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一种基于软件无线电的通用调制器的设计和实现
摘要：介绍一种基于软件无线电的通用调制器的设计方法，给出了总体设计方案，说明了系统功能在DSP与FPGA之间的划分及系统的工作流程，关键部分的硬件实现方法和软件设计，给出了测量结果。关键词：软件无线电调制器数字上变频器
上世纪90年代发展起来的软件无线电SDR（SoftwareRadio／Software－DefinedRadio）的基本思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能用软件完成。这是一种全新的思想，它一经提出就受到了广泛的重视。但是，到目前为止，各国对软件无线电的研究还非常有限。由于软件无线电实现的前提是高度数字化，而现阶段的器件水平还不能达到要求，同时软件无线电的设计还缺乏统一标准，因而只能利用软件无线电的思想，根据系统要求，对其结构适当调整，进行系统设计。
本文采用可编程器件和专用器件相结合的设计方法和分层的设计思想，给出了一种基于软件无线电的通用调制器的设计和实现方法，并给出了系统的测试结果。
1总体设计方案
1．1总体方案框图
通用调制器总体方案框图如图1所示。
系统使用的主要器件有四个：通用DSP、可编程逻辑器件（FPGA）、可编程数字上变频器和D／A变换器。其中的两个主要芯片：通用DSP和FPGA均为通用可编程器件。这样，在系统设计时，存在着通用器件的功能定义问题。为了使系统的功能在器件之间进行合理的分配，充分、有效地利用芯片资源，并使系统设计简单、清晰，在软件无线电体系结构的基础上采用了分层的设计方法，将系统的结构分为三层：接口层、配置层和处理层。
（1）接口层
接口层用来与外界通信，控制整个系统的工作模式。接口采用DSP的主机并口（HPI）。图1所示的外部控制器为PC机，即PC机的并口与DSP的HPI口相连并通信，将系统工作模式的控制参数传递给DSP。需要指出：任意带并口通信方式的器件或仪器均可代替PC机，控制系统的工作模式。
（2）配置层
配置层用来给处理层配置参数，由通用DSP完成。DSP根据其主机并口接收到的控制参数调用相应的程序，计算出配置层所需要的各个参数值，并产生相应的时序信号，将计算结果配置给可编程器件FPGA和数字上变频器。
（3）处理层
处理层由FPGA、数字上变频器和D／A转换器组成。当FPGA和数字上变频器的参数配置完后，处理层脱离配置层单独工作。由FPGA产生对应特定比特流、特定调制方式的I、Q信号，并产生特定的时序信号将I、Q信号写入数字上变频器完成调制过程，再由D／A转换器将数字信号变为模拟已调信号输出。
1．2系统的工作过程
系统的工作过程和图2所示。
系统的初始状态是DSP等待主机接口（HPI）中断。当DSP接收到主机接口中断后，调用中断程序。这个中断程序将使DSP执行以下几步：
（1）首先将DSP的XF脚置高，这个信号变低可以使处理层退出工作状态，进入参数配置状态，同时放弃总线，并使DSP获得总线控制权；
（2）DSP从主机并口接收控制系统工作模式的有关参数；
（3）DSP计算处理层需要的各项参数；
（4）DSP将参数写入处理层相应的地址；
（5）DSP将XF脚置低，放弃总线控制权，并使处理层接管总线，进入工作状态。
（6）DSP重新进入等待主机接口中断状态。系统随时可以根据需要改变工作模式，重新配置参数。
2硬件实现
系统的.硬件结构比较简单，与总体方案框图的结构基本相同。主要器件有：TI公司的DSP芯片
TMS320VC5402、ALTERA公司的FPGA芯片EPF10K30RC240、HARRIS公司的数字上变频器HSP50215和D／A转换器HI5741。
2．1接口设计
本设计充分考虑了系统与外界接口的设计?熏使系统具有很好的开放性和灵活性。
TMS320VC5402的8－bit并行主机接口包含了许多控制信号线，使得它可以通过两个触发器与25针的并口直接相连。外部的设备或器件可以通过这个并口方便地控制系统的工作模式和状态。
在EPF10K30的内部逻辑设计中，有一个随机比特流产生模块，在这个模块中也设计了比特流信号的输入接口，使系统既可以对自身产生的比特流进行调制，也可以对外部输入的比特流进行调制。
另外，在EPF10K30和HSP50215的参考时钟输入引脚也设计了外部接口，通过这些接口可以用外部时钟信号方便地控制系统工作的参考时钟，适应用户的需求。
2．2总线控制
总线控制包括两个方面：总线的电平转换和总线控制权交接。
