软件无线电系统(software Defined Radio) 是指用软件控制、数字信号处理的方式，来完成传统模拟无线电功能的系统。随着电子技术的迅猛发展，无线电通信经历了模拟体制，数字体制，正朝着软件无线电的方向发展。软件无线电是90年代为了解决美国军方各种通信的互连互通，使军种、兵种之间实现抗干扰、高保密的要求而出现的，其核心是尽量使A/D和D/A变换模块靠近天线，在构筑一个开放性的、模块化的硬件平台的基础上，通过软件来实现各种功能。
　　由于软件无线电省去了大量的模拟电路，所以它可以使通信设备的性能提高，体积，重量和成本等大大降低。同时利用软件编程实现的各种功能使得通信设备更加灵活。并可以在后续的运行中不断增加新的功能。
　　软件无线电的应用领域包括：
　　* 军用通信 * 三代蜂窝基站
　　* 卫星地面站 * 无线测试和测量
　　* 扩频通信 * 智慧天线

1 软件无线电原理概述
　　软件无线电摆脱了面向某种或几种用途的设计思想，通过模块化、标准化的通用硬件设计，把通信功能从完全依赖于硬件的状态下解放出来。对于软件无线电系统，理论上应该是在系统中除了天线，高频放大，喇叭，ADC/DAC以及相应的滤波电路（抗混叠滤波以及波形滤波器）以外，完全由数字信号处理的形式完成。在目前的大部分系统中，接收端从天线上下来的信号需要经过模拟下变频滤波至中频70MHz或者更低，然后采用65MHz/70MHz的采样率进行A/D变换，再由数字下变频模块（Digital Down Conversion）将数字化的中频信号下变频至基带。数字下变频的方法一般是与本地的数控正交振荡器混频，得到I&Q正交信号，然后在数字信号内，进行多次滤波，抽样等处理。之后还可以根据需要进行相应的编码解码处理，还原出相应的原始信号，送给显示、记录等模块。
　　一个典型的软件无线电系统框图如图1所示。

　　　　　　　图1 ＳＤＲ系统的原理框图
　　* 天线
　　软件无线电的天线要求能够覆盖多个频段，并且每个频段性能相近，要求天线结构灵巧，性能良好，以便设备能有效的接受各种频段的信号。
　　* 射频放大
　　主要是实现前置放大，射频到中频或中频到射频的转换放大等功能。射频变换后输出的信号应该和宽带A/D变换器相匹配。
　　* 抗混叠滤波器
　　根据Nyquist 定理，输入ADC的信号带宽要低于采样频率的1/2或1/4，所以ADC之前要进行抗混叠滤波。对于欠采样A/D变换，要经过滤波，使输入信号满足欠采样定律的要求。
　　* A/D变换器
　　A/D变换主要是将中频信号(一般是载波为10～30MHz的调制信号)实时的进行采样，变换成数字信号。
　　* 数字下变频器
　　数字下变频模块主要是采用数字信号处理技术，完成与本地数控正交振荡器的混频。对于A/D变换得到的大量的数字信号数据，需要采用快速的数字信号处理算法进行处理，由于采用数字式直接频率合成器，所以输出信号频率非常精确，可以将频率信号直接混频下变频至基带，其频率变化非常方便，从DC到FS/2可以连续变化，一般步进分辨率32bit，频率步进量远低于1Hz;另外，数字下变频器输出信号非常精确，不仅在构成正交信号源时可以保障严格的90度相位差，而且在一些跳频应用中可以做到在跳频点相位连续变化。
　　另外，一般的数字下变频模块会完成一些基本的数字滤波功能，然后将良好的数据流送给数字信号处理板。
　　对于一个典型的中频信号，调制信号为10kHz，幅度为1.0V，载波信号为10MHz，那么经过调制后的信号在频域的时序如图2中的Original Signals所示。经过数字下变频模块（DDC）后，解调出10kHz的基带信号，此时在频域中基带信号从中频10MHz移到坐标轴原点。在进行基带的数字信号处理完成后，采用数字上变频模块将基带信号重新变频到中频区域，然后进行D/A变换，回送给模拟设备。
　　* 数字信号处理板
　　数字信号处理板是软件无线电的核心，一般采用通用DSP芯片，如TI公司的TMS320C620X（定点）及C670X（浮点），或者AD公司的ADSP-2106X SHARC DSP等来完成。在数字信号处理部分，一般需要完成数据流的编码，解码，加密解密，各种通信信号的分析，调制解调等大量复杂的工作。数字信号处理板的数据来源一般通过前面板的FPDP传输得到，FPDP是Front Port Data Port的缩写，它是一个跨平台的32位同步数据流通信标准，其最高传输速率可以达到持续的160MB/s。
　　* D/A变换器
完成数字信号处理之后，由D/A变换器将数字信号变成模拟信号回送给模拟器件，如扬声器，录音设备及模拟监视器等。
　　* 如果处理完的数字信号要再次发射出去，则还要增加数字上变频模块（Digital Up Conversion ）以及中频D/A变换模块，然后进行射频调制以及滤波等处理等，再通过天线发射出去。 图２ 上变频模块和下变频谱图

2 兴夏公司的软件无线电系统介绍
　　兴夏机电设备（北京）有限公司长期从事数字无线电产品的跟踪，研究，系统集成以及相应软件硬件的开发工作，对国内外主要数字无线电产品有很深的了解，以下介绍基于加拿大Spectrum Signal Processing公司的Monaco SDR软件无线电系统方案。如图3所示。
　　　　　　 图3 基于Spectrum Signal Processing公司产品的无线电系统解决方案

