为什么软件中航无线电电一定要采用"硬件通用化"的设计准则

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本文作者何淑贞女士,信息产业部电信科技第四研究所高级工程师;
王日远先生,信息产业部电信科技第四研究所高级工程师。
 软件无线电技术,顾名思义是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。也就是说软件无线电技术的重要价值体现在:传统的硬件无线电通信
设备只是作为无线通信的基本平台,通俗的说是提供一个“舞台”,而许多的通信功能则是由软件来实现,这就是硬件提供“舞台”,软件来“唱戏”,这就打破了
有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。所以说软件无线电技术的出现是通信领域继固定通信到移动通信,摸拟通信到数字通信之后第三次革
一 软件无线电关键技术
 软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、存储量、数据处理方式等问题息息相关,这些技术决定
着软件无线电技术的发展程度和进展速度。一直由于运算量问题始终困扰着研究者,没有合适的硬件体系作为支撑,软件无线电技术就无从实现。现在,在硬件技术
不断完善、处理速度不断增加的同时,如何使得各种不同的算法更具有模块化、通用性能,完成系统模型的有效建立,是影响软件无线电蓬勃发展的重要因素。下面
我们来具体分析一下影响软件无线电技术发展速度的各个因素。
1.宽带/多频段天线
 理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段,通常来说,由于内部阻抗不匹配,不同频段电台的天线是不能混用的。而软件无线电要在很宽
的工作频率范围内实现无障碍通信,就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线,所以,实现软件无线电通信,必须有一副可通过各种频率信号而且线
性性能好的宽带天线。
软件无线电台覆盖的频段为2MHz~2000MHz。就目前水平而言,研制一种全频段天线是不可能的。一般情况下,大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗
口,不必覆盖全部频段,故可采用组合式多频段天线的方案。即把2MHz~2000MHz频段分为2MHz~30MHz、30MHz~500MHz、
500MHz~2000MHz三段。这不仅在技术上可行,而且基本不影响战术使用要求。
2. A/D/A转换器件
 在软件无线电通信系统中,要达到尽可能多的以数字形式处理无线信号,必须把A/D转换尽可能地向天线端推移,这样就对A/D转换器的性能提出了更高的要
求。为保证抽样后的信号保持原信号的信息,A/D转换要满足Nyquist抽样准则,而在实际应用中,为保证系统更好的性能,通常抽样率为带宽的2.5
倍。软件无线电通信系统—般采用低分辨率的模/数转换器,但是由于其分辨率很低,所以信号处理的精度就会降低,增加转换器的精度成为一大热点。对于更高的
转换带宽要求,可以用并行A/D转换的方法完成。
3. DSP技术
 它主要完成电台内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。由于电台内部数据流量大。进行滤波、变频等处理运算次数多,必须采用高速、实时、并行的数字信
号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务,必须要求硬件处理速度不断增加,芯片容量扩大。同时要求算法进行针对处理器的优化和改
进。这两个方面的不断提高将是数字信号处理技术发展的不懈动力。只有这样,才能实现电台内部软件的高速运行和多种功能的灵活切换和控制。
  在芯片速度条件限制下,对数字信号处理器的速度要求是非常高的,利用更高速度的DSP芯片组进行并行处理。各个芯片厂商正在努力提高芯片的处理速度,利用多种并行处理、流水线、专用硬件结构来提高芯片的数据处理能力。
  对于一些固定功能的模块如滤波器、下变频器等,可以用具有可编程能力的专用芯片来实现,而且这种芯片的速度要高于通用DSP芯片。
例如用FPGA(现场可编程门阵列)就可以同时满足速度和灵活性两方面的要求,支持软件无线电中的动态系统设置的功能。通常来说系统的分配方式是:计算密集型的部分在DSP内部完成。功能相对固定的部分,就由FPGA来完成。
