軟件無線電能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便升級(jí)和跟蹤新技術(shù)。本文介紹了一種軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，并闡述了目前存在的技術(shù)難點(diǎn)，相信對(duì)中國(guó)工程師的工作會(huì)有一定幫助。 

　　軟件無線電是一種用軟件來實(shí)現(xiàn)物理層連接的無線通信設(shè)計(jì)。軟件無線電的主要優(yōu)點(diǎn)是它的靈活性。在軟件無線電中，諸如信道帶寬、調(diào)制以及編碼等可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷以及用戶需求的變化。 

　　目前軟件無線電設(shè)計(jì)有兩類：軟件定義無線電(SDR)，能夠控制和配置處理單元；軟件無線電(SWR)，事實(shí)上由軟件本身來完成信號(hào)處理。倘若能為軟件控制設(shè)置必要的接口，SDR就可以應(yīng)用FPGA等技術(shù)。SWR則不需要使用這類器件，而是通過在面向應(yīng)用程序級(jí)的軟件標(biāo)準(zhǔn)組件對(duì)象中進(jìn)行信號(hào)處理，來增大靈活性。以當(dāng)前的技術(shù)，前者更適于低層次應(yīng)用，而后者則能夠通過下載新軟件的方式，對(duì)一個(gè)無線器件進(jìn)行升級(jí)以適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)的要求。SWR具有這種潛能，是因?yàn)樗械墓δ芴幚砣坑密浖?shí)現(xiàn)，而不局限于某種特殊的處理單元。 

　　軟件無線電的研究最初源于在使用專用硬件實(shí)現(xiàn)無線電通信過程中的互用性問題。第一個(gè)軟件無線電是SpeakEasy系統(tǒng)中的Lackey95，它替代由十多個(gè)軍用無線電設(shè)備組成的系統(tǒng)。大學(xué)研究項(xiàng)目Athanas98和Bose99推動(dòng)了軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展，并為軟件無線電架構(gòu)提供了理論依據(jù)。 

　　SDR論壇一直致力于制定SDR系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范。在美國(guó)，多種不兼容的蜂窩體系和PCS通信標(biāo)準(zhǔn)是其主要的商業(yè)應(yīng)用支持者。在歐洲，GSM的廣泛使用緩解了互用性矛盾，但是人們對(duì)軟件無線電在第三代蜂窩通信系統(tǒng)中的應(yīng)用抱有廣泛的興趣。SDR技術(shù)是當(dāng)前手持式設(shè)備處理基帶信號(hào)切實(shí)可行的方案。人們努力緩解該技術(shù)的互用性矛盾，軟件無線電在此就表現(xiàn)出非常大的潛能，這種潛能改變了人們制造無線電設(shè)備和利用射頻頻譜的思維方式。 

軟件無線電的未來潛能 

　　過去，無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用調(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。即使是雙頻、三頻蜂窩電話也只在預(yù)先定義的兩個(gè)或三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間切換。靜態(tài)設(shè)計(jì)通常是根據(jù)最壞情況的設(shè)計(jì)，在情況良好時(shí)就不能充分利用射頻頻譜。例如，若背景噪聲比最惡劣的情況小，就可能出現(xiàn)許多不必要的糾錯(cuò)編碼，這樣就不能獲得最高的比特率。這種情況對(duì)無線應(yīng)用系統(tǒng)的影響比有線應(yīng)用系統(tǒng)更嚴(yán)重，因?yàn)闊o線傳輸更易于受噪聲、干擾和衰減的影響。理想的軟件無線電能動(dòng)態(tài)適應(yīng)傳輸系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)的變化，如調(diào)制、編碼、信道協(xié)議以及帶寬等等，并能夠適應(yīng)實(shí)時(shí)性變化，最大程度地利用有效頻譜。 

　　靜態(tài)設(shè)計(jì)不僅降低射頻頻譜的利用率，在其他方面也有影響。比如CDPD無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)，不論系統(tǒng)其它部分的負(fù)載多少，用戶都要受限于一個(gè)信道中的可用帶寬。用戶可以在蜂窩系統(tǒng)空閑時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，但這并不能提高數(shù)據(jù)傳輸速率。如果系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整以使用更大的帶寬或者采用不同的調(diào)制方案，則一個(gè)特殊要求的用戶能獲得更大的帶寬。如果蜂窩網(wǎng)供應(yīng)商能夠分配原來沒有充分利用的更大的帶寬給用戶，他們會(huì)得到較好的收益；無疑，用戶也能得到更好的服務(wù)。軟件無線電的靈活性能夠去除靜態(tài)設(shè)計(jì)的局限性，并能為無線通信系統(tǒng)提供新的功能。 

