浅谈短波软件无线电技术
中国联通网站 2022-09-27
  短波通信是利用波长为100m~10m(3MHz~30MHz)的电磁波进行的无线电通信,主要靠天波传播,可经电离层一次或数次反射,最远可传上万公里,广泛用于语音、电报和数据传输。然而,深度衰落和干扰(电台干扰、工业干扰和大气噪声等)严重影响着短波通信质量。为克服这些问题,短波通信近年采用了自适应、宽带抗干扰等新技术,但受传统短波通信系统结构(见图1)和传统器件的限制,这些新技术难以发挥自身优势以提高短波通信的性能指标。

  图1  传统短波通信设备的结构图

  1992年JoeMitola首次明确提出软件无线电概念。软件无线电的基本思想是:将宽带A/D/A变换尽可能地靠近射频天线,尽早地将模拟信号数字化,在基于DSP(数字信号处理)技术的支持多模式工作可编程控制的通用硬件平台上,建立一种灵活的无线电系统。在这个系统中,从射频、中频、基带直到控制协议部分全由软件编程来完成,把尽可能多的通信功能用软件来实现,硬件的通用性和软件的可重构性使得系统的改进和升级非常方便,不同系统间可以很好地互连与兼容。软件无线电的思想运用在短波通信上就形成了短波软件无线电(HF-SR)。
  HF-SR的出现改变了传统短波通信设备过分依赖硬件实现通信功能的旧体制,可充分利用数字信号处理技术,便于研制出多功能、多模式、可编程的短波通信系统,为短波通信技术的发展注入了新的活力。
  1  软件无线电基本体系结构
  理想的软件无线电是多频段、多模式、开放式体系结构,其无线功能通过加载软件来实现,从而提供多种无线电通信业务。软件无线电的基本平台包括:天线、多频段射频(RF)转换器、宽带A/D(D/A)转换器和DSP处理器等,如图2所示。

  图2  开放结构的短波软件无线电发送原理

  软件无线电将A/D和D/A向RF靠近,由基带移到中频甚至到射频,用可编程能力强的DSP或FPGA器件代替专用的数字电路,进行A/D后的一系列处理,使系统硬件结构与功能相对独立,这样就可以基于一个相对通用的硬件平台,通过软件实现不同的通信功能,并可对工作频率、系统频宽、调制方式、信源编码加以编程控制,系统灵活性大大增强。功能强大的软件开发工具可以根据通信技术的最新发展和需求,修改各工作模块以实现系统升级。
  2  短波软件无线电的结构
  短波软件无线电目前主要有三种实现结构:射频全频段数字化采样、中频数字化采样结构、虚拟无线电结构。
  (1)射频全频段数字化采样
  射频全频段数字化采样的系统结构图与图2类似。依据目前的器件水平,短波软件无线电的射频全频段数字化采样尚不能实现。按照Nyquist采样定理对短波频段采样速率至少需要70Msp/s,短波频段通信对ADC的动态范围要求为120dB~130dB,A/D一般来说每bit提供6dB动态范围。这样对短波全频段采样需要130/6≈22bits,目前ADC达不到此要求。
  (2)中频数字化采样结构
  如图3所示,中频采样是将射频信号预处理后,模拟变频到中频进行A/D采样,采样后的数据被送入DSP,在DSP中进行数字下变频和数字解调处理。这种结构的软件无线电与目前的中频数字化接收机的结构是类似的,均采用了多次混频体制。但是软件无线电的中频带宽较宽,且一次混频后的变频均在DSP中实现,所有调制解调等功能均由软件来实现,比普通超外差中频数字化接收机更灵活,功能更强。尽管和理想的软件无线电有一定差距,这已是目前短波软件无线电的最佳选择。