由于HSP50215和EPF10K30均为＋5VTTL器件，而TMS320VC5402的管脚为＋3VTTL电平，因而需要进行电平转换。所使用的芯片为带三态输出的电平转换芯片SN74LS16244和SN74LS16245。前者为单向芯片，用于地址总线；后者为双向芯片，用于数据总线。
从图1可以看出，系统某些信号线存在着复用的问题。这些信号线包括：HSP50215的数据、地址总线和写控制信号线WR。它们同时与DSP和FPGA的相应信号线相连，因此必须要处理好总线冲突问题。图3为总线控制电路设计。
由图3可以看到，DSP的XF、HOLDA和HOLD信号作为握手信号与EPF10K30中的总线控制模块相连。其中XF是TMS320VC5402的外部标志信号，可以用指令“SSBXXF”或“RSBXXF”将其置高或置低。当DSP放弃总线时，将XF置低，此时FPGA将HOLD置低，使DSP进入HOLD状态，当HOLDA也变低后，FPGA占用总线。当DSP要回总线时，将XF置高，此时FPGA立即放弃总线，同时将HOLD脚置高，使DSP退出HOLD状态。另外，DSP的HOLD信号的非信号与总线电平转换芯片的使能信号相连。这样可以保证不存在总线冲突问题。HSP50215的写控制信号WR也做类似的处理。
3软件设计
系统的软件设计包括两大部分：FPGA的内部逻辑和控制设计以及系统的参数计算和配置。FPGA的内部设计主要完成从基带比特流信号产生一直到对应不同调制方式、不同信息比特、不同码速率的I、Q信号的产生，另外还包括总线控制逻辑和片选信号产生等。
系统的参数包括三个部分：传送到DSP的HPI口的系统工作模式控制参数、FPGA的内部参数、数字上变频器的参数。系统的参数结构可以用图4表示。
系统的工作模式控制参数主要有如下三个：调制方式、基带比特流速率和载波频率。这三个参数由外部控制器通过并口传递给DSP的HPI口。它们处在最顶层，是确定下层各个参数的基本依据。
FPGA内部参数也有三个：基带比特流速率与FPGA参考时钟频率的比值、基带比特流串并转换的位数和IQ信号在查找表中的起始地址。这三个参数分别由基带比特流速率和调制方式决定。
成形滤波器参数对于根升余弦或升余弦滤波器而言也有如下三个：滚将系数α、内插倍数IP和跨越的码元周期数目DS。这三个参数是中间参数，它们并不会直接配置到数字上变频器中，而是计算成形滤波器系数的参数。根据系统的工作模式控制参数，可以确定最佳的成形滤波器参数。
数字上变频器参数，即HSP50215的内部参数，数目比较多，包括：重采样频率高、低位控制字；载波频率高、低位控制字；调制方式控制字；增益控制字；FIFO深度控制字；成形滤波多项式控制字（包括DS和IP）；复位控制字；同步启动控制字以及I、Q两路各256个成形滤波器系数。总共需要配置的参数为522个。这些参数分别根据系统的工作模式参数和成形滤波器参数确定。
正确计算出上述各个参数，并正确地配置到芯片EPF10K30和HSP50215内部，就可以得到正确的已调信号。
4测量结果
本次实验用实时频谱分析仪TEK3086对系统所产生的各种已调信号进行了观测，图5给出部分观测结果，包括BPSK、QPSK、8PSK和GMSK。
图5中各种已调信号的基带I、Q信号的符号速率均为5ksps，载波频率均为1MHz。每个图中又包含四个小图。左上角为中频信号的频谱图；右上角为星座图；左下角为I路信号的眼图；右下角为Q路信号的眼图。眼图的张开度以及星座
图中各个矢量点的离散程度（矢量幅度误差的大小），表明了系统码间干扰和噪声的大小，也是衡量调制器性能的两个重要参数。图5（a）、（b）、（c）采用根升余弦成形滤波器，内插倍数IP＝16，跨越的码元周期数目DS＝4，滚降系数分别为：0．5、0．7和0．7。图5（d）采用高斯成形滤波器，IP＝16，DS＝5，BT＝0．3。比较这四个图可知：BPSK和GMSK已调信号的眼图张开度最大，矢量幅度误差最小，信号性能最好，QPSK信号次之，8PSK信号眼图张开度最小，矢量幅度误差最大，与理论分析一致。从测量的结果来看，系统具有较好的性能，有一定的实用价值。
实验证明这种基于软件无线电的多功能调制器的总体方案以及内部的软、硬件设计是正确和可行的，系统具有良好的开放性、通用性和可扩展性，得到的已调信号性能良好。
根据系统的工作模式要求，计算出最优的处理层参数，就会得到性能最佳的已调信号。此外，如果在D／A后面再加一级放大电路，增大信号的发射功率，输出的已调信号会有更好的性能。
基于软件无线电的多通道直接序列扩频调制器的设计
介绍了一种基于软件无线电的多通道直接序列扩频调制器的设计方法,并用可编程数字上变频器AD6623予以实现.实验结果表明实现方法达到了设计要求,具有良好的`通用性和灵活性.
