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關(guān)鍵詞 軟件無線電 無線電監(jiān)測 云計算
1 概述
無線電應(yīng)用日益廣泛、電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，無線電監(jiān)管的工作難度在持續(xù)不斷地增加，如果能得到目標(biāo)現(xiàn)場的信號完整采樣，并將原始采樣數(shù)據(jù)完全存儲，以軟件無線電的處理思想進行后期分析，將會給無線電監(jiān)管工作帶來質(zhì)的改變。
這種全新的監(jiān)管模式隨著高性能的軟件無線電接收機、遍及超高傳輸速度的網(wǎng)絡(luò)、能提供強大的存儲和計算能力的云服務(wù)的誕生將逐漸成為一種可能。
1.1 無線電監(jiān)管
無線電管理的核心目標(biāo)是在全國或全世界的無線電通信和其他無線電業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)以最合理、最公平、最有效和最經(jīng)濟的方式地使用、利用或保護有限的無線電頻譜/衛(wèi)星軌道資源，使得各種無線電通信網(wǎng)和各無線電臺站能夠經(jīng)濟、有效地在各種無線電環(huán)境下不受干擾地正常工作，為國家的經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)服務(wù)，保障人民的生命和財產(chǎn)安全，提高人們的物質(zhì)和精神的生活水平，推動國家社會與經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步。
無線電監(jiān)測包括日常的電波監(jiān)聽、測量、測向和定位、電臺識別和干擾查找，其主要任務(wù)是通過識別發(fā)射信號的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和操作特性，查找和驗證未授權(quán)的無線電發(fā)射機或無線電臺站，確保符合或遵守國家無線電管理有關(guān)規(guī)定；調(diào)查、記錄有關(guān)干擾源、背景噪聲等電磁環(huán)境情況，判明并解決干擾問題，保護合法無線電臺站用戶的權(quán)益，查處非法無線電臺站的干擾等。小到一場考試、中到一場大型活動（如：北京奧運、上海世博）保障、大到國家安全保衛(wèi)。
當(dāng)代無線通信的復(fù)雜性和設(shè)備的廣泛性對監(jiān)管工作的有效性提出了極高的要求，因此各國都建有自己的監(jiān)管機構(gòu)和技術(shù)體系，如：美國設(shè)有一個監(jiān)控中心、全國設(shè)有13個監(jiān)測站；我國設(shè)國家、省、地市三級管理和監(jiān)測建制機構(gòu)，并設(shè)有短波、衛(wèi)星、超短波三張監(jiān)測網(wǎng)，部分監(jiān)測網(wǎng)設(shè)有多個遙控監(jiān)測站。
除衛(wèi)星監(jiān)測之外，主要設(shè)別有掃頻儀、寬頻接收機、定向天線等，主要對無線電發(fā)射的基本參數(shù)，如頻率、電平、示向度、仰角、測向質(zhì)量等系統(tǒng)地進行測量、傳輸。鑒于歷史延承及技術(shù)發(fā)展水平的限制，目前通常最后只記錄結(jié)果數(shù)據(jù)，而不是監(jiān)測到的某個信號的原始數(shù)據(jù)，如果一個信號從此消失，而監(jiān)測系統(tǒng)無法解碼時，存在無法回溯等不利情況的發(fā)生。
1.2 軟件無線電技術(shù)
軟件無線電論壇（SDR Forum）（非盈利的推動軟件無線電技術(shù)發(fā)展的國際組織）給出的軟件無線電的定義：“一個無線電系統(tǒng)中，天線以后就數(shù)字化，對信號的所有的必要的處理都由存放在高速數(shù)字信號處理器中的軟件來完成”。就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來實現(xiàn)。
SDR被認(rèn)為僅具有中頻可編程數(shù)字接入能力。發(fā)展歷史無線電的技術(shù)演化過程是：由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路；由分立器件發(fā)展到集成器件；由小規(guī)模集成到超大規(guī)模集成器件；由固定集成器件到可編程器件；由單模式、單波段、單功能發(fā)展到多模式、多波段、多功能；由各自獨立的專用硬件的實現(xiàn)發(fā)展到利用通用的硬件平臺和個性的編程軟件的實現(xiàn)。
軟件無線電的主要特征的盡可能靠近天線、盡可能寬帶高速的完成接收到的信號的數(shù)字化，之后主要依靠軟件來實現(xiàn)信號的處和應(yīng)用。
澳大利亞萬瑞（WinRadio）公司就有系列的采用SDR結(jié)構(gòu)體系無線電接收機產(chǎn)品，其中WR-G39DDC模塊覆蓋HF/VHF/UHF/SHF 20KHz～ 3.5GHz寬頻軟件接收機，帶有兩個可同時工作的獨立的DDC信道，每個信道的瞬時帶寬達4MHz，可用于錄音或其它數(shù)字化處理，接收機還提供16 MHz寬的實時頻譜分析儀。具有很高的靈活性、大動態(tài)范圍、高靈敏度、快速掃描、高精度等性能，不僅可以作為監(jiān)測接收機，也可以作為快速搜索（1GHz/s超快搜索速度）接收機和測量接收機?？刹捎肬SB接口可方便地連接到任何IBM兼容PC機，一臺可以控制多個接收機組成多信道系統(tǒng)。
1.3 高速互聯(lián)網(wǎng)時代
現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理念框架體系基本源于美國軍隊在1968年開始組建的阿帕網(wǎng)（ARPNET），就在這個互聯(lián)網(wǎng)原型誕生后的70年代，一系列沿用至今、在今后得到巨大發(fā)展的技術(shù)一一誕生，如：TCP/IP協(xié)議、以太網(wǎng)，同期微電子及計算機技術(shù)也在高速發(fā)展，它們相互激蕩和促進。在經(jīng)過約四十年的發(fā)展，系統(tǒng)和系統(tǒng)之間、區(qū)域和區(qū)域之間的互聯(lián)從很困難到現(xiàn)在到處都能得到廣域、城域接入，接入方式和接口形式五花八門到現(xiàn)在互聯(lián)方便的以太網(wǎng)為主，速度從幾K提升到10M、100M、1000M、10G、并將步入40/100G。無線局域網(wǎng)技術(shù)也有了高速的發(fā)展，速度在802.11n上已經(jīng)能達到300Mbps并開始展望600Mbps，將來也會有更高的接入速度。
此外一個重要的特性，高速接入的時代同時也是越來越多需要協(xié)同工作或跨地域的系統(tǒng)都逐漸在向TCP/IP網(wǎng)絡(luò)靠攏并得到良好地承載的時代。更多的終端嵌入了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接入功能，并實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)工作。
關(guān)鍵詞：軟件無線電；多速率信號處理；抽??；內(nèi)插；多相濾波
中圖分類號：TN911-7 文獻標(biāo)識碼：B
文章編號：1004373X(2008)0506102
The Multi-rate Signal Processing in Software Radio
MIAO Runjiang,XUE Lei
(Electronic Engineering Institute,Hefei,230037,China)
Abstract：In this paper,the conception of software radio and multi-rate signal processing is introduced.The signal code rate at every node in the system of software radio may be changed by multi-rate signal processing.Decimation and interpolation are two basic means of multi-rate signal processing,the theory of them is analysed and their related architecture of polyphase filer is given here.The number of digital filter′s steps at every branch of this architecture will be reduced to 1/D(or 1/I) of the original.So this architecture is an effective way to real-time signal processing.
