软件无线电技术在短波通信中的应用

胡冰 刘林 黄辉

摘要：短波通信主要依靠电离层反射，可通频段窄，其特性随时间、空间、环境等变化频繁，随着社会发展，环境噪声、各类电磁干扰愈发严重，优质频率随时间空间快速变化，电台选频极为困难。当前主要通过频率管理系统长期预报或人工经验预先指配频率，实际通信过程中往往很难选出好用频率，最终导致短波通信可通率低。本文分析了软件无线电技术在短波通信中的应用，并提出相应优化策略。

关键词：软件无线电;射频数字化;DSP

中图分类号：TN925  文献标识码：A  文章编号：1672-9129（2020）02-0026-01

Abstract： Short wave communication mainly relies on ionospheric reflection and has a narrow passable frequency band. Its characteristics change frequently with time， space and environment. With the development of society， environmental noise and various electromagnetic interference become more and more serious. At present， the frequency is mainly assigned in advance by the long-term forecast or manual experience of the frequency management system. In the actual communication process， it is often difficult to select the useful frequency， which ultimately leads to the low passability rate of short-wave communication. This paper analyzes the application of software radio technology in short wave communication and puts forward the corresponding optimization strategy.

Key words： software radio; Radio frequency digitization; DSP

1  引言

隨着社会发展，环境噪声、各类干扰愈发严重，短波通信越来越困难。为克服这些问题，短波通信近年采用了跳频、自适应等新技术，但受传统短波通信系统结构和传统器件的限制，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。而短波软件无线电的出现打破了传统短波电台过分依赖硬件实现各种功能的旧体制，实现了多功能、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。

2  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。

软件无线电将A/D和D/A由基带移到射频，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。

3  短波软件无线电的结构

短波软件无线电目前主要有两种实现结构：中频数字化采样结构，射频全频段数字化采样结构。

3.1中频数字化采样结构。中频采样是将天馈系统接收的射频信号经过低噪声放大器和滤波处理后，通过一次或二次模拟混频到中频进行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，最终形成语音或数据信号送往终端设备。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DSP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。这种结构受限于ACD/DAC芯片和DSP处理速度的局限无法实现短波全频频段（2～30 MHz）数字化处理和理想的软件无线电有一定差距。

3.2射频全频段数字化采样。近年来随着集成芯片技术的发展，出现了很多高速率的ADC/DAC芯片，使得短波射频全频段数字化处理成为可能。短波通信的频率范围是2MHz到30MHz，按照Nyquist采样定理对短波频段采样速率至少需要60Msp/s，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。

目前主流的ADC和DSP的处理速度完全可以满足短波通信系统的实时性要求，并可降低对射频前端的处理要求。射频信号经过射频前端进行简单的放大和低通滤波后，通过FPGA进行数字下变频和滤波，将采样信号划分为多个信道，然后对每个信道进行数字信道化处理，以此来降低接收机的复杂程度。

4  短波软件无线电的关键技术

4.1宽频A/D转换。在短波软件无线电通信系统中，尽可能的将射频信号的A/D转换向天线端推移，达到尽可能多的以数字形式处理无线信号，这样就对ADC的性能提出了更高的要求。为保证抽样量化后的数字信号保持原模拟信号的信息，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指标，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。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。

4.2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，加快开发速度。

4.3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电中如何实现软件的Plug&Play，提出了基于JAVA/CORBA的软件无线电协议和标准。其中CORBA是由面向对象管理集团（OMG）制订的标准。

结语：

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，从而形成了现代短波通信的新技术和新体制。

参考文献：

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[2]WALTER TUTTLEBEE著，杨小牛等译. 软件无线技术与实现[M].电子工业出版社：北京.2004，20-36

[3]宗孔德.多抽样率信号处理[M].清华大学出版社：北京.1996

[4]张尔扬.短波通信技术[M].国防工业出版社：北京.2002

[5]汪学刚.现代信号理论[M].电子工业出版社：北京.2005

作者简介：胡冰（1984--）;男;民族：汉;籍贯：山东威海;职务/职称：工程师;学历：硕士;单位：南京熊猫汉达科技有限公司;研究方向：短波通信