软件无线电技术在3 G系统中的应用

邢永中李坤

（鹤壁职业技术学院，河南鹤壁458030）

1.引言

现代的无线电通信系统仍存在许多局限性，例如，互不兼容的多种通信体制的并存造成互联的困难，不同制式的存在造成信源编码与解码、信道调制与解调、加解密、网络协议、通信组网等方式的差异等。不同频段的使用既造成频率资源的紧张又造成相邻频道间的干扰越来越严重。移动环境的动态范围的非优化，还导致物理层上处理器的不灵活。软件无线电的研究，为解决上述问题提供了技术支持。

2.软件无线电技术

2.1 软件无线电概念

软件无线电(Software Radio)是在一个开放的公共研究平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统，简称SWR。它被视为继模拟和数字技术之后的又一次电子技术革命，是当今计算机技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通信中应用的产物。随着计算机、通信技术、微电子技术的发展，无线电通信技术经历了以单工通信到双工通信、模拟通信到数字通信、FDMA到TDMA以及CDMA系统通信、固定通信到移动通信的快速发展历程。

2.2 软件无线电的关键技术

2.2.1 基于软件无线电的宽带多频段、多波束天线与智能天线

软件无线电的天线要求有10倍频程以上的工作带宽，一般在1MHz-3GHz左右。根据天线物理尺寸与信号波长的关系，这种宽频段天线按传统的方法是无法实现的。而实用中并没有必要全频段覆盖，只需要覆盖不同频段的几个窗口，因此可以采用组合宽带多频段天线和多波束天线。智能天线不仅在蜂窝移动通信系统中有着极其重要的作用，而且在军事上，特别是快速展开无线网络（RDRN）中发挥着越来越重要的作用。快速展开与移动意味着要在非常有限的时间来进行预先的频率、拓扑结构与一些特定功能的规划[5]。

2.2.2 宽带模/数（A/D）和数/模（D/A）转换技术[2]

根据软件无线电技术要求，将适合的模天线，尽可能地移至射频（RF）前端，减少模拟环节，则可在较高的中频乃至对射频信号直接进行数字化。这就要求A/D器件具有适中的采样频率和很高的工作带宽。一方面，信号的动态范围直接决定了模数转换器（ADC）所必须支持的分辨率；另一方面，在采样率和分辨率之间存在着平衡。一般采样率越高，分辨率越低。在满足采样率的情况下，ADC转换器要实现所要求的分辨率是一个技术难点。常用的解决方案有两种方式：并行采样和带通采样。

2.2.3 高速数字处理技术（DSP）

在软件无线中，具备强大处理能力的数字处理核心是软件无线电技术的关键所在。理想的软件无线电系统要求对整个高频波段进行数字化，而且其后续的中频处理基带、比特流及其它功能都必须用软件来实现。但这些数据流量大，进行滤波、高频等处理运算次数多，这就要求DSP必须采用高效、实时、并行的数字处理器模块或采用集成电路来处理。在单个DSP处理器（DSPs）无法实现的情况下，可采用多个DSP技术，即DSP单元由多个DSPs或FPGAs(现场可编程门阵列处理器)和DSPs等混合体组成。其中，FPGAs具有强大的现场调整功能的能力，DSPs具有高速数据处理能力，两者优势互补。

2.2.4 高速总线

软件无线电中采用总线结构，各功能部件之间的相互关系成为面向总线的单一关系。这样使无线通信产品易于实现模块化、标准化和通用化。例如，摩托罗拉公司为“易通话”计划设计了一个宽带的发送接收单元，它采用PCI总线，具有良好的用户界面。

2.2.5 软件无线电信息安全与网络功能

以往软件无线电技术侧重于模块化和用软件来实现调制解调。目前，信息安全成为其必须考虑的一个方面，特别是军用软件无线电。加密处理计算软件可以被信息安全子系统分配到指定的信道，在明文工作模式时，它只提供简单的总线到总线的连接。在需要时，它可以对数据流提供实时的加密解密。例如，可以采用跳频软件，根据保存在信息安全模块中跳频图案进行频率更新。

3.软件无线电技术在第三代移动通信（3G）系统中的应用

第三代移动通信系统的主要目标是要将包括卫星在内的所有的网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统，它能提供宽带业务实现全球无缝覆盖。

国际电信（ITU）提出的第三代移动通信系统ITM-2000，目前已有多种技术候选方案，而其中最有影响的三种技术方案为W-CDMA、CDMA2000（宽带分码多工存取的无线通信技术）以及中国的TD-SCDMA（分时-同步分码多工存取无线通信技术）。ITM-2000计划将软件无线电技术应用到由中国提出的TD-SCDMA方案中，实现多频多模的可编程。该方案融合了当今国际领先技术——智能天线、同步CDMA和软件无线电技术。另外两个组织对第三代移动通信系统开展得比较深入，一个是欧共体的ACTS FIRST项目，另一个是美国Rutgers大学。