作 者：邢富领 刘辉 刘志盟 左继章 XING Fu-ling LIU Hui LIU Zhi-meng ZUO Ji-zhang 作者单位：空军工程大学工程学院,西安,710038 刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)： 13(5) 分类号：V247 关键词：软件无线电 调制器 数字上变频器 直接序列扩频 AD6623基于软件无线电的多制式信号发生器的设计与实现
摘要：提出了一种软件无线电通用信号发生器的设计方案，包括硬件构成和软件算法的实现。该信号发生器为软件无线电的研究与开发提供了便利条件。关键词：软件无线电 DSP DDS
软件无线电是一种无线电通信新的体系结构。在1992年5月美国电信系统会议上，JeoMitola首次提出了软件无线电概念，之后迅速引起了人们的关注，并开始对它进行广泛而深入的研究。具体地说，软件无线电是以可编程的DSP或CPU为中心，将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接起来，构成通用的基本硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式的体系结构。它使得通信系统摆脱了面向设计思想，被认为是无线通信从模拟到数字、从固定到移动之后的又一次突破。
在软件无线电的研究过程中，调制解调技术是移动通信系统空中接口的重要组成部分。在不同的蜂窝半径和应用环境下，移动通信的信道呈现不同的衰落特性，根据移动信道的衰落情况，自动地改变调制方式，从而提高传输效率并保证传输性能。那么，一个通用的信号源是必不可少的。
图1 多制式信号发生器硬件原理图
作者设计了一个基于DSP+DDS结构的可编程调制器的硬件平台，并在此硬件平台上实现了各种模拟调制和数字调制的通用软件算法。当改变调制制式时，无需再次下载程序，而且调制制式、比特速率、输出中频均可调。
1 硬件结构
通常，信号源输出的波形多数是对周期的01序列进行调制，输出波形单一，只能作为解调输入信号的一种特例，缺少通用性。而许多专用芯片采用的调制方式也是有限的。用DSP+DDS构成的通用多制式信号发生器不仅可以实现模拟调制，而且可以实现各种数字调制。DSP利于基带信号的实时处理，可以实现高速调制，而DDS具有频率分辨率高、频率变化速度快、相位连续、易于数字控制等特点。图1给出多制式信号发生器硬件原理图。
信号发生器主要由三部分构成：控制单元、数字信号处理器(DSP)、正交数字上变频器（Quadrature Digital Upconverter）。
DSP采用TI公司的TMS320VC5402，它独特的哈佛结构、硬件密集型方案和灵活的指令系统可以满足对信号的实时处理，它的高性能、低功耗及低价位使其得到广泛应用。
正交数字上变频器采用AD公司的AD9857。AD9807最高工作频率为200MHz，输出中频频率范围为0～80MHz。AD9807内部集成半带滤波器、CIC（ascaded Integrator Comb）滤波器、反SINC滤波器、高速的14位是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)。在该方案中，AD9857工作在正交调制模式。它的32位频率控制字使输出频率的最高精确度为：SYSCLK（系统时钟）除以2 32。
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控制单元决定采用哪一种调制制式、比特速率及输出中频频率。
DSP读入控制单元的数据，然后经过串口向AD9857发送控制字。原始信息数据（是由DSP产生的伪随机序列）首先在DSP中进行编码、调制等处理后得到基带信号。基带处理得到正交信号的I/Q分量交替进入AD9857，经过串并变换，转换成两路并行的I/Q数据，进行内插和上变频运算，然后通过D/A变换直接输出模拟中频信号，从而将基带处理和中频调制合二为一。
AD9857对输入的数字信号进行采样和内插，降低了DSP的处理负担，使整个系统的性能达到较好的程度。
2 软件算法
软件无线电具有完全的可编程性。它采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定主实现无线电台的各部分功能，包括对无线波段、信道调制、接入方式、数据速率的编程等。因此通过程序进行控制和操作，是软件无线电最突出的特点之一。软件算法的设计直接关系到电台软件的实现。软件无线电台对信号的处理都是实时的，因此对算法的时间及空间的复杂性都提出了很高的要求。
