軟件無線電（Software Radio）的基本思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法中解放出來。軟件無線電主要由天線、射頻前端、高速A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號(hào)處理器、低速A/D-D/A轉(zhuǎn)換器以及各種接口和各種軟件所組成。

對(duì)于軟件無線電來說，功能的軟件化的方法勢必減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線。軟件無線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的功能。

軟件無線電技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在：高速A/D、DSP數(shù)字處理、射頻前端、天線技術(shù)等，可以說這些技術(shù)決定著軟件無線電的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)。

一、天線技術(shù)

軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，比如1MHz~2000MHz，要求每個(gè)頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務(wù)的需求。例如可能為VHF/UHF的視距通信、UHF衛(wèi)星通信，HF通信作為備用通信方式。為便于實(shí)現(xiàn)，可在全頻段甚至每個(gè)頻段使用幾付天線，并采用智能化天線技術(shù)。

寬帶天線被視為是實(shí)現(xiàn)理想軟件無線電系統(tǒng)的最佳天線方案，也被認(rèn)為在目前技術(shù)條件水平下是不能實(shí)現(xiàn)的。近年來發(fā)展的RF RMEMS微機(jī)電系統(tǒng)是一種高度小型化的器件，可作為小型開關(guān)取代天線中的高成本、大體積的PIN二級(jí)管、超寬帶場效應(yīng)晶體管FET和真空繼電器VTR，是實(shí)現(xiàn)寬帶可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)的一種具有突破性的技術(shù)。采用MEMS，可以電子的方式改變一方環(huán)形開槽天線的工作頻率。在一方型的開槽天線上，當(dāng)周長近似為一個(gè)波長時(shí)，在某個(gè)頻率上可獲取良好的性能，要針對(duì)新頻段重構(gòu)天線時(shí)，可通過交換不同的開槽天線單元的入口和出口。因此，在3-8GHz范圍進(jìn)行頻率變換成為可能。利用PIN二極管開關(guān)實(shí)現(xiàn)的MEMS開關(guān)還具有低損耗、高隔離與體積小等優(yōu)勢。

另外目前出現(xiàn)的新的天線單元技術(shù)，能設(shè)計(jì)和生產(chǎn)用于SDR的寬帶WB和超寬帶UWB天線，這包括超寬帶的“電阻(resistive)”天線和“曲線天線(MLA)”。MEMS技術(shù)的應(yīng)用將使WB和UWB天線的體積和成本降低多個(gè)數(shù)量級(jí)。另外建模和仿真方法的進(jìn)步可實(shí)現(xiàn)對(duì)這些新天線單元的精確仿真。

二、RF前端技術(shù)

目前RF元器件的水平還只能支持20%左右的帶寬，故在現(xiàn)有的軟件無線電系統(tǒng)中采用的技術(shù)方案是使用一組RF模塊覆蓋整個(gè)頻段。在支持多標(biāo)準(zhǔn)時(shí)還可能要求更換射頻模塊。隨著寬頻段合成技術(shù)、低噪聲高性能半導(dǎo)體工藝技術(shù)的成熟，出現(xiàn)非常靈活的RF模塊。

1、MEMS器件

RF MEMS技術(shù)是一種新的器件技術(shù)，具有低損耗、體積小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一種具有高集成度的高性能器件，它的應(yīng)用將多頻段多模式RF芯片的體積、重量、功耗以及成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，并提高了該芯片的處理速度和處理能力，使數(shù)字信號(hào)處理器能夠完成調(diào)制解調(diào)功能。另外，MEMS器件的可移動(dòng)特性可動(dòng)態(tài)調(diào)整元件的參數(shù)值，從而大大提高了多個(gè)射頻器件的性能和靈活性，這包括基于MEMS高Q諧振器的低相位噪聲電壓控制振蕩器、基于MEMS可變電容器和開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)的寬帶變電器和相移器、基于MEMS可變電抗單元和開關(guān)的可調(diào)諧濾波器。

