軟件無(wú)線電的概念

　　所謂軟件無(wú)線電（Software Defined Radio，簡(jiǎn)稱SDR），就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來(lái)定義實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各部分功能：包括前端接收、中頻處理 以及信號(hào)的基帶處理等等。即整個(gè)無(wú)線電臺(tái)從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來(lái)完成。 其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號(hào)的數(shù)字化，從而使得無(wú)線電臺(tái)的功能盡可能地用軟件來(lái)定義和實(shí)現(xiàn)。總 之，軟件無(wú)線電是一種基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片，以軟件為核心的嶄新的無(wú)線通信體系結(jié)構(gòu)。

　　它和TD-SCDMA的關(guān)系：TD-SCDMA由于其中包括智能天線（Smart Antenna）、同步CDMA（Synchronous CDMA）、軟件無(wú)線電（Software）三項(xiàng)技術(shù)，且第一個(gè)字母都是S，因而被命名為“ SCDMA ”，這些都成為了TD-SCMA的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)

　　軟件無(wú)線電技術(shù)是軟件化、計(jì)算密集型的操作形式。它與數(shù)字和模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換、計(jì)算速度、運(yùn)算量、存儲(chǔ)量、數(shù)據(jù)處理方式等問(wèn)題息息相關(guān)，這些技術(shù)決定著軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展程度和進(jìn)展速度。寬帶/多頻段天線、A/D/A轉(zhuǎn)換器件、DSP

　?。〝?shù)字信號(hào)處理器）技術(shù)及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)。

　　軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用

　　軟件無(wú)線電技術(shù)廣泛應(yīng)用于無(wú)線電通信領(lǐng)域。具體如下：

　　蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

　　在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站和移動(dòng)終端采用軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)，硬件簡(jiǎn)單，功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問(wèn)模式及信道調(diào)制都可編程。在此系統(tǒng)中，軟件無(wú)線 電的發(fā)射與其它系統(tǒng)不同，它先劃分可用的傳輸信道，探測(cè)傳播路徑，進(jìn)行適合信道的調(diào)制，電子控制發(fā)射波束指向正確的方向，選擇合適的功率，然后再發(fā)射。接 收也同樣如此，它能劃分當(dāng)前信道和相鄰信道的能量分布，識(shí)別輸入傳輸信號(hào)的模式，自適應(yīng)抵消干擾，估計(jì)所需信號(hào)多徑的動(dòng)態(tài)特征，對(duì)多徑的所需信號(hào)進(jìn)行相干 合并和自適應(yīng)均衡，對(duì)信道調(diào)制進(jìn)行柵格譯碼，然后通過(guò)FEC譯碼糾正剩余錯(cuò)誤，盡可能降低誤比特率。此外，軟件無(wú)線電能通過(guò)許多軟件工具增加增值業(yè)務(wù)。這 些軟件工具能幫助分析無(wú)線電環(huán)境，定義所需的增加內(nèi)容，在無(wú)線環(huán)境下，測(cè)試由軟件開發(fā)增值業(yè)務(wù)的樣板，最后再通過(guò)軟件或硬件開放該增值業(yè)務(wù)。

　　智能天線

　　智能天線最初用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域，由于價(jià)格等因素，一直未能普及到其它通信領(lǐng)域。近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理芯片的處理能 力不斷提高，芯片價(jià)格已可接受。同時(shí)，利用數(shù)字技術(shù)可在基帶形成天線波束，取代了模擬電路，提高了天線系統(tǒng)的可靠性和靈活程度。在我國(guó)的TD-CDMA方 案中，基站采用智能天線技術(shù)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，形成天線主波束。

　　引入空分多址（SDMA）方式后，根據(jù)用戶信號(hào)不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道。采用數(shù)字方法對(duì)陣元接收信號(hào)加權(quán)處理，形成無(wú)線波束，使主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)方向，干擾信號(hào)方向形成天線方向零缺陷或較低的功率增益，達(dá)到抑制干擾目的。 使用智能無(wú)線的優(yōu)勢(shì)在于：（1）無(wú)線波束賦形的結(jié)果等效于提高天線的增益；（2）天線波束賦形后，可大大減少多徑干擾；（3）信號(hào)到達(dá)方向（DOA）提供 了用戶終端的方位信息，用于實(shí)現(xiàn)用戶定位；（4）用多個(gè)小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了設(shè)備可靠性。

　　多頻多模手機(jī)