为节省有限的DSP运算资源，软件无线电软件算法研究中大量采用查表法来提高处理速度，通常在调制过程中使用波形存储法。编写软件算法程序时，只要某一调制方式及其对应的输出状态数目是有限的，就可以借助表法来实现。查表法避免了大量的中间运算，简单易行，唯一的缺点是占用了大量的存储空间。因此，需要建立一张通用的表格，该表格存储了经过量化的14位有符号的二进制数。表格的设计应达到查表过程简单，同时满足不同的调制方式。用这个表还可以实现正弦函数的计算，只需将当前相位移相π/2。
除了一张通用的余弦表，针对不同的调制方式还需分别建立对应的'调制星座图映射表，按照调制方式分类组成一个相位表格库。对于差分相位调制，该表格为差分相位表格。当调制方式确定后，根据得到的码元，查表计算当前相位Φk。
图2以（π/4）DQPSK调制方式为例，介绍差分相位调制软件算法。数字存储区存储的是一个周期的余弦函数波形样点，设存储区的采样点数为N，表格的移动步长为d。原始调制每两个比特一组，通过表1中的调制星座图映射成差分相位ΔΦk与前一码无的相位进行模2π相加得到当前码元的绝对相位Φk，计算Φk在余弦表中的偏移地址，根据偏移地址调制信号的数据。
设f(i)=cos(id),其中0≤i 那么，当前相位Φk（0≤Φk<2π）的偏移地址为：Φk×N/2π。 (π/4)DQPSK对应的绝对相位Φk的可能取值有：0°、45、90°、135°、180°、225°、270°、315°。如果N=144,即d=2.5，则Φk在余弦表中对应的偏移地址为：0°、18°、36°、54°、72°、90°、108°、126°。 表1 调制星座图 3 调制信号波形 采用PCB四层板设计，实现了该信号发生器的硬件平台，并在此平台基础上完成了以下调制方式的软件编程：AM、DSB、SSB、FM、GMSK、FSK、BPSK、DBPSK、QPSK、(π/4)DQPSK、8PSK、4-64 Star-QAM。其中数字调制方式的码元速率可达到1MHz（即对于四相调制，比特速率可达2Mbps；对于32QAM调制，比特速率可达5Mbps），载波频率可达到70MHz，调制方式、比特（或码元）速率、输出中频均可调。 图3是用该信号发生器产生的几种调制信号的波形，其中模拟调制以AM调制为例，数字调制以DQPSK、FSK、16QAM调制为例。 基于软件无线电的多制式信号发生器的设计与实现 关键词：软件无线电 DSP DDS 软件无线电是一种无线电通信新的体系结构。在1992年5月美国电信系统会议上，JeoMitola首次提出了软件无线电概念，之后迅速引起了人们的关注，并开始对它进行广泛而深入的研究。具体地说，软件无线电是以可编程的DSP或CPU为中心，将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接起来，构成通用的基本硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式的体系结构。它使得通信系统摆脱了面向设计思想，被认为是无线通信从模拟到数字、从固定到移动之后的又一次突破。 在软件无线电的研究过程中，调制解调技术是移动通信系统空中接口的重要组成部分。在不同的蜂窝半径和应用环境下，移动通信的信道呈现不同的衰落特性，根据移动信道的衰落情况，自动地改变调制方式，从而提高传输效率并保证传输性能。那么，一个通用的信号源是必不可少的`。 图1 多制式信号发生器硬件原理图 作者设计了一个基于DSP+DDS结构的可编程调制器的硬件平台，并在此硬件平台上实现了各种模拟调制和数字调制的通用软件算法。当改变调制制式时，无需再次下载程序，而且调制制式、比特速率、输出中频均可调。 1 硬件结构 通常，信号源输出的波形多数是对周期的01序列进行调制，输出波形单一，只能作为解调输入信号的一种特例，缺少通用性。而许多专用芯片采用的调制方式也是有限的。用DSP+DDS构成的通用多制式信号发生器不仅可以实现模拟调制，而且可以实现各种数字调制。DSP利于基带信号的实时处理，可以实现高速调制，而DDS具有频率分辨率高、频率变化速度快、相位连续、易于数字控制等特点。图1给出多制式信号发生器硬件原理图。 信号发生器主要由三部分构成：控制单元、数字信号处理器(DSP)、正交数字上变频器（Quadrature Digital Upconverter）。 DSP采用TI公司的TMS320VC5402，它独特的哈佛结构、硬件密集型方案和灵活的指令系统可以满足对信号的实时处理，它的高性能、低功耗及低价位使其得到广泛应用。 正交数字上变频器采用AD公司的AD9857。AD9807最高工作频率为200MHz，输出中频频率范围为0～80MHz。