軟件無線電的概念、主要原理、關(guān)鍵技術(shù)介紹及在生活中的廣泛應(yīng)用

摘要：本文主要介紹了軟件無線電的概念、主要原理、關(guān)鍵技術(shù)及在生活中的廣泛應(yīng)用。它是以開放性、標準化、模塊化、通用性、可擴展的硬件為平臺，通過加載各種應(yīng)用軟件來實現(xiàn)不同用戶，不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級形式。首先介紹了軟件無線電的理論基礎(chǔ)，即帶通采樣理論，多速率處理信號技術(shù)，高效信號濾波，數(shù)字正交變換理論，這些都是軟件無線電實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，然后是其關(guān)鍵技術(shù)，寬帶智能天線技術(shù)，A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)字上/下變頻技術(shù)，數(shù)字信號處理部分，這些技術(shù)是實現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵和核心所在。最后，對其應(yīng)用領(lǐng)域也進行了描述，指出其在個人移動通信，軍事通信，電子站，雷達和信息加電中的巨大潛力。

軟件無線電這個術(shù)語最早是美軍為了解決海灣戰(zhàn)爭中多國部隊各軍種進行聯(lián)合作戰(zhàn)時遇到的互通互操作問題而提出的新概念。陸，海，空三軍簡單就工作頻段來分，解決了互不干擾問題，但三軍聯(lián)合作戰(zhàn)時互通，互聯(lián)，互操作問題難以解決，于是1992年提出了軟件無線電的最初設(shè)想，并于1995年美國國防高級研究計劃局提出了SPEAKEASY計劃，稱之為易通話計劃，其最終目的是開發(fā)一種能適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn)要求的三軍統(tǒng)一的多頻段，多模式電臺，即MBMMR電臺。進而實現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（簡稱JTRS），它是在MBMMR的基礎(chǔ)上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

軟件無線電以開放性，標準化，模塊化，通用性，可擴展的硬件為平臺，通過加載各種應(yīng)用軟件來實現(xiàn)不同用戶，不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，實現(xiàn)各種無線電功能，選用不同軟件可實現(xiàn)不同功能，軟件可以升級更新，硬件也可像計算機升級換代，可稱為超級計算機。它是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級形式。

理想軟件無線電的結(jié)構(gòu)框圖：

軟件無線電的主要原理及技術(shù)

一、軟件無線電的理論基礎(chǔ)

?? 采樣理論：由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，例如從0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有這么寬的頻段才能具有廣泛的適應(yīng)性。對于如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不實際。所以無法使用Nyquist采樣定理，而必須采用帶通采樣。一種接近理想化的軟件無線電設(shè)計方案稱為射頻直接帶通采樣軟件無線電體制，在天線與A/D間只存在跟蹤濾波器和放大器，與軟件無線電所要求的A/D盡可能靠近天線的設(shè)計宗旨完全一致。

?? 多速率信號處理：帶通采樣定理大大降低了所需的射頻采樣速率，但從軟件無線電的要求來看，帶通采樣帶寬應(yīng)越寬越好，對信號有更寬的適應(yīng)性，這樣就應(yīng)當使采樣速率盡可能地寬。然而又會導致后續(xù)的信號處理速度跟不上，因此要對A/D后的數(shù)據(jù)流進行降速處理。抽取和內(nèi)插是最基本最重要的基本理論，對于軟件無線電的研究及數(shù)字下/上變頻器的實現(xiàn)有重大作用。

整數(shù)倍抽取是把原始采樣速序列x(n)每隔（D-1）個數(shù)據(jù)抽取一個，形成一個新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，這樣經(jīng)過抽取的數(shù)據(jù)流速率只有后者的D分之一，顯然大大降低了對后處理速度的要求，也提高了頻域分辨率。這是軟件無線電接收機的理論基礎(chǔ)。

整數(shù)倍內(nèi)插是在兩個原始抽樣點之間插入（I-1）個零值，也形成一個新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),經(jīng)過內(nèi)插大大提高了時域分辨率，也可以用來提高輸出信號的頻率。顯然內(nèi)插器起到了上變頻作用。它是軟件無線電發(fā)射機的理論基礎(chǔ)。

整數(shù)倍抽取和內(nèi)插都只是頻率變換的一種特殊情況，實際中往往用到分數(shù)倍變換，它可通過先進行I倍內(nèi)插，再進行D倍抽取來實現(xiàn)。（注意必須內(nèi)插在前，以免引起信號失真）。

?? 高效數(shù)字濾波：實現(xiàn)取樣速率變換的主要問題是如何實現(xiàn)抽取前或內(nèi)插后的數(shù)字濾波。FIR濾波器相對與IIR濾波器有許多獨特優(yōu)越性，線性相位，穩(wěn)定性等。可采用窗函數(shù)法來設(shè)計，簡單，直觀，但濾波性能不是最佳。也可采用最佳濾波器的設(shè)計。半帶濾波器適合于實現(xiàn)D=2的M冪次方倍的抽取或內(nèi)插，計算效率也高實時性高。而在實際的抽取系統(tǒng)中抽取因子D往往不是2的M冪次方，此時可以積分梳狀濾波器和半帶濾波器結(jié)合起來使用。

?? 數(shù)字正交變換理論：對一個實信號進行正交變換而用一個復解析信號來表示是因為從解析信號很容易獲得三個特征參數(shù)：瞬時幅度，瞬時相位和瞬時頻率，它們是信號分析，參數(shù)測量或識別解調(diào)的基礎(chǔ)。窄帶信號可用解析信號和基帶信號表示，對于要滿足高虛假抑制的要求，可采用數(shù)字正交混頻的方法實現(xiàn)，即先對模擬信號x(t)通過A/D采樣數(shù)字化形成數(shù)字序列x(n),然后與兩個正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通過數(shù)字低通濾波器來實現(xiàn)。在采樣速率很高時，對后續(xù)的數(shù)字低通濾波實現(xiàn)較困難。還可以采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換，需用到抽取和內(nèi)插理論。