軟件無線電的概念

　　所謂軟件無線電（Software Defined Radio，簡稱SDR），就是采用數字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現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、基帶直到控制協議部分全部由軟件編程來完成。 其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數字/模擬”轉換器，盡早地完成信號的數字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現。總 之，軟件無線電是一種基于數字信號處理（DSP）芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構。

　　它和TD-SCDMA的關系：TD-SCDMA由于其中包括智能天線（Smart Antenna）、同步CDMA（Synchronous CDMA）、軟件無線電（Software）三項技術，且第一個字母都是S，因而被命名為“ SCDMA ”，這些都成為了TD-SCMA的技術基礎。

　　軟件無線電的關鍵技術

　　軟件無線電技術是軟件化、計算密集型的操作形式。它與數字和模擬信號之間的轉換、計算速度、運算量、存儲量、數據處理方式等問題息息相關，這些技術決定著軟件無線電技術的發展程度和進展速度。寬帶/多頻段天線、A/D/A轉換器件、DSP

　　（數字信號處理器）技術及實時操作系統是軟件無線電的關鍵技術。

　　軟件無線電技術的應用

　　軟件無線電技術廣泛應用于無線電通信領域。具體如下：

　　蜂窩移動通信系統

　　在蜂窩移動通信系統中，基站和移動終端采用軟件無線電結構，硬件簡單，功能由軟件定義。射頻頻段、信道訪問模式及信道調制都可編程。在此系統中，軟件無線 電的發射與其它系統不同，它先劃分可用的傳輸信道，探測傳播路徑，進行適合信道的調制，電子控制發射波束指向正確的方向，選擇合適的功率，然后再發射。接 收也同樣如此，它能劃分當前信道和相鄰信道的能量分布，識別輸入傳輸信號的模式，自適應抵消干擾，估計所需信號多徑的動態特征，對多徑的所需信號進行相干 合并和自適應均衡，對信道調制進行柵格譯碼，然后通過FEC譯碼糾正剩余錯誤，盡可能降低誤比特率。此外，軟件無線電能通過許多軟件工具增加增值業務。這 些軟件工具能幫助分析無線電環境，定義所需的增加內容，在無線環境下，測試由軟件開發增值業務的樣板，最后再通過軟件或硬件開放該增值業務。

　　智能天線

　　智能天線最初用于雷達、聲納及軍事通信領域，由于價格等因素，一直未能普及到其它通信領域。近年來，數字信號處理技術迅速發展，數字信號處理芯片的處理能 力不斷提高，芯片價格已可接受。同時，利用數字技術可在基帶形成天線波束，取代了模擬電路，提高了天線系統的可靠性和靈活程度。在我國的TD-CDMA方 案中，基站采用智能天線技術，利用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，形成天線主波束。

　　引入空分多址（SDMA）方式后，根據用戶信號不同的空間傳播方向，提供不同的空間信道。采用數字方法對陣元接收信號加權處理，形成無線波束，使主波束對準用戶信號方向，干擾信號方向形成天線方向零缺陷或較低的功率增益，達到抑制干擾目的。 使用智能無線的優勢在于：（1）無線波束賦形的結果等效于提高天線的增益；（2）天線波束賦形后，可大大減少多徑干擾；（3）信號到達方向（DOA）提供 了用戶終端的方位信息，用于實現用戶定位；（4）用多個小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了設備可靠性。

　　多頻多模手機

　　在歐洲的ACTS FIRST項目中，將軟件無線電技術應用于設計多頻/多模（可兼容GSM、 DCS1800 、 WCDMA 及現有的大多數模擬體制）可編程手機。它可自動檢測接收信號，接入不同的網絡，而且能滿足不同接續時間的要求。軟件無線電技術可用不同軟件實現不同無線電 設備的各種功能，可任意改變信道接入方式或調制方式，利用不同軟件即可適應不同標準，構成多模手機和多功能基站，具有高度的靈活性。

　　它的出現，使通信的發展經歷了由固定到移動，由模擬到數字，由硬件到軟件的三次變革。軟件無線電技術正越來越廣泛應用于移動通信領域，在第二代移動通信系統向第三代移動通信系統過渡過程中，軟件無線電技術將發揮重要作用。

　　衛星通信

　　在當今通信領域中，衛星通信是最重要的通信方式之一。但是，由于目前衛星通信系統設備種類繁多，設備管理和維護工作復雜，使得衛星通信系統更新換代周期 長，不能很好地適應現代高科技的發展步伐。而軟件無線電以其軟件定義功能和開放式模塊化結構的技術思想能很好地解決衛星通信系統存在的問題，因此，研究具 有軟件無線電特征的衛星通信系統是很有意義的。

