浅析软件无线电中虚拟无线电技术

摘要：软件无线电是对传统无线电通信体系的一次重大改革。它摆脱了硬件体系结构的束缚，是解决不同通信体制之间互相操作问题和开展多种通信业务的最佳途径， 具有巨大的商业和军事价值。

虚拟无线电的概念是在Spectrum Ware项目的支持下提出来的。这个项目致力于建立一个理想化的无线电结构，充分利用工作站提供的资源。使这样一个无线电结构不尽能提供丰富功能，而且还能以与众不同的方式实现传统的功能，这样的一个理想话的无线电结构被称之为虚拟无线电结构。用两台 PC 机仿真 DRM 发射机，信道和 DRM 接收机。就可以实时地对语音进行录音、编码调制、发送及播放等，为我国的中短波数字调幅广播试验提供了一个很好的演示平台。

关键字：软件无线电；虚拟无线电；PC机仿真

1 软件无线电系统研究背景与现状

无线电通信在社会生活、经济发展和国防建设中发挥着极其重要的作用。近二十年来，随着微电子技术、计算机技术、VLSI技术和软件技术的飞速发展，无线电通信也经历了却日益增强；使用频段由低到高，调制方式由AM ， FM到数字调制：多址方式由FDMA到TDMA，CDMA；传递信息由电报、语音发展到数据和多媒体。无线电通信技术，尤其是移动通信技术的迅猛发展。早在70年代末英国的Romsey公司为了研究解决频谱拥挤问题的方法，制造了第一个军用“软件无线电”系统[2]。它工作在很低的频率，在中频对信号采样后送入8085处理器，用软件进行后续处理。受当时技术水平的限制，该系统结构复杂，造价昂贵，但它验证了直接对低载频信号进行采样的可行性。

软件无线电是对传统无线电通信体系结构的一次重大革新。它使通信系统摆脱了硬件结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，可以拓展多种服务。因此，软件无线电己成为解决不同体制之间互操作问题和开展多种业务的手段，具有巨大的商业和军事价值。目前以美国和西欧为主导的各国都在积极地致力于软件无线电技术的研究和系统的开发。

2 软件无线电模型

理想中的软件无线电平台要由几部分构成：RF模块与天线子系统AlD/A模块、由DSP芯片织成的高速处理模块。

软件无线电的基本思想是：直接对RF信号进行采样，通过加载软件模块来实现所需的功能，包括以前由专用硬件完成的信道检测、调制解调，以及编码解码等等。

3 DRM 系统的软件模拟

DRM 使用 COFDM 技术，是 OFDM 调制与信道编码的组合。所有的编码音频和相关数据，都均匀分配到多个相邻载波上，而所有载波都在分配的传输频道中。当前 30MHz 以下无线电广播频道带宽为 9/10kHz。DRM 系统可用于：1标准带宽，以满足当前规划的情况；2半带宽（4.5/5kHz），允许与模拟调幅信号联播；3双倍带宽（18/20kHz），在频率规划允许时可提供更大的传输容量。

系统的输入基本上可分为音频/数据信号和信息数据信号两大类，各有其不同的用途，所以在信号处理上略有不同，应该根据信号和节目材料的类型，选择适合的编码参数，才能达到数字 DRM 系统的信号质量。主业务信道最终要加到信道编码器中，其形成过程简述如下只能传送一套节目的单一性。

DRM 系统采用 COFDM 方案，其发射机是将语音和数据信息通过信源编码变为数字信号，然后通过信道编码有选择地加入冗余保护，再通过 OFDM 调制、上变频后发送到 DRM 广播的 MW/SW 频段。

DRM 接收机将接收信号下变频为中频信号，再进行同步、信道估计、信道解码、信源解码后得到原来的语音和数据信息。

4 DRM 系统的关键技术

信源编码主要解决数据存储、交换和传输的有效性问题，即通过对信源数据率的压缩，力求用最少的数码传递最大的信息量。

DRM 系统中应用了 SBR（频带恢复）技术，它是一种在低比特率下获得完全音频带宽的音频编码增强方法，可与 AAC 和 CELP 联合应用，构成目前能力最强的压缩方法。使用 SBR 的目的是重建音频信号中被编码器丢失的高音段。为了更好地实现这个目的，需要在音频比特流中传送某些边信息。SBR 可以将普通低比特率编解码系统带宽提高到等于或大于模拟 FM 音频带宽（15kHz）。在语音编码时，SBR 还可以提升窄带语音编解码系统性能，给播音员提供 12kHz 的音频带宽，用于多语言广播等。由于多数语音编解码系统都是窄带的，SBR 的重要作用不仅在于提高音质，而且可用于提升语音的清晰度和语音的可懂度。

OFDM 技术对频率偏移非常敏感，这种频率偏移是由于信道的多普勒频移和振荡器的不稳定，破坏了接收端各子载波间的正交性。频率偏移会造成 ICI，而采样时刻不准确的后果是 ISI，严重时接收机将完全不能识别调制在原信号中的信息。OFDM 系统对时域偏差的敏感性要比单载波系统好一些，但是，频域上频率的很小偏移却会产生很大的误码率，因此，如何精确估计频偏非常重要可以人为在发送端加一些辅助序列，使得接收端能够基于最大似然法正确估计时域偏移和频域偏移。

5 DRM 系统的虚拟无线电仿真

1992年5月，美国Mitre公司提出了软件无线电的概念，即由硬件作为无线电通信的基本平台，而把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现。软件无线电系统具有结构通用化、功能灵活、系统改进和升级方便，以及可对不同无线电系统进行互操作的优点，其优势主要体现在以下几点：

1.系统结构可实现通用，功能实现灵活，系统的改进和升级很方便；

2. 提供不同系统互操作的可能性；

3. 系统采用模块化设计思想，模块具有很强的通用性，能在不同系统间复用；

4. 一般而言软件开发周期较短，能快速跟踪市场变化，成本也会降低。

总之，本章在前面研究的基础上，根据 DRM 标准，开发出了 DRM 系统虚拟无线电中频仿真软件，将DRM的COFDM基带信号调制到中频上，为DAMB发射机和接收机的实体设计，提供了一个很好的仿真与测试平台。

软件无线电是对传统无线电通信体系结构的一次重大革新。它摆脱了硬件体系结构的束缚，是解决不同通信体制之间互操作问题和开展多种业务的最佳途径，具有巨大的商业和军事价值。开发虚拟无线电系统可以快速建立软件无线电原型系统，促进对软件无线电体系结构的深入研究，因而具有理论和实践上的双重意义。

参考文献

[1]樊昌信等，通信原理，第4版，国防工业出版社，2001年3月

[2]李栋，DRM 接收机技术，广播和电视技术，2003 年第 9 期

[3]郑蜀光，DRM 技术介绍，广播和电视技术，2003 年第 5 期

[4]罗琳、吴乐南，基于虚拟无线电平台的AM广播接收系统，电子技术应用，1999年10期

[5]束峰等，正交频分复用通信系统的联合同步算法，应用科学学报，20014年第 4 期

[6]马玉松等，虚拟无线电，天津通信技术，2000 年第 2 期

[7]束峰等，OFDM 通信系统中的一种通用的信道估计模型，电路与系统学报，2004年