软件无线电发展现状与趋势
唐秀玲
（中国电子科技集团公司第三十六研究所 嘉兴314033）
摘要：无线通信技术的发展和应用经过了蜂窝、无线局域网（LAN）、个人区域网、数字广播、智能传输系统（ITS）等许多阶段，使现今社会上存在大量不兼容的系统。针对这种情况，软件无线电（SDR）是一种解决方法，因为软件无线电可在一个单元中提供多个无线通信系统功能。文章概述软件无线电概念和世界研究趋势。
关键词：软件无线电(SDR)，无线通信，移动通信
软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点，使其在无线通信中获得了广泛应用。随着研究的深入，软件无线电的民用潜力日益受到重视，民用研究已经成为软件无线电研究的主战场，尤其是在移动通信方面更具有广阔的发展空间，被比喻为第三代、第四代全球通信的基石。东芝、诺基亚、摩托罗拉等各大通信公司总裁都宣布要从数字无线电向软件无线电转变，并正在为此不懈努力。无论是GSM还是CDMA技术，解决不同公司、不同标准之间互通的最佳办法就是采用软件无线电解决方案。
目前以美国和西欧为主导的发达国家都在积极地致力于软件无线电技术的研究和系统的开发利用。美国在其国防技术领域计划中，将软件无线电视为战场无缝通信的基石和首要的技术挑战，认为是用来解决多售主、多网络、联合/多兵种合成部队和商业环境中通信设备互操作性问题的有效手段。其最终目标是：在此基础上发展利用商业标准和协议，达到战术系统之间以及战术系统与全球通信系统之间的自动化无缝接口，实现数据/语音一体化传输和数字战场通信，确保战区内分散在各处的阵地，直到最低梯队步兵和每艘舰艇和每架飞机之间能够进行可靠、透明、安全的连通。
在1992年5月美国电信系统会议上，Jeo Mitola首次提出了软件无线电的概念。软件无线电是指在一个开放的，标准化的、模块化的通用硬件平台上，通过软件加载实现各种无线电通信功能(如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式和通信协议等)。其核心是：集中使用宽带A/D、D/A转换器并尽可能地靠近天线；无线电功能尽可能地通过软件来实现。理想的软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D和D/A转换器、通用或专用数字信号处理器以及各种软件组成。理想的软件无线电的组成结构如图1所示。
射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频等功能。在射频变换部分，宽带、线性、高效射频放大器的设计和电磁兼容问题的处理是比较困难的，如果采用射频直接数字化方式，射频前端的功能可以进一步简化，但对数字处理的要求提高，比如A/D转换器要有足够的工作带宽(2GHz以上)，较高的采样速率，而且要有较高的A/D转换位数以提高动态范围。目前的现状是A/D、D/A和DSP器件的性能都不够充分，实现这种理想的软件无线电需等待这些器件技术的发展。因此，在目前技术条件下，软件无线电仅是一个理想境界。
图2所示的是一个简单的SDR结构，说明了三种情况下的软件化无线电台，预示软件无线电台的发展趋势。情况1是基带部分采用数字器件的常规电台结构。RF和IF子系统由固定的模拟器件构成。情况3是一个理想SDR概念，几乎所有部分都用数字器件构成，如DSP或FPGA。这意味着SDR完全可通过改变其软件进行重构。情况2是当前可实现的软件无线电台结构。RF部分是固定的，没有情况3灵活，但它不需要宽带A/D和D/A转换器和情况3必需的一个较高速度的可编程器件。
软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。全球50多个公司组成了“模块化多功能信息传输系统”(MMITS)论坛(后改名为“软件定义无线电(SDR)”论坛)。SDR论坛认为“未来的软件无线电类似于现在的PC机与软件”。理想的开放式结构使任何制造商都能为无线电设备设计软件。当前，可采用的定义为：“软件定义无线电是一种可建成柔性无线电系统的新兴技术，系统采用软件通过DSP和FPGA可编程器件实现多业务、多标准、多频段、可重构和可重编程。”其基本思想在于使所有电台都基于同一个通用硬件平台，通过安装不同的软件模块，利用软件升级或版本更迭来实现通信设备的更新换代和新老电台之间的兼容，以达成互通。