4.实时操作系统
 软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高,然而在一定的处理速度限制下,需要有效的实时应用处理软件和实时操作系统支持,才能充分发挥处理器的性
能。与通用操作系统相比,实时操作系统对处理任务的时间调度控制更加明确,可以更有效地面向高速数字信号处理分配有限的处理资源。针对不同的通信体制的共
同点,采用、开发高效而灵活的实时操作系统和实时应用软件。完成多种通信模式的软件实现,并且随着移动通信的继续发展,增加具有新的功能的系统模块,提供
更先进的服务。
二 具有广泛应用的软件无线电技术
 软件无线电的基本概念是将硬件作为无线通信的基本通用平台,而应用软件实现尽可能多的无线及个人通信功能。软件无线电的核心是将宽带A/D和D/A尽可
能靠近天线(将A/D和D/A由基带移到中频甚至射频),用实时高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路做A/D转换后的一系列处理,将无线通信的各种
功能用软件进行定义。
软件无线电技术广泛应用于无线电通信领域,
软件无线电技术首先诞生于军事上的应用,由于其优良的特点,软件无线电技术很快渗透到民用的无线移动通信领域,特别是在即将走向商用前夕的第三代移动通信
领域的应用;还有在卫星通信领域的应用,特别是正在冉冉升起的现代小卫星的应用。本文就这三方面加以简介。
1.软件无线电技术在军事通信中的应用
  软件无线电技术引入军事通信中具有十分重要意义,它表现在:
  a.软件无线电的特点和体系结构能保证电台的模块化、通用化和系列化设计,有利于减少无线电设备及其保密机的品种,能降低电台装备和维护费用。
 b.在军用通信系统中,不同兵种和不同指挥级别使用的频段、波形调制方式、语音编码方法及保密算法都不同,软件无线电特别适合军用通信系统,它可以集成
各种通信频段,如HF、VHF、UHF、SHF等及其调制方式,软件无线电的内置通用可编程加密模块也可方便地实现各种保密算法,实现各军兵种协同通信。
 c.在无线发射电台组成的网络中起到“网关”或“网桥”的作用。用可编程实现的软件无线电,能灵活配置信号波形,模拟各种正在服役和正在研制的电台的工
作方式。这种软件无线电不仅能与已有各类电台互通,而且还能沟通由不同电台组成的无线电网络,完成频段调制、语音编码和保密算法的变换,起到类似于“网
关”或“网桥”的作用。
可提高野战通信的抗毁能力和“动中通”能力。软件无线电可摆脱传统的基于点对点组网的限制,通过采用分组无线电等通信协议,可组成包括栅格网在内向任意拓
扑结构的无线电网络。电台组网性能的增强,提高了无线电链路的沟通概率和频谱资源的利用率,可使野战通信的抗毁能力和动中通能力明显改善。
2.软件无线电技术在3G方面的应用
  a.第三代移动通信系统为何要引入软件无线电技术
 第三代移动通信中存在着多模操作,在ETSI(欧洲电信标准学会)确定的通用移动通信标准UMTS中包含了WCDMA和TD-SCDM标准。这样在第三
代移动通信发展过程中,存在着多模操作,在处理对称和非对称业务中存在着FDD和TDD两种模式,第三代移动通信必须与GSM移动通信系统兼容。在这种情
况下,如果仍像以前完全用硬件来构造移动通信系统,就会给用户和运营商带来许多问题。一方面用户和运营商不能灵活地利用各具优点的多种通信标准制式,而另
一方面,通信技术迅速的升级换代也给运营商和用户的投资带来很大的损失。针对这种情况,可以在第三代移动通信发展中引入软件无线电,充分利用软件无线电技
术带来的系统灵活性和通用性,实现第三代移动通信中多种空中接口的并存,以及第三代与GSM系统的兼容,并对将来新的通信标准的引入和升级带来非常大的便
利,保护了运营商和用户的利益。
  在第三代系统中引入软件无线电技术,特别是利用软件无线电技术建造第三代多模多媒体终端,对软件无线电的相关技术提出了非常高的要求。目前技术的进步已经为采用软件无线电技术提供了坚实的基础,对于第三代移动通信,已经能够实现相当程度上的软件无线电:
  (1)天线部分。
  理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段,这对天线技术提出了较高要求。对于第三代移动通信,一般认为其频带宽度为180~230MHz。利用组合式多频段天线是可以实现覆盖的。
