軟件無線電及其短波應(yīng)用示例

軟件無線電及其短波應(yīng)用示例1、概述

隨著無線通信數(shù)字化和計(jì)算機(jī)應(yīng)用進(jìn)入無線電領(lǐng)域，一種新的無線通信體系結(jié)構(gòu)——軟件無線電，正受到國內(nèi)外廣泛重視，這是繼模擬通信到數(shù)字通信、固定通信到移動通信的又一次重大變革。

軟件無線電ＳＷＲ集無線電臺和計(jì)算機(jī)于一體：采用標(biāo)準(zhǔn)的開放式總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)；具有可編程功能、重組能力，實(shí)現(xiàn)多信道、多模式工作；使用寬帶智能天線，具有多頻段射頻變換能力：能在不同無線信道之間、各種網(wǎng)絡(luò)之間用作無線網(wǎng)關(guān)，并可靈活地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能；適應(yīng)不同無線電環(huán)境，具有傳輸安全和信息保密性。

ＳＷＲ集中體現(xiàn)了無線通信寬帶化、數(shù)字化、綜合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向。ＳＷＲ研究開發(fā)始于軍事通信，美國防部為解決多種軍用電臺互通，１９９２年開發(fā)易通話ＳＰＥＡＫｅａｓｙ多頻段、多功能電臺，１９９９年完成四部樣機(jī)，其功能可替代１５種電臺。軍用無線電臺主要特點(diǎn)是多頻段、多信道、多模式、多調(diào)制方式、多編碼方式、多業(yè)務(wù)和多協(xié)議，ＳＷＲ通過軟件編程，可靈活地更改功能和提升性能。１９９５年北美、歐洲將ＳＷＲ技術(shù)用于通用移動通信系統(tǒng)ＵＭＴＳ，提供高度靈活和自適應(yīng)的傳輸方案，支持高達(dá)２Ｍｂｐｓ各項(xiàng)業(yè)務(wù)，在ＧＳＭ基站和各類手機(jī)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。由我國提出的３ＧＰＰ規(guī)范的ＴＤ—ＳＣＤＭＡ３Ｇ時分雙工移動通信方案也基于ＳＷＲ技術(shù)。

ＳＷＲ頻率覆蓋２１．５ＭＨｚ一２ＧＨｚ，此前大量的研究開發(fā)集中在３０—４００ＭＨｚ頻段，短波頻段因其頻率覆蓋系數(shù)大１５－２０，造成射頻處理特別是寬帶天線技術(shù)難度大；信道存在頻率選擇性和時間選擇性衰落、多徑時延、頻率擁擠、干擾大；傳輸頻帶窄、數(shù)據(jù)傳輸速率嚴(yán)格受限，因而短波頻段成為實(shí)現(xiàn)ＳＷＲ的瓶頸。本文在分析ＳＷＲ含自適應(yīng)智能天線基本技術(shù)基礎(chǔ)上，探討短波ＳＷＲ相關(guān)技術(shù)。

２軟件無線電技術(shù)

２．１ＳＷＲ概念

以硬件作為無線通信的基本平臺，把盡可能多的無線及個人通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)。ＳＷＲ工作原理與個人電腦十分相似，可使多個收發(fā)信機(jī)同時在一個硬件平臺上運(yùn)行，該平臺相當(dāng)子數(shù)字信號處理器ＤＳＰ利用指令，實(shí)現(xiàn)指定信號的帶通濾波、自動增益控制ＡＧＣ、頻率變換和調(diào)制解調(diào)，每種波形有自己的程序，貯存在機(jī)內(nèi)存儲器中，需要時輸入信號處理器。

中頻甚至射頻數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)ＳＷＲ的先決條件，數(shù)字無線電采用專門的數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)單一的通信功能，而ＳＷＲ以可編程能力強(qiáng)的ＤＳＰ器件代替專用數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對獨(dú)立，基于一種相對通用硬件平臺，通過軟件實(shí)現(xiàn)不同通信功能。目前ＳＷＲ設(shè)計(jì)有兩類：一是軟件定義無線電ＳＤＲ，能控制和配置信號處理單元：一是ＳＷＲ，由軟件本身完成信號處理。

２．２ＳＲＷ結(jié)構(gòu)

按處理功能區(qū)分，ＳＷＲ結(jié)構(gòu)包括信道處理、環(huán)境管理和軟件工具（庫）三大部分。ＳＷＲ硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是采用盡可能靠近天線端的寬帶模數(shù)或數(shù)模變換器ＡＤＣＤＡＣ、微處理器和ＤＳＰ。

信道處理包括從天線到用戶終端所有處理，又可分成信道編解碼和信源編解碼兩部分，各部分處理功能如下：１天線信號處理功能：射頻信號方向選擇、多徑補(bǔ)償、干擾抑制。

