第１６期 ２０１７年８月 无线互联科技 Ｗｉｒｅｌｅｓ ｓ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎ０．１６ ＡｕｇＵ Ｓｔ，２０１７ 软件无线电中的数字信号处理技术研究 宋 飞 （西安航空学院，陕西 西安７１００７７） 摘 要：软件无线电是近几年来颇受关注的一种无线通信体系结构，由于软件无线电技术的灵活性，其被广泛应用于无线电领 域。文章主要介绍了软件无线电中的数字信号处理技术。 关键词：软件无线电；Ａ／Ｄ变换；ＤＳＰ；数字信号处理 无线电通信技术在军事领域中占有重要地位，无线电 ２ 软件无线电数字信号处理技术 通信装备具有较强的机动灵活性、抗毁性。但在长期的发 ２．１数字信号处理的作用 展过程中也存着许多问题，如：无线频带越来越拥挤、互 数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进 联困难、通信系统的抗干扰能力需要增强等，这些弊端严 行测量或滤波，因此在进行数字信号处理之前需要将信号 重影响了无线电技术的发展，软件无线电技术逐渐进入人 从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现，而 们的视野。 数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数 １ 软件无线电及数字信号处理 软件无线电系统就是通过无线电技术的硬件作为平台， 模转换器实现的，数字信号处理的算法需要利用计算机或 专用处理设备如ＤＳＰ和专用集成电路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ 将无线及个人通信通过软件进行实现。通过这样的新系统， Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ，ＡＳＩＣ）等。数字信号处理技术及设备具 新产品的开发逐渐发展到软件上来，无线产品的通信关键逐 有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突 渐转到软件上来。无线电技术从固定到移动、模拟到数字的 出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的数 两次技术，这是继两次技术后的第三次。软件 无线电技术的核心领域是将数字模拟通过软件技术来实现 无线通信技术，要想实现无线电功能的软件化需要将复杂、 笨拙的原有技术，转化为单一、灵活的硬件电路。软件无线 字信号处理的核心算法，离散傅里叶变换（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＤＦＴ）使信号在数字域和频域都实现了离散 化，从而可以用通用计算机处理离散信号，而使数字信号 处理从理论走向实用的是ＦＦＴ，ＦＦＴ的出现大大减少了ＤＦＴ 电的通信结构特别注重其可编程性、开放性等特点，通过软 的运算量，使实时的数字信号处理成为可能，极大地促进 件创新硬件配置结构实现新的功能。软件无线电通信技术 了该学科的发展。 主要将Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ变换器，最大限度地向射频段聚集，根据目 ２．２软件无线电对ＤＳＰｆｉ￣要求 前现有的技术手段，应当使用宽带或多频段天线，把多频段 应用于Ａ／Ｄ的转换。 通过通信频段、调制方式、抗干扰模式等集成了软件无 线电的组网模式，在实际应用过程中，增强了通信能力。理 想的软件无线电组成结构大致为：信息数据通过窄带Ａ／Ｄ或 者Ｄ／Ａ转换器的处理后进入数字信号处理器（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ＤＳＰ）等处理软件进行进一步处理，再由窄带Ａ／Ｄ 或者Ｄ／Ａ转换器进行还原性质的转换，最后通过射频前端模 块进行工作。 数字信号处理技术是软件无线电通信系统的基础。目前 尽管低功耗、超强功能的数字信号处理器发展迅速，但数字 信号处理器在速度、功耗上的现状仍然是制约软件无线电 发展的关键因素之一。数字信号处理的另一研究内容就是软 件，软件是软件无线电技术的核心。目前数字信号处理器不 能满足软件无线电设计要求的情况下，开发数字信号处理软 件应是软件无线电技术的主攻方向，这其中包括各种快速傅 里叶变换（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）算法，调制解调、 信源编码、信道编码等各种通信软件，也包括方式控制、信 号控制和数据交换软件。 现有的软件无线电通信技术与以往的普通数组处理信 号技术有所不同，现有的软件无线电技术要求整个波段进行 数字化处理，当使用到中频处理、基带、比特流等其他功能 时，都需要通过软件进行处理。对于控制信号等，需要ＤＳＰ 按照最快的速度对其进行处理、运算，对硬件设备的要求很 高，按照目前现有的技术水平还达不到需求，需要通过其他 方法实现。 在窄带Ａ／Ｄ完成工作后就是直接数字控制（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＤＣ）的处理，对变频、滤波、二次采样过程都要通 过数字化进行实现，这种情况下可以通过采用两个ＤＳＰ进行 协同处理工作，将专门的可编程芯片来作ＤＤＣ的工作。 在现有的技术水平上可以将处理器（Ｃｅｎｔ ｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ，ＣＰＵ）与ＤＳＰ集成在同一个芯片上，如果系 统进行实时工作，就需要更快的数据存取技术，在此情况下 又不得不考虑成本的要求。 在经过ＤＤＣ后，可以用高速ＤＳＰ进行基带处理、比特 流、信源编码等功能。