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软件无线电及其短波应用示例

2015-04-18   来源:互联网   点击:
1、 概述随着无线通信数字化和计算机应用进入无线电领域,一种新的无线通信体系结构——软件无线电,正受到国内外广泛重视,这是继模拟通信到数字通信、固定通信到移动通信的又一次重大变革。软件无线电SW
1、 概述
 
随着无线通信数字化和计算机应用进入无线电领域,一种新的无线通信体系结构——软件无线电,正受到国内外广泛重视,这是继模拟通信到数字通信、固定通信到移动通信的又一次重大变革。
 
软件无线电SWR 集无线电台和计算机于一体:采用标准的开放式总线结构,进行模块化设计;具有可编程功能、重组能力,实现多信道、多模式工作;使用宽带智能天线,具有多频段射频变换能力:能在不同无线信道之间、各种网络之间用作无线网关,并可灵活地扩展网络功能;适应不同无线电环境,具有传输安全和信息保密性。
 
SWR集中体现了无线通信宽带化、数字化、综合化、网络化、智能化的发展方向。SWR研究开发始于军事通信,美国防部为解决多种军用电台互通,1992年开发易通话SPEAKeasy 多频段、多功能电台,1999年完成四部样机,其功能可替代15种电台。军用无线电台主要特点是多频段、多信道、多模式、多调制方式、多编码方式、多业务和多协议,SWR通过软件编程,可灵活地更改功能和提升性能。1995年北美、欧洲将SWR技术用于通用移动通信系统UMTS ,提供高度灵活和自适应的传输方案,支持高达2Mbps各项业务,在GSM基站和各类手机进行开发应用。由我国提出的3GPP规范的TD—SCDMA 3G时分双工移动通信方案也基于SWR技术。
 
SWR频率覆盖21.5MHz一2GHz,此前大量的研究开发集中在30—400MHz频段,短波频段因其频率覆盖系数大15-20 ,造成射频处理特别是宽带天线技术难度大;信道存在频率选择性和时间选择性衰落、多径时延、频率拥挤、干扰大;传输频带窄、数据传输速率严格受限,因而短波频段成为实现SWR的瓶颈。本文在分析SWR含自适应智能天线 基本技术基础上,探讨短波SWR相关技术。
 
2 软件无线电技术
2.1 SWR概念
 
以硬件作为无线通信的基本平台,把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现。SWR工作原理与个人电脑十分相似,可使多个收发信机同时在一个硬件平台上运行,该平台相当子数字信号处理器DSP 利用指令,实现指定信号的带通滤波、自动增益控制AGC 、频率变换和调制解调,每种波形有自己的程序,贮存在机内存储器中,需要时输入信号处理器。
 
中频甚至射频数字化是实现SWR的先决条件,数字无线电采用专门的数字电路,实现单一的通信功能,而SWR以可编程能力强的DSP器件代替专用数字电路,使系统硬件结构与功能相对独立,基于一种相对通用硬件平台,通过软件实现不同通信功能。 目前SWR设计有两类:一是软件定义无线电SDR ,能控制和配置信号处理单元:一是SWR,由软件本身完成信号处理。
 
2.2 SRW结构
 
按处理功能区分,SWR结构包括信道处理、环境管理和软件工具(库)三大部分。SWR硬件结构的基础是采用尽可能靠近天线端的宽带模数或数模变换器ADCDAC 、微处理器和DSP。
 
信道处理包括从天线到用户终端所有处理,又可分成信道编解码和信源编解码两部分,各部分处理功能如下: 1 天线信号处理功能:射频信号方向选择、多径补偿、干扰抑制。
 
2 射频变换:中频射频信号变换成射频中频信号,产生功率输出。
 
3 中频处理:变换调制基带和中频之间发送接收信号,宽带ADDA变换。
 
4 基带处理:对数据信号进行调制解调。包括各种数字调制的算法如8psk、GMSK 和模拟基带调制如FM、SSB ,传输安全处理等。
 
5 比特流处理:通过多路复用器MUX 把多个用户的数据流合路分路,完成交错、分组、卷积等编码处理、信息加密处理:装入各种纠错码的编译码软件和各种密码算法软件。 6 信源处理:完成窄带话音AD或DA转换,通过编码算法软件对话音信号进行编译码处理。
 
环境管理使用频率、时间和空间连续表征无线电环境,充分利用数字化和射频信号中的大量信息,评估传输质量,分析信道特性,根据无线电环境的变化而自适应地配置收发信机的数据速率、调制方式、信道编码方式,调节信道频率、带宽以及无线接入方式。
 