Keywords：software radio;multi-rate signal processing;decimation;interpolation;polyphase filter
1 引 言
軟件無線電是當(dāng)代無線通信發(fā)展的方向，其基本思想是：將A/D和D/A盡可能靠近RF端，在數(shù)字化的通用硬件平臺上，用軟件近可能多地實現(xiàn)軟件無線電的各種功能。軟件無線電具有靈活性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的特點，為解決目前無線通信系統(tǒng)所存在的難兼容、難升級、開發(fā)周期長等難題提供了選擇。
基于帶通采樣定理，軟件無線電能夠?qū)崿F(xiàn)對整個工作頻帶的信號直接進行數(shù)字化，然后用數(shù)字信號處理方法完成對信號的接收和解調(diào)。為了提高軟件無線電對不同體制信號的適應(yīng)性，帶通采樣的帶寬應(yīng)越寬越好。但是，采樣速率的提高使采樣后的數(shù)據(jù)流速率增大，對后續(xù)的信號處理能力提出了苛刻的要求。因此，有必要對采樣信號進行降速率處理，多速率信號處理是這種降速率處理的理論依據(jù)。
2 多速率信號處理
多速率信號處理的實質(zhì)是用數(shù)字信號處理方法直接改變抽樣信號的速率，抽取和內(nèi)插是其基本環(huán)節(jié)。
2.1 整倍數(shù)抽取
整數(shù)D倍抽取是指原始抽樣序列x(n)每隔(D－1)個取一個,形成一個新序列xD(n),xD(n)=x(Dn),正整數(shù)D為抽取因子。D倍抽取器符號如圖1所示，設(shè)序列x(n)的頻譜為x(ejw)，求得序列xD(n)的傅里葉變換xD(ejw)=1D∑D－1k=0Xej(w－2πk)D，表明抽取后序列xD(n)的頻譜為原序列x(n)的頻譜經(jīng)頻移和D倍展寬后的D個頻譜的疊加和。根據(jù)Nyquist采樣定理，若序列x(n)的采樣率為fs,則模擬信號的最高頻率(無模糊帶寬)fH≤fs/2，否則x(n)的頻譜發(fā)生混疊。當(dāng)以D倍抽取率對x(n)進行抽取后得到的抽取序列xD(n)之取樣率為fs/D,其無模糊帶寬為fs/(2D),所以當(dāng)x(n)中含有大于fs/(2D)的份量時,xD(n)的頻譜必然產(chǎn)生混疊,無法從xD(n)中恢復(fù)x(n)中頻率小于fs/(2D)的低頻信號分量。如果先用一個數(shù)字濾波器(歸一化帶寬B=π/D) 對X(ejw)進行濾波得到V(ejw)，該信號只含有小于π/D頻率分量,再對V(ejw)進行D倍抽取,就可以避免頻譜混疊。一個完整的D倍抽取器結(jié)構(gòu)如圖2所示，抽取前后信號頻譜如圖3所示。經(jīng)過抽取提高了信號的頻域分辨率。
2.2 整倍數(shù)內(nèi)插
整倍數(shù)內(nèi)插是指在原始抽樣序列的相鄰兩抽樣點之間插入(I－1)個零值,設(shè)原始抽樣序列為x(n),則內(nèi)插后的序列為:
內(nèi)插器符號如圖4所示。設(shè)序列x(n)的頻譜為x(ejw)，求得序列xI(n)的傅里葉變換xI(ejw)=X(ejwI)，表明內(nèi)插后序列xI(n)的頻譜為原序列x(n)的頻譜經(jīng)I倍壓縮得到的。因此，xI(ejw)中不僅含有x(ejw)的基帶分量(w≤π/I),而且還含有其高頻分量(w>π/I)。對內(nèi)插后的信號進行低通濾波,就可以從內(nèi)插信號頻譜中恢復(fù)出原始基帶譜,使內(nèi)插序列中的(I－1)個零值都變?yōu)閤(n)的準(zhǔn)確值,所以經(jīng)過內(nèi)插提高信號時域分辨率。完整的I倍內(nèi)插器結(jié)構(gòu)如圖5所示。
抽取運用于軟件無線電接收機，降低了接收信號數(shù)據(jù)速率,便于數(shù)字信號處理。內(nèi)插運用于軟件無線電發(fā)射機，提高了輸出信號頻率，便于調(diào)制發(fā)射。通過先內(nèi)插后抽取，也可以實現(xiàn)抽樣率的分?jǐn)?shù)倍變換。
3 多速率信號處理的多相濾波結(jié)構(gòu)
多相濾波結(jié)構(gòu)是指將數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)H(z)分解成若干個不同相位的組。圖2和圖5抽取內(nèi)插器結(jié)構(gòu)中濾波器都是在高取樣率(在D倍抽取之前,I倍內(nèi)插之后)條件下運行的。采用多相濾波結(jié)構(gòu)可以提高抽取內(nèi)插
器的計算效率，有利于信號的實時處理。如圖6所示，在FIR濾波器中，H(z)=∑N－1n=0h(n)z－n，N為濾波器的長度，將h(n)分成I個組，H(z)=∑I－1m=0z－(I－1－m)Rm(zI)，Rm(zI)=∑Q－1n=0h(nD+D－1－m)(zI)－n，將此濾波器代入圖5，由內(nèi)插器的等效轉(zhuǎn)換，得到內(nèi)插器的等效濾波結(jié)構(gòu)，如圖7所示。此時，濾波器位于內(nèi)插器之前，降低了對濾波器的實時性要求，并且每個支路濾波器的階數(shù)只有原來的1/I，有利于提高運算精度。抽取器的多相濾波結(jié)構(gòu)與此相似。當(dāng)抽取倍數(shù)D或內(nèi)插倍數(shù)I很大時,可以采用多級實現(xiàn),每節(jié)濾波器設(shè)計時應(yīng)考慮通帶帶寬、過渡帶帶寬等參數(shù)。
以上分析都是針對低通信號的,對帶通信號常常采用頻譜搬移,先把位于中心頻率f0處的帶通信號搬移到基帶,然后再利用低通信號的抽取方法進行抽取。反之，通過內(nèi)插器后接帶通濾波器可以將基帶譜搬移到射頻頻段。
4 結(jié) 語
多速率信號處理是軟件無線電實現(xiàn)信號處理數(shù)字化的關(guān)鍵，多相結(jié)構(gòu)不但簡化了濾波器的設(shè)計，而且是軟件無線電信道化接收機和發(fā)射機的基礎(chǔ)。
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】軟件無線電；智能天線；波束形成
引言
隨著時代的發(fā)展，社會的進步，移動無線電信號已經(jīng)越來越普及，但是隨之而來的信號之間的干擾也越來越強烈。減弱無線電信號干擾，提高無線電通信質(zhì)量是當(dāng)前應(yīng)該研究的重要課題。利用軟件無線電發(fā)展的智能天線能夠與周圍環(huán)境特點相結(jié)合，隨時監(jiān)控周圍的信號強弱，找到信號最強的天線方向，進行對應(yīng)調(diào)整。并且能夠通過對信號的追蹤，將通訊信號維持在最好的范圍。通過軟件進行算法的自動更新，能夠在不改變智能天線的配置的同時增強無線通訊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定。
1軟件無線電的定義
軟件無線電主要是通過現(xiàn)代通信理念為橋梁，建立以數(shù)字信號為基礎(chǔ)的開放性通訊模塊平臺。能夠結(jié)合不同軟件來對其硬件配比進行變化，能夠適應(yīng)不同環(huán)境下通訊信號的需求，搭載無線電信號系統(tǒng)。軟件無線電主要通過天線、射頻前端、寬帶轉(zhuǎn)換裝置和數(shù)字信號處理器構(gòu)成。其天線通暢能夠輻射比較廣闊的范圍，并且對不同頻率下信號端的調(diào)整都比較穩(wěn)定，能夠適合不同工作的需要。射頻前端主要完成信號發(fā)射中上變頻、濾波、放大、下變頻等工作。經(jīng)過以上工作的信號再經(jīng)由數(shù)字信號處理器轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的低流速處理，等到處理器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐Ш?，再?jīng)由數(shù)字信號軟件模擬處理。其中經(jīng)過數(shù)字信號處理器處理的主要原因是由于如果只用數(shù)字信號軟件進行處理，無疑會加大其工作量，造成較大的負(fù)擔(dān)。將信號轉(zhuǎn)化為基帶會大大降低數(shù)字信號軟件的壓力。軟件無線電無疑具有較大的機動性，能夠通過增添新的軟件來增加其性能。舉例而言，在軟件無線電工作方面，信道貸款，調(diào)制及編碼等工作都是通過軟件的增加來實現(xiàn)的，這些工作能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)信號的轉(zhuǎn)換，使其適應(yīng)信號環(huán)境，降低通訊壓力。軟件無線電無疑具備較高的開放性，因為其在軟件模塊、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)調(diào)整中都可以改變，硬件也可以結(jié)合設(shè)備和技術(shù)發(fā)展的需求進行升級，軟件可以按照配置需求進行調(diào)整。軟件無線電擁有較強的機動性和開放性，導(dǎo)致其在無線通訊領(lǐng)域中占據(jù)了重要地位，并且迅速將其推廣到軍事生產(chǎn)中的電子戰(zhàn)、雷達方面，起到了重要作用。
2智能天線的構(gòu)造和基本算法