2、可編程帶通濾波器

可編程帶通濾波器在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中至為關(guān)鍵，它能確保信道的有效利用和高靈敏度，同時(shí)又是RF模塊組中價(jià)格最高靈活性最差的器件，軟件無線電需要這些單元以電子方式構(gòu)成或者疊加起來組成一個(gè)濾波器庫。目前大多數(shù)軟件無線電系統(tǒng)采用后一種方式。據(jù)悉，對(duì)基于高Q MEMS的濾波器已進(jìn)行了演示。另外也考慮采用超導(dǎo)技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)具有超速滾降特性的可調(diào)諧帶通濾波器。目前利用超導(dǎo)溥膜工藝實(shí)現(xiàn)了中頻為3.5、調(diào)諧范圍為620MHz的調(diào)諧濾波器。該工藝具有低損耗特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有低插入損耗和寬帶能力的多級(jí)溥膜濾波器。

三、AD和DA變換技術(shù)

AD和DA轉(zhuǎn)換器在軟件無線電系統(tǒng)所處的位置是非常關(guān)鍵的，它直接反映了軟件電臺(tái)的軟件化程度。對(duì)于理想的軟件無線電而言，AD轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍必須在100-120dB或者16-20位，最大輸入信號(hào)頻率要在1GHz和5GHz之間。就目前的技術(shù)發(fā)展水平，很難實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)要求。

1、AD轉(zhuǎn)換器（AD Convertor）

近兩年來，隨著現(xiàn)代深亞微米技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了多種AD轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：∑△結(jié)構(gòu)（sigma-delta ）和管狀（pipeline）結(jié)構(gòu)。

∑△結(jié)構(gòu)AD轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢在于能提供較大的動(dòng)態(tài)范圍和高線性度，但變換速度有限。要提高速度，關(guān)鍵一點(diǎn)是改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如降低重復(fù)取樣速率，減少多比特環(huán)路和高階環(huán)路穩(wěn)定度問題以及優(yōu)化所需的放大器的帶寬等。

管狀A(yù)D轉(zhuǎn)換器能實(shí)現(xiàn)最高的變換速率，但分辨率只能限于13-14位。通過優(yōu)化整個(gè)結(jié)構(gòu)，包括采用先進(jìn)的校準(zhǔn)電路和糾錯(cuò)算法可實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和變換速率，最終實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍。

研究顯示，混合結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，如管狀∑△結(jié)構(gòu)或管狀折疊插入式AD轉(zhuǎn)換器是很有希望的概念，這種結(jié)構(gòu)不僅能綜合不同結(jié)構(gòu)在分辨率和變換速率方面的優(yōu)勢，而且還具有糾錯(cuò)算法、降低功耗和適應(yīng)不同環(huán)境的能力。首個(gè)分辨率超過4位、變換速率超過每秒1G sample的AD轉(zhuǎn)換器已公布于眾。盡管仍以犧牲功耗為代價(jià)，但向超高速AD轉(zhuǎn)換器發(fā)展趨勢是清晰可見的。

根據(jù)最新資料顯示：將超導(dǎo)和光取樣技術(shù)應(yīng)用于AD轉(zhuǎn)換器已成為未來的發(fā)展趨勢。具有突破性的一項(xiàng)技術(shù)是“快速單通量”RSFQ技術(shù)。該技術(shù)基于超導(dǎo)基本量子機(jī)械特性，說明了離散的量化形式中存在著磁通。在該技術(shù)中，單磁通量子脈沖代表二進(jìn)制值。因?yàn)橐粋�(gè)完整的單磁通量子代表一個(gè)脈沖，所以這種技術(shù)的性能受到輸入信號(hào)最大轉(zhuǎn)速率的嚴(yán)格限制。因此可以通過對(duì)處理速度與分辨率進(jìn)行折衷的方法來達(dá)到最佳技術(shù)性能。在一個(gè)重復(fù)取樣的基于超導(dǎo)AD轉(zhuǎn)換器中，孔徑抖動(dòng)的影響會(huì)大減少，使超寬頻段工作已切實(shí)可行。而且在這樣的AD轉(zhuǎn)換器中，其輸入端的取樣速率與輸出端不同，其內(nèi)部的可編程抽取器可根據(jù)比特?cái)?shù)和帶寬進(jìn)行折衷來設(shè)置。

