第六单元 数字信号处理 6.2 软件无线电

何为“软件无线电”？
    “软件无线电”是1991年由乔·米拉特（Joe Mitola）提出的。这个术语是指“可编程无线电”或者“可重配无线电”。换言之，同一块硬件在不同时间可以完成不同功能。“软件无线电论坛”（SDR Forum）定义了“终极软件无线电”（USR）——接受完全可编程的业务和控制信息、支持宽范围频率、空中接口和应用软件。在几毫秒内，用户可以从一种空中接口模式切换到另一种模式；用户可以使用“全球定位系统”（GPS）定位，可以使用智能卡技术存款，也可以观看当地电视节目，还可以接收卫星传送的节目。
    在“软件无线电”的准确定义上存在着很多争议。对“具备多少可重配功能才属于软件无线电”的问题，也不存在共识。包含微处理器或“数字信号处理器”（DSP）的无线电系统不一定就属于“软件无线电”。然而，如果调制、纠错和加密靠软件完成，“射频”（RF）硬件部分受控，而且这一切均可重新编程，那么这样的无线电系统显然属于“软件无线电”。“软件无线电”有一个不错的实用定义——“软件无线电”是一种整体功能由软件定义的、修改软件就能够明显改变其物理层行为的无线电系统。“可重配程度”主要是由无线电系统设计时若干常见问题间的复杂关系确定的。这些常见问题包括——系统工程、天线形状、射频电路、基带处理、硬件速度和可重配能力、电源管理。一般而言，“软件无线电”是指一种在固定硬件平台上通过软件获得灵活性的无线电系统。而“软无线电”是指一种通过软件编程对物理硬件进行全面配置的无线电系统。换言之，同一块硬件可修改成在不同时间完成不同功能，允许为当前应用专门修改硬件。不过，“软件无线电”有时也涵盖“软无线电”。
    在通常情况下，常规无线电结构的功能主要是由硬件决定的，软件配置是很少的。“硬件”包括放大器、滤波器、混频器（可能多级）和振荡器。“软件”仅限于控制网络接口、从数据分组中提取头信息和纠错码、根据头信息确定数据分组路由。因为硬件决定着设计，常规无线电升级就意味着完全丢弃旧设计、重新开始新设计。软件无线电升级时，大量新内容是在软件，而硬件元器件设计仅需改进而已。简言之，软件无线电代表着一种从“硬件密集的固定无线电”到“软件密集的多频带多模式无线电”的转变。
“软件无线电”的特点与优势
    为了实现理想的软件无线电，就需要“天线端的数字化”以实现数字域完全灵活性，或者需要“完全灵活的射频（RF）前端”以处理很宽范围的载波频率和调制模式。然而，鉴于技术限制和成本考虑，理想的软件无线电尚未完全用于商业系统中。
    图20.1展示了一种实用软件无线电模型。接收机始于“智能天线”，其“增益/方向”特性可以最小化“干扰、多径和噪声”。对发射机而言，智能天线也具备相似功能。在大多数实用软件无线电系统中，模拟信号在接收机中会尽早数字化；然而，在使用“数模转换器”（DAC）的发射机中，数字信号则是尽可能晚地转换回模拟域。接收信号经常在“中频段”（IF）实现数字化。常规无线电采用了“超外差接收机”结构——混杂着噪声的射频信号由天线拾取后，要经过滤波、“低噪声放大器”（LNA）放大、与“本地振荡器”（LO）混频，才能得到中频信号。对于不同的应用，上述处理级数也会变换。最后，中频信号经混频而得到基带信号。
    在中频阶段，使用“模数转换器”（ADC）对信号进行数字化，可以省掉常规无线电模型的最后一级（此处会遇到载波偏移、镜像等问题）。采样之后，数字化中频信号的频谱副本能够精确位于基带频率附近，得以同时进行频率转换和数字化。为了实现ADC输出和接收机处理硬件之间的接口，就需要“数字滤波”（信道化）和采样率转换。同理，在实现产生调制波形的数字硬件和“数模转换器”（DAC）之间的接口时，也经常需要“数字滤波”和采样率转换。处理过程是利用“数字信号处理器”（DSP）、“现场可编程门阵列”（FPGA）或“专用集成电路”（ASIC）中的软件完成的。信号调制解调算法可以采用各种各样的软件方法——以“中间件”为例，就有“公用目标申请代理结构”（CORBA）或“虚拟无线机”（功能类似Java虚拟机）等。这就是一种典型的软件无线电模型。
    软件无线电提供了一种灵活的无线电结构，允许（有可能实时地）改变无线电的功能——改变过程中在一定程度上保证服务质量。“结构的灵活性”允许业务提供商快速升级基础设施、开拓新业务市场。“硬件灵活性”加上“软件灵活性”（通过“面向对象编程技术”和“目标代理技术”）使软件无线电能够无缝集成到多种具备不同空中接口、数据接口的网络中去。此外，软件无线电结构使系统利用软件轻松获得新的功能。例如，典型的升级可能包括抗干扰、加密、语音识别和压缩、软件功率优化和控制、各种寻址协议和高级纠错机制。这些功能非常适合3G和4G以及高级无线网络的需求。总之，以下五项因素有望推动软件无线电为业界广泛接受。
    1. 功能多样—随着短程网络（如蓝牙、IEEE 802.11）的发展，现在可以通过利用提供补充业务的设备来增强无线电业务。例如，一台蓝牙传真机可以向配备了支持蓝牙接口软件无线电的笔记本电脑发送传真。软件无线电可重配功能能够在一个系统中支持几乎无限多种业务功能。
    2. 全球移动—今天，通信标准不只一个。单就2G而言，就有IS-136、GSM、IS-95/CDMA1和许多其它不太为人知的标准。3G技术试图统一所有标准。然而，3G内部也存在着多种标准。对“透明度”的需求（即无线电能够在世界不同地区运行几个、最好是全部标准）引发了“软件无线电”概念的出现。军用业务也面临同样的问题——军队各部门内部和各部门之间存在着互不兼容的无线电标准。
    3. 紧凑省电—随着系统数目增加，采用“维可牢法”（即每个系统由若干芯片构成）设计的多功能、多模式无线电将增大体积、降低电能效率。然而，采用软件无线电则会得到一种紧凑、（有时）高效的设计。随着系统数目增加，尤其如此——因为一片硬件能够重用于实现多个系统和接口。
    4. 易于制造—射频元器件难于标准化，其性能也会变化。优化元器件性能也许要花费几年时间，这就延误了新产品的推出。总之，越早对接收机中信号进行数字化，硬件设计所需的元器件数量就越少，也就意味着——生产商的库存目录越短。
    5. 易于升级—在实施过程中，可能需要升级现有业务，也可能需要引入新业务。这种功能增强必须在不打断现有基础设施运行的前提下完成。灵活的结构允许功能新增和增强，却不会导致用于“召回全部组成单元”或“替换用户终端”的开销。例如，“声码器”技术在不断改进——以更低的比特率提供更好的音质。随着新型“声码器”的研制，它们能迅速应用到软件无线电系统中。此外，随着新型器件集成到现有基础设施中，软件无线电允许新设备和原有网络进行无缝接口——从空中接口一直到应用程序。
    用户/消费者期望得到服务，不论位于什么地理区域，也不论世界各地使用什么技术。“携带能囊括各种技术的多件设备”是不现实的。用户期望拥有一种能在所有地区使用的设备，也许只有通过对在各个地区使用的空中接口标准进行重新配置才能实现。通过动态下载软件来容纳所需空中接口标准，通过向远程终端传送软件配置，这种空中升级快速实现了软件升级和功能拓展。