２射頻變換：中頻射頻信號變換成射頻中頻信號，產(chǎn)生功率輸出。

３中頻處理：變換調(diào)制基帶和中頻之間發(fā)送接收信號，寬帶ＡＤＤＡ變換。

４基帶處理：對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。包括各種數(shù)字調(diào)制的算法如８ｐｓｋ、ＧＭＳＫ和模擬基帶調(diào)制如ＦＭ、ＳＳＢ，傳輸安全處理等。

５比特流處理：通過多路復(fù)用器ＭＵＸ把多個用戶的數(shù)據(jù)流合路分路，完成交錯、分組、卷積等編碼處理、信息加密處理：裝入各種糾錯碼的編譯碼軟件和各種密碼算法軟件。６信源處理：完成窄帶話音ＡＤ或ＤＡ轉(zhuǎn)換，通過編碼算法軟件對話音信號進(jìn)行編譯碼處理。

環(huán)境管理使用頻率、時間和空間連續(xù)表征無線電環(huán)境，充分利用數(shù)字化和射頻信號中的大量信息，評估傳輸質(zhì)量，分析信道特性，根據(jù)無線電環(huán)境的變化而自適應(yīng)地配置收發(fā)信機(jī)的數(shù)據(jù)速率、調(diào)制方式、信道編碼方式，調(diào)節(jié)信道頻率、帶寬以及無線接入方式。

２．３軟件分層通用模型

一般ＰＣ機(jī)軟件有四層，應(yīng)用程序、應(yīng)用程序接口ＡＰｌ、操作系統(tǒng)ＯＳ和總線用驅(qū)動器、外圍設(shè)備及其他硬件。ＳＷＲ的應(yīng)用程序是實(shí)現(xiàn)無線電通信功能的各種軟件模塊，如波形調(diào)制解調(diào)、信道編解碼、保密算法、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、機(jī)內(nèi)測試等軟件。應(yīng)用程序接口形成一個公用裝置，在應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間提供抽象電平，保證應(yīng)用碼的可移植性，將參數(shù)表變換格式，并在各層之間調(diào)用或按參數(shù)變量調(diào)用轉(zhuǎn)譯程序。操作系統(tǒng)管理、執(zhí)行應(yīng)用軟件功能所需的處理過程、文件、資源和存儲器，建立內(nèi)部處理器間通信、任務(wù)仲裁、應(yīng)用程序調(diào)用、完成啟動、停機(jī)和其他“內(nèi)務(wù)”工作——軟件驅(qū)動程序器控制總線、硬件部件外圍設(shè)備、視頻顯示器等。

２．４軟件功能模塊的劃分

ＳＷＲ軟件模塊間的接口供數(shù)據(jù)流和控制流使用，其數(shù)據(jù)為通過軟件電臺的端到端用戶信息，控制是軟件電臺應(yīng)用的系統(tǒng)指令、參數(shù)和狀態(tài)，供建立、管理、監(jiān)控通信使用。該概念模型不表示物理硬件實(shí)現(xiàn)，目的是把同類功能劃分為一個軟件模塊可分為若干子模塊，各模塊作用如下：

１ＲＦ模塊：ＲＦ軟件控制內(nèi)部ＲＦ硬件，完成已調(diào)數(shù)字波形與可傳播的ＲＦ波形的相互變換、增益控制、調(diào)諧控制、功率設(shè)置等功能。

２調(diào)制解調(diào)模塊：通過ＤＳＰ、現(xiàn)場可編程門陣列ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)信號處理功能；波形控制完成應(yīng)用波形的建立和拆除，波形處理完成應(yīng)用波形操作，包括ＡＤＣ、調(diào)制解調(diào)、糾錯、載波跟蹤、交織、特定波形所需的數(shù)據(jù)成幀。３信息保密模塊：包括傳輸保密保護(hù)波形擴(kuò)展碼和通信保密發(fā)送的信息，同一硬件處理器實(shí)現(xiàn)許多不同加密算法的軟件可編程密碼，其功能分為執(zhí)行密碼算法，管理算法和密鑰。

４網(wǎng)絡(luò)化模塊：傳輸成形數(shù)據(jù)的路由選擇交換，不同協(xié)議或波形之間橋接轉(zhuǎn)換信息，專用波形作網(wǎng)絡(luò)化的消息鏈路處理，移動用戶信息的移動性管理。

５系統(tǒng)控制模塊：用于發(fā)送接收的指令、狀態(tài)和參數(shù)的控制信息，提供三類功能：●資源管理：實(shí)現(xiàn)波形的初始化和配置，適用或處理加載應(yīng)用軟件，資源分配、保護(hù)、仲裁，用戶授權(quán)和訪問保護(hù)。