智能天線結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，用過簡單的數(shù)據(jù)算法，形成穩(wěn)定的定向波束，讓天線能夠根據(jù)用戶的信號需求進行調(diào)整，避開信號不穩(wěn)定的位置，實現(xiàn)移動信號的最大化，盡量避免同種信號的干擾。智能天線的主要是通過天線陣列、射頻前端、A/D轉(zhuǎn)換器、自適應(yīng)信號處理器等裝置構(gòu)成。如果智能天線的天線能夠接收到智能信號，就可以通過不同天線的智能單位進行分配，由射頻前端進行接收處理，在經(jīng)過數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，通過自適應(yīng)信號處理器進行處理，形成不同波束來實現(xiàn)矢量輸出。智能天線和傳統(tǒng)的天線收集方式不同，它能夠通過以上方式形成用戶特定的接收波束，將信號穩(wěn)定在某一確定的接收范圍，使信號在其中定向傳播，相當(dāng)于把不同信號穩(wěn)定在不同范圍中，降低同種信號之間的干擾以及電磁污染。提供一個固定的方向來讓用戶接受，這樣做大大提升了信號傳輸?shù)墓ぷ餍剩行ПＵ狭诵盘柕姆€(wěn)定性，避開了傳統(tǒng)方式中同種波段信號之間的相互干擾。
3自適應(yīng)波束形成算法介紹
經(jīng)過智能天線處理的信號一般都是在時段和頻率上完全重合，只在不同空間角度上區(qū)分的信號，智能天線能夠起到空間過濾作用。自適應(yīng)波束算法主要是通過數(shù)字處理技術(shù)，結(jié)合數(shù)字信號的特性分析形成的輸出端配比，經(jīng)過軟件處理體現(xiàn)在不同波段的信號處理器上。其優(yōu)勢在于不需要對其硬件設(shè)備做出任何調(diào)整，只是通過對軟件的改寫來實現(xiàn)系統(tǒng)的更新，來實現(xiàn)不同地域下信號的需要。利用自適應(yīng)波束形成技術(shù)，智能天線能夠通過自適應(yīng)算法來對其進行調(diào)整，改變信號范圍，在有效信號的基礎(chǔ)上形成波動范圍，降低不同信號處理波段的主波束，使用戶的增益處理降低，減少不同用戶之間的相互干擾，并且對信號接收裝置的接收程序進行處理，對智能天線裝置的整體性能有所提升。從參考信號的范圍轉(zhuǎn)變方向來看，自適應(yīng)算法主要分成非盲算法和盲算法兩種。非盲算法主要是用過其他非此波段的信號作為參考，了解信號的接收端位置，進行算法處理來確定信號響應(yīng)范圍。再根據(jù)加權(quán)值確定一定的規(guī)律方針，調(diào)整平均規(guī)律，達到最大的輸出范圍，使智能天線能夠滿足最大的輸出調(diào)整，一般的輸出準(zhǔn)則遵循最小二乘法以及最小均方誤差的標(biāo)準(zhǔn)。盲算法則不需要對信號的輸出端進行分析，只是通過對自己終端信息的處理進行參照反饋，預(yù)算處理信號的方向。但是準(zhǔn)確來講，經(jīng)過判斷的信號方向和實際輸出信號方向存在一定的差距，這是由于對非此波段信號接收時不能夠準(zhǔn)確測定其方向?qū)е?。總的來看，非盲算法具有更高的?zhǔn)確率，能夠更快地判斷輸出信號方向，對信號波段傳輸、轉(zhuǎn)換的效率較快，但是相對而言消耗的功率就比較大。
4軟件無線電技術(shù)的可行性
我國在數(shù)字信號通訊方面已經(jīng)有了較大的進展，在國內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)了國際平均水準(zhǔn)接近的產(chǎn)品，和國際先進水平?jīng)]有較大出入。相關(guān)的技術(shù)條件也已經(jīng)準(zhǔn)備完善，隨時可以投入實施。但某種新型技術(shù)能夠推廣的條件在于其可行性，而不是技術(shù)本身的條件。該項技術(shù)得到推廣必須得到市場經(jīng)濟和用戶的普遍接受。在以往的經(jīng)驗教訓(xùn)中，已經(jīng)有太多因此而失敗的先例，目前這項技術(shù)也面臨了同樣的挑戰(zhàn)、其主要可以從三個方面來入手：廣播機構(gòu)、接受制造廠家以及用戶對該項技術(shù)的可接受性。只有在這些方面的實際應(yīng)用中取得良好效果，才能夠使這項技術(shù)大范圍投入使用，拓寬其可行空間。推廣無線電技術(shù)的主要條件是將無線軟件調(diào)頻作為基礎(chǔ)，控制信號波段的產(chǎn)生。信號波形主要通過數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，并且還可以通過不同頻段的切換來實現(xiàn)、接收器同樣可以利用數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器來對軟件信號進行接收，通過軟件對不同信號進行調(diào)節(jié)。完善的軟件無線電臺主要通過全頻段的支持來實現(xiàn)，具備很強的靈活機動性，可以通過對軟件的調(diào)整來實現(xiàn)系統(tǒng)功率的調(diào)整。但是出于對實際情況的考慮，寬帶前端頻道接收不可能達到理想模式，總是會受到處理模式的限制。因此以現(xiàn)今的技術(shù)條件來講不能夠?qū)⒗硐氲能浖o線電系統(tǒng)投入應(yīng)用。為實現(xiàn)大范圍軟件無線電技術(shù)應(yīng)用，可以將軟件無線電系統(tǒng)中添加一些增強無線電系統(tǒng)功能的軟件，能夠在一定范圍中對信號的接收和傳遞進行調(diào)節(jié)，適用于當(dāng)今生產(chǎn)的實際需求。雖然降低了軟件無線電系統(tǒng)的靈活機動性，但是給其在生產(chǎn)中投入使用帶來了一些希望。
5結(jié)束語
利用軟件無線電對智能天線進行調(diào)整，不需要進行繁瑣的硬件調(diào)整，只需在系統(tǒng)中安裝提高軟件無線電實用性的軟件。因此該系統(tǒng)具備很高的可維護性以及能夠穩(wěn)定操作的系統(tǒng)環(huán)境，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的信號發(fā)射整體運用提高，增強擴充性能。通過軟件無線電對智能天線進行調(diào)整，能夠增強信號范圍，使系統(tǒng)變得更加平穩(wěn)，減少同類信號的干擾。但智能天線對設(shè)備的要求很高，就在一定程度上增加了元件的可操作性能，使系統(tǒng)分配更加復(fù)雜，不能夠改變波束的轉(zhuǎn)變移動范圍。所以是否利用軟件無線電對智能天線進行調(diào)整，還要結(jié)合實際情況進行分析。
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關(guān)鍵詞：軟件無線電；測試；移動通訊
中圖分類號：TN929.5文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1673-1131（2015）12-0224-02
作者簡介：何緯（1981-），男，江蘇泰興人，工程師，研究方向為軟件無線電技術(shù)；邵瑞（1983-），男，江蘇徐州人，工程師，研究方向為軟件無線電技術(shù)
0引言
軟件無線電技術(shù)（SDR）可以通過硬件和軟件的結(jié)合，使無線通信設(shè)備、終端等具有可編程、可重配置的能力，其提供了能完成多種模式、多個頻段、多種功能無線通訊測試的一種解決方案。軟件無線電的關(guān)鍵在于使用軟件來完成過去使用專業(yè)硬件無線電平臺才能完成的工作，其結(jié)構(gòu)特點是將A/D、D/A盡可能靠近頻射端，從而使信號盡早數(shù)字化，然后借助擁有強大的信號處理能力和靈活的可重構(gòu)特性的可編程平臺實現(xiàn)對多種通信標(biāo)準(zhǔn)的支持。
1軟件無線電的研究現(xiàn)狀
無線電技術(shù)是目前無線通信測試領(lǐng)域的一個研究熱點，通過認(rèn)知無線電技術(shù)進行通訊頻譜系統(tǒng)的創(chuàng)新管理，采用新的方法和技術(shù)來解決目前通訊系統(tǒng)頻譜利用率不高的問題。本文分析了軟件無線電技術(shù)在移動通信測試領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，并介紹了一種實用的軟件無線電測試平臺。采用全數(shù)字技術(shù)，這是然間無線電廣播電臺與第二代數(shù)字接收機的本質(zhì)區(qū)別。軟件無線電技術(shù)采用通用可編程硬件平臺，不僅具有全數(shù)字接收機，最大特點是通過軟件對硬件功能、技術(shù)體制等進行重新定義和配置。該機的硬件芯片結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的完美結(jié)合。軟件無線電技術(shù)將模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)化盡可能接近射頻端。將接收的射頻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)射頻數(shù)字信號到中頻數(shù)字信號以及基帶數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，通過可編程處理器最大限度地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。理想的軟件無線電電臺是將通信天線接收到的射頻模擬信號直接進行采樣獲得射頻數(shù)字信號，通過對射頻數(shù)字信號的一系列處理技術(shù)包括變頻混頻、信號濾波、載波提取、相位解調(diào)、低通濾波、位同步提取、信道編解碼、加解密等，獲得通信基帶信號。理想軟件無線電現(xiàn)在完全可編程，適用于如FDMA（頻分多址），TDMA（時分多址）和CDMA（碼分多址）等多種通信體制的實現(xiàn)。
2軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)