　　在衛星通信系統中，系統功能主要指多址方式、網絡結構、組網協議和通信業務等；而設備功能指接口標準、調制解調方式、信道編碼方式、信源編碼方式、信息速 率、復用方式等。軟件無線電技術思想就是采用先進的技術手段，使得上述功能可以用軟件來定義。通過友好的人機界面，人們可以在不改變硬件設備的情況下實時 地改變通信系統的功能，從而使該系統能適應各種應用環境，因而具有很強的適用性和靈活性。 考慮到衛星通信頻帶寬，信息速率高且變化范圍大的特點，在目前的計算機技術水平上，如果設備功能全由軟件來實現，由于軟件的逐條運行指令的特點，即使采用多處理器來協同運算，也無法實現高信息速率下的實時處理，使其在衛星通信中的使用范圍受到了限制。

　　綜合上面的分析，可采用下面的設計思想是在衛星通信系統中應用軟件無線電思想的一種切實可行的方案。

　　1. 設備進行模塊化設計，各模塊分別提供具有控制功能的軟件接口。

　　2. 在各模塊的設計上采用軟硬件結合方式，合理配置軟硬件負載，盡量多設計智能化的硬件子模塊（如數字上/下變頻器、可編程數字濾波器等）和采用商品化的可編程專用芯片（如 Viterbi 譯碼器、DDS等），以減少軟件負擔。

　　軟件無線電技術的發展

　　軟件定義無線電（SDR）不是新技術，已為很多的無線設備（除了制造低成本基于ASIC的低功耗設備，如智能手機和平板電腦）廣泛所采用。物聯網、5G等網絡的發展會給SDR帶來新的發展空間。自SDR首次提出以來已有30多年了，下面簡單介紹下在SDR三十年演進歷史中的主要事件。

　　1984年 E-System創造出“軟件無線電”術語

　　E-Systems，就是現在的雷神，在一份公司的新聞稿里創造了“軟件無線電”一詞。它提到了一個數字基帶接收機原型，配備了處理器陣列，處理寬帶信號的干擾消除和解調的自適應濾波。

　　1991 SPEAKeasy

　　第一個軍事計劃是DARPA的SPEAKeasy，專門要求用軟件來實現物理層組件的無線電功能。最初美國空軍的首要目標是單臺無線電可以支持十種不同的軍用無線電協議并工作在2MHz和2GHz之間任意頻率。第二個目標是并入新協議和調制的能力，從而可以適應未來的無線電硬件。從DARPA的描述來看，“SPEAKeasy是企圖創建無線電世界的PC”。

　　1992 Joseph Mitola在IEEE發表了軟件無線電論文

　　Joe Mitola在1992年 IEEE 美國電信系統會議 （National Telesystems Conference）上發表了關于軟件無線電的論文 - “Software Radio： Survey， Critical Analysis and Future Directions”。許多人將其稱為軟件無線電教父，Miltola也被認為創造了”軟件無線電“一詞的人，盡管E-Systems先用了。 E-Systems原型機僅僅是一個接收機，因此不是一個完整無線電。后來，1998年Mitola又提出了“認知無線電”概念，無線電可以意識到其頻譜環境，并根據需要智能適應。

　　1996 SDR論壇創立

　　1996年，致力于SDR的第一個行業協會成立 - “模塊化多功能信息傳輸系統（MMITS，The Modular Multifunction Information Transfer System）論壇”。1998年變成了SDR論壇，在2010年又成為了無線創新論壇。 論壇由來自政府、行業和學術界的人員和組織組成，推進發展SDR相關技術為目標。 它組建了多個工作組和委員會，以激勵和引導創新和標準。

　　1997 JTRS創立

　　JTRS是Joint Tactical Radio System （聯合作戰無線系統）的縮寫，由美國國防部創建，通過抽象層和接口的標準化和定義提高互操作性和博興可以移植性，稱為軟件通信架構（SCA， Software Communication Architecture）。數十億的計劃雄心勃勃，在經歷了困難、延期和成本超支之后，于2011年被美國國防部副國務卿正式取消了該計劃，認為產品和技術不可能滿足既定的要求。然而，它卻極大地促進了SDR數十年的發展進步。 像Rohde & Schwarz、Thales和Harris等設備制造商已經在部署符合SCA的無線電。 此外，歐洲防務局設立了歐洲安全軟件定義無線電（European Secure Software Defined Radio，ESSOR）計劃，繼續JTRS SCA的工作。

