软件无线电的研究与应用

许 丹

（咸阳职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

1 引言

在互联网的飞速发展下，人们对通信质量提出了更高的要求，软件无线电，将信号用数字表示的信号处置方法作为中心，运用微电子作为系统运行的器件，其核心思想是在通用的通信硬件平台上加载不同的通信软件，用来实现不同的通信方式的转换。这种设计思想使得几乎无论什么样的通信方法都可以找到对应的电台。目前的软件无线电和传统的无线电台相比较，其最大的优点就是突破了后者以硬件为核心、可扩展性比较差的的设计局限和功能的相对单一性。如今硬件平台的创建基本都是通过软件无线电来实现的，主要包括可编程逻辑器和数字信号处理器两种方式，其主要强调使用的开放性和简单化，其应用软件最好能够根据不同的使用要求进行重新构建，并且能够随时升级，使无线电的功能具有可变性且多样化。同样，其在雷达、医疗、信息化发展、电子战等领域也得到了积极的推广，是当前移动通信领域的研究热点之一[1]。

2 软件无线电发展背景

理想的软件无线电系统需要尽可能的减少模拟环节，而将数字化处理（包括A/D，D/A等）尽可能靠近天线端，直接在射频进行数字化，以便所有的信号处理过程都在数字域内进行，在最大程度上通过DSP软件实现系统的各种功能，其结构如图1所示。

图1 理想软件无线电系统结构图

软件无线电的实现主要有三种结构：一为辐射到空间的电磁波频率进行低通采样，第二种为对电磁波频率进行带通采样，第三种是对电磁波频率进行的中间段频率进行带通采样，通过数字化布局实现以软件技术手段实现无线通讯这一技术的运行。

几种结构中最不复杂的是以数字化布局实现的电磁波频率的低通采样。它能够实现模拟电路的最少化，在由最初的天线前端输入的信号到最终的A/D数字化采样的一整条流程中，仅仅需要滤波和放大两个步骤即可完成。但是，操作流程的简便同时带来的是操作技术的高要求，其中，指标的严格控制就是一项，包括了A/D转换器的工作带宽、转换速率和动态范围等方面；还有操作的速率的提升，主要是后端DSP处理器的工作速度。

由于受A/D转换器、D/A转换器及数字化芯片运行速度不能达到较高速要求，当前的想要以软件手段实现无线通讯，只能退而求其次，选择既能以现有技术实现，又能较符合无线电要求的计划，即宽带中频带通采样数字化结构，如图2所示。

图2 宽带中频带通采样数字化结构

这种结构从信号的中频阶段就进行采样的数字化，随后所有的调制和解调都是以数字化的方式来实现，对于以后进行升级以及调整都会比较方便。但是，由于信号的数字化从中频阶段就开始了，从而使整个系统的操作模式较为固定死板。但是，时代在发展前进，A/D转换器与D/A转换器在工作时的结构、技术也将持续优化，从而将会广泛实现用射频段的相关技术来处理信息，使数字化向纯数字化以及高效的软件无线电平台的发展迈进更大的一步。

3 国内外发展现状

软件无线电作为现今通信领域的新技术，一直受到国内外的广泛关注，这种无线电通信方式很特别，它与以模拟的方式实现通信、以是数字化的方法实现通信，只能在特定区域内进行的通信、能够在移动中进行的通信均有不同之处，它使它们的继承与提升，广泛应用于蜂窝移动通信系统、智能天线、多频多模手机、卫星通讯等非有线的通讯领域。

对天线接收到的模拟辐射电磁波频率的信号最大限度的转换为数字信号，使其成为便于DSP或者是计算机操作的数据信息，运用软件处理实现各种性能是以软件的手段实现无线通讯这项技术的基本思路。目前，国内外以软件技术实现通讯这一手段已被用在了以除有线通讯方式以外的多个通讯区域。这种技术是在军事区被开发出来的，但是它的各项特点也适用于商业、日常等其他方向，因此被广泛运用。运用软件的方式进行无线通讯，可以距离天线很近的区域将信号转换为数字信号，也就是最大限度的减小了AD器件与RF射频距离，为通讯系统的逐代升级提供了方法。卫星通讯的中也可以用到这项技术，尤其是现在普遍适用的小型卫星。

4 软件无线电信号采样

无线电的软件系统是利用软件来实现各种无线通信的，它将数字化处理尽量靠近天线端，对天线接收到的信号进行数字化处理，将此信号转换成数字信号序列，而采样是实现该功能的最主要手段。因此对接收机接收到的信号进行采样就成了软件无线电的关键。通常所用的采样技术有Nyquist采样和带通取样。

4.1 低通取样

Nyquist低通取样定理[1]：如果某个模拟信号 )(tx 的频带区间限定在 ),0(Hf 之间，其中Hf为信号 )(tx 的最大频率，等间距取样是用大于等于模拟信号频率2倍 ( fs≥2fH)的取样速度对 )(tx 进行，此事能得出时域上离散型取样信号?（公式中的Ts表示取样的时间间隔），所以最原来信号 )(tx 就能够通过采样后的序列信号 )(nx 被还原出来。Nyquist定理的作用是让时间区域上不间断的模拟信号可经时域上离散型采样信号来被替换，从而为模拟信号的数字化处置打下基础。

根据上述定理我们可知：若要使采样后的离散信号能使原始信号被还原出来，则需在模拟信号的最大频率Hf的每一个周期内对原始信号 )(tx 进行两次采样，否则将会出现混叠失真现象，从而不能使原始信号 )(tx 得到恢复。以下我们结合实际数字信号的特性，从频域的角度来分析说明Nyquist采样定理。