軟件無線電體系結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)軟件無線電的一個基本框架。在軟件無線電技術(shù)體系結(jié)構(gòu)中，一組特定的功能可以根據(jù)特定的設(shè)計規(guī)則，通過幾類特定的組件來實現(xiàn)。軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括寬帶天線和射頻/中頻處理器、寬帶A/D轉(zhuǎn)換器、寬帶D/A轉(zhuǎn)換器、通用可編程處理器（如FPGA、DSP）等。通過分析硬件組織，可以更加充分地發(fā)揮軟件的靈活性。軟件無線電技術(shù)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)具有即插即用的特性。軟件無線電終端的重配置包括所有的功能性能方面，即從無線通信物理層、協(xié)議棧、服務(wù)或服務(wù)執(zhí)行平臺的可重配置。另外設(shè)備之間和設(shè)備各層之間應(yīng)用編程接口的開放性決定了終端的可編程和可重配置的能力?，F(xiàn)在，許多專家和學(xué)者認(rèn)為，通訊頻率的管理應(yīng)該是開放式的可編程平臺，這可以重新配置移動通訊頻率系統(tǒng)，正如軟件無線電的最初定義一樣“無線世界的PC”。這種定義準(zhǔn)確地勾畫出可重配置通信平臺/終端所須的開放性和可編程能力，這使得未來軟件無線電具有更為安全、可靠的可重配置性，以滿足未來移動通訊發(fā)展的要求。1997年軟件無線電論壇的技術(shù)報告，在軟件無線電技術(shù)發(fā)展歷史上具有里程碑意義，該報告第一次為軟甲無線電構(gòu)架了一個明確的體系框架—開放的、即插即用的發(fā)展框架體系。它把IT線程元件合并到實體中即對象母體中，它們促進了模塊間接口的定義。輔助接口（AUX）是專用的接口，用于輸入、輸出、天線多樣性控制、減弱同址干擾和密鑰注入（還將確定其它一些項目）。軟件無線電在模塊之間采用SDR的段間接口，SDR射頻接口是介于模擬視頻和數(shù)字射頻之間的新型射頻接口。
3認(rèn)知軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)
軟件無線電的硬件發(fā)展阻礙軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，軟件無線電技術(shù)主要包括寬帶天線技術(shù)、寬帶技術(shù)、高速數(shù)字信號處理技術(shù)和高性能互連結(jié)構(gòu)技術(shù)等。全球眾多高校和研究機構(gòu)都在對軟件無線電技術(shù)進行深入的研究，但是受眾多研究者一致公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)系統(tǒng)尚未形成。對軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研究與突破，將促進軟件無線電的進一步發(fā)展和應(yīng)用。軟件無線電是一種智能頻譜共享技術(shù)，具有動態(tài)檢測的認(rèn)知功能。在空間、時間和頻率域中可應(yīng)用于空間、時間和頻率多維度的頻譜復(fù)用，大大降低了無線技術(shù)發(fā)展的頻率和帶寬限制。軟件無線電技術(shù)被認(rèn)為是解決頻譜利用率低下和頻譜資源短缺問題的最佳方案之一，將有可能成為通信發(fā)展史上的另一個里程碑。軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)是頻譜檢測技術(shù)，其分為授權(quán)用戶的接收和授權(quán)用戶的檢測。授權(quán)用戶的接收是實現(xiàn)頻譜感知與分配的有效方法，這種方法可以減少其他用戶對其的干擾，目前的軟件無線電技術(shù)還是難以實現(xiàn)的；授權(quán)用戶的檢測是比較容易實現(xiàn)的，但是存在頻譜資源浪費的現(xiàn)象，目前的。目前頻譜感知的研究主要是對授權(quán)用戶的開放檢測，可分為單點頻譜感知、協(xié)同頻譜感知和干擾檢測三大類。
4在移動測試領(lǐng)域中的應(yīng)用
在蜂窩移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用雖然蜂窩移動通信有固定的頻段劃分，但頻譜資源是不合理的。這是在移動通信系統(tǒng)的問題還沒有得到解決。在白天，頻譜資源非常緊張，晚上頻譜資源是比較空閑的，這就導(dǎo)致在繁忙時間的頻率譜是擁擠和頻譜的大量浪費，特別對一些重要頻譜而言，問題就顯得尤為突出。認(rèn)知無線電技術(shù)在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，采用自適應(yīng)頻率來解決問題。對于傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)，由于充足的頻譜預(yù)留空間，目前還沒有認(rèn)知無線電技術(shù)的引入，具體的規(guī)范協(xié)議的出臺還需要進一步研究。對于運營商，引入成本和運營管理是一個值得思考的問題。但從技術(shù)層面，蜂窩移動通信系統(tǒng)共享頻譜資源的認(rèn)知無線電的一個發(fā)展方向，這方面的研究已經(jīng)開始。在GSM系統(tǒng)中的空閑頻譜分析的情況下，基于認(rèn)知無線電的初步研究有三種：對GSM系統(tǒng)的空閑頻譜的工作條件是給定的，同一小區(qū)、距離較遠(yuǎn)的任意通信系統(tǒng)模型，隨著越來越多的通信標(biāo)準(zhǔn)的引入和移動通信的不斷發(fā)展，終端和芯片制造商測試的成本和測試時間要求更嚴(yán)格，邊流壓力測試設(shè)備制造商將推出更接近軟件無線電，更低成本、更快速測試的開放式平臺，試驗廠家也將更多的功能和應(yīng)用引入到更多高指標(biāo)和更靈活的射頻測試儀器中。
5結(jié)語
伴隨著網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求和用戶對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開放性的需求，多種移動通信制式將持續(xù)長久地共同發(fā)展。開放型軟件無線電頻率測試平臺還需要進一步研究，通過軟件定義實現(xiàn)特定應(yīng)用的測試，在移動通訊測試領(lǐng)域中軟件無線電的應(yīng)用非常重要，也越來越受到專家和學(xué)者的關(guān)注。
參考文獻：
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使其性能指標(biāo)根據(jù)特定應(yīng)用模式進行調(diào)整，從而降低能耗。上面幾種收發(fā)機實現(xiàn)方案在系統(tǒng)設(shè)計方面都是沿用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，即系統(tǒng)的各項指標(biāo)是按最壞信道質(zhì)量的極端情況進行設(shè)計的。如果能夠找出一種系統(tǒng)設(shè)計和電路實現(xiàn)的方法，根據(jù)特定的信道和電路PVT狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整CMOS電路的工作條件，使其性能恰好滿足要求，即收發(fā)機前端性能是對信道質(zhì)量和電路PVT是自適應(yīng)的，則收發(fā)機的功耗將是最低的。
2軟件無線電收發(fā)前端設(shè)計思路
2.1應(yīng)用于軟件無線電收發(fā)機前端的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)
動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是CMOS數(shù)字集成電路中重要的降低功耗的方法，如果能將這種技術(shù)用于射頻/模擬/混合信號電路，則在電路電流恒定的情況下，電路功耗隨電壓的下降線性減小。這項技術(shù)的成功應(yīng)用，將使電源電壓成為主動調(diào)節(jié)手段，而非被動的電路狀態(tài)條件，成為軟件無線電收發(fā)機前端的自適應(yīng)降低功耗的重要手段。
2.2性能優(yōu)化友好的功耗有意識軟件無線收發(fā)機前端設(shè)計方法
功耗有意識是指設(shè)計者在設(shè)計中采用的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)等，盡可能用較少的功耗實現(xiàn)所期望的電路功能和性能。同時，通過選擇合理電路結(jié)構(gòu)，使電路基底噪聲、線性度、增益、信號最大擺幅等性能的提高與電路中的功率損耗成正相關(guān)，這樣如果電路性能恰好滿足要求，則功耗能接近最小。功耗有意識的、性能優(yōu)化友好的射頻/模擬電路模塊設(shè)計方法的研究，不僅使模塊性能優(yōu)化更高效，而且可以使優(yōu)化擺脫手工作業(yè)、用算法實現(xiàn)，符合軟件無線電模塊化、通用化設(shè)計的思想，這是通向具有自適應(yīng)性的智能射頻前端的途徑。
2.3軟無線電收發(fā)前端系統(tǒng)功率動態(tài)優(yōu)化算法