  (2)宽带数模转换部分。
  在软件无线电通信系统中,若要尽可能多地以数字形式处理无线信号,对A/D转换器的性能提出了更高的要求。一个带宽50MHz的蜂窝移动通信系统,其抽样率要达到12.5MSPS(每秒百万次抽样Million
Sample Per Second)以上。对于第三代移动通信中WCDMA空中接口,一个载频的带宽可以是5MHz、10MHz或20MHz,目前的A/D转换技术已经基本满足要求。
  (3)数字信号处理部分。
 在数模转换之后进一步处理所形成的实时数字信号流对数字信号处理器的速度要求是非常高的。一般的估计是中频处理所要求的DSP速度为
500~10000MIPS(Million Instructions Per Second
每秒百万指令),基带处理为每信道10000MIPS。解决这一困难的途径可以有:利用更高速度的DSP芯片组进行并行处理;对于一些固定功能的模块如滤
波器、下变频器等,可以用具有可编程能力的专用芯片来实现,而且这种芯片的速度要高于通用DSP芯片。
  b.第三代移动通信与软件无线电技术的融合
  在第三代移动通信中引入软件无线电技术,除了利用上述技术基础之外,还需要进行许多技术创新,进行进一步的研究和开发工作:
  (1)在第三代移动通信系统设立系统参数信道。
 对于并存多个制式的第三代移动通信系统,如果不加相应的联系和控制,将会大大增加用户接入时的复杂性,用户不得不扫描每个系统,了解所处区域能提供服务
的系统并选择一个最合适的网络。在用户跨区域跨系统漫游的情况下,接入速度太慢可能导致通信的中断。设立一个公共系统参数信道(CSPC)就能够解决这一
问题。在一个特定的区域中,在CSPC内通知该区域所能提供服务的参数,如频段、接入模式、业务类型及负荷等等。用户在开机时首先键入CSPC,决定接入
的系统以获得最佳的服务。
  (2)在软件无线电系统和终端中将充分利用实时操作系统。
 通常用通用CPU芯片和通用操作系统软件方式解决无线通信和分布式信号处理问题。在移动通信系统中利用通用CPU和操作系统,来进行无线通信的信号处
理,并不能充分利用通用CPU和通用操作系统的性能。对于特定的移动通信信号处理,实时性是至关重要的,而利用现有通用CPU和通用操作系统来实现软件无
线电,估计将是非常困难的。软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高,然而在一定的处理速度限制下,需要有效地实时应用处理软件和实时操作系统支持,
才能充分发挥处理器的性能。将面向数字信号处理的DSP芯片和通用CPU芯片结合,利用能够充分满足处理时间限制的实时操作系统,有效利用计算资源,是在
第三代移动通信系统特别是在移动终端中实现软件无线电的最好方式。
  (3)与ATM技术相结合的体系结构。
 软件无线电技术并不只是将现有无线电技术用软件来实现,而应该建立一种新的通信系统体系结构,以充分发挥软件无线电的灵活、模块化等优点,同时在该体系
中应该结合先进的通信技术。ATM技术具有高速处理多种业务的能力,获得了广泛的应用,在第三代蜂窝通信系统中也引入了ATM技术。在软件无线电体系中可
以利用ATM技术的带宽数据处理能力来处理语音及其它多媒体数据。由此提出一种基于ATM技术、可以与第三代移动通信相结合的软件无线电系统结构。在该系
统中,数字化无线信号经过适配接口,进入基于ATM技术的处理平台中进行处理。该适配接口可以将数字化后的宽带无线信号进行转换,变成适宜于ATM平台处
理的数据单元。适配接口利用通用高速处理器芯片,利用软件完成适配处理,这种方式可以将不同的无线数字信号转换成一致的可供ATM平台进行处理、传输和交
换的数据单元(例如ATM信元,此时的适配接口的功能相当于ATM适配层的功能),同时根据ATM平台的接入带宽和处理能力,控制接入ATM平台的数据类
型和数据量。以这种系统结构,就可能基于ATM技术,将第三代蜂窝通信用软件无线电的方式来实现。
  (4)利用软件无线电技术,实现灵活有效地网管技术。
 第三代无线通信系统中可能采用所谓智能天线(Smart Antenna)和自适应天线阵列(Adaptive Antenna
Array)来提高无线链路效率。利用智能天线技术,可以协助实现移动用户定位;利用波束赋形,实现空分复用,达到抑制干扰、提高信噪比的目的。而基于软