　　理想條件下，射頻頻譜可以任意分配。這使我們不會(huì)盲從于在靜態(tài)頻譜許可下的設(shè)計(jì)慣例，而是面向一個(gè)動(dòng)態(tài)的頻譜分配模式。最終，供應(yīng)商們將可以自由競(jìng)標(biāo)所需的頻譜，相對(duì)目前的模式，這能更好地利用射頻頻譜。通常情況下，如果服務(wù)供應(yīng)商在一個(gè)區(qū)域只有很少的用戶，則其頻譜在大部分時(shí)間內(nèi)將會(huì)處于閑置狀態(tài)。然而，在市場(chǎng)分配模式下，如果用戶對(duì)頻譜有需求，相應(yīng)的頻譜就會(huì)得到利用。市場(chǎng)分配模式還有助于產(chǎn)生新的服務(wù)供應(yīng)商。一般而言，若一個(gè)供應(yīng)商在一個(gè)區(qū)域中沒有獲得頻譜許可證，則該供應(yīng)商就不能在該區(qū)域運(yùn)營(yíng)。而市場(chǎng)分配模式下，多個(gè)供應(yīng)商進(jìn)入同一個(gè)市場(chǎng)是可行的，這種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制將為最終用戶提供更好的服務(wù)。 

　　市場(chǎng)分配模式需要在頻譜許可方面做重大的變革。最近，F(xiàn)CC發(fā)布了一個(gè)關(guān)于軟件無線電的調(diào)查通知，明確指出軟件無線電要對(duì)無線頻譜的管理和許可方式進(jìn)行變革。 

　　頻譜的分配會(huì)在宏觀上提高頻譜的效率，而軟件無線電則可在微觀上提高頻譜效率。任何兩個(gè)無線設(shè)備都可以動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)其濾波和調(diào)制以適應(yīng)信道實(shí)際條件下的要求。例如，假設(shè)有一個(gè)很強(qiáng)的干擾出現(xiàn)在信道附近，在ad-hoc網(wǎng)絡(luò)里，設(shè)備會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器，甚至?xí)D(zhuǎn)至不同的頻帶以提高設(shè)備性能。實(shí)現(xiàn)這種調(diào)整的方案在Chiu99提出。 

　　或許軟件無線電的最大優(yōu)點(diǎn)是跟蹤新技術(shù)的能力。現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)字通信。這在很大程度上是由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的問題，包括配置底層的基礎(chǔ)設(shè)備來完成特殊的空中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。因?yàn)橘Y金投入很大，不可能經(jīng)常對(duì)設(shè)備升級(jí)，因此新技術(shù)應(yīng)用大約會(huì)滯后10年。例如在美國(guó)的大部分地區(qū)，蜂窩網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施仍是模擬AMPS標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計(jì)于1978年)，盡管部分轉(zhuǎn)換成了數(shù)字系統(tǒng)，但現(xiàn)在用的數(shù)字系統(tǒng)技術(shù)也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于技術(shù)的發(fā)展。3G的系統(tǒng)原型就是一個(gè)例證。 

　　基于適當(dāng)?shù)能浖o線電技術(shù)的蜂窩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠通過安裝新軟件進(jìn)行升級(jí)，比配置新硬件更迅速、更廉價(jià)，同時(shí)也允許數(shù)字通信的先進(jìn)技術(shù)更快地進(jìn)入市場(chǎng)，并可提供新業(yè)務(wù)、提高頻譜的利用率。 

　　標(biāo)準(zhǔn)的制定是為了使不同的產(chǎn)品制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品之間相互兼容。軟件無線電則消除了需要預(yù)先定義空中接口標(biāo)準(zhǔn)的大量工作，因?yàn)檐浖旧砭褪且环N標(biāo)準(zhǔn)。它所需要的只是一個(gè)接口定義以及應(yīng)用程序接口(API)，使軟件能在不同的操作平臺(tái)上運(yùn)行，并使無線電設(shè)備能下載必要的軟件。而標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)簡(jiǎn)化成軟件的下載，這樣數(shù)字通信的新產(chǎn)品可以非常迅速地到達(dá)最終用戶。 

