通道調製（相應地在接收機中是對訊號進行解調）。另外，針對非線性通道的訊號預畸變、格型編碼和軟判決引數估計都包括在基帶處理段中。
因此，該段的複雜性由基帶頻寬、通道波形和相應處理（如：軟判決支援）的複雜性來決定。
（6）數字訊號處理（dsp）技術。在軟體無線電中，高速dsp的運算能力高低將直接影響到軟體無線電系統效能的好壞。在多頻段多功能電台中，dsp部分的設計不再是為某種功能所附加，而是承擔電台的大部分訊號處理功能，包括調製/解調、變頻、數字濾波、訊號檢測、資訊處理、語音編碼、抗干擾及實時控制、網路協議等多種功能。
（7）可重構的實時軟體處理技術。軟體無線電在多工作方式實現過程中，要求能實時加入新的功能軟體，因為儘管目前儲存器的容量已經夠大，但儲存所有軟體仍然是一種負擔，因此軟體無線電應該能夠通過特定的使用者入口來實現裝載新的功能軟體，從而通過軟體資源重新分配的辦法來實現軟體的功能重組，這就要求將通訊協議及軟體標準化、通用化，這也是軟體無線電的乙個基本要求。
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