2.3 软件分层通用模型
 
一般PC机软件有四层,应用程序、应用程序接口APl 、操作系统OS 和总线用驱动器、外围设备及其他硬件。SWR的应用程序是实现无线电通信功能的各种软件模块,如波形调制解调、信道编解码、保密算法、网络协议、机内测试等软件。应用程序接口形成一个公用装置,在应用程序和操作系统之间提供抽象电平,保证应用码的可移植性,将参数表变换格式,并在各层之间调用或按参数变量调用转译程序。操作系统管理、执行应用软件功能所需的处理过程、文件、资源和存储器,建立内部处理器间通信、任务仲裁、应用程序调用、完成启动、停机和其他"内务"工作——软件驱动程序器控制总线、硬件部件外围设备、视频显示器等。
 
2.4 软件功能模块的划分
 
SWR软件模块间的接口供数据流和控制流使用,其数据为通过软件电台的端到端用户信息,控制是软件电台应用的系统指令、参数和状态,供建立、管理、监控通信使用。该概念模型不表示物理硬件实现,目的是把同类功能划分为一个软件模块可分为若干子模块 ,各模块作用如下:
 
1 RF模块:RF软件控制内部RF硬件,完成已调数字波形与可传播的RF波形的相互变换、增益控制、调谐控制、功率设置等功能。
 
2 调制解调模块:通过DSP、现场可编程门阵列FPGA 实现信号处理功能;波形控制完成应用波形的建立和拆除,波形处理完成应用波形操作,包括ADC、调制解调、纠错、载波跟踪、交织、特定波形所需的数据成帧。 3 信息保密模块:包括传输保密保护波形扩展码 和通信保密 发送的信息 ,同一硬件处理器实现许多不同加密算法的软件可编程密码,其功能分为执行密码算法,管理算法和密钥。
 
4 网络化模块:传输成形数据的路由选择交换,不同协议或波形之间桥接转换信息 ,专用波形作网络化的消息链路处理,移动用户信息的移动性管理。
 
5 系统控制模块:用于发送接收的指令、状态和参数的控制信息,提供三类功能: ●资源管理:实现波形的初始化和配置,适用或处理加载应用软件,资源分配、保护、仲裁,用户授权和访问保护。
 
●处理过程管理:模块间处理过程中的通信,系统任务的同步,状态监控,机内测试。
 
●数据库管理:新软件下载和存储,文件存储、寻址、命名,访问控制和授权。此外,系统控制能实现具有自适应特性的智能无线电功能,包括信道可用性和利用评估、传输延时最小化、数据速率最大化、发射功率最小化等。
 
(6)人机接口模块:控制接口从用户收集指令和参数,把状态信息告知用户,数据I0包括键盘输入、字符图形输出。
 
3 自适应智能天线技术
 
3.1 工作原理
 
自适应智能天线技术是一种软件技术,是软件无线电技术的基础,使用自适应阵列信号处理软件,对所有用户无线信号进行高速时空处理,实时调整无线信号的传输。智能天线是一个天线阵列,一般使用4~16个天线阵元结构,阵元间距12波长,每个阵元有M个加权器,可以形成M个不同方向的波束,同一组天线阵元可以形成不同的天线辐射图,一种天线尺寸,可以建立一个基本的阵元结构。可变增益放大器VGA 通过调整增益的指令字驱动,可编程移相器进行相位调整,用DSP实现VGA和移相器,在振幅和相位上控制天线阵元激励以改变天线辐射图。
 
3.2 关键技术
 
自适应智能天线的核心在基带的数字处理部分,由数个软件功能模块组成。天线辐射图没有固定的形状,随着信号和干扰而变化,采用DSP技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。由于自适应天线能形成不同的天线辐射图,并可用软件设计完成自适应算法更新、自适应地调整辐射图,可在不改变系统硬件配置的前提下,增加系统灵活性,因此称为软件天线。自适应智能天线的关键是自适应算法;非盲算法借助参考信号导频序列/导频信道 的算法,算法处理时先确定信道响应,再按逼零准则确定加权值,或直接按一定准则逐渐调整权值。盲算法无需发送已知导频信号,收端自己估计发送的信号,并以此为参考信号进行上述处理。一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征,并调整权值,以使输出满足这种特性,将两者结合称为半盲算法,即先用非盲算法确定初始权值,再用盲算法进行跟踪和调整。此外通过时域获得天线最优加权算法有:最小均方算法(LMS)、取样协方差矩阵的直接求逆DMl 、递归最小均方误差RLS 算法、恒模(CM)算法;通过空域对频谱进行分析,以获得信号到达方位角DOA 估计的算法有:多信号分类法算法、旋转不变技术信号参数估计法算法等。
 
3.3 系统处理流程
 
自适应天线阵列系统持续监控其覆盖范围,针对不断变化的无线环境,系统提供有效的天线发送和接收模式跟踪用户信号,系统处理流程如下:
 