系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

　　理想的軟件無線電能夠適用于任意一種調(diào)制器、編碼器、指定信道帶寬的射頻信道協(xié)議。典型的基帶軟件無線電方式不能滿足這種靈活性。因?yàn)閯?dòng)態(tài)信道帶寬和信道分配需要進(jìn)行寬帶信號(hào)處理，尤其當(dāng)所分配的信道是由幾個(gè)非鄰近信道組成時(shí)。為了實(shí)現(xiàn)軟件無線電的所有潛能，軟件處理必須延伸至寬基帶(或中頻)信號(hào)。然而這種無線電設(shè)備在目前并沒有到達(dá)實(shí)用階段，但其技術(shù)走勢(shì)表明，在未來的幾年內(nèi)，其某些性能可以達(dá)到實(shí)用要求。 



　　因?yàn)楹芏酀撛诘募夹g(shù)正快速發(fā)展，能夠獨(dú)立跟蹤這些技術(shù)，對(duì)軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言是很重要的。本文圖中表明該結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，每一層都通過接口定義使一些關(guān)鍵技術(shù)相對(duì)獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)允許使用RF IC技術(shù)、A/D轉(zhuǎn)換和低功率處理器的先進(jìn)技術(shù)，組合成為一個(gè)系統(tǒng)而不需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。 

　　我們可能注意到主板這一名稱借用了計(jì)算機(jī)中的術(shù)語，它強(qiáng)調(diào)從縱向集成的、專用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向開放的、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。通常，主板包含一般計(jì)算機(jī)的組件，諸如存儲(chǔ)器、處理器和I/O芯片以及獲得和產(chǎn)生無線信號(hào)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。 

　　技術(shù)難點(diǎn) 

　　軟件無線電在無線電通信系統(tǒng)中具有巨大優(yōu)勢(shì)，然而要把它變成現(xiàn)實(shí)還需面臨一些技術(shù)課題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文圖中從射頻部分開始一直到軟件無線電的應(yīng)用軟件，涉及與基站和手持無線設(shè)備相關(guān)聯(lián)的每一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。 

射頻技術(shù) 

　　從寬帶可調(diào)射頻到基帶的轉(zhuǎn)換是軟件無線電應(yīng)用軟件最不成熟的技術(shù)。除了很寬的調(diào)節(jié)范圍，蜂窩網(wǎng)應(yīng)用軟件增加了前端處理器的SFDR限制。例如GSM就需要91dB的SFDR。現(xiàn)在很少有供應(yīng)商能提供覆蓋一個(gè)較寬頻率范圍的帶寬可調(diào)的前端處理器。其原因在于頻率許可的方式，蜂窩電話只能在幾個(gè)特定的頻帶上運(yùn)行。目前可同時(shí)處理800/900MHz頻段和1.9GHz PCS頻段的產(chǎn)品已經(jīng)問世。進(jìn)一步說，為了能開放更多的頻帶以便按需分配，設(shè)計(jì)能夠接入更大頻率范圍的器件非常必要。另外一個(gè)關(guān)鍵器件是可以覆蓋整個(gè)可調(diào)頻率范圍的VCO(壓控振蕩器)。目前，最好的解決方案是采用多個(gè)VCO，每一個(gè)VCO都有一段窄的可調(diào)范圍，但這會(huì)增加設(shè)備體積、成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。對(duì)大帶寬可調(diào)前端處理器的研究表明，現(xiàn)在尚無可行的方案。 

　　無線手機(jī)需要低功率的集成解決方案來完成從射頻到基帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程。最初的軟件無線電手機(jī)可能只用一小段頻譜，對(duì)芯片的設(shè)計(jì)要求并不很高。目前有許多公司，都能提供這種芯片，如科勝訊公司，就擁有覆蓋從蜂窩頻段到PCS頻段的芯片。然而，展望寬頻帶的需要和變化，將要求繼續(xù)增加手機(jī)帶寬的調(diào)節(jié)范圍。很明顯，RF IC設(shè)計(jì)的突破是達(dá)到寬頻帶的關(guān)鍵之一。 