AD9807内部集成半带滤波器、CIC（ascaded Integrator Comb）滤波器、反SINC滤波器、高速的14位是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)。在该方案中，AD9857工作在正交调制模式。它的32位频率控制字使输出频率的最高精确度为：SYSCLK（系统时钟）除以2 32。 控制单元决定采用哪一种调制制式、比特速率及输出中频频率。 [1] [2] [3] 用软件无线电技术实现通用卫星测控平台 关键词：软件无线电 数字信号处理 调制解调 TMS320C6701 软件无线电是随着计算机技术、高速数字处理技术的迅速发展而发展起来的，其基本思想就是将宽带A/D/A变换器尽可能地靠近天线，将电台的各种功能尽量在一个开放性、模块化的平台上由软件来确定和实现。该平台的.调制方式、码速率、载波频率、指令数据格式、调制码型等系统工作参数具有完全的可编程性。 传统的卫星测控平台存在着性能不完善，调制方式、副载波、码速率组态不灵活，体积偏大等问题。研制和开发通用化、综合化、智能化的测控平台，通过注入不同的软件，实现对调制载频、调制方式、传输码速率等参数的改变，应用于各种轨道卫星平台的遥测遥控任务。数字信号处理器（DSP）是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。通用平台的灵活性、开妻性、通用性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心通用硬件平台及DSP软件来实现的。经过比较，我们采用TI公司的TMS320C6000系列DSP芯片和匹配的外围芯片形成一套实时的DSP系统。 图1 TMS320C6701结构框图 1 软件无线电通用平台的DSP技术 1.1 TMS320C6701 DSP芯片介绍 TMS320C6701是TI公司的高性能DSP芯片，具结构框图如图1所示。 TMS320C6701的主要特点为： *单指令字长为32位，8个指令组成一个指令包，总字长为256位，引脚与TMS320C6201系列的引脚兼容。 *体系结构采用甚长指令字（VLIW）结构；(本网网收集整理) *硬件支持IEEE标准的单精度和双精度指令集，支持字节寻址获得8位/16位/32位数据，指令集中有位操作指令（包括位域抽取、设置、清除以及位计数、归一化等）； *1Mb(位)的片内存储空间，其中程序存储空间和数据存储空间各512Kb； *32b外部存储器接口（EMIF），有52MB的外部存储器寻址能力； ＊四通道自加载DMA协处理器，可用于数据的DMA传输； *16位宿主机接口（HPI）； *两个多通道缓冲串口（McBSPs）； *两个32位通用定时器； ＊灵活的锁相环路（PLL）时钟产生器，可以对输入时钟进行不同的倍频处理； *芯片内部有IEEE1149.1标准边界扫描仿真器（JTAG），可用于芯片的自检和开发； *芯片共352脚采用BGA封装，以获得好的高频电气性能，并使芯片尺寸变小； *采用0.18μm工艺，则五层金属组成，输入输出接口电压为3.3V，核心电压1.8V(167MHz时为1.9V)。 1.2 DSP技术在软件平台中的应用 每套测控平台含双机备份的遥控调制器与遥控解调器，双机分别由独立电源供电。系统总体框图如图2所示。调制器与解调器分别通过不同的RS232串口与遥控处理计算机通信，完成对调制解调器的控制及其带数据的收发。 用户在每次任务前通过控制计算机设置调制方式、调制参数及通信连接方式，并调用算法参数生成程序产生调制器和解调器中算法的预置参数，并在设备初始化时以批数据方式从串口送入DSP芯片，经校验后送Flash ROM中。为保证程序传送的可靠性，采用IRQ差错控制方式，DSP每接收一个数据包在存储的同时向计算机回传数据信息，计算机一旦发现数据出错即转入重传方式。参数设置成功后，调制解调器根据协议发送和接收遥控指令，并将工作状态回送遥控处理计算机，同时在遥控前端机面板上显示。 1.3 调制器与解调器硬件结构与功能描述 用软件无线电技术实现通用卫星测控平台 关键词：软件无线电 数字信号处理 调制解调 TMS320C6701 软件无线电是随着计算机技术、高速数字处理技术的迅速发展而发展起来的，其基本思想就是将宽带A/D/A变换器尽可能地靠近天线，将电台的各种功能尽量在一个开放性、模块化的平台上由软件来确定和实现。该平台的调制方式、码速率、载波频率、指令数据格式、调制码型等系统工作参数具有完全的可编程性。 传统的卫星测控平台存在着性能不完善，调制方式、副载波、码速率组态不灵活，体积偏大等问题。研制和开发通用化、综合化、智能化的测控平台，通过注入不同的软件，实现对调制载频、调制方式、传输码速率等参数的改变，应用于各种轨道卫星平台的遥测遥控任务。