動態(tài)優(yōu)化算法能夠根據(jù)信道質(zhì)量，實時地在線對各個模塊的性能按照一定的規(guī)則進行調(diào)整，使系統(tǒng)能夠恰好滿足性能要求，并且功耗接近最小。這套對模塊性能進行調(diào)整的“規(guī)則”，即性能優(yōu)化算法，應(yīng)該對所有的不同通信標(biāo)準(zhǔn)、信道狀態(tài)、電路PVT狀態(tài)普遍適用。而系統(tǒng)需要滿足的性能要求可以是誤碼率，也可以是與其相關(guān)的參數(shù)，如誤差向量幅度。在不同通信模式下，系統(tǒng)性能期望達到的性能標(biāo)準(zhǔn)可能不同，而這可以作為算法中的可配置參數(shù)進行傳遞。
3軟件無線電收發(fā)前段設(shè)計方案
由于工藝的不斷演進，CMOS集成電路的規(guī)模和速度不斷提高，使復(fù)雜的信號處理功能得以在個人無線通信終端上實現(xiàn)。本項目擬利用數(shù)字信號處理技術(shù)，解決軟件無線電收發(fā)前端信道質(zhì)量自適應(yīng)問題，降低系統(tǒng)功耗。
3.1應(yīng)用于軟件無線電收發(fā)機前端的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)
對于接收機，本項目擬利用最小均方自適應(yīng)信號處理算法，在數(shù)字基帶對開關(guān)噪聲進行抵消，如圖1所示。因為電源上的開關(guān)噪聲與開關(guān)電源中的時鐘信號正相關(guān)，本項目擬利用時鐘信號作為噪聲源參考信號，通過LMS自適應(yīng)噪聲算法，將接收到的信號中與其相關(guān)的部分消除。當(dāng)然，此方案如需奏效還有一定的前提條件，電源上的噪聲引入的乘法性的干擾可忽略，即前端電路的設(shè)計對有電源電壓變化有“友好性”。如果需要消除乘法性的干擾，也可能可以人為地對電源注入經(jīng)過自適應(yīng)濾波的開關(guān)時鐘信號，經(jīng)過LMS算法在基帶獲得最小能量時，可認(rèn)為噪聲消除最徹底。在包絡(luò)調(diào)制器的輸出端接開關(guān)頻率陷波器的方法濾除開關(guān)頻率，系統(tǒng)框圖如圖2所示。傳統(tǒng)的包絡(luò)調(diào)制器是針對特定的通信模式，開關(guān)頻率固定，因而濾波器的頻率特性也是固定的。而對于具有自適應(yīng)性的軟件無線電發(fā)射機，為達到最佳效率，希望包絡(luò)調(diào)制器開關(guān)頻率可變，傳統(tǒng)的濾波方案則不能滿足要求。本項目擬利用時域離散信號在頻域隨采樣頻率周期延拓的特性，采用連續(xù)時間域與離散域濾波器混合的方式，實現(xiàn)自動跟蹤包絡(luò)調(diào)制器開關(guān)頻率的自適應(yīng)陷波濾波器圖3為擬采用的自適應(yīng)開關(guān)頻率陷波器結(jié)構(gòu)，其由高通濾波器與時間離散域的低通濾波器串聯(lián)而成，而離散域濾波器的開關(guān)時鐘是由開關(guān)型包絡(luò)調(diào)制器的開關(guān)時鐘產(chǎn)生的同頻時鐘。時域離散的濾波器在頻域隨采樣頻率周期延拓，因此連續(xù)時間域的低通特性時間離散化后變?yōu)樽詣痈欓_關(guān)頻率的陷波濾波器。為了保持包絡(luò)調(diào)制器輸出中直流附近的低頻信號，在陷波濾波器前引入高通濾波器，以隔絕低頻信號。
3.2軟無線電收發(fā)前端系統(tǒng)性能動態(tài)優(yōu)化算法
圖4軟件無線電收發(fā)機性能功耗動態(tài)優(yōu)化框圖本項目擬采用基帶信號解調(diào)后的誤差向量幅度（EVM）作為信號接收質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)，相比于誤碼率（BER），其可以通過一幀數(shù)據(jù)迅速地得到結(jié)果。軟件無線電收發(fā)前端信道質(zhì)量自適應(yīng)算法框圖如圖5所示，其中EVMmax是對于某個通信模式，要滿足通信質(zhì)量要求所能容忍的最大誤差向量幅度。該算法可以在通信是不斷循環(huán)調(diào)用，以保證實時性；也可以定時調(diào)用，以減小算法本身帶來的能耗。以上算法是建立在性能與功耗正相關(guān)的前提下，如果性能最恰好滿足要求，則功耗最低。但實際情況下，不同調(diào)節(jié)方式對同一性能產(chǎn)生的相同的影響，但功耗卻不一定相同，因而需要考慮性能調(diào)節(jié)方式的功耗成本問題。
4結(jié)束語
關(guān)鍵詞：軟件無線電調(diào)制器數(shù)字上變頻器
上世紀(jì)90年展起來的軟件無線電SDR（SoftwareRadio／Software－DefinedRadio）的基本思想是：構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能用軟件完成。這是一種全新的思想，它一經(jīng)提出就受到了廣泛的重視。但是，到目前為止，各國對軟件無線電的研究還非常有限。由于軟件無線電實現(xiàn)的前提是高度數(shù)字化，而現(xiàn)階段的器件水平還不能達到要求，同時軟件無線電的設(shè)計還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因而只能利用軟件無線電的思想，根據(jù)系統(tǒng)要求，對其結(jié)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整，進行系統(tǒng)設(shè)計。
本文采用可編程器件和專用器件相結(jié)合的設(shè)計方法和分層的設(shè)計思想，給出了一種基于軟件無線電的通用調(diào)制器的設(shè)計和實現(xiàn)方法，并給出了系統(tǒng)的測試結(jié)果。
1總體設(shè)計方案
1．1總體方案框圖
通用調(diào)制器總體方案框圖如圖1所示。
系統(tǒng)使用的主要器件有四個：通用DSP、可編程邏輯器件（FPGA）、可編程數(shù)字上變頻器和D／A變換器。其中的兩個主要芯片：通用DSP和FPGA均為通用可編程器件。這樣，在系統(tǒng)設(shè)計時，存在著通用器件的功能定義問題。為了使系統(tǒng)的功能在器件之間進行合理的分配，充分、有效地利用芯片資源，并使系統(tǒng)設(shè)計簡單、清晰，在軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用了分層的設(shè)計方法，將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為三層：接口層、配置層和處理層。
（1）接口層
接口層用來與外界通信，控制整個系統(tǒng)的工作模式。接口采用DSP的主機并口（HPI）。圖1所示的外部控制器為PC機，即PC機的并口與DSP的HPI口相連并通信，將系統(tǒng)工作模式的控制參數(shù)傳遞給DSP。需要指出：任意帶并口通信方式的器件或儀器均可代替PC機，控制系統(tǒng)的工作模式。
（2）配置層
配置層用來給處理層配置參數(shù)，由通用DSP完成。DSP根據(jù)其主機并口接收到的控制參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的程序，計算出配置層所需要的各個參數(shù)值，并產(chǎn)生相應(yīng)的時序信號，將計算結(jié)果配置給可編程器件FPGA和數(shù)字上變頻器。
（3）處理層
處理層由FPGA、數(shù)字上變頻器和D／A轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)FPGA和數(shù)字上變頻器的參數(shù)配置完后，處理層脫離配置層單獨工作。由FPGA產(chǎn)生對應(yīng)特定比特流、特定調(diào)制方式的I、Q信號，并產(chǎn)生特定的時序信號將I、Q信號寫入數(shù)字上變頻器完成調(diào)制過程，再由D／A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號變?yōu)槟M已調(diào)信號輸出。
1．2系統(tǒng)的工作過程
系統(tǒng)的工作過程和圖2所示。
系統(tǒng)的初始狀態(tài)是DSP等待主機接口（HPI）中斷。當(dāng)DSP接收到主機接口中斷后，調(diào)用中斷程序。這個中斷程序?qū)⑹笵SP執(zhí)行以下幾步：
（1）首先將DSP的XF腳置高，這個信號變低可以使處理層退出工作狀態(tài)，進入?yún)?shù)配置狀態(tài)，同時放棄總線，并使DSP獲得總線控制權(quán)；
（2）DSP從主機并口接收控制系統(tǒng)工作模式的有關(guān)參數(shù)；
（3）DSP計算處理層需要的各項參數(shù)；
（4）DSP將參數(shù)寫入處理層相應(yīng)的地址；
（5）DSP將XF腳置低，放棄總線控制權(quán)，并使處理層接管總線，進入工作狀態(tài)。
（6）DSP重新進入等待主機接口中斷狀態(tài)。系統(tǒng)隨時可以根據(jù)需要改變工作模式，重新配置參數(shù)。
2硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，與總體方案框圖的結(jié)構(gòu)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公司的數(shù)字上變頻器HSP50215和D／A轉(zhuǎn)換器HI5741。
2．1接口設(shè)計
本設(shè)計充分考慮了系統(tǒng)與外界接口的設(shè)計?熏使系統(tǒng)具有很好的開放性和靈活性。
TMS320VC5402的8－bit并行主機接口包含了許多控制信號線，使得它可以通過兩個觸發(fā)器與25針的并口直接相連。外部的設(shè)備或器件可以通過這個并口方便地控制系統(tǒng)的工作模式和狀態(tài)。