　　基站的解決方案則與現(xiàn)實(shí)更近一步，因?yàn)閷?duì)設(shè)備的體積、重量和功耗都沒有手機(jī)要求高。RF微波設(shè)備公司和Triquint半導(dǎo)體公司已經(jīng)生產(chǎn)出GaAs放大器、混頻器和解調(diào)器，可以組成覆蓋所需要頻率范圍的設(shè)備。數(shù)字電纜和衛(wèi)星通信也驅(qū)動(dòng)著前端處理器組件的開發(fā)。傳統(tǒng)上，電視調(diào)諧器可以覆蓋很寬頻率范圍，而有線電視和衛(wèi)星電視還可將此范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。例如飛利浦公司的前端處理器可以覆蓋很寬的頻率范圍，但這些通常不能滿足蜂窩和無線數(shù)據(jù)通信對(duì)頻率范圍的更高要求。 

　　商業(yè)化寬帶軟件無線電面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是研制合適的射頻前端處理器。盡管存在很大的設(shè)計(jì)難度，但軟件無線電具有的潛能以及在頻譜許可模式下可能出現(xiàn)的變化為我們提供了極具吸引力的市場(chǎng)機(jī)遇。 

　　主板組件 

　　圖中標(biāo)注的主板層由幾個(gè)組件組成。除了附加A/D和D/A轉(zhuǎn)換器之外，主板的結(jié)構(gòu)與PC機(jī)相似，具有與軟件無線電有關(guān)的存儲(chǔ)器和微處理器。 

　　A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換能力在近年來有了巨大的提高，其發(fā)展的推動(dòng)力來自于對(duì)數(shù)字基站的市場(chǎng)需求。A/D的主要參數(shù)是SFDR，它由蜂窩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Brannon96中要求的遠(yuǎn)近接收能力所決定。ADI公司已推出SFDR為100dB、用于蜂窩網(wǎng)通信的A/D轉(zhuǎn)換器AD6644，也有適于窄帶手機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。未來寬帶蜂窩網(wǎng)、數(shù)據(jù)和軟件無線電應(yīng)用軟件的關(guān)鍵是低電源、電池供電的寬帶A/D轉(zhuǎn)換器的研究。 

　　D/A轉(zhuǎn)換的過程更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诿總€(gè)傳輸信道上的電平相對(duì)接收信號(hào)而言變化不大。適于蜂窩網(wǎng)、3G系統(tǒng)和寬帶網(wǎng)基站傳輸應(yīng)用的D/A轉(zhuǎn)換器已經(jīng)可以找到。同樣，實(shí)用手機(jī)方案的關(guān)鍵是減少寬帶轉(zhuǎn)換器的功耗。3G系統(tǒng)寬帶標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)刺激了這些轉(zhuǎn)換器的發(fā)展。 

　　軟件無線電需要大量的存儲(chǔ)空間以處理寬帶采樣信號(hào)流和完成軟件支持，如下載軟件無線電應(yīng)用軟件和用戶接口軟件。有很多電池供電的設(shè)備如PDA，需要大量的存儲(chǔ)空間，而存儲(chǔ)器芯片的功耗相當(dāng)大。大體上，除了降低平時(shí)的功耗外，省電模式和操作系統(tǒng)的支持對(duì)手持設(shè)備空閑和待機(jī)模式下的電源管理非常有用。 

　　主板的處理器則能迅速提高處理速度和降低功耗。因此除了常規(guī)速度的處理器之外，還有配備與DSP集成在一起的處理器。多媒體的出現(xiàn)迫使常規(guī)處理器與數(shù)字信號(hào)處理功能相結(jié)合，如單循環(huán)乘法累加器和單指令多數(shù)據(jù)指令集。同樣，DSP處理器也是多特征的組合：有高速數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器和以前只在常規(guī)處理器中出現(xiàn)的支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)。另外，在降低DSP和常規(guī)處理器的功耗方面還需做大量工作。在這一點(diǎn)上，英特爾增強(qiáng)型ARM已經(jīng)和DSP在某些嵌入式應(yīng)用方面展開競(jìng)爭(zhēng)。將來的處理器既不會(huì)是單純的DSP，也不會(huì)只是一般意義的處理器，因?yàn)槎鄶?shù)處理器都要結(jié)合一些DSP的功能，以嵌入式或非嵌入的形式出現(xiàn)。 