　　本方案采用Spectrum公司的Monaco67作为DSP处理板，采用Spectrum公司的PMC-MAI数据采集卡完成中频A/D变换功能，采用Spectrum公司的PEM-4PDC可编程数字下变频模块完成数字调谐，同时4路输出，供DSP在基带处理。
　　系统的各个组成部分如下：
　　（1） Monaco－C67 数字信号处理板
　　Monaco－C67是一个VME64总线的数字信号处理板，含有4片TMS320C6701浮点数字信号处理器。运算速度可以达到4GFLOPS。通过hurricane 的PCI桥片，可以在PCI总线和共享内存之间完成132MB/s的持续数据传输。通过PEM接口（Processor Expansion Module ）本板可以提供400MB/s的I/O带宽。可以用来进行扣接PEM子卡或I/O扩展。
　　（2）PMC-MAI 65MHz Sample/s 模拟输入PMC接口A/D变换模块。PMC-MAI有一个IF输入端子，可以通过跳线选择是外接同步时钟还是采用内部65MHz同步时钟。数字化完成的数字信号可以通过一个串行最高1.3Gb/s的接口标准GLINK同时送给6个数字下变频模块进行数字信号处理。它可以完成0～30MHz范围内中频信号的数字解调。采样分辨率12bit，数字信号的SFDR（Spurious -Free dynamic Range）可以达到62dB。可以和Spectrum公司的PEM-2PDC以及PEM-4PDC数字新变频模块相连。
　　本模块通过PMC接口和Monaco67数字信号处理板连接。
　　（3）PEM-4PDC 4路可编程数字下变频模块
　　PEM-4PDC模含有4个65MHz（65MS/s）的可编程下变频模块，同时内置AM，FM，FSK以及DPSK解调模块。配合DSP处理，PEM-4PDC在通过PEM接口和DSP相连之前，有4个2K×32bit的FIFO。两个Glink输入口，用来接收A/D变换的数据。每个PDC模块可以选择从两个GLINK接口接收数据。支持C6201、C6701 VME以及CPCI接口。
本模块通过PEM接口总线和Monaco67 数字信号处理板相连接。
　　（4）对于A/D变换之前的射频Front-End处理模块或子系统，一般采用英国宇航局 (BAE W-J分部) 的相应产品完成,如： WJ-9104 全相参多通道RF－IF接收机。
　　（5）D/A变换模块。由DSP处理后的基带信号，直接经过DA变换，送给模拟器件显示，记录等。
　　（6）主控板
　　主控板采用SBS公司的VP7主板完成。VME64总线，CPU采用Pentium III 850MHz，可以运行在Windows NT，Windows 2000/98，QNX，VxWorks，LynxOS，Linux，以及MS-DOS等操作系统之上。最高可以配置512MB的SDRAM，同时支持最多512MB的FLASH，并可以支持2.5G的硬盘。支持VGA/LCD显示器，并提供Ethernet，SCSI，Enhanced IDE总线接口，以及PMC标准扩展槽。提供4个串口（RS232或RS422）接口，以及2个标准并行接口，提供2个USB接口，以及看门狗，无屏蔽中断以及温度传感器等功能。在VME机箱中，主控板占据两个槽位。
　　（7）VME机箱
　　机箱采用Elma 的便携式机箱，根据用户不通的要求，可以提供5～21槽的商用或军用加固机箱。
　　本系统支持Solaris，VxWorks，以及Windows NT操作系统，用户可以在Sun''s SparcWorks C for Solaris，Tornado for VxWorks，Visual C++ 以及Visual Basic for Windows NT 环境下编程。同时，本系统提供和操作系统无关的C函数库，用来完成DSP通信，以及DSP代码的下载，数据传输，以及中断处理等。在本系统上，用户可以采用MathWorks''s Matlab等工具完成复杂的算法处理。同时，Monaco－C67提供BSP软件包，从而屏蔽了复杂的板级任务，如VME总线管理及VME中断产生等。
　　本系统的特点：
　　1) 使用灵活
　　由于软件无线电是对射频（中频）信号进行采样，通过软件编程的方法来实现数字滤波，数字混频，调制解调，差错编码，加密解密，模式识别等功能，所以使用十分灵活。增加新的功能只需要增加一个软件模块即可。一旦出现新的算法，可以通过修改软件使性能得到进一步的改善。
　　2) 得益于当今最新的DSP系统极高的处理能力，每片DSP可处理多个通道，使得每个通道的处理成本大大降低。
　　3) 软件/硬件升级容易
　　软件无线电的硬件平台采用了模块化，标准化的处理方式，所以系统升级非常容易，例如，如果需要改变通信协议或增加一个新的功能，只需遥控下载一个新的软件即可，这使得系统的维护升级工作大为简化，增加一个功能只需极低的代价即可完成。硬件升级也很容易，在不改变原设备的情况下，只要将新的板卡插入机箱即可，大大降低了扩容成本，减少了停机的时间以及系统升级带来的风险。
　　4）使产品快速上市
　　采用Spectrum Signal公司的系列产品组成的无线电系统，无线电系统设计人员可以把工作重点放在算法和协议上，而不是通用性的硬件上，这大大加快了开发过程。同时，Spectrum 公司提供丰富的数字信号处理库函数以及原代码，用户可以很方便的调用。如FFT运算，数字滤波等。
（未完待续）