软件无线电及其在移动通信中的应用(曹春生)
摘要 介绍了软件无线电的起源、结构及其在移动通信中的应用。
关键词 软件无线电 宽带模/数和数/模变换器 DSP VME 智能天线 多模手机
随着数字技术和微电子技术的迅速发展,数字信号处理器(DSP)等通用可编程
器件的运算能力成倍提高,而价格却显著下降,现代无线电系统越来越多的功能可以
由软件实现,因此产生了软件无线电。软件无线电的核心思想是将宽带模/数(A/D)
及数/模(D/A)变换器尽可能靠近射频天线,并尽可能用软件实现无线电功能。
1软件无线电的起源
软件无线电起源于美国国防部的易通话(speakeasy)战术通信系统计划。1990年
8月,美国国防部与Hazeltine公司签订了430万美元的合同,开始易通话无线电系统第
一阶段的研制工作。其主要目标是研制三军通用的多频段多功能无线电台(MBMMR),
工作频段2~2000MHz,能兼容现有15种主要军用电台,同时与其中4种电台通信。这项
计划已于1997年完成,并装备部队,最终将取代军队所有的传统电台。
2软件无线电的体系结构
传统的标准通信模式是源编码、信道编码、信道(加上噪声、干扰、失真)传输、
信道解码和源解码。标准软件无线电采用基于标准虚拟机环境(VME)的硬件结构,将
射频(RF)、中频(IF)、基带和比特流部分组装在一个VME系统中,完成无线系统的
基本功能,用工作站将用户接口、研究工具、开发工具和本地信源编码/解码等集成
在一起,提供对系统的软件支持。天线、VME分系统和工作站构成一个完整的软件无线
电体系结构。
软件无线电的天线跨多个频段,形式统一,损耗低。射频部分完成输出功率的产
生及前置放大,将射频信号转换成标准中频信号,或将标准中频信号转换成射频信号,
该标准中频信号适合A/D和D/A转换。中频部分完成中频信号与已调基带信号之间的
变换(接收和发射),它的主要功能是频率变换和滤波。基带信号处理部分把数据流
变换成适合信道传输的基带信号和解调基带信号(含定时恢复),包括针对非线性信
道的预失真、栅格编码和软判决参数估计等。比特流部分采用数字方式复接和分接多
个用户的比特流,这些比特流经过信源编码,包括前向纠错码FEC(如比特交织、分
组或卷积编码、ARQ等)帧定时、比特填充、无线链路加密等,它还具备信令、控制、
运营、管理和维护等功能。
软件无线电硬件采用模块化结构宽带A/D和D/A及高速DSP,建立VME公共硬件平
台,支持并行、流水线及异种多处理机。软件采用基于OSI参考模型的分层软件体系,
支持开放式的模块化设计。灵活应用软件无线电的基本硬软件模块,可使软件无线电
设备对传播条件具有多种自适应能力(包括频率、功率、速率及多径分集等),多种
抗干扰能力(包括自适应天线调零、自适应干扰抵消、扩频及跳频等),灵活可变的
多址方式(包括FDMA、TDMA、CDMA、SDMA及其混合等),用户需要的多种业务(包括
话音、传真、数据及图象等)及多种组网与接口能力等。
3应用
3.1蜂窝移动通信系统
在蜂窝移动通信系统中,基站和移动终端采用软件无线电结构,硬件简单,功能
由软件定义。射频频段、信道访问模式及信道调制都可编程。在此系统中,软件无线
电的发射与其它系统不同,它先划分可用的传输信道,探测传播路径,进行适合信道
的调制,电子控制发射波束指向正确的方向,选择合适的功率,然后再发射。接收也
同样如此,它能划分当前信道和相邻信道的能量分布,识别输入传输信号的模式,自
适应抵消干扰,估计所需信号多径的动态特征,对多径的所需信号进行相干合并和自
适应均衡,对信道调制进行栅格泽码,然后通过FEC译码纠正剩余错误,尽可能降低
误比特率。此外,软件无线电能通过许多软件工具增加增值业务。这些软件工具能帮
助分析无线电环境,定义所需的增加内容,在无线环境下,测试由软件开发增值业务
的样板,最后通过软件和(或)硬件开放该增值业务。
1998年7月,我国向ITU提交的第三代移动通信提案TD-SCDMA中就采用了软件无
线电技术。SCDMA的基站和终端设备采用高速DSP和高速A/D变换器,处理速度高于
5000万次/秒。在SCDMA系统中,软件无线电技术实现的功能包括采用IS-95或G.729
标准,实现编码速率8kb/S,质量接近于64kb/S PCM编码;直接序列码分多址(DS
-CDMA)的调制和解调;同步检测和控制;天线波束的赋形(智能无线技术);自动
控制频率、发射功率、接收增益和时延;用户定位(确定用户基站的方位和距离);
处理空中接口Um物理层;基带预失真,以降低对收发信机线性的要求。软件无线电通
过硬件平台安装不同的软件,完成不同的功能,因此可在不改变硬件设备的条件下,
通过软件升级来实现系统功能。
3.2智能天线
智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域,由于价格等因素,一直未能普及
到其它通信领域。近年来,数字信号处理技术迅速发展,数字信号处理芯片的处理能
力不断提高,芯片价格已可接受。同时,利用数字技术可在基带形成天线波束,取代
了模拟电路,提高了天线系统的可靠性和灵活程度。在我国的TD-CDMA方案中,基站
采用智能天线技术,利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,形成天线主波束;
引入空分多址(SDMA)方式,根据用户信号不同的空间传播方向,提供不同的空间信
道;采用数字方法对阵元接收信号加权处理,形成无线波束,使主波束对准用户信号
方向,在干扰信号方向,形成天线方向图零陷或较低的功率增益,达到抑制干扰目的。
SCDMA无线用户环路的智能天线及基带处理器。
使用智能无线的优势在于:(1)无线波束赋形的结果等效于提高天线的增益;
(2)天线波束赋形后,可大大减少多径干扰;(3)信号到达方向(DOA)提供了用
户终端的方位信息,用于实现用户定位;(4)用多个小功率放大器代替大功率放大
器,降低了基站成本,提高了设备可靠性。
3.3多频多模手机
在欧共体的ACTS FIRST项目中,将软件无线电技术应用于设计多频/多模(可兼
容GSM、DCS1800、WCDMA及现有的大多数模拟体制)可编程手机。它可自动检测接收
信号,接入不同的网络,而且能满足不同接续时间的要求。软件无线电技术可用不同
软件实现不同无线电设备的各种功能,可任意改变信道接入方式或调制方式,利用不
同软件即可适应不同标准,构成多模手机和多功能基站,具有高度的灵活性。它的出
现,使无线通信的发展经历了由固定到移动,由模拟到数字,由硬件到软件的三次变
革。软件无线电技术正越来越广泛应用于移动通信领域,在第二代移动通信系统向第
三代移动通信系统过渡过程中,软件无线电技术将发挥重要作用。
摘自《电信快报》
软件无线电及其在移动通信中的应用发布: 2010-10-20 00:52 | 作者: | 来源: | 字体: 小 中 大
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