SDR的应用范围非常广泛，如军事和许多民用系统。在军事应用中，存在这样一些情况，即接收机的接收信号的特征是未知的，因此需要采用SDR概念。在民用无线系统中，4G需要采用SDR技术来产生一个无缝隙网络环境和适合的通信。这可通过在一个终端改变通信方案来实现。例如，SDR终端不仅可在蜂窝电话系统间变换，而且可变化到其他系统，如WLAN，以避免通信中断。SDR可根据用户需求或者信道环境重构系统，如一个用于看电影的高数据速率的通信信道或一个用于话音蜂窝电话通信的低速率信道。SDR很可能在不久的将来用于民用领域。下面主要论述有关硬件、软件和规范问题。
3.1 硬件
3.1.1 超导技术
人们对超导技术的关注已经有很长时间，其应用范围在不断扩大。超导技术可真正实现SDR的数字RF，因为一个数字RF需要超高性能的ADC/DAC和数字处理器。采用超导技术就可实现这种高性能的器件，这是新兴的解决方法。假设这种技术将用于军事应用，如联合战术无线电系统（JTRS）和军事卫星通信（MILSATCOM），其成本不是问题。低温包装技术是超导体的关键技术问题。最近的开发显著减少了低温包装的尺寸、重量和功率，现有的一种数字RF电台的低温包装尺寸仅为19~16英寸。图3所示的是直接数字频率变换收发机结构，其中深色框中是低温超导电子。根据这种结构设计的SDR覆盖的频率范围是2GHz~55GHz。另外，还说明了15位量化和20GHz采样的ADC/DAC。
对民用来说，超导技术可在蜂窝电话系统的基站中实现。实际上，如果一个发射机用超导元件组成，就可用于这样一种宽带，即不仅可用于蜂窝电话而且可用于当前无线通信的其他应用。
3.1.2 可编程器件和系统结构
设计SDR时，器件的选择是最重要的问题。目前可考虑两种方法，第一种是检验现有器件并进行改进；第二种是从讨论SDR结构开始，优化器件的性能和成本。
硅蜂窝式粗颗粒可编程加速器技术可用于填补无编程处理器与常规可编程处理器之间的缝隙。特定用途集成电路（ASIC）成本低，性能高，但却是固定的。DSP是可编程的，但与ASIC相比成本高。
用于多个CDMA系统的Rake技术可用于实现多个可编程器件。Rake过程由芯片级处理和符号级处理组成。如果在一个器件中实现这两个功能，该器件必需适合芯片级处理，芯片级处理比符号级处理快得多。对符号级处理来说，器件的处理速度过快了。另外，可编程器件所需的功率大于固定器件的。对这个问题，解决的方法是为每级处理安排适合的器件：芯片级处理基于一个FPGA，符号级处理基于一个可编程器件——DSP。对未来SDR模块实现来说，采用一个硬件加速器和可编程开关，并研究一种消息命令接口来保持灵活性，这样就可解决新老电台之间的兼容、每个处理必须同步等问题。
3.2 软件和结构
SDR系统有许多不同种类，这些SDR系统应通过一个软件通信结构（SCA）进行互操作。SDR系统必须具备不同SDR应用的可移植性和通过引入简单的技术进行的可升级性。SDR系统应通过重用和再设计模块的能力来减少新技术的开发时间。SCA是一个开放式、非专利规范，是约束SDR设计的一组规则。它是SDR的一部分，将提高电台的互操作性。JTRS需要它，它由JTEL（JTRS技术实验室）验证，用于想要参与政府大量合同的公司。但就其应用来说，各公司的观点不同。波形开发者重视SCA所需的知识和技能，这些知识与技能与UML/面向对象、CORBA和XML以及SCA的观测波形环境相关。硬件工程师寻求的是怎样把硬件和电台业务中新出现的软件要求结合在一起。经理考虑的是怎样根据发展方向和所需的资源和基础结构进行配置。实现SDR目标需要一个体系结构标准。该标准是数字系统和实现时的确认等级的基础；把系统描述为单元、是连接器和布局技术的集合；是定义单元之间的接口；允许各单元进行通信。
3.3 规范和安全问题
针对SDR的规范和安全问题，在日本、美国和欧洲之间有许多不同的看法。在美国，联邦通信委员会（FCC）于2003年9月提交了“第一报告和指令”。该报告对SDR进行定义是为了新的规范和用于授权后电台软件改变的“新3类允许改变”。在日本，公共管理、内务事务和邮电通信（MPHPT）部已经在研究制定SDR系统规范和认证的规则要求。在欧洲，2001年11月德国提出建立一个TCAM小组，研究SDR规范的前景，以及R&TTE指令是否能有效处理这种产品。在美国，SDR的规范有所不同，硬件制造商必须采取步骤避免SDR发生未认可的软件改变，而在欧洲，硬件制造商不必采取这种措施，但必须对SDR的预期作用负责。在日本，认证权可控制软件下载以防止SDR发生未授权的软件改变。要使SDR成为可能，规范必须一致，但现在存在不同的看法。
本文介绍了SDR的研究现状与发展趋势。随着各种软件无线电通信系统的研制成功，证明软件无线电不但在技术上是完全可行的，而且还代表着未来无线通信体制的发展趋势。软件无线电技术有着广泛的应用前景，特别是对航空航天，多频段、多用户、多模兼容以及互联系统，它不仅在军事领域，而且在民用领域也有着极为广阔的应用前景。