　　在歐洲的ACTS FIRST項(xiàng)目中，將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)多頻/多模（可兼容GSM、 DCS1800 、 WCDMA 及現(xiàn)有的大多數(shù)模擬體制）可編程手機(jī)。它可自動(dòng)檢測(cè)接收信號(hào)，接入不同的網(wǎng)絡(luò)，而且能滿足不同接續(xù)時(shí)間的要求。軟件無(wú)線電技術(shù)可用不同軟件實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線電 設(shè)備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調(diào)制方式，利用不同軟件即可適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成多模手機(jī)和多功能基站，具有高度的靈活性。

　　它的出現(xiàn)，使通信的發(fā)展經(jīng)歷了由固定到移動(dòng)，由模擬到數(shù)字，由硬件到軟件的三次變革。軟件無(wú)線電技術(shù)正越來(lái)越廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中，軟件無(wú)線電技術(shù)將發(fā)揮重要作用。

　　衛(wèi)星通信

　　在當(dāng)今通信領(lǐng)域中，衛(wèi)星通信是最重要的通信方式之一。但是，由于目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備種類繁多，設(shè)備管理和維護(hù)工作復(fù)雜，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)更新?lián)Q代周期 長(zhǎng)，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代高科技的發(fā)展步伐。而軟件無(wú)線電以其軟件定義功能和開放式模塊化結(jié)構(gòu)的技術(shù)思想能很好地解決衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在的問(wèn)題，因此，研究具 有軟件無(wú)線電特征的衛(wèi)星通信系統(tǒng)是很有意義的。

　　在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能主要指多址方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)協(xié)議和通信業(yè)務(wù)等；而設(shè)備功能指接口標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)制解調(diào)方式、信道編碼方式、信源編碼方式、信息速 率、復(fù)用方式等。軟件無(wú)線電技術(shù)思想就是采用先進(jìn)的技術(shù)手段，使得上述功能可以用軟件來(lái)定義。通過(guò)友好的人機(jī)界面，人們可以在不改變硬件設(shè)備的情況下實(shí)時(shí) 地改變通信系統(tǒng)的功能，從而使該系統(tǒng)能適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境，因而具有很強(qiáng)的適用性和靈活性。 考慮到衛(wèi)星通信頻帶寬，信息速率高且變化范圍大的特點(diǎn)，在目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)水平上，如果設(shè)備功能全由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于軟件的逐條運(yùn)行指令的特點(diǎn)，即使采用多處理器來(lái)協(xié)同運(yùn)算，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)高信息速率下的實(shí)時(shí)處理，使其在衛(wèi)星通信中的使用范圍受到了限制。

　　綜合上面的分析，可采用下面的設(shè)計(jì)思想是在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用軟件無(wú)線電思想的一種切實(shí)可行的方案。

　　1. 設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，各模塊分別提供具有控制功能的軟件接口。

　　2. 在各模塊的設(shè)計(jì)上采用軟硬件結(jié)合方式，合理配置軟硬件負(fù)載，盡量多設(shè)計(jì)智能化的硬件子模塊（如數(shù)字上/下變頻器、可編程數(shù)字濾波器等）和采用商品化的可編程專用芯片（如 Viterbi 譯碼器、DDS等），以減少軟件負(fù)擔(dān)。

　　軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展

　　軟件定義無(wú)線電（SDR）不是新技術(shù)，已為很多的無(wú)線設(shè)備（除了制造低成本基于ASIC的低功耗設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦）廣泛所采用。物聯(lián)網(wǎng)、5G等網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展會(huì)給SDR帶來(lái)新的發(fā)展空間。自SDR首次提出以來(lái)已有30多年了，下面簡(jiǎn)單介紹下在SDR三十年演進(jìn)歷史中的主要事件。

　　1984年 E-System創(chuàng)造出“軟件無(wú)線電”術(shù)語(yǔ)

　　E-Systems，就是現(xiàn)在的雷神，在一份公司的新聞稿里創(chuàng)造了“軟件無(wú)線電”一詞。它提到了一個(gè)數(shù)字基帶接收機(jī)原型，配備了處理器陣列，處理寬帶信號(hào)的干擾消除和解調(diào)的自適應(yīng)濾波。