　　操作系統(tǒng) 

　　處理器速度的迅速提高、功能的迅速增強(qiáng)和功耗的迅速降低，為標(biāo)準(zhǔn)組件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了有利條件，這種結(jié)構(gòu)可以從RF硬件中減少處理器子系統(tǒng)而用軟件實(shí)現(xiàn)。這樣就可以使用相同的結(jié)構(gòu)來升級(jí)原有技術(shù)和利用新的處理器技術(shù)，同時(shí)不必重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其它組件。就象計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備和應(yīng)用程序一樣，當(dāng)出現(xiàn)新的處理器時(shí)，不需要改變即可使用，RF的前端處理器和應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)獨(dú)立于所用的處理器。 

　　為了獲得程序的可移植性，必須配備良好的操作系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)正在整合更多的功能，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、多進(jìn)程、支持多個(gè)I/O口等，所以需要一個(gè)完整的操作系統(tǒng)。遵從POSIX標(biāo)準(zhǔn)的要求就能保證操作系統(tǒng)的先進(jìn)性。目前，一些嵌入式操作系統(tǒng)，例如VxWorks和LynxOS，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了POSIX的部分標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)證明Linux適用于軟件無線電應(yīng)用。 

軟件 

　　軟件無線電將大量與無線通信系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的任務(wù)放在軟件中處理。軟件設(shè)計(jì)必須具有易于下載和利于系統(tǒng)升級(jí)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。軟件必須具有可移植性，以確保軟件無線電能象PC機(jī)那樣成功地跟蹤先進(jìn)技術(shù)。基于這些考慮，我們選擇高級(jí)編程語言進(jìn)行軟件開發(fā)。這需要為嵌入式處理器開發(fā)優(yōu)良的編譯器，到目前為止，嵌入式系統(tǒng)的編譯器遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于桌面系統(tǒng)。另外，為特殊處理器提供代碼的優(yōu)化處理也是必要的，但是，要注意不能過分犧牲可移植性。如圖所示的結(jié)構(gòu)中包含了一組信號(hào)處理庫(kù)，應(yīng)用軟件與之連接，有部分庫(kù)可以針對(duì)某特定處理器進(jìn)行優(yōu)化。如果配備優(yōu)化代碼，編譯器就能與處理器的特殊代碼連接；如果沒有配備優(yōu)化代碼，就與常規(guī)代碼庫(kù)連接。這種方法在移植性和優(yōu)化處理之間提供了一個(gè)合理的折衷方案。 

　　軟件無線電的應(yīng)用軟件本身應(yīng)具有普遍性，即可以擴(kuò)展、可以在平臺(tái)間移植。這是無線電應(yīng)用必需的。解釋型語言的選擇顯得尤為重要，因?yàn)橥淮a可以下載到多個(gè)不同的操作平臺(tái)，對(duì)某一操作平臺(tái)而言，只需要用一種本地解釋程序即可。同時(shí)，解釋器和信號(hào)處理庫(kù)規(guī)范有利于系統(tǒng)的可移植性，因?yàn)楸仨氃谌魏我环N無線電設(shè)備上都能下載和運(yùn)行無線電軟件。 

　　軟件無線電能夠?qū)⑼ㄐ畔到y(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)盡快地投入市場(chǎng)，并能跟蹤處理器技術(shù)的快速發(fā)展，更好地利用無線頻譜。為了獲得這些優(yōu)勢(shì)，還有一些技術(shù)難點(diǎn)必須克服，這需要時(shí)間。本文介紹的SDR解決方案將作為一種靈活的基帶系統(tǒng)出現(xiàn)在蜂窩基站和手機(jī)中。隨著技術(shù)的進(jìn)步，SWR技術(shù)將在較寬的頻帶中獲得推廣，并出現(xiàn)各種應(yīng)用軟件和頻譜使用方案。 

　　作者Vance G.Bose先后獲得美國(guó)麻省理工大學(xué)電子工程碩士和博士學(xué)位。曾經(jīng)在麻省理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)一個(gè)名為Spectrum Ware的軟件無線電項(xiàng)目。