抽样信号的频谱若在采样周期内（相邻的周期内）没有发生混叠，则通过低通滤波器就能够无失真的恢复出原始信号， Ts= 1/2fH为最大的采样间隔，相对应的 fs=2fH就称之为奈奎斯特速率。在理想的软件无线电系统中，输入信号的最大频率可达到2 GHz甚至更高。根据Nyquist采样定理可知，采样率要大于4 GHz，然而这一要求对于目前的 DA/转换器来说还无法实现，同时后端的DSP对采样得到的高速数据的处理也相对比较困难。

4.2 带通取样

Nyquist低通取样理论仅讨论分析了基带信号的频谱在区间为 ),0(Hf 上的取样问题，要是信号的频谱布局仅在某非无限的频带 ),(HLff 上，参照Nyquist取样理论，仍旧可以根据 fs≥ 2fH的采样速率进行采样。但当fH＞ B=fH-fL时，如果在信号的频率峰值fH远远超过他的信号带宽B时仍旧依据Nyquist取样率来取样，将会导致目的难以实现且取样率偏高，且较慢的处理速度也难以满足需求。在这时，利用带通采样，其可以利用大幅度降低速率进行取样来完善这一问题，就是信号的最高频是带宽的整数倍。

假设某个频率带限信号 )(tx ，改信号频率限定在( fL,fH)内范围，其取样率fs等时间间隔取样所得出的信号取样值?可精准地还原原信号 x( t)。

但是，以上描述带通取样理论存在适用条件，它只容许在之中的某一频带上存有信号，而如果在不同的频带上同时存在信号就会引起信号的混叠。为能解决这一问题，一般要在信号采样之前，先将其通过一个带通滤波器，也称为抗混叠滤波器。

5 多速率信号整理

多速率信号整理技术[3]为完成软件无线电信号整理数字化的关键，运用带通采样可以大幅度降低所需射频的采样速率，但从对其系统的要求角度来讲，带通取样的带宽越宽越好，这样系统就能更切合地适应不同的信号，可以将系统设计简化。

通过提高采样速度，采样量化的信噪比也会增加。但采样后高速的数据流将会使后面接上的信号整理速率难以跟进。尤其是对那些数据吞吐率高同时计算量又较大的同步解调算法，系统难以达到实时性的处理需求。是以，A/D整理后的数据流进行降速整理就尤为重要。完成此功能的理论基础是把多速率信号处理技术作为依据，其本质是对采样后的离散信号进行重采样，主要包括抽取和内插两个部分。

5.1 整数倍抽取

整数倍抽取[4]是表示依照原始抽样序列 )(nx ，相隔(D -1)个数据再抽取一个，可表示为?， y(n)即为抽取之后形成的新的序列。其中，D为抽取因子，一般情况下取正整数。抽取后所得原始序列 )(nx 的频谱与新序列 )(ny 的频谱之间关系是：后者是前者通过频移和D倍展宽后的D个频谱的加权和。

抽取后的频谱会产生混叠现象，以至于无法从新序列y( n)中恢复出原始抽样序列 x( n)。因此，为了避免这种混叠现象的发生，一般在抽取之前加一个起抗混叠作用的数字滤波器先进行滤波，把原始抽样信号进行频带限制处理后再进行D倍的抽取，从而可以完全恢复出原始抽样序列。

5.2 整数倍内插

所说的整数倍内插[3]，表示在原始抽样序列 )(nx false的相邻两个抽样点之中插入 )1(-L 个零值，可以得到内插后的新序列为 )(ny ，L为内插因子。原始序列谱X (ejω)通过L倍压缩后得到新序列频谱。在内插后的序列谱 Y ( ejω)中不仅包含了原始频谱的基带分量（阴影部分），还包含了高频镜像分量。因此，要对原始序列进行内插，则需对这类信号进行整形。所以，可以在插值后接一个低通滤波器，从而滤除掉不想要的频谱分量。

5.3 取样率分数倍变换

前文所述的抽取和内插都是整数倍的变换是取样速率变换的一种特殊情况。而在实际的应用中，除了整数倍抽取和内插外，经常还会碰到一些延迟的状况不是整数倍的—分数倍变换。如果想实现延迟的倍数是 LDR /=（即分数倍变换的变换比），我们可通过先内插L倍再抽取D倍来完成。需强调，内插一定要在抽取前先进行，从而保证中间序列 )(kS 的基带频谱宽度不小于原始序列x( n)以及输出序列 y ( n)的基带频谱宽度，不然会容易产生信号的失真。

通过前述可知，抽取过程的抗混叠滤波器和内插过程的抗镜像滤波器同属于低通滤波器，所以要消除混叠和镜像现象，可以用一个组合的低通滤波器来代替[2]。

6 总结

随着我国移动通信技术的飞速发展，软件无线电技术的适用范围不断增大，已普及在我国各个领域，特别是全面进入5G时代以来，其为用户提供立体化的信息环境、高速率的信息传输。面对大量异构网络并存的现状，无线通信新技术，在移动技术不断发展、完善的形势下，呈现出茁壮发展的势态。作为一种新型的通信方式，由于其软件的灵活性、易于升级、成本低等优点，无线通信新技术的出现，使网络运行速度提高到一个新的层次，进一步提升了人们的通信质量。因此在软件无线电通信系统中可以实现多种通信协议的相互兼容，有利于各种通信新标准的实施。本文针对软件无线电通信新技术的背景和应用，展开详细的分析，为我国无线通信新技术水平的进一步提高，奠定坚实的基础。