　　1991 SPEAKeasy

　　第一個(gè)軍事計(jì)劃是DARPA的SPEAKeasy，專門要求用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)物理層組件的無(wú)線電功能。最初美國(guó)空軍的首要目標(biāo)是單臺(tái)無(wú)線電可以支持十種不同的軍用無(wú)線電協(xié)議并工作在2MHz和2GHz之間任意頻率。第二個(gè)目標(biāo)是并入新協(xié)議和調(diào)制的能力，從而可以適應(yīng)未來(lái)的無(wú)線電硬件。從DARPA的描述來(lái)看，“SPEAKeasy是企圖創(chuàng)建無(wú)線電世界的PC”。

　　1992 Joseph Mitola在IEEE發(fā)表了軟件無(wú)線電論文

　　Joe Mitola在1992年 IEEE 美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議 （National Telesystems Conference）上發(fā)表了關(guān)于軟件無(wú)線電的論文 - “Software Radio： Survey， Critical Analysis and Future Directions”。許多人將其稱為軟件無(wú)線電教父，Miltola也被認(rèn)為創(chuàng)造了”軟件無(wú)線電“一詞的人，盡管E-Systems先用了。 E-Systems原型機(jī)僅僅是一個(gè)接收機(jī)，因此不是一個(gè)完整無(wú)線電。后來(lái)，1998年Mitola又提出了“認(rèn)知無(wú)線電”概念，無(wú)線電可以意識(shí)到其頻譜環(huán)境，并根據(jù)需要智能適應(yīng)。

　　1996 SDR論壇創(chuàng)立

　　1996年，致力于SDR的第一個(gè)行業(yè)協(xié)會(huì)成立 - “模塊化多功能信息傳輸系統(tǒng)（MMITS，The Modular Multifunction Information Transfer System）論壇”。1998年變成了SDR論壇，在2010年又成為了無(wú)線創(chuàng)新論壇。 論壇由來(lái)自政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界的人員和組織組成，推進(jìn)發(fā)展SDR相關(guān)技術(shù)為目標(biāo)。 它組建了多個(gè)工作組和委員會(huì)，以激勵(lì)和引導(dǎo)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)。

　　1997 JTRS創(chuàng)立

　　JTRS是Joint Tactical Radio System （聯(lián)合作戰(zhàn)無(wú)線系統(tǒng)）的縮寫，由美國(guó)國(guó)防部創(chuàng)建，通過(guò)抽象層和接口的標(biāo)準(zhǔn)化和定義提高互操作性和博興可以移植性，稱為軟件通信架構(gòu)（SCA， Software Communication Architecture）。數(shù)十億的計(jì)劃雄心勃勃，在經(jīng)歷了困難、延期和成本超支之后，于2011年被美國(guó)國(guó)防部副國(guó)務(wù)卿正式取消了該計(jì)劃，認(rèn)為產(chǎn)品和技術(shù)不可能滿足既定的要求。然而，它卻極大地促進(jìn)了SDR數(shù)十年的發(fā)展進(jìn)步。 像Rohde & Schwarz、Thales和Harris等設(shè)備制造商已經(jīng)在部署符合SCA的無(wú)線電。 此外，歐洲防務(wù)局設(shè)立了歐洲安全軟件定義無(wú)線電（European Secure Software Defined Radio，ESSOR）計(jì)劃，繼續(xù)JTRS SCA的工作。

　　1998 嵌入式SDR自動(dòng)代碼生成

　　Nutaq（后來(lái)的Lyrtech）與MathWorks合作創(chuàng)建了第一個(gè)開發(fā)環(huán)境，可以從TI DSP和Xilinx FPGA的仿真模型直接生成可執(zhí)行代碼。 這一創(chuàng)新解決了開發(fā)人員和研究人員一個(gè)大難題：為嵌入式處理器寫代碼。DSP和FPGA配置在SignalMster的板上，與A/D和D/A模塊連接，是實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)搭建原型首批商業(yè)化的SDR開發(fā)平臺(tái)之一。

　　2001 GNU Radio

　　由MIT的一個(gè)PSpectra框架演變而來(lái)，GNU Radio由Eric Blossom創(chuàng)立，Sun Microsystems的員工John Gilmore資助。 GNU Radio是PC環(huán)境開發(fā)SDR應(yīng)用的開源框架。 截至2012年已擁有5000多個(gè)用戶，是目前最流行的SDR開發(fā)工具。 齊全的波形支持，如P25、802.11、ZigBee、藍(lán)牙、RFID、DECT、GSM，甚至是LTE（仍在進(jìn)行中）都可以從存儲(chǔ)庫(kù)下載并運(yùn)行在任何的x86系統(tǒng)上。