1 对来自所有天线中的信号进行取样,然后转换成数字形式,并存储下来。
 
2 处理器立即分析样本,对无线环境进行评估,确认用户干扰源及其所在位置。
 
3 处理器对天线信号的组合方式进行计算,最佳地恢复用户信号,以提高用户信号接收质量,屏蔽非用户信号和干扰。
 
4 系统进行模拟计算,使天线阵列有选择地向空间发射信号。 通过上述处理,系统便能在每条空间信道上发射和接收信号。
 
4 SWR在短波通信中的应用
 
4.1 短波通信技术体制
 
新一代短波通信立足于无线数据分组交换网络,在传统单边带SSB 传输体制基础上,吸取美军标一14lB核心技术,融合直接序列扩频DS 、低速语音压缩编码、变速跳频等先进技术,形成一种建链速度快、通信功能多、数据容量大、适应能力强的新技术体制。
 
自动链路建立ALE 和数据传输使用同类波形,协议、信令和用户数据以不同协议数据单元PDU 形式进行传输交换,数据波形加有探测报头、TLCAGC保护序列,经前向纠错FEC 、交织、正交符号形成、伪随机噪声PN 扩展、CRC计算一系列编码码型变换处理,然后以8PSK调制到1800HZ副载波上,以便在SSB信道上传输,收端将音频信号解调变换成数字信号,由数字信号处理平台进行处理。低速数据报以极低数据速率如7bps ,经DS扩频,使其扩展频谱限制在SSB传输带宽内,以保障恶劣电磁环境下可靠通信。呼叫信道和数传信道分离,保证快速连接和高效传输。
 
4.2 数字信号处理平台功能
 
1 自动通信控制功能:使用PDU和服务原语交换信息,ALE、自动链路选择和自动链路保持:根据用户选择的业务与信道干扰情况,自动选择最佳抗干扰方式:收方业务类型和网络参数自动跟踪发方,具有组网能力,自动选择路由。
 
2 中频数字化处理:宽带ADCDAC、可编程数字变频PDC 、DSP完成中频以下信号信息处理。
 
3 数字业务:数字话话音压缩编码 、数据流、数据报。
 
4 数字保护和数字保密:链路保护、对传输链路加密保护;对所传输的用户信息进行加密。
 
5 抗于扰功能:综合运用纠错编码、跳频、DS扩频、猝发、频率捷变、速率自适应、功率自适应多种抗干扰手段。
 
6 兼容老电台模拟定频跳频和自适应选频通信。
 
7 组网功能:以分布式自组织方式组网,具有自动中继功能的数据通信网,通过接口和无线信令实现与相关网系用户话音和数据通信。
 
8 外部控制与信息注入功能:通过数据口和数字处理平台进行遥控和数据交换,实现电台功能控制、网络参数注入、内部功能软件编程。
 
9 系统控制:处理来自各种接口的数据,完成多种算法:前向反向功率检测、电压、温度检测、加权计算,提供ALC;接收信号强度检测、AD分析处理,提供AGC;开机自动检测、人工随机检测、故障自动诊断、快速维修。
 
10 扩展功能:新业务扩展、快速跳频、网络控制与管理、与VHF、UHF、微波频段通信功能的融合。
 
实现以上功能需要相应的硬件功能模块,功能复杂的可以派生多个子模块,以构成数字处理共用平台。
 
4.3 软件模块划分
 
软件模块可划分为:自动通信控制软件包括链路建立管理、电路连接管理、业务管理TM 、高速数据链路协议HDL 、低速数据链路协议LDL  、RF控制模块、中频数字化软件、话音编码软件、调制解调软件、数字跳频控制软件、直接序列扩频软件、系统控制软件、信息加密算法软件、入机界面软件等。
 
5 结束语
 
SWR对大量多变的信息格式与传输技术进行综合和协调操作,彻底改变了无线通信设备的面貌:一台设备多个频段、多种模式、多个信道同时工作,使无线通信具有适应性、互连互通和互操作性;高度可编程性和现场可再编程,对扩展新业务、增加新功能和环境多变、任务多变提供了灵活性:开放式总线和模块化设计,使设备易于升级换代,方便使用维修。同一硬件平台,运行不同软件,可改变通信设备特性,兼容性好,使得设备体积、重量、功耗和造价大幅度下降,研制周期大大缩短。 目前SWR技术在各频段的应用取得了不同程度的研制成果,在充实和提高各频段成果的基础上,军用民用相结合,做好各频段信道处理的融合、电磁环境管理的综合、智能天线的组合、软件程序的整合,实现软件无线电跨越式发展。
 
摘自"通信世界报"2004年

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