件无线电的第三代移动通信系统可以充分利用数字化射频信号中的大量信息,评估传输质量,分析信道特点,实时采用最佳接入模式,灵活分配无线资源,实现移动
通信系统的动态管理和优化。软件无线电技术将会给第三代移动通信系统的系统规划和网络性能优化提供更有效的手段。
 (5)在我国自行提出的TD-SCDMA第三代移动通信技术标准中,自豪地提出了利用软件无线电技术完成设计的任务。可以说软件无线电技术是TD-
SCDMA的核心技术之一。可以在平台上实现3G的智能天线结构、获得DOA(信号到达方向估计)等空间特征矢量;完成天线阵列的波形赋形;实现各种基带
数字信号处理:包括各类无线信令规则与处理、信号流变换、调制解调算法、信道纠错编码、信源编码、多用户检测等。
三 国内外软件无线电技术发展最新动态与商用市场展望
1.发展动态
 a.美国—美国是软件无线电技术发源地,90年代初开始实施易通话计划并成功地研制出多功能、多频段电台。研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统
(3G)的多频带多模式手机与基站。同时注意到软件无线电技术与计算机技术的融合,为3G提供良好的用户界面,如麻省理工学院的Specctrum
Wave计划。
  b.欧洲—在欧洲的ACTS (Advanced Communications
Technologies Services)计划中,有三项计划是将软件无线电技术应用在3G中,这包括:
  (1)FIRST (Flexible Integrated
Radio System Technology)—灵活的综合无线电系统—计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模 (可兼容GSM、DSP1800、W-CDMA、现有的大多数模拟体制)
可编程手机,这种手机可自动监测接收信号以接入不同的网络,而且适用不同接续时间的要求;
  (2) FRWMAS (Future Radio Wideband
Multiple Access System)—未来无线电宽频段多址系统—计划目标是定义、研究与评估带宽有效的多址接入方案来满足3G的要求,方案之一就是采用软件无线电技术。
  (3) SORT (Software Radio Technology)
计划主要是开展有关3G在地面和卫星接入方面的硬件重构问题的研究。
  c.日本
  (1)1998年底,日本国电气、信息和通信工程师协会 (IEICE)
成立了软件无线电技术研究小组(SR-TG),以推动软件无线电技术的研发工作。为验证软件无线电技术的可行性,日本多家机构开发出基于软件无线电技术的样机。
  (2)NTT:开发出适用于各类蜂窝系统的基于软件无线电技术的无线电基站样机和个人电台。
  (3)NEC:开发出能满足未来需求的软件接收机,并进行了评估,下一步将开发自适应接收机。
  (4)日立:开发出与数字和模拟调制通用波形兼容的样机。
  (5)东芝:研究手持软件无线电台,其结构具有数字信道滤波,使接收机具有极大的灵活性。
  (6)索尼:计算机科学实验室提出了一种软件可编程、硬件可重构的软件无线电平台,符合多频段多模式无线标准,适用于无线LAN和蜂窝电话系统。
  (7)Toyo Communication Equipment
和 Toyo Electric Power Co,开发出应用于无线基站的基于软件无线电台样机。
 d.中国:对软件无线电技术也相当重视,在“九五”和“十五”预研项目和“863”计划中都将软件无线电技术列为重点研究项目。“九五”期间立项的“多
频段多功能电台技术”突破了软件无线电的部分关键技术,开发出4信道多波形样机;我国提出的第三代移动通信系统方案TD-SCDMA,就是利用软件无线电
技术完成设计。
2.市场展望
 从上述对软件无线电技术的特点及优势、及其在军事、3G、卫星通信方面的应用来看,软件无线电技术已成为未来的发展方向。当前我们已进入第三代移动通信
的发展时期。第三代移动通信的发展对推动软件无线电技术的广泛商用至关重要,而软件无线电技术的兴起又促使第三代移动通信系统更加灵活的实现。当前,一旦
数字信号处理器以及其它器件技术可以以竞争的价格实现软件无线电台所需的性能,那么能支持任何标准并能为移动手机自动选择相应的无线接口的基站系统将得到
广泛的应用。估计3G基站将在2002年底率先采用无线电技术,并可望实现商用。随着半导体技术的发展,在手机使用软件无线电技术将成为可能,据预测,真