对基带处理的基本要求是进行调制解 调、扩频解扩以及信道带宽的自适应能力的处理，实现数据 的转换，此时需要每秒达到几十兆甚至几百兆次操作处理； 作者简介：宋飞（１９８１一），男，陕西西安人，硕士；研究方向：通信系统，数字信号处理。 ２２— 第１６期 ２０１７年８月 Ｎ０．１６ 无线互联科技・无线天地 ＡｕｇｕＳｔ，２０１７ 采样所需的速率不高，所以对这种窄带信号的采样数据流进 加密等功能；语音、图像的编解码算法主要通过信源编码部 行降速处理是完全能够实现的。分进行处理，此时每路信道也需要几十兆的处理能力。现有 ３ 软件无线电处理平台 的ＤＳＰ在结构上采用了哈佛结构、专用的硬件乘法器、流水 一比特流主要对信道进行编码，复制或者交换、信令、控制、 个可靠性高、通用性好而且具有灵活性的宽带无线电 线操作、特殊ＤＳＰ｝￣令以及哈佛结构等措施对提高处理速 处理平台，是实现软件无线电通信的重要基础。在进行软件 度，如果需要更加高速的处理速度，可以使用先进的共享储 无线电平台设计时，应当将先进的路由技术与ＤＳＰ技术的设 存器方式进行并行处理。 计过程加入到软件无线电处理平台的设计当中，在进行工作 ２＿３ Ａ／Ｄ转换及数据采样技术 时，高速度的转接单元应当允许数字信号与ＤＳＰ有较多的对 软件无线电接收的射频信号经过射频前端处理过后， 应关系，这种情况下可以将多个通道的信息数据进行有效集 变成宽带中频信号，但是由于现有的技术水平条件达不到需 合后送入＿个处理器进行处理。同时也能够将一个通道的数 求，仅仅通过中频对模拟射频信号进行量化操作。采样速率 据发送到多个处理器进行处理，这样可以保证传输、接收信 和位数是Ａ／Ｄ的主要工作要求，信号带宽决定着采样速率， 号的路由可以随意变换使用，这就要求相关设计人员在同一 采样速率需要达到带宽的两倍，在进行实际应用过程中，采 个平台上更加方便灵活设计出符合各种通信规程协议和多 样速率要大于带宽的两倍多，在进行处理时还要考虑到采样 种工作波形的通信系统。 后对数据精度的要求。对于无线电技术中的Ａ／Ｄ转换器，要 ４ 数字中频处理的必要性 在进行Ａ／Ｄ采样后的数据流量可以达到８０ Ｍ・Ｓ～，当直 求其具有高抽样率和性能，例如ＡＤ公司所出产的ＡＤ６６４０ 可将输入的模拟中频信号进行高速处理，这款转换器是单片 接进入ＤＳＰ进行处理时会导致ＤＳＰ芯片与Ｉ／Ｏ瓶颈问题以及 结构的１２位Ａ／Ｄ转换器，内部含有采样。在软件无线电技术 ＤＳＰ的运算资源受到，直接运用ＤＳＰ进行滤波、调制解 中，为了保证无线电对数据采集模块的需求，要求对数据采 调、信道编码与解码、信息加密等各种处理时，所需要的运 集性能进行进一步提高，在原有的数据采集技术上进行创 算量比较大，以中频处理的复杂度为例，当从高速数据信号 中获得有用的窄带信号，按照正常的实际算法，需要对每个 新技术或应用新技术。 采样点进行１００次的运算。这样可以采用可编程性高的数字 ２．４正交采样技术 在正交采样技术中，需要将数字化信号分成两个分量。 过滤器，对高速数据流进行中频滤波处理，把高速数据流降 形成与原信号相同的信号时需要将其中一个分量乘以正弦 为低速数据流，大大减少后续处理。 波，下变频到零中心频率上，另一个分量则需要乘以９０度相 ５ 结语 无线电通信技术在军事通信中占有重要地位，软件无线 移的正弦波。通过这些可以看出正交采样技术可以减少对采 电技术的提出与实现对其通信提供了很大的帮助，标志着这 样率的要求，同时也增加了采样负担。 ２．５多采样数字信号处理技术 软件通信技术从硬件到软件的飞跃。软件无线电是现代无线 ＭＲＤＳＰ的主要问题是需要设计一个科学有效的数字系 电通信技术的发展方向，可以灵活地改变频率实现通信，改 统，这样可以让数字信号的采样率得到提高。从现代通信的 变调制方式和接受类型不同的信号以便于适应各种协议，可 软件无线电通信技术的要求来看，带通的采样带宽应当越宽 以通过运用一种硬件实现不同性质通信的功能，这种软件通 越好，这样可以更好地适应对不同信号的处理，通过提高采 信方式可以安装到各种移动设备中，将各种功能进行综合， 样率，还能够更加有利于提高采样量化的信噪比。在软件无 不仅能够完成现有的通信，还可以进行卫星链接等其他方 线电系统中，应当选择更高速率的带通采样速率设备技术。 式的互联，伴随着计算机技术、智能天线技术的不断创新与 对于上述实时系统的运行无法实现。对于一个实际的无线电 发展，软件无线电通信技术必将成为无线电发展技术的主 信号带宽一般为几十千赫兹或者几百千赫兹，实际对单信号 流，数字信号技术也将会使创新的重要环节。 ［参考文献】 ［１］夏牧．数字信号处理技术在软件无线电中的应用［Ｊ］．数字通信，２０１２（４）：４６—４９． ［２］程水英，陈鹏举，武传华，等多采样率数字信号处理及其在软件无线电中的硬件实现［Ｊ】．电子工程师，２０１１（１０）：５３—５６ ［３］李强．软件无线电中的数字信号处理技术［Ｊ］．现代电子技术，２０１１（１１）：３３—３５． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ ＳｏｎｇＦｅｉ （Ｘｉ’ａｎ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７７ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐａｉｄ ｃｌｏｓｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｉｔ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｄｉｏ ｆｉｅｌｄ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ；Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ２３—