  图3  中频数字化采样结构图
 (3)虚拟无线电结构
  虚拟无线电是软件无线电的一个新的发展趋势。虚拟无线电利用工作站(或者高速PC机)的强大计算能力取代DSP来完成所有数字信号处理。有代表性的是美国麻省理工学院的计算机科学实验室开发的SpectrumWare系统,其结构如图4所示。
  图4中,虚拟无线电以A/D变换为划分界线,整个系统分为子卡和工作站两个部分。子卡部分用于获得射频信号的采样数据,将射频信号模拟下变频到中频,然后对中频信号进行采样。采样后的数据流经过工作站上的GuPPI(通用PCII/O)接口被送入内存缓存区。为了满足实时数据处理的要求,这里采用DMA(直接存储接入)技术,数据流直接送入内存缓存区,无需经过设备驱动程序和一般操作系统功能的处理。然后,工作站中的软件无线电应用模块对内存中的采样数据流进行处理,完成软件无线电技术中DSP所能完成的功能。
  基于PC机的虚拟无线电结构具有以下几个特点:①更好的灵活性。工作站的容量和开发环境均优于专用DSP芯片,容易实现新协议和信号处理新算法以及性能的改进提高。②升级快捷。用户可以很方便地通过更新软件来增强现有设备功能。③易与其他应用结合。虚拟无线电的研究将无线和其他应用的界限模糊化了,提高了功能性和端到端的有效性。
图4  虚拟无线电结构图

  3  短波无线电的关键技术
  (1)宽带/多频段天线技术
  根据短波软件无线电的结构,天线要能覆盖1.5MHz~30MHz频率范围;能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。而实现这些功能的技术包括:组合式多频段天线及智能化天线技术;模块化收发双工技术;多倍频程宽带低噪声放大器方案等。
  (2)宽频A/D转换
  在软件无线电通信系统中,要达到尽可能多的以数字形式处理的无线信号,必须把A/D转换尽可能地向天线端推移,这样就对A/D转换器的性能提出了更高的要求。为保证抽样后的信号保持原信号的信息,A/D转换要满足Nyquist抽样准则,而在实际应用中,为保证系统更好的性能,通常抽样率为带宽的2.5倍。由于短波通信的频率变化范围较大,对采样频率、位数及动态范围也提出了较高的要求,对此可采用并行A/D转换技术(如图5所示)。高速采样保持电路的时间精度可达纳秒级,通过串/并转换将量化速度降低,提高采样分辨率,这样用多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。
  (3)DSP处理部分
  可编程DSP模块主要由DSP、FPGA(现场可编程门阵列)、FIR专用芯片组、存储器、I/O接口组成。按照不同的数据处理流程可将DSP模块的功能分为:与终端的数据交换、自适应调制解调、信道环境分析和管理、SSB调制解调、频率变换等。DSP是软件无线电的核心部件,但单个DSP的处理速度也是现阶段一个主要的瓶颈。当单个DSP处理能力不足时,可采用多个DSP芯片的并行来提高运算能力,如Quad-40CMCM处理器包括4片TMS320C40处理器、5MB内存,已用于多频段多模式军用电台。
  (4)开放式模块结构
  软件无线电的一个重要特点就是其优良的开放性,这主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线结构,只有采用先进的标准化总线,软件无线电才能发挥其适应性广、升级换代方便等特点。现有软件无线电研究和试验系统中一般采用双总线结构,即:控制总线和高速数据总线。控制总线结构,如VME总线、PCI总线等,应尽可能采用现有的工业标准,以便于利用已有的软件和硬件平台,加快开发速率。VME总线是一种支持多机并行处理的高性能总线,市场占有率也很高,故可将VME总线作为软件无线电的首选总线。
  (5)软件协议和标准
  软件无线电的评价标准中,软件的可用性是其中很重要的一条。目前正研究在软件无线点中如何实现软件的Plug&Play,提出了基于JAVA/CORBA的软件无线电协议和标准。其中CORBA(CommonObjectRequestBroker Architecture,公共对象请求代理体系结构)是由面向对象管理集团(OMG)制订的标准。
  4  结束语
  软件无线电是当今计算机技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通信应用的产物,它与短波通信的结合,克服了短波通信固有的缺点,提高了数字通信的可靠性,增强了自动化和新业务的能力,从而形成了现代短波通信的新技术和新体制。

作 者:郑柳刚 王英翔
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