正的软件无线电手机最早也要在2006年出现,因为手机要比基站复杂得多,且又受体积和功率的制约。第一批手机结构将基于硬件,对软件依赖性不会很大。
 当前,制约软件无线电技术成功实现有两大问题,一是在很大程度上依赖于硬件技术,即半导体技术的进步,一是功能模块和软硬件之间的接口也决定软件无线电
技术的成功与否。但我们坚信,这两个因素决不会拉软件无线电技术向前发展、走向商用化的后腿,软件无线电技术必将在实现军事协同作战、实现第三代移动通信
目标,乃至第四代移动通信目标及蓬勃发展的现代小卫星组网通信中大显身手。
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软件无线电技术
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今天的技术与1984年E-Systems实验室刚刚发明软件无线电(SDR)术语时相比已经有了天壤之别。直到最近这种技术主要还是由无线电发烧友和部队在使用。
然而,今天的软件无线电在无线通信发展中已经是优先考虑的对象,并得到了许多国际和国家项目以及诸如无线创新论坛、法国CONTACT计划、意大利Forza NEC战场指挥系统、ESSOR、EULER、美国军队联合作战无线电系统(JTRS)等组织机构的大力支持。
许多专家相信软件无线电技术将成为电信市场的新标准。许多成功使用软件无线电和设备的商用项目已经实现。例子包括通信设备制造商哈里斯和阿尔卡特朗讯;硬件网状网开发商和集成商Firetide;在无线网络中成功实现认知无线电的新创企业xG Technology;通用软件无线电平台开发商 Innovation公司(独立电子设计中心)的诸多项目。
对软件无线电感兴趣背后的原因
这种快速变化背后的原因有多个方面。主要原因是一些重要的电信设备制造商和消费者的兴趣,因为推出具有软件无线电功能的设备有助于他们提高效率、降低升级成本和材料成本并缩短引入新通信标准的时间。
另外一个因素是现代基本单元的发展:提供高速和良好动态性能的ADC/DAC,具有可编程特性的多标准宽带收发器,集成有专用加速器的高性能通信处理器等。
遗憾的是,俄罗斯的软件无线电产品市场由于其特殊性而关闭了。工程师和技术专家很难找到有关这个主题的新信息,这是为何对新开发的任何数据特别感兴趣的原因。例如,Promwad Innovation公司在这方面有许多宝贵的经验。2011年,Promwad专家们启动了一个项目,打算为俄罗斯市场设计相当独特的产品&&用于多标 准无线通信设备开发的开放软件无线电平台(如下图1所示)。本文将讨论这个特殊的产品。
开放的软件无线电平台
这个项目的特殊性表现在哪里呢?首先,对开发人员来说特别开放。这是其他公司可以 使用所供软件和自己的开发成果在它之上搭建自己产品的一个平台。这个平台可以用于开发符合DVB-T、DVB-T2(470-862MHz)的发射器;符 合802.22 (470&862 MHz)、LTE (791&862 MHz,
MHz和 2.5&2.7 GHz)标准的接入点和基站;教育机构中的雷达站、调试与实验室设备等。
从开发者的角度看,先进的软件无线 电平台基本上是一个完全可配置的系统,包括天线、带最少数量模拟高频元件、低功耗和理想情况下无限频率范围的数字处理单元。这种架构化解决方案允许开发人 员根据待解决的问题改造和定制设备,删除不必要的单元和增加必要的单元。在这种情况下,所有工作将专注于改善软件,硬件则保持不变。
从用户角度看,软件无线电平台是一种多标准设备,能够通过最少的设置在任何网络中工作,并且无需用户的帮助。开发人员和用户的利益在多标准设备中趋于一致。这种设备可以在不同通信网络中工作,并能以编程方式改变各种特性,从射频参数到支持的通信标准和协议。
在开发能够满足所有标准的设备时,Promwad开发人员必须面对在平台性能和成本之间找到平衡点的问题。问题是,设备的所选功能和任务为所需资源设定了一道很高的门槛。
在本例中,对系统资源的评估依据的是对实现数字信号处理方法的需求:直接和反向傅里叶变换、Reader-Solomon编码、LDPC、维特比变换、线性预测等以及对各种标准的软件支持。因此对要素的分析和选择是与设备架构工程同时进行的。
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