●處理過程管理：模塊間處理過程中的通信，系統(tǒng)任務(wù)的同步，狀態(tài)監(jiān)控，機(jī)內(nèi)測試。

●數(shù)據(jù)庫管理：新軟件下載和存儲，文件存儲、尋址、命名，訪問控制和授權(quán)。此外，系統(tǒng)控制能實(shí)現(xiàn)具有自適應(yīng)特性的智能無線電功能，包括信道可用性和利用評估、傳輸延時最小化、數(shù)據(jù)速率最大化、發(fā)射功率最小化等。

（６）人機(jī)接口模塊：控制接口從用戶收集指令和參數(shù)，把狀態(tài)信息告知用戶，數(shù)據(jù)Ｉ０包括鍵盤輸入、字符圖形輸出。

３自適應(yīng)智能天線技術(shù)

３．１工作原理

自適應(yīng)智能天線技術(shù)是一種軟件技術(shù)，是軟件無線電技術(shù)的基礎(chǔ)，使用自適應(yīng)陣列信號處理軟件，對所有用戶無線信號進(jìn)行高速時空處理，實(shí)時調(diào)整無線信號的傳輸。智能天線是一個天線陣列，一般使用４～１６個天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距１２波長，每個陣元有Ｍ個加權(quán)器，可以形成Ｍ個不同方向的波束，同一組天線陣元可以形成不同的天線輻射圖，一種天線尺寸，可以建立一個基本的陣元結(jié)構(gòu)?？勺冊鲆娣糯笃鳎郑牵镣ㄟ^調(diào)整增益的指令字驅(qū)動，可編程移相器進(jìn)行相位調(diào)整，用ＤＳＰ實(shí)現(xiàn)ＶＧＡ和移相器，在振幅和相位上控制天線陣元激勵以改變天線輻射圖。

３．２關(guān)鍵技術(shù)

自適應(yīng)智能天線的核心在基帶的數(shù)字處理部分，由數(shù)個軟件功能模塊組成。天線輻射圖沒有固定的形狀，隨著信號和干擾而變化，采用ＤＳＰ技術(shù)識別用戶信號到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束。由于自適應(yīng)天線能形成不同的天線輻射圖，并可用軟件設(shè)計(jì)完成自適應(yīng)算法更新、自適應(yīng)地調(diào)整輻射圖，可在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下，增加系統(tǒng)靈活性，因此稱為軟件天線。自適應(yīng)智能天線的關(guān)鍵是自適應(yīng)算法；非盲算法借助參考信號導(dǎo)頻序列／導(dǎo)頻信道的算法，算法處理時先確定信道響應(yīng)，再按逼零準(zhǔn)則確定加權(quán)值，或直接按一定準(zhǔn)則逐漸調(diào)整權(quán)值。盲算法無需發(fā)送已知導(dǎo)頻信號，收端自己估計(jì)發(fā)送的信號，并以此為參考信號進(jìn)行上述處理。一般利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載的信息比特?zé)o關(guān)的一些特征，并調(diào)整權(quán)值，以使輸出滿足這種特性，將兩者結(jié)合稱為半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整。此外通過時域獲得天線最優(yōu)加權(quán)算法有：最小均方算法（ＬＭＳ）、取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆ＤＭｌ、遞歸最小均方誤差ＲＬＳ算法、恒模（ＣＭ）算法；通過空域?qū)︻l譜進(jìn)行分析，以獲得信號到達(dá)方位角ＤＯＡ估計(jì)的算法有：多信號分類法算法、旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)信號參數(shù)估計(jì)法算法等。

３．３系統(tǒng)處理流程

自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控其覆蓋范圍，針對不斷變化的無線環(huán)境，系統(tǒng)提供有效的天線發(fā)送和接收模式跟蹤用戶信號，系統(tǒng)處理流程如下：

１對來自所有天線中的信號進(jìn)行取樣，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并存儲下來。

２處理器立即分析樣本，對無線環(huán)境進(jìn)行評估，確認(rèn)用戶干擾源及其所在位置。

３處理器對天線信號的組合方式進(jìn)行計(jì)算，最佳地恢復(fù)用戶信號，以提高用戶信號接收質(zhì)量，屏蔽非用戶信號和干擾。

４系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，使天線陣列有選擇地向空間發(fā)射信號。通過上述處理，系統(tǒng)便能在每條空間信道上發(fā)射和接收信號。

４ＳＷＲ在短波通信中的應(yīng)用

４．１短波通信技術(shù)體制

新一代短波通信立足于無線數(shù)據(jù)分組交換網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)單邊帶ＳＳＢ傳輸體制基礎(chǔ)上，吸取美軍標(biāo)一１４ｌＢ核心技術(shù)，融合直接序列擴(kuò)頻ＤＳ、低速語音壓縮編碼、變速跳頻等先進(jìn)技術(shù)，形成一種建鏈速度快、通信功能多、數(shù)據(jù)容量大、適應(yīng)能力強(qiáng)的新技術(shù)體制。