数字信号处理器（DSP）是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。通用平台的灵活性、开妻性、通用性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心通用硬件平台及DSP软件来实现的。经过比较，我们采用TI公司的TMS320C6000系列DSP芯片和匹配的外围芯片形成一套实时的.DSP系统。 图1 TMS320C6701结构框图 1 软件无线电通用平台的DSP技术 1.1 TMS320C6701 DSP芯片介绍 TMS320C6701是TI公司的高性能DSP芯片，具结构框图如图1所示。 TMS320C6701的主要特点为： *单指令字长为32位，8个指令组成一个指令包，总字长为256位，引脚与TMS320C6201系列的引脚兼容。 *体系结构采用甚长指令字（VLIW）结构； *硬件支持IEEE标准的单精度和双精度指令集，支持字节寻址获得8位/16位/32位数据，指令集中有位操作指令（包括位域抽取、设置、清除以及位计数、归一化等）； *1Mb(位)的片内存储空间，其中程序存储空间和数据存储空间各512Kb； *32b外部存储器接口（EMIF），有52MB的外部存储器寻址能力； [1] [2] [3] 嘉兆科技 本文主要介绍了软件无线电的概念、主要原理、关键技术及在生活中的广泛应用。它是以开放性、标准化、模块化、通用性、可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。首先介绍了软件无线电的理论基础，即带通采样理论，多速率处理信号技术，高效信号滤波，数字正交变换理论，这些都是软件无线电实现的理论基础，然后是其关键技术，宽带智能天线技术，A/D转换技术，数字上/下变频技术，数字信号处理部分，这些技术是实现软件无线电的关键和核心所在。最后，对其应用领域也进行了描述，指出其在个人移动通信，军事通信，电子站，雷达和信息加电中的巨大潜力。 软件无线电这个术语最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。陆，海，空三军简单就工作频段来分，解决了互不干扰问题，但三军联合作战时互通，互联，互操作问题难以解决，于是1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了 SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。进而实现联合战术无线电系统（简称JTRS），它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。 软件无线电以开放性，标准化，模块化，通用性，可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能，选用不同软件可实现不同功能，软件可以升级更新，硬件也可像计算机升级换代，可称为超级计算机。它是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。 理想软件无线电的结构框图： 嘉兆科技 CORAD 一、软件无线电的理论基础 ? 采样理论：由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有这么宽的频段才能具有广泛的适应性。对于如此宽的频带采用Nyquist低通采样所需的采样速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不实际。所以无法使用Nyquist采样定理，而必须采用带通采样。一种接近理想化的软件无线电设计方案称为射频直接带通采样软件无线电体制，在天线与A/D间只存在跟踪滤波器和放大器，与软件无线电所要求的A/D尽可能靠近天线的设计宗旨完全一致。 ? 多速率信号处理：带通采样定理大大降低了所需的射频采样速率，但从软件无线电的要求来看，带通采样带宽应越宽越好，对信号有更宽的适应性，这样就应当使采样速率尽可能地宽。然而又会导致后续的信号处理速度跟不上，因此要对A/D后的`数据流进行降速处理。抽取和内插是最基本最重要的基本理论，对于软件无线电的研究及数字下/上变频器的实现有重大作用。 整数倍抽取是把原始采样速序列x(n)每隔（D-1）个数据抽取一个，形成一个新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，这样经过抽取的数据流速率只有后者的D分之一，显然大大降低了对后处理速度的要求，也提高了频域分辨率。这是软件无线电接收机的理论基础。 