第三代移动通信系统中，目前普遍看好的是宽带CDMA（W-CDMA）方案。Rutgers大学的研究侧重于将软件无线电技术应用于W-CDMA接收机。W-CDMA体制能够提供多种质量的多媒体业务，不同的多媒体业务对CDMA接收机的性能要求是不同的。而CDMA接收机的性能与其多用户检测的性能是密切相关的。目前提出的多用户检测算法一般都是通过计算复杂度的增加获取性能的提高。由于软件无线电接收机具有易于改变的特点，它可根据多媒体业务的技术要求动态地调用不同的多用户检测算法。由于目前DSP开发板的处理能力不够，这种接收机在中频和基带部分采用FPGA和DSP开发板实现，射频部分仍采用传统方法实现，目前尚未研制出样机。

我国的TD-SCDMA移动通信技术的发展则提出了利用软件无线电技术完成设计的理念。SCDMA是一种同步的直接扩频CDMA技术。它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码技术等通信新技术。软件无线电是TD-SCDMA技术的核心技术之一。在SCDMA中软件无线电可实现如下技术功能：

(1)提供一个开放的模块化的系统结构；

(2)智能天线的实现；

(3)同步检测的建立和保持；

(4)用户终端口、D-QPCK（差分正交移相键控）解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪；

(5)每码道功率的检测和发射功率控制的实现；

(6)接收通道的电平检测和接收增益控制；

(7)扩频调制与解调，包括Walsh（沃什）码和PN（伪随机）码的产生；

(8)语音编译码；

(9)DTMF（双音多频）、MFC（多频编码）及各种信号的产生和检测；

(10)信道编码、复接和分接；

(11)发射脉冲成形滤波；

(12)SWAP（交换）信令的差错检测；

(13)接收信令的差错检测；

(14)发射通道的数字预失真；

(15)基站收发信机的校准。

基于软件无线电技术并适应未来个人通信的移动系统应有以下技术特点[3]：

(1)在同一硬件平台上，通过软件的更新兼容现有的各种系统和以后将要出现的各种系统（包括各种体制的蜂窝系统、无绳系统、卫星系统和固定的无线系统）；

(2)具有自动漫游能力，能在不同系统之间进行智能切换（包括自动检测，参数设备和自动进入）；

(3)在公共空中接口的技术支持下，可以下载软件并进行自身软件更新；

(4)有多址接入能力，有较宽的工作频带，应能在不同系统的不同频段下工作；

(5)支持多种业务，如语音、数据、图像和传真等，并能根据业务流量、信道质量等，自动选择合适的传输信道；

(6)自动选择通信模式，建立通信链路，采用合适的通信协议和信号格式实现远端通信。

利用软件无线电技术，可以在平台上实现TD-SCDMA的智能天线结构，获得波达方向(DOA)估计等空间特征矢量，计算射频通道权重完成天线阵列的波束赋形，从而大大增加系统的有效容量，更有效地完成通信任务。

实际上TD-SCDMA软件无线电的第一阶段将实现数字无线电，如图1所示。数字通信的基本特征是把数字信号作为载体传送信息，它传输的信号是“离散”或“数字”的。数字通信系统是一种传输数字信号的系统。或者说，它是利用数字信号来传输信息的通信系统，其基本原理框图如图2所示[4]。

当然图3的实现需要多方面技术支持，有赖于智能天线技术、DSP处理速度、信道信源的编码优化等技术的不断发展。可以看出软件无线电技术在第三代通信（3G）TD-SCDMA系统中的应用是非常广泛的。而且，只有软件无线电技术才能解决第三代（3G）系统中的多频多模及网络互通问题。

4.结束语

在欧共体的ACTS FIRST项目中已将软件无线电技术应用于设计多频/多模（可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及现有的大多数模拟体制）可编程手机。它能自动检测接收信号，接入不同的网络，而且能满足不同接续时间的要求。软件无线技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能，可任意改变信道接收方式或调制方式，利用不同软件来适应不同标准，构建多模手机和多功能基站，具有高度的灵活性。

[1]马上，胡剑浩，凌翔.余数系统在软件无线电中的应用[J].电信科学，2009，2：84-89.

[2]朱晓敏，陆佩忠.集群软件无线电系统中实时信号处理调度研究[J].软件学报，2009，3：766-778.

[3]张雷，邓江平，王建宇.GPS软件接收机的模块设计与信号处理[J].计算机工程，2009，31（1）：198-200.

[4]李雅萍，杨尚森，李阳.CORBA技术在SCA系统中的应用[J].计算机工程与设计，2008，29（16）：4200-4203.

[5]茅成.综合通信导航识别系统中的多链路超短波通信的实现[J].电讯技术，2009，49（8）：59-64.