　　2004 FCC首次批準(zhǔn)商業(yè)化SDR

　　Vanu公司的Anywave基站成功地通過(guò)了FCC（ Federal Communications Commission，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)）認(rèn)證。Anywave是一個(gè)能夠同時(shí)運(yùn)行GSM和CDMA兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商的雙模基站，所有協(xié)議層在x86 CPU上運(yùn)行。Vanu公司是由Vanu Bose創(chuàng)立，MIT Pspectra框架的主要貢獻(xiàn)者。

　　2004 PHY處理器

　　Picochip（現(xiàn)在的 Mindspeed Technologies）推出了PC102，專為PHY處理（通常稱為基帶處理器）而設(shè)計(jì)的處理器。PC102針對(duì)3G基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，有308個(gè)處理單元，14個(gè)專用協(xié)處理器（加速器）和能處理MAC層以及其他協(xié)議的單元。PC102板子大大減少了無(wú)線設(shè)備的尺寸、成本和功耗。Picochip是新一代專業(yè)處理器的發(fā)起者。它為新的玩家鋪平了道路，如Octasic的24核OCT2224W和Coherent Logix的HyperX系列，促使傳統(tǒng)供應(yīng)商提出SDR優(yōu)化的架構(gòu)，產(chǎn)生了TI的Keysto系列和Freescale的QorIQ。

　　2006年 TI和Xilinx一起推動(dòng)嵌入式SDR開發(fā)

　　Texas Instruments和Xilinx與Nutaq（后來(lái)的Lyrtech）一起合作，創(chuàng)建了第一個(gè)完全集成獨(dú)立的SDR開發(fā)平臺(tái)。 它配備了一個(gè)ARM、一個(gè)DSP、一個(gè)FPGA和一個(gè)可調(diào)的前端，頻率從200 MHz到1 GHz。 該平臺(tái)比鞋盒小，而且可以由電池供電，這為SDR走出實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)開辟了新的可能性。

　　2008 Sandbridge Technologies推出基帶處理器

　　Sandbridge Technologies推出了SB3500基帶處理器，能夠在任何通用的多模、多功能移動(dòng)平臺(tái)所需的無(wú)線協(xié)議上運(yùn)行。其架構(gòu)創(chuàng)新為當(dāng)今使用或?yàn)榻窈箝_發(fā)的任何無(wú)線協(xié)議提供可升級(jí)的性能，包括LTE、HSPA、3G WiMAX、Wi-Fi、DVB-H、GPS以及所有多媒體格式。2011年 Sandbridge Technologies公司被無(wú)錫德思普公司所收購(gòu)。

　　2009 第一款商用單芯片射頻前端

　　Lime Microsystems公司推出了射頻集成電路（RFIC）LMS6002。 隨后又推出了LMS6002D，已集成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。 RFIC在400 MHz和4 GHz之間任意可調(diào)，支持高達(dá)28 MHz帶寬，并提供一個(gè)可選的16位基帶濾波器組。 此后，其他芯片廠商也開始提供RFIC解決方案。

　　2015 微軟研究院軟件無(wú)線電項(xiàng)目Sora開源

　　2015年微軟研究院軟件無(wú)線電項(xiàng)目Sora（Microsoft Research Software Radio）正式通過(guò)GitHub開源。Sora的軟硬件平臺(tái)的創(chuàng)新使得它可以在PC上完成高性能的無(wú)線信號(hào)處理。

　　華為、中興早在一些網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上采用了SDR技術(shù)。2015年聯(lián)芯發(fā)布的28nm SoC智能手機(jī)芯片平臺(tái)LC1860直接讓SDR技術(shù)應(yīng)用到了小米公司的紅米2A。SDR在手機(jī)上的成功應(yīng)用，也意味著一個(gè)無(wú)線新時(shí)代的到來(lái)。SDR正在逐步應(yīng)用到更多的產(chǎn)品和領(lǐng)域，芯片技術(shù)的發(fā)展是SDR技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。SDR可以支持無(wú)限量的通訊協(xié)議和多媒體應(yīng)用，這得益于SDR芯片的計(jì)算能力。物聯(lián)網(wǎng)、5G等網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展會(huì)給SDR帶來(lái)新的發(fā)展空間。而近幾年發(fā)展起來(lái)的“異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)”（HSA，Heterogeneous System Architecture）技術(shù)的將會(huì)為SDR技術(shù)發(fā)展注入帶來(lái)新的活力。