整数倍内插是在两个原始抽样点之间插入（I-1）个零值，也形成一个新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),经过内插大大提高了时域分辨率，也可以用来提高输出信号的频率。显然内插器起到了上变频作用。它是软件无线电发射机的理论基础。 整数倍抽取和内插都只是频率变换的一种特殊情况，实际中往往用到分数倍变换，它可通过先进行I倍内插，再进行D倍抽取来实现。（注意必须内插在前，以免引起信号失真）。 ? 高效数字滤波：实现取样速率变换的主要问题是如何实现抽取前或内插后的数字滤波。FIR滤波器相对与IIR滤波器有许多独特优越性，线性相位，稳定性等。可采用窗函数法来设计，简单，直观，但滤波性能不是最佳。也可采用最佳滤波器的设计。半带滤波器适合于实现D=2的M幂次方倍的抽取或内插，计算效率也高实时性高。而在实际的抽取系统中抽取因子D往往不是2的M幂次方，此时可以积分梳状滤波器和半带滤波器结合起来使用。 ? 数字正交变换理论：对一个实信号进行正交变换而用一个复解析信号来表示是因为从解析信号很容易获得三个特征参数：瞬时幅度，瞬时相位和瞬时频率，它们是信号分析，参数测量或识别解调的基础。窄带信号可用解析信号和基带信号表示，对于要满足高虚假抑制的要求，可采用数字正交混频的方法实现，即先对模拟信号x(t)通过A/D采样数字化形成数字序列x(n),然后与两个正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通过数字低通滤波器来实现。在采样速率很高时，对后续的数字低通滤波实现较困难。还可以采用基于多相滤波的数字正交变换，需用到抽取和内插理论。 二、软件无线电中的关键技术 ● 宽频段智能天线技术 软件无线电要求接收机从天线接收的应该是宽频带信号，同时，由于射频信号的高频率，使得信号干扰成为严重问题，为获取宽带信号和减少干扰，使用宽带智能天线成为最好的选择。由于频谱资源的缺乏，提出了从空域来提高频谱利用率的想法，对位于不同空域的用户分配相同的时间，频率和伪码，通过电磁信号的空间隔离来消除用户之间的干扰。智能天线就是在这种想法下提出的一种新型天线系统通过对多个天线阵元输出的信号进行幅相加权获得所需的天线波束指向来实现空间分离。基于软件无线电的智能天线包括单信道智能天线，多信道智能天线和信道化智能天线。它们的核心和理论基础是波束形成法。 ● A/D技术 软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A尽量靠近射频前端，为减少模拟环节，在较高的中频乃至射频信号进行数字化，要求A/D具有适中的采样速率和很高的工作带宽。A/D的工作过程大致可以分为采样，保持，量化，编码，输出等几个环节。在模数转换中，衡量A/D转换性能的指标有：A/D转换位数，位数越高，灵敏度越高；信噪比（SNR），提高采样频率或降低模拟信号带宽都可以提高A/D信噪比；无杂散动态（SFDR），反映的是在A/D输入端存在大信号时，能检测出小信号的能力；有效转换位数（ENOB），信号越大，信号频率越低，所得到的转换位数越多；孔径误差，是由于模拟信号转换成数字信号需要一定的时间来完成采样，量化，编码等工作而引起的，可在其前加一个采样保持放大器，从而减少孔径误差。在软件无线电的设计中，A/D器件的选择应保证软件无线电功能和性能的实现，应遵循以下选取原则： 1、采样速率选择：若A/D之前的带通滤波器的矩形系数为r,为防止带外信号影响有用信号，应取采样速率fs≥2B’=2rB,允许过渡带混叠时，fs≥(rwww.unjs.cOm/news/55B30022313FB7DF.html+1)B 2、采用分辨率好的A/D器件。分辨率主要取决于器件的转换位数和器件的信号输入范围，转换位数越高，信号输入范围越小，A/D的转换性能越好。 3、一般来说A/D转换位数越高越好。因为其转换位数越高，其动态范围越高。 4、根据环境条件选择A/D转换芯片的环境参数，其功耗尽可能的低。 5、根据接口特征考虑选择合适的A/D转换器输出状态。 ● 数字下/上变频器 数字下/上变频器主要是基于前面所述的抽取和内插理论。 数字下变频（DDC）和模拟下变频是一样的，就是输入信号与一个本地震荡信号的乘法运算。与模拟下变频相比，数字下变频的运算速度受DSP处理速度的限制，同时其运算速度决定了其输入信号数据流可达到的最高速率，相应也限定了ADC的最高采样率。数字下变频器的组成包括数字混频器，数字控制振荡器（NCO）和低通滤波器。 NCO产生的本振信号输入到数字混频器与输入的信号进行混频。数字混频器 就是一个乘法器，信号经混频后，输出到低通滤波器以滤除倍频分量和带外信号，然后进行抽取处理。