在EPF10K30的內(nèi)部邏輯設(shè)計中，有一個隨機比特流產(chǎn)生模塊，在這個模塊中也設(shè)計了比特流信號的輸入接口，使系統(tǒng)既可以對自身產(chǎn)生的比特流進行調(diào)制，也可以對外部輸入的比特流進行調(diào)制。
另外，在EPF10K30和HSP50215的參考時鐘輸入引腳也設(shè)計了外部接口，通過這些接口可以用外部時鐘信號方便地控制系統(tǒng)工作的參考時鐘，適應(yīng)用戶的需求。
2．2總線控制
總線控制包括兩個方面：總線的電平轉(zhuǎn)換和總線控制權(quán)交接。
由于HSP50215和EPF10K30均為＋5VTTL器件，而TMS320VC5402的管腳為＋3VTTL電平，因而需要進行電平轉(zhuǎn)換。所使用的芯片為帶三態(tài)輸出的電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LS16244和SN74LS16245。前者為單向芯片，用于地址總線；后者為雙向芯片，用于數(shù)據(jù)總線。
從圖1可以看出，系統(tǒng)某些信號線存在著復(fù)用的問題。這些信號線包括：HSP50215的數(shù)據(jù)、地址總線和寫控制信號線WR。它們同時與DSP和FPGA的相應(yīng)信號線相連，因此必須要處理好總線沖突問題。圖3為總線控制電路設(shè)計。
由圖3可以看到，DSP的XF、HOLDA和HOLD信號作為握手信號與EPF10K30中的總線控制模塊相連。其中XF是TMS320VC5402的外部標(biāo)志信號，可以用指令“SSBXXF”或“RSBXXF”將其置高或置低。當(dāng)DSP放棄總線時，將XF置低，此時FPGA將HOLD置低，使DSP進入HOLD狀態(tài)，當(dāng)HOLDA也變低后，F(xiàn)PGA占用總線。當(dāng)DSP要回總線時，將XF置高，此時FPGA立即放棄總線，同時將HOLD腳置高，使DSP退出HOLD狀態(tài)。另外，DSP的HOLD信號的非信號與總線電平轉(zhuǎn)換芯片的使能信號相連。這樣可以保證不存在總線沖突問題。HSP50215的寫控制信號WR也做類似的處理。
3軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩大部分：FPGA的內(nèi)部邏輯和控制設(shè)計以及系統(tǒng)的參數(shù)計算和配置。FPGA的內(nèi)部設(shè)計主要完成從基帶比特流信號產(chǎn)生一直到對應(yīng)不同調(diào)制方式、不同信息比特、不同碼速率的I、Q信號的產(chǎn)生，另外還包括總線控制邏輯和片選信號產(chǎn)生等。
系統(tǒng)的參數(shù)包括三個部分：傳送到DSP的HPI口的系統(tǒng)工作模式控制參數(shù)、FPGA的內(nèi)部參數(shù)、數(shù)字上變頻器的參數(shù)。系統(tǒng)的參數(shù)結(jié)構(gòu)可以用圖4表示。
系統(tǒng)的工作模式控制參數(shù)主要有如下三個：調(diào)制方式、基帶比特流速率和載波頻率。這三個參數(shù)由外部控制器通過并口傳遞給DSP的HPI口。它們處在最頂層，是確定下層各個參數(shù)的基本依據(jù)。
FPGA內(nèi)部參數(shù)也有三個：基帶比特流速率與FPGA參考時鐘頻率的比值、基帶比特流串并轉(zhuǎn)換的位數(shù)和IQ信號在查找表中的起始地址。這三個參數(shù)分別由基帶比特流速率和調(diào)制方式?jīng)Q定。
成形濾波器參數(shù)對于根升余弦或升余弦濾波器而言也有如下三個：滾將系數(shù)α、內(nèi)插倍數(shù)IP和跨越的碼元周期數(shù)目DS。這三個參數(shù)是中間參數(shù)，它們并不會直接配置到數(shù)字上變頻器中，而是計算成形濾波器系數(shù)的參數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)的工作模式控制參數(shù)，可以確定最佳的成形濾波器參數(shù)。
數(shù)字上變頻器參數(shù)，即HSP50215的內(nèi)部參數(shù)，數(shù)目比較多，包括：重采樣頻率高、低位控制字；載波頻率高、低位控制字；調(diào)制方式控制字；增益控制字；FIFO深度控制字；成形濾波多項式控制字（包括DS和IP）；復(fù)位控制字；同步啟動控制字以及I、Q兩路各256個成形濾波器系數(shù)。總共需要配置的參數(shù)為522個。這些參數(shù)分別根據(jù)系統(tǒng)的工作模式參數(shù)和成形濾波器參數(shù)確定。
正確計算出上述各個參數(shù)，并正確地配置到芯片EPF10K30和HSP50215內(nèi)部，就可以得到正確的已調(diào)信號。
4測量結(jié)果
本次實驗用實時頻譜分析儀TEK3086對系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種已調(diào)信號進行了觀測，圖5給出部分觀測結(jié)果，包括BPSK、QPSK、8PSK和GMSK。
圖5中各種已調(diào)信號的基帶I、Q信號的符號速率均為5ksps，載波頻率均為1MHz。每個圖中又包含四個小圖。左上角為中頻信號的頻譜圖；右上角為星座圖；左下角為I路信號的眼圖；右下角為Q路信號的眼圖。眼圖的張開度以及星座圖中各個矢量點的離散程度（矢量幅度誤差的大?。砻髁讼到y(tǒng)碼間干擾和噪聲的大小，也是衡量調(diào)制器性能的兩個重要參數(shù)。圖5（a）、（b）、（c）采用根升余弦成形濾波器，內(nèi)插倍數(shù)IP＝16，跨越的碼元周期數(shù)目DS＝4，滾降系數(shù)分別為：0．5、0．7和0．7。圖5（d）采用高斯成形濾波器，IP＝16，DS＝5，BT＝0．3。比較這四個圖可知：BPSK和GMSK已調(diào)信號的眼圖張開度最大，矢量幅度誤差最小，信號性能最好，QPSK信號次之，8PSK信號眼圖張開度最小，矢量幅度誤差最大，與理論分析一致。從測量的結(jié)果來看，系統(tǒng)具有較好的性能，有一定的實用價值。
關(guān)鍵詞 軟件無線電 系統(tǒng)設(shè)計 可行性研究
1 引言
軟件無線電的基本思想是構(gòu)造一個開放、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的通用硬件平臺，將無線電通信系統(tǒng)的各種功能如調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密解密、通信協(xié)議等通過軟件編程來實現(xiàn)。將寬帶 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線端，即盡可能早地將接收到的射頻模擬信號進行數(shù)字化是軟件無線電接收機的基礎(chǔ)架構(gòu)思路。
目前由于 A/D及 DSP或CPU等器件的處理速度限制，直接對射頻進行采樣還無法實現(xiàn)，對于高頻更多地采用下變頻并采用中頻采樣技術(shù)。在A/D采樣后通過高速通信口送給計算機的SDR軟件進行后續(xù)處理（如圖 1所示）。
2 軟件無線電理論基礎(chǔ)
軟件無線電是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心的，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。其基礎(chǔ)理論主要包括數(shù)據(jù)采集理論和數(shù)字下變頻技術(shù)，其中數(shù)字下變頻又包括2.1 帶通采樣理論
帶通采樣定理：設(shè)一個有限帶寬的信號x（t），其通帶為（fl，fh），如果采樣頻率fs滿足以下條件，則x（t）能被其采樣
■ （1）
重構(gòu)信號x（t）的表達式為：
■
（2）
式（1）中， M= fh /（fh-fl）-N，帶寬 B= fh-fl，中心頻率 fc=（fh-fl）/2，fh是上限截止頻率， fl是下限截止頻率。很顯然，最小采樣頻率fs與B有如下關(guān)系: fs大于或等于2B小于4B。
3 接收機硬件設(shè)計與實現(xiàn)
在本接收機中，主要分為多段射頻預(yù)處理部分、包含多頻段天線、高放、混頻、DDS本振部分，高速AD負(fù)責(zé)將MF頻段、HF及VHF頻段混頻后的中頻信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCU負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、PC通信，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（如圖 2所示）。
3.1 射頻預(yù)處理部分
軟件無線電中一項重要的技術(shù)就是理想天線技術(shù)，但實際中只能在特定的頻段內(nèi)實現(xiàn)相對理想的天線，因為在本方案設(shè)計中將本接收機的天線分為中頻MF段0.3M-3M段、HF段3M-30M段、VHF低段30M-150M段共三段，使用三付相應(yīng)頻段的天線來代替全頻段天線。
在各頻段天線后設(shè)置獨立的射頻放大部分，將射頻放大到適合后級采樣或混頻電路所需要的電平標(biāo)準(zhǔn)，使用分立高頻放大電路實現(xiàn)。
3.2 本振及下變頻部分
受限于A/D及后級處理能力，除MF段直接進行送往A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換處理之外，HF/VHF兩個頻段需要下變頻到4.5M再送往A/D處理。本振采用直接數(shù)字頻率合成器（DDS）來實現(xiàn)。