　　1998 嵌入式SDR自動代碼生成

　　Nutaq（后來的Lyrtech）與MathWorks合作創建了第一個開發環境，可以從TI DSP和Xilinx FPGA的仿真模型直接生成可執行代碼。 這一創新解決了開發人員和研究人員一個大難題：為嵌入式處理器寫代碼。DSP和FPGA配置在SignalMster的板上，與A/D和D/A模塊連接，是實驗室和大學搭建原型首批商業化的SDR開發平臺之一。

　　2001 GNU Radio

　　由MIT的一個PSpectra框架演變而來，GNU Radio由Eric Blossom創立，Sun Microsystems的員工John Gilmore資助。 GNU Radio是PC環境開發SDR應用的開源框架。 截至2012年已擁有5000多個用戶，是目前最流行的SDR開發工具。 齊全的波形支持，如P25、802.11、ZigBee、藍牙、RFID、DECT、GSM，甚至是LTE（仍在進行中）都可以從存儲庫下載并運行在任何的x86系統上。

　　2004 FCC首次批準商業化SDR

　　Vanu公司的Anywave基站成功地通過了FCC（ Federal Communications Commission，美國聯邦通訊委員會）認證。Anywave是一個能夠同時運行GSM和CDMA兩個運營商的雙模基站，所有協議層在x86 CPU上運行。Vanu公司是由Vanu Bose創立，MIT Pspectra框架的主要貢獻者。

　　2004 PHY處理器

　　Picochip（現在的 Mindspeed Technologies）推出了PC102，專為PHY處理（通常稱為基帶處理器）而設計的處理器。PC102針對3G基礎設施市場，有308個處理單元，14個專用協處理器（加速器）和能處理MAC層以及其他協議的單元。PC102板子大大減少了無線設備的尺寸、成本和功耗。Picochip是新一代專業處理器的發起者。它為新的玩家鋪平了道路，如Octasic的24核OCT2224W和Coherent Logix的HyperX系列，促使傳統供應商提出SDR優化的架構，產生了TI的Keysto系列和Freescale的QorIQ。

　　2006年 TI和Xilinx一起推動嵌入式SDR開發

　　Texas Instruments和Xilinx與Nutaq（后來的Lyrtech）一起合作，創建了第一個完全集成獨立的SDR開發平臺。 它配備了一個ARM、一個DSP、一個FPGA和一個可調的前端，頻率從200 MHz到1 GHz。 該平臺比鞋盒小，而且可以由電池供電，這為SDR走出實驗室的應用和實驗開辟了新的可能性。

　　2008 Sandbridge Technologies推出基帶處理器

　　Sandbridge Technologies推出了SB3500基帶處理器，能夠在任何通用的多模、多功能移動平臺所需的無線協議上運行。其架構創新為當今使用或為今后開發的任何無線協議提供可升級的性能，包括LTE、HSPA、3G WiMAX、Wi-Fi、DVB-H、GPS以及所有多媒體格式。2011年 Sandbridge Technologies公司被無錫德思普公司所收購。

　　2009 第一款商用單芯片射頻前端

　　Lime Microsystems公司推出了射頻集成電路（RFIC）LMS6002。 隨后又推出了LMS6002D，已集成了數據轉換器。 RFIC在400 MHz和4 GHz之間任意可調，支持高達28 MHz帶寬，并提供一個可選的16位基帶濾波器組。 此后，其他芯片廠商也開始提供RFIC解決方案。

　　2015 微軟研究院軟件無線電項目Sora開源

　　2015年微軟研究院軟件無線電項目Sora（Microsoft Research Software Radio）正式通過GitHub開源。Sora的軟硬件平臺的創新使得它可以在PC上完成高性能的無線信號處理。

　　華為、中興早在一些網絡基礎設施上采用了SDR技術。2015年聯芯發布的28nm SoC智能手機芯片平臺LC1860直接讓SDR技術應用到了小米公司的紅米2A。SDR在手機上的成功應用，也意味著一個無線新時代的到來。SDR正在逐步應用到更多的產品和領域，芯片技術的發展是SDR技術發展的推動力。SDR可以支持無限量的通訊協議和多媒體應用，這得益于SDR芯片的計算能力。物聯網、5G等網絡的發展會給SDR帶來新的發展空間。而近幾年發展起來的“異構系統架構”（HSA，Heterogeneous System Architecture）技術的將會為SDR技術發展注入帶來新的活力。