由于下变频器工作原理较简单，可以很方便地利 用FPGA或ASIC技术来设计实现。典型的数字下变频有功能强大的单信道DDC产品HSP50214B及四通道的HSP50216。 数字上变频（DUC）的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。典型的代表是只能进行单路数据调制的HSP50215和可进行四路数据调制的GC4114 ● 数字信号处理 数字信号处理器（DSP）是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。软件无线电的灵活性，开放性，兼容性等特点是通过以数字信号处理器为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现的，从前端接收来的信号或将从功放发射出去的信号都要经过数字信号处理器的处理：或进行频谱分析，信号解调，信号类型识别，或进行信号的数字上下变频，或进行各种式样的数字调制，数字滤波，比特流的编码，译码，同步信号的获取等。软件无线电中的数字信号处理器除了能适应运算的高速度，高精度，大动态范围，大运算量外，还应具有高效率的结构和指令集，较大的内存容量，较低的功耗等特点。DSP的重要特点是其处理速度远远大于一般的微处理器，功能是快速实现各种运算，尤其在卷积，相关，滤波，FFT等应用要用到的乘法累加运算中更能发挥其作用。DSP的编程既可以用汇编语言又可以用C语言，极大地方便了其开发人员。目前的DSP在功能和性能上都还不能满足软件无线电的要求，可以采用多率信号处理技术对采样信号进行预处理后（即所谓的数字下变频器）然后再用DSP来完成各种功能，也可以用多个DSP芯片并行处理的方法来提高DSP的数据处理能力。 三、软件无线电的应用 ● 个人移动通信 软件无线电把硬件作为通信平台，使其尽可能脱离通信体制，信号波形以及通信功能，尽可能多地用软件来实现，可扩展性强，成为第三代移动通信的基石。把软件无线电技术应用到基站设计即软件无线电基站，它是一种多频段，多模式，多功能可扩展的“智能”基站，它根据不同时间，不同用户，选择最佳的工作频段，工作模式和与用户相 适配的功能与用户进行信息交换，以极大地提高通信质量和服务质量。除此之外，它还可用于多频多模手机，这一技术具有极大地挑战性。 ● 军事通信 软件无线电最初是为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。进而实现联合战术无线电系统（简称JTRS），它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。 ● 电子战 电子战的主要特点是频段宽，待处理的信号种类多，而目前的电子战系统往往是在已知或事先假设的几种信号样式下工作，一旦目标信号特征或通信方式发生变化，往往误失战机，所以研究一种工作频段宽，波形适应能力强，可扩展性好，既能适应通信信号，也能适应导航和敌我识别信号的综合电子战系统是现代信息战争的必然要求，软件无线电恰好是解决这一问题的最佳技术途径。软件化电子侦察接收机是基于软件无线电原理而实现的用于对目标信号进行分析识别，特征提取和参数测量，对通信信号还能解调信息的电子战侦察分析接收机，不仅能对各种通信信号侦察分析，也能对雷达信号，导航信号或是敌我识别信号进行侦察分析，是一种多频段，多模式，多功能的电子战接收机。 ● 雷达和信息加电 目前设计研究的雷达往往功能单一，体制单一，无法适应在不同的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪探测的需要。如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，那么就能比较圆满地解决目前雷达设计所存在的问题。 进入20世纪90年代，以高清晰度电视（HDTV）为标志的第三代电视以其接近理想的视听效果和多功能，成为新一代数字电视的发展方向。但目前在信道编码（调制方式）上还没有统一的国际标准，而且随不同的传输媒介而不同。基于软件无线电的HDTV解决方案可以较好地解决HDTV面临的这些问题。 四、结束语 目前，人们对软件无线电的研究日趋深入细致，理论上已基本成熟，正处于实践阶段，由于软件无线电的灵活性，开放性等特点，它将成为未来通信乃至未来无线电的发展方向，不仅在军，民无线通信中获得应用，而且将在其他领域如电子战，雷达，信息化家电等领域得到推广。篇4：基于软件无线电的多制式信号发生器的设计与实现
篇5：用软件无线电技术实现通用卫星测控平台
篇6：用软件无线电技术实现通用卫星测控平台
篇7：软件无线电的主要原理及技术
