摘 要： 软件无线电是近几年来颇受关注的一种无线通信体系结构, 由于软件无线电技术的灵活性, 其被广泛应用于无线电领域。文章主要介绍了软件无线电中的数字信号处理技术。
关键词： 软件无线电; A/D变换; DSP; 数字信号处理;
Abstract： The software radio is a kind of wireless communication architecture which has been paid close attention in recent years. It is widely used in the radio field because of the flexibility of software radio technology. This paper mainly introduces the digital signal processing technology in software radio.
Keyword： software radio; A/D conversion; Digital Signal Processor; digital signal processing;
无线电通信技术在军事领域中占有重要地位, 无线电通信装备具有较强的机动灵活性、抗毁性。但在长期的发展过程中也存着许多问题, 如:无线频带越来越拥挤、互联困难、通信系统的抗干扰能力需要增强等, 这些弊端严重影响了无线电技术的发展, 软件无线电技术逐渐进入人们的视野。
1、 软件无线电及数字信号处理
软件无线电系统就是通过无线电技术的硬件作为平台, 将无线及个人通信通过软件进行实现。通过这样的新系统, 新产品的开发逐渐发展到软件上来, 无线产品的通信关键逐渐转到软件上来。无线电技术从固定到移动、模拟到数字的两次革命技术, 这是继两次革命技术后的第三次革命。软件无线电技术的核心领域是将数字模拟通过软件技术来实现无线通信技术, 要想实现无线电功能的软件化需要将复杂、笨拙的原有技术, 转化为单一、灵活的硬件电路。软件无线电的通信结构特别注重其可编程性、开放性等特点, 通过软件创新硬件配置结构实现新的功能。软件无线电通信技术主要将A/D, D/A变换器, 最大限度地向射频段聚集, 根据目前现有的技术手段, 应当使用宽带或多频段天线, 把多频段应用于A/D的转换。
通过通信频段、调制方式、抗干扰模式等集成了软件无线电的组网模式, 在实际应用过程中, 增强了通信能力。理想的软件无线电组成结构大致为:信息数据通过窄带A/D或者D/A转换器的处理后进入数字信号处理器 (Digital Signal Processor, DSP) 等处理软件进行进一步处理, 再由窄带A/D或者D/A转换器进行还原性质的转换, 最后通过射频前端模块进行工作。
数字信号处理技术是软件无线电通信系统的基础。目前尽管低功耗、超强功能的数字信号处理器发展迅速, 但数字信号处理器在速度、功耗上的现状仍然是制约软件无线电发展的关键因素之一。数字信号处理的另一研究内容就是软件, 软件是软件无线电技术的核心。目前数字信号处理器不能满足软件无线电设计要求的情况下, 开发数字信号处理软件应是软件无线电技术的主攻方向, 这其中包括各种快速傅里叶变换 (Fast Fourier Transform, FFT) 算法, 调制解调、信源编码、信道编码等各种通信软件, 也包括方式控制、信号控制和数据交换软件。
2、 软件无线电数字信号处理技术
2.1、 数字信号处理的作用
数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波, 因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域, 这通常通过模数转换器实现, 而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域, 这是通过数模转换器实现的, 数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备如DSP和专用集成电路 (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 等。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点, 这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的数字信号处理的核心算法, 离散傅里叶变换 (Discrete Fourier Tr a n sfor m, DFT) 使信号在数字域和频域都实现了离散化, 从而可以用通用计算机处理离散信号, 而使数字信号处理从理论走向实用的是FFT, FFT的出现大大减少了DFT的运算量, 使实时的数字信号处理成为可能, 极大地促进了该学科的发展。
2.2、 软件无线电对DSP的要求
现有的软件无线电通信技术与以往的普通数组处理信号技术有所不同, 现有的软件无线电技术要求整个波段进行数字化处理, 当使用到中频处理、基带、比特流等其他功能时, 都需要通过软件进行处理。对于控制信号等, 需要DSP按照最快的速度对其进行处理、运算, 对硬件设备的要求很高, 按照目前现有的技术水平还达不到需求, 需要通过其他方法实现。