本設(shè)計中使用了一片DDS程控生成頻率范圍為3M-150M的正弦波本振信號源，對HF、VHF各使用了一片LT5512來混頻，混頻輸出混合到一路，送入下級A/D變換，HF、VHF的混頻控制由MCU控制DDS頻率及LT5512的使能端實現(xiàn)兩路分離。
3.2.1 AD9851 180 MHz完整DDS頻率合成器
AD9851是一款高度集成的器件，采用先進的DDS技術(shù)，內(nèi)置一個高速、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器和比較器，共同構(gòu)成數(shù)字可編程頻率合成器和時鐘發(fā)生器。以精密時鐘源作為基準(zhǔn)時，AD9851能產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定、相位可編程的數(shù)字化模擬輸出正弦波。該正弦波可以直接用作頻率源，或在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為適合捷變時鐘發(fā)生器應(yīng)用的方波。AD9851的創(chuàng)新型高速DDS內(nèi)核提供一個32位頻率調(diào)諧字；對于180MHz基準(zhǔn)時鐘，輸出調(diào)諧分辨率可以達到0.040Hz。AD9851內(nèi)置獨特的X6基準(zhǔn)時鐘乘法器電路，無需高速參考振蕩器。該6X PLL乘法器對無雜散動態(tài)范圍（SFDR）和相位噪聲特性的影響極小。該器件還提供5位數(shù)字控制相位調(diào)制，使其輸出能夠以180°、90°、45°、22.5°、11.25°及其任意組合的增量發(fā)生相移。
3.2.2 LT5512有源雙平衡頻混器
LT5512是一款有源雙平衡混頻器 IC，專為高線性度 HF、VHF 和 UHF 應(yīng)用而優(yōu)化。該 IC 包括一個用于驅(qū)動混頻器的集成 LO 緩沖器放大器和一個用于改善 LO-RF 隔離度的 RF 緩沖器放大器。內(nèi)部偏置電路免除了增設(shè)精準(zhǔn)外部電阻器的需要，并允許采用使能控制（EN）引腳來關(guān)斷器件。外部匹配的 RF 和 IF 端口使得混頻器能夠在非常低（1MHz 以下）或高達 3GHz 的頻率條件下使用。差分 LO 輸入是專為單端或差分輸入驅(qū)動而設(shè)計的。LT5512 是無源二極管混頻器的一種高線性度替代方案。與具有轉(zhuǎn)換損耗并需要高 LO 驅(qū)動電平的無源混頻器不同，LT5512 提供了轉(zhuǎn)換增益且所需的 LO 驅(qū)動電平低得多。
3.3 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分
根據(jù)A/D理論SNR公式：
■
（3）
關(guān)鍵詞：DSP；軟件系統(tǒng)；無線電；雷達；應(yīng)用技術(shù)
中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）13-3194-03
1 基于DSP的軟件無線電系統(tǒng)概述
1.1 DSP原理與特征分析
DSP，俗稱數(shù)字信號處理器，是利用計算機軟硬件設(shè)備和信號處理設(shè)備，通過對信號的數(shù)字化采集、變換、濾波、估值與識別等算法研究，再結(jié)合微處理器與軟硬件設(shè)備，來實現(xiàn)各種算法[1]。DSP系統(tǒng)主要由以下四部分組成：抗混疊濾波器用于濾掉輸入信號中高于折疊頻率的分量，數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)DSP系統(tǒng)的處理器用于將輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，D/A轉(zhuǎn)換器可將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，低通濾波器可濾除高頻分量，得到平滑模擬信號。
與傳統(tǒng)的ASP相比，DSP具有高精度，高可靠性，高性能，靈活性大，成本低，，擴展性好，易于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用；DSP芯片則具有接口便捷，多功能，體積小，功耗低等特點?，F(xiàn)階段我國關(guān)于DSP系統(tǒng)研究正處于逐步完善階段，尤其是對信號處理的能力，以及硬件與軟件方面取得了跨越性的發(fā)展。
1.2 軟件無線電
軟件無線電是一種基于現(xiàn)代通信理論，采用數(shù)字信號處理與微電子技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件單元以總線方式連接構(gòu)成通用的硬件平臺，再加載各種軟件以實現(xiàn)無線電通信功能的一種開放式無線電通信體系結(jié)構(gòu)。
軟件無線電因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一致性與通用性，并可采用不同軟件實現(xiàn)各項功能的特點，使得功能的完善與升級更加便捷，且系統(tǒng)各模塊可復(fù)用，極大地降低了更換成本；同時在相對一致的硬件平臺加載各種軟件所對應(yīng)射頻可使系統(tǒng)的相互操作性成為可能。另外，軟件開發(fā)周期較硬件短，成本較低，易于更新，使通信系統(tǒng)的生存期更長了一些；若采用新數(shù)字信號處理手段，不僅可以提高抗干擾性能，還可實現(xiàn)其他超越性系統(tǒng)功能，如在線改變信號調(diào)制模式。
1.3 基于DSP的軟件無線電系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢
傳統(tǒng)的A/D器件采樣率，輸入寬帶已無法滿足高速發(fā)展的軟件無線電結(jié)構(gòu)，且現(xiàn)階段DSP在進行高速實時數(shù)據(jù)流處理時仍然有所局限。為了實現(xiàn)理想的DSP的軟件無線電設(shè)計，還須將射頻信號從混頻專為中頻帶通采樣，且在DSP前加數(shù)字上、下變頻器，來突破系統(tǒng)的局限性。
2 DSP的軟件系統(tǒng)下的無線電雷達應(yīng)用技術(shù)研究
基于DSP原理以及軟件無線電研究出的DSP的軟件系統(tǒng)下的無線電雷達技術(shù)，其在雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在現(xiàn)代雷達收發(fā)系統(tǒng)中的數(shù)字接收機，以及高中頻雷達信號處理系統(tǒng)，這里筆者就這兩方面進行具體探究。
2.1 在雷達收發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析
2.2 在雷達信號處理系統(tǒng)中的應(yīng)用分析
這里的DSP用于中頻處理和發(fā)射控制雷達信號，可實現(xiàn)信號檢測與調(diào)制解調(diào)前處理數(shù)字信號，用編程和DSP完成基帶與中頻處理減少了混合信道的過程花費，集中信號處理資源有利于進行統(tǒng)一的信號處理。其中DSP的主要任務(wù)是處理門限檢測、相干信號、恒虛警和雜波，分析頻譜和數(shù)據(jù)算法，提取多普勒與目標(biāo)信息。
該雷達信號處理系統(tǒng)不僅片內(nèi)存儲容量大，且無需外帶存儲器；還具備特殊的總線共享結(jié)構(gòu)，而無需外部控制電路；DSP控件之間耦合緊密且相對獨立，構(gòu)成有統(tǒng)一存儲空間和高數(shù)據(jù)傳送率的高速實時數(shù)據(jù)流并行處理系統(tǒng)。
3 應(yīng)用前景與研究意義
3.1 應(yīng)用前景
DSP的軟件系統(tǒng)下的無線電雷達技術(shù)的應(yīng)用瓶頸是其數(shù)據(jù)流系統(tǒng)的速度難以達到實時性處理要求， 而近幾年高速DSP技術(shù)的發(fā)展正逐步在克服速度障礙。而目前該技術(shù)在雷達收發(fā)系統(tǒng)、 信號處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中應(yīng)用雖然廣泛卻不全面仍有待于進一步的擴展研究。該技術(shù)的靈活性與開放性決定了其為雷達數(shù)字系統(tǒng)研究提供了重要的發(fā)展方向，一方面可以通過突破功能單一、 可擴展性差的傳統(tǒng)雷達數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計局限，將開放性的最簡硬件作為通用平臺，用可升級也可重新配置的應(yīng)用軟件來實現(xiàn)數(shù)字收發(fā)與信號、數(shù)據(jù)處理等功能；另一方面發(fā)射系統(tǒng)通過軟件控制變換的波形；在通用且開放式的硬件平臺上設(shè)計DSP軟件無線電接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，接收各種形式的信號，完成相應(yīng)的算法運算，輸出各種數(shù)據(jù)格式的運算結(jié)果[4]。在未來的研究中還可將該技術(shù)應(yīng)用于雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，實現(xiàn)各種目標(biāo)數(shù)據(jù)處理、多雷達信號特征融合和外設(shè)通信等功能。
3.2 研究意義