自動鏈路建立ＡＬＥ和數(shù)據(jù)傳輸使用同類波形，協(xié)議、信令和用戶數(shù)據(jù)以不同協(xié)議數(shù)據(jù)單元ＰＤＵ形式進(jìn)行傳輸交換，數(shù)據(jù)波形加有探測報(bào)頭、ＴＬＣＡＧＣ保護(hù)序列，經(jīng)前向糾錯ＦＥＣ、交織、正交符號形成、偽隨機(jī)噪聲ＰＮ擴(kuò)展、ＣＲＣ計(jì)算一系列編碼碼型變換處理，然后以８ＰＳＫ調(diào)制到１８００ＨＺ副載波上，以便在ＳＳＢ信道上傳輸，收端將音頻信號解調(diào)變換成數(shù)字信號，由數(shù)字信號處理平臺進(jìn)行處理。低速數(shù)據(jù)報(bào)以極低數(shù)據(jù)速率如７ｂｐｓ，經(jīng)ＤＳ擴(kuò)頻，使其擴(kuò)展頻譜限制在ＳＳＢ傳輸帶寬內(nèi)，以保障惡劣電磁環(huán)境下可靠通信。呼叫信道和數(shù)傳信道分離，保證快速連接和高效傳輸。

４．２數(shù)字信號處理平臺功能

１自動通信控制功能：使用ＰＤＵ和服務(wù)原語交換信息，ＡＬＥ、自動鏈路選擇和自動鏈路保持：根據(jù)用戶選擇的業(yè)務(wù)與信道干擾情況，自動選擇最佳抗干擾方式：收方業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自動跟蹤發(fā)方，具有組網(wǎng)能力，自動選擇路由。

２中頻數(shù)字化處理：寬帶ＡＤＣＤＡＣ、可編程數(shù)字變頻ＰＤＣ、ＤＳＰ完成中頻以下信號信息處理。

３數(shù)字業(yè)務(wù)：數(shù)字話話音壓縮編碼、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)報(bào)。

４數(shù)字保護(hù)和數(shù)字保密：鏈路保護(hù)、對傳輸鏈路加密保護(hù)；對所傳輸?shù)挠脩粜畔⑦M(jìn)行加密。

５抗于擾功能：綜合運(yùn)用糾錯編碼、跳頻、ＤＳ擴(kuò)頻、猝發(fā)、頻率捷變、速率自適應(yīng)、功率自適應(yīng)多種抗干擾手段。

６兼容老電臺模擬定頻跳頻和自適應(yīng)選頻通信。

７組網(wǎng)功能：以分布式自組織方式組網(wǎng)，具有自動中繼功能的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，通過接口和無線信令實(shí)現(xiàn)與相關(guān)網(wǎng)系用戶話音和數(shù)據(jù)通信。

８外部控制與信息注入功能：通過數(shù)據(jù)口和數(shù)字處理平臺進(jìn)行遙控和數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)電臺功能控制、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)注入、內(nèi)部功能軟件編程。

９系統(tǒng)控制：處理來自各種接口的數(shù)據(jù)，完成多種算法：前向反向功率檢測、電壓、溫度檢測、加權(quán)計(jì)算，提供ＡＬＣ；接收信號強(qiáng)度檢測、ＡＤ分析處理，提供ＡＧＣ；開機(jī)自動檢測、人工隨機(jī)檢測、故障自動診斷、快速維修。

１０擴(kuò)展功能：新業(yè)務(wù)擴(kuò)展、快速跳頻、網(wǎng)絡(luò)控制與管理、與ＶＨＦ、ＵＨＦ、微波頻段通信功能的融合。

實(shí)現(xiàn)以上功能需要相應(yīng)的硬件功能模塊，功能復(fù)雜的可以派生多個子模塊，以構(gòu)成數(shù)字處理共用平臺。

４．３軟件模塊劃分

軟件模塊可劃分為：自動通信控制軟件包括鏈路建立管理、電路連接管理、業(yè)務(wù)管理ＴＭ、高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議ＨＤＬ、低速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議ＬＤＬ、ＲＦ控制模塊、中頻數(shù)字化軟件、話音編碼軟件、調(diào)制解調(diào)軟件、數(shù)字跳頻控制軟件、直接序列擴(kuò)頻軟件、系統(tǒng)控制軟件、信息加密算法軟件、入機(jī)界面軟件等。

５結(jié)束語

ＳＷＲ對大量多變的信息格式與傳輸技術(shù)進(jìn)行綜合和協(xié)調(diào)操作，徹底改變了無線通信設(shè)備的面貌：一臺設(shè)備多個頻段、多種模式、多個信道同時工作，使無線