在窄带A/D完成工作后就是直接数字控制 (Direct Digital Control, DDC) 的处理, 对变频、滤波、二次采样过程都要通过数字化进行实现, 这种情况下可以通过采用两个DSP进行协同处理工作, 将专门的可编程芯片来作DDC的工作。
在现有的技术水平上可以将中央处理器 (Cent ral Processing Unit, CPU) 与DSP集成在同一个芯片上, 如果系统进行实时工作, 就需要更快的数据存取技术, 在此情况下又不得不考虑成本的要求。
在经过DDC后, 可以用高速DSP进行基带处理、比特流、信源编码等功能。对基带处理的基本要求是进行调制解调、扩频解扩以及信道带宽的自适应能力的处理, 实现数据的转换, 此时需要每秒达到几十兆甚至几百兆次操作处理;比特流主要对信道进行编码, 复制或者交换、信令、控制、加密等功能;语音、图像的编解码算法主要通过信源编码部分进行处理, 此时每路信道也需要几十兆的处理能力。现有的DSP在结构上采用了哈佛结构、专用的硬件乘法器、流水线操作、特殊DSP指令以及哈佛结构等措施对提高处理速度, 如果需要更加高速的处理速度, 可以使用先进的共享储存器方式进行并行处理。
2.3、 A/D转换及数据采样技术
软件无线电接收的射频信号经过射频前端处理过后, 变成宽带中频信号, 但是由于现有的技术水平条件达不到需求, 仅仅通过中频对模拟射频信号进行量化操作。采样速率和位数是A/D的主要工作要求, 信号带宽决定着采样速率, 采样速率需要达到带宽的两倍, 在进行实际应用过程中, 采样速率要大于带宽的两倍多, 在进行处理时还要考虑到采样后对数据精度的要求。对于无线电技术中的A/D转换器, 要求其具有高抽样率和性能, 例如AD公司所出产的AD6640可将输入的模拟中频信号进行高速处理, 这款转换器是单片结构的12位A/D转换器, 内部含有采样。在软件无线电技术中, 为了保证无线电对数据采集模块的需求, 要求对数据采集性能进行进一步提高, 在原有的数据采集技术上进行创新技术或应用新技术。
2.4、 正交采样技术
在正交采样技术中, 需要将数字化信号分成两个分量。形成与原信号相同的信号时需要将其中一个分量乘以正弦波, 下变频到零中心频率上, 另一个分量则需要乘以90度相移的正弦波。通过这些可以看出正交采样技术可以减少对采样率的要求, 同时也增加了采样负担。
2.5、 多采样数字信号处理技术
MRDSP的主要问题是需要设计一个科学有效的数字系统, 这样可以让数字信号的采样率得到提高。从现代通信的软件无线电通信技术的要求来看, 带通的采样带宽应当越宽越好, 这样可以更好地适应对不同信号的处理, 通过提高采样率, 还能够更加有利于提高采样量化的信噪比。在软件无线电系统中, 应当选择更高速率的带通采样速率设备技术。对于上述实时系统的运行无法实现。对于一个实际的无线电信号带宽一般为几十千赫兹或者几百千赫兹, 实际对单信号采样所需的速率不高, 所以对这种窄带信号的采样数据流进行降速处理是完全能够实现的。
3、 软件无线电处理平台
一个可靠性高、通用性好而且具有灵活性的宽带无线电处理平台, 是实现软件无线电通信的重要基础。在进行软件无线电平台设计时, 应当将先进的路由技术与DSP技术的设计过程加入到软件无线电处理平台的设计当中, 在进行工作时, 高速度的转接单元应当允许数字信号与DSP有较多的对应关系, 这种情况下可以将多个通道的信息数据进行有效集合后送入一个处理器进行处理。同时也能够将一个通道的数据发送到多个处理器进行处理, 这样可以保证传输、接收信号的路由可以随意变换使用, 这就要求相关设计人员在同一个平台上更加方便灵活设计出符合各种通信规程协议和多种工作波形的通信系统。
4、 数字中频处理的必要性
在进行A/D采样后的数据流量可以达到80 M·s-1, 当直接进入DSP进行处理时会导致DSP芯片与I/O瓶颈问题以及DSP的运算资源受到限制, 直接运用DSP进行滤波、调制解调、信道编码与解码、信息加密等各种处理时, 所需要的运算量比较大, 以中频处理的复杂度为例, 当从高速数据信号中获得有用的窄带信号, 按照正常的实际算法, 需要对每个采样点进行100次的运算。这样可以采用可编程性高的数字过滤器, 对高速数据流进行中频滤波处理, 把高速数据流降为低速数据流, 大大减少后续处理。
5、 结语
无线电通信技术在军事通信中占有重要地位, 软件无线电技术的提出与实现对其通信提供了很大的帮助, 标志着这软件通信技术从硬件到软件的飞跃。软件无线电是现代无线电通信技术的发展方向, 可以灵活地改变频率实现通信, 改变调制方式和接受类型不同的信号以便于适应各种协议, 可以通过运用一种硬件实现不同性质通信的功能, 这种软件通信方式可以安装到各种移动设备中, 将各种功能进行综合, 不仅能够完成现有的通信, 还可以进行卫星链接等其他方式的互联, 伴随着计算机技术、智能天线技术的不断创新与发展, 软件无线电通信技术必将成为无线电发展技术的主流, 数字信号技术也将会使创新的重要环节。
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