與傳統(tǒng)的軟件無線電雷達技術(shù)相比，DSP的軟件系統(tǒng)下的無線電雷達技術(shù)的應(yīng)用使雷達系統(tǒng)在通用性、靈活性和兼容性方面更有優(yōu)勢，不僅適應(yīng)了新時代電子戰(zhàn)雷達系統(tǒng)的需要的高速實時數(shù)據(jù)處理功能，還大量避免了裝置閑置，節(jié)省了硬件成本，提高了雷達系統(tǒng)的運行效率。同時該技術(shù)也促進了系統(tǒng)的互聯(lián)和升級， 還能使雷達系統(tǒng)具有更好的抗干擾性和摧毀性、安全保密性，極有可能是雷達數(shù)字系統(tǒng)的突破性技術(shù)。
結(jié)束語：DSP的軟件系統(tǒng)下的無線電雷達技術(shù)在繼續(xù)研究的過程中，將會突破各種發(fā)展瓶頸，成為未來電子戰(zhàn)中雷達的“重磅科技”。
參考文獻：
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【關(guān)鍵詞】第三代；移動通信系統(tǒng)；軟件無線電技術(shù)
軟件無線電技術(shù)的核心是以硬件為無線通信的基本平臺，用軟件來實現(xiàn)無線通信功能。這就實現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)的通用性和靈活性，方便了系統(tǒng)的升級和互聯(lián)。該技術(shù)最早用于軍事方面，后來才擴展到無線移動通信領(lǐng)域。本文將研究無線電技術(shù)在第三代移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用。
一、第三代移動通信系統(tǒng)中的軟件無線電技術(shù)
（一）第三代移動通信系統(tǒng)
第三代移動通信系統(tǒng)最大的特點就是能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫覆蓋和漫游。 此外，還有以下幾個特點：能夠提供多媒體業(yè)務(wù)，能夠適應(yīng)多種業(yè)務(wù)環(huán)境如蜂窩、無繩、衛(wèi)星移動、PSTN、數(shù)據(jù)網(wǎng)、IP等，具有單一的通信號碼，能夠保證高質(zhì)量的服務(wù)、按需分配寬帶，有多頻多模通用手機，頻譜利用率高、容量大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能滿足使用有線和無線多種業(yè)務(wù)要求，系統(tǒng)起始配置能充分利用第二代設(shè)備和設(shè)施，隨后可平滑升級。
（二）軟件無線電技術(shù)在第三代移動通信中的應(yīng)用
1、軟件無線電技術(shù)為第三代移動通信手機和基站提供了一個開放的、模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2、軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)了智能天線結(jié)構(gòu)，空間特征矢量包括獲得DOA、計算每射頻通道權(quán)重和天線波束賦形。3、實現(xiàn)了各種信號處理軟件，包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件算法等。
二、軟件無線電技術(shù)在SCDMA中的功能
軟件無線電技術(shù)能夠提供一個開放的模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)智能天線，還能同步檢測、建立和保持。除此之外，軟件無線電軟件技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)用戶終端D―QPSK解調(diào)器中的載波恢復(fù)、頻率校準(zhǔn)和跟蹤，實現(xiàn)每碼道功率的測得和發(fā)射功率控制。軟件無線電軟件技術(shù)能夠接收通道的電平檢測和增益控制，擴頻調(diào)制和調(diào)節(jié)，包括WALSH碼和PN碼的產(chǎn)生。無線電技術(shù)還能進行語音編譯碼，產(chǎn)生和檢測DTMF、MFC及各種信號。信道編碼、復(fù)接和分接，發(fā)射脈沖成形濾波，SWAP信令的差錯檢測，接收信令的差錯檢測，發(fā)射通道的數(shù)字預(yù)失真，幾站收發(fā)信機的校準(zhǔn)。
三、第三代移動通信技術(shù)中軟件無線電的新進展
（一）體系結(jié)構(gòu)分層化與軟件模塊化
軟件無線電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是開放式的、模塊化的且可即插即用的。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在很大程度上增強了第三代移動通信系統(tǒng)的靈活性和重用性。第三代移動通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計按層級的方式來組織，并能在一定程度上減小軟件設(shè)計的復(fù)雜性。軟件無線電不僅在硬件方面需要模塊化，在軟件方面也要模塊化。缺乏標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用級的軟件到軟件的API與缺乏對存儲器、緩存空間與處理資源的量化。這使得軟件重用度低下，花費較大，且研制周期長，因此需要把軟件實用地分成模塊并清楚定義廣泛應(yīng)用的接口。
（二）軟件無線電結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)分析化
使用CORBA技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的模塊化，極大地提高了軟件的重用性。然而，缺乏數(shù)學(xué)分析對存儲器、緩存空間與處理資源的量化，就難以明確一個軟件模塊的數(shù)據(jù)吞吐、響應(yīng)時間及其它關(guān)鍵要求。當(dāng)重用自己軟件庫中或的軟件或者是第三方的軟件時，可能會使系統(tǒng)性能下降，甚至?xí)瓜到y(tǒng)崩潰。這就需要數(shù)學(xué)模型來刻劃快速涌現(xiàn)的技術(shù)。利用拓?fù)鋵W(xué)來研究軟件無線電結(jié)構(gòu)，能夠提高即插即用結(jié)構(gòu)的重用性。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性有一系列的設(shè)計原則，包括三個方面。首先，有界遞歸模塊。這樣的模塊消耗的資源是可預(yù)測的，即使發(fā)生軟件錯誤也不至于引起系統(tǒng)崩潰。其次，清楚可擴展的接口拓?fù)?。用拓?fù)淇臻g的基來定義軟件無線接口，并使用可擴展語言，如UML、SDL、IDL和ASN.1。最后是分布分層虛擬結(jié)構(gòu)，這樣可以最大的使用高一層或低一層的組件。建立數(shù)學(xué)模型，進行數(shù)學(xué)分析，能夠有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重用性。
（三）面向?qū)ο蠡?/p>
第三代移動通信系統(tǒng)的服務(wù)對象是個人，所以第三代移動通信系統(tǒng)中的軟件無線電技術(shù)應(yīng)該面向?qū)ο笤O(shè)計。面向?qū)ο笤O(shè)計是一種很有效的設(shè)計方法。軟件無線電活性強，對對象具有很強的選擇性。因此，軟件無線電功能的設(shè)計應(yīng)該面向?qū)ο蟆?/p>
（四）認(rèn)知化、智能化
認(rèn)知軟件無線電是指無線電內(nèi)部工作狀態(tài)是可知的，通過無線電知識描述語言與網(wǎng)絡(luò)，針對無線規(guī)則進行智能交流，并采用支持關(guān)于用戶需要的自動推理的方式。這樣能更好地為個人通信服務(wù)。無線規(guī)則是指一系列適合無線頻譜使用的射頻寬帶、空中接口、空間時間模式。認(rèn)知無線電軟件使無線電從預(yù)先定義協(xié)議目盲執(zhí)行者轉(zhuǎn)變成為無線電領(lǐng)域的智能。他能找出各種方式來提供各種用戶需要的服務(wù)，用戶甚至都不知道是如何得到的。
（五）計算機化
軟件無線電計算機化可以為第三代移動通信系統(tǒng)提供更強的靈活性、網(wǎng)絡(luò)性與良好的人機界面。計算機化是指軟件無線電需要與計算機技術(shù)相結(jié)合。目前軟件無線電與計算機結(jié)合體現(xiàn)在兩個方面，一是提供友好的人機對話界面，而是利用PC機進行第三代移動通信系統(tǒng)的基帶處理。
四、結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軟件無線電技術(shù)已從開始的軍事研究擴展到移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用。軟件無線電具有很大的潛力，它能創(chuàng)造出一個具有采用新標(biāo)準(zhǔn)、動態(tài)定義新軟件的無線通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。本文綜合講述了軟件無線電在第三代移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，歸納總結(jié)了軟件無線電體系的結(jié)構(gòu)。
參考文獻：
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