基于超導(dǎo)技術(shù)的AD轉(zhuǎn)換器另一個(gè)重要特性是高靈敏度。驅(qū)動(dòng)單磁通量子電路所需的最小功率是1mW，即比高速半導(dǎo)體AD轉(zhuǎn)換器所需的1mW小了三個(gè)數(shù)量級(jí)。這一特性加上高取樣速率最終可使系統(tǒng)無需使用低噪聲放大器LNA，并可直接在天線端取樣，由此可以得到更高的系統(tǒng)增益。盡管超導(dǎo)AD轉(zhuǎn)換器與半導(dǎo)體AD轉(zhuǎn)換器相比，在性能上還沒有顯著的優(yōu)越性，但主要的技術(shù)精華還是非常有前途的。目前工作于19.6GHz頻段的超導(dǎo)AD轉(zhuǎn)換器已有演示。

在光取樣AD轉(zhuǎn)換器中，取樣與量化功能分別是在光域和電子域中完成的。光取樣AD轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)在于模式鎖定激光源的定時(shí)抖動(dòng)小。目前已報(bào)道，信噪比SNR為51dB的光取樣AD轉(zhuǎn)換器就相當(dāng)于速率為505Ms/s，有效分辨率為8.2比特的傳統(tǒng)半導(dǎo)體AD轉(zhuǎn)換器。在不遠(yuǎn)的將來，通過進(jìn)一步的改進(jìn)，預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)取樣率達(dá)到數(shù)GHz且具有12比特分辨率的光取樣AD轉(zhuǎn)換器。另外，鎖定在10GHz激光模式已實(shí)現(xiàn)了光時(shí)鐘脈沖的產(chǎn)生，每3ps寬脈沖的定時(shí)抖動(dòng)為16fs+/-0.016%，幅度抖動(dòng)為0.058%。這些標(biāo)準(zhǔn)的抖動(dòng)值可使光取樣率在10Gbps時(shí)，精度達(dá)到11比特。下面對(duì)不同的AD轉(zhuǎn)換器技術(shù)進(jìn)行了比較。其中，超導(dǎo)AD轉(zhuǎn)換器分辨率位數(shù)和速率都不是固定的值，可以進(jìn)行折衷，以達(dá)到所期望的性能。

目前DA的發(fā)展水平是：高精度DA 16bits 5MSPS，高速度DA 14bits 1GSPS，速度和精度兼顧DA 14bits 300MSPS。DA技術(shù)可用轉(zhuǎn)換器，還需要高速存儲(chǔ)器，現(xiàn)在集成電路技術(shù)的發(fā)展已有1ns的砷化嫁RAM商品，但將大量砷化嫁RAM用到任意波形發(fā)生器上顯然價(jià)格過高，而且也消耗大量功率，比較經(jīng)濟(jì)的做法是用多路轉(zhuǎn)換的方案，允許波形存儲(chǔ)在相對(duì)低速的COMSRAM。 

2、數(shù)據(jù)處理芯片：DSP、ASIC、FPGA

DSP是限制軟件無線電發(fā)展的瓶頸問題，其數(shù)據(jù)處理速度和精度直接關(guān)系到軟件無線電臺(tái)能否實(shí)現(xiàn)。目前采用的技術(shù)方案主要是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)DSP、專用集成電路ASIC、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA以及這幾種技術(shù)的結(jié)合。

高速DSP芯片是軟件無線電的核心部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器件在速度和性能上有了很大的提高。目前，DSP芯片處理速度已達(dá)到10G FLOPS，但在性價(jià)比、功耗上仍很難滿足要求。為解決這一問題，采用了一種RSIC精簡指令集計(jì)算結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元，外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。

FPGA是可重編程器件，所實(shí)現(xiàn)的功能大大超過今天的DSP微處理器，包括實(shí)現(xiàn)軟件的可編程性、高速的硬件，并可實(shí)時(shí)重構(gòu)。事實(shí)上，F(xiàn)PGA是真正的“軟”硬件，能在定制硬件和靈活的全軟件方案之間折衷。近年來FPGA無論是在規(guī)模、處理速度還是功耗上，都得到了長足的進(jìn)步。FPGA器件的集成度已達(dá)到上千萬門，系統(tǒng)工作頻率達(dá)到幾百M(fèi)Hz。高端FPGA的時(shí)鐘頻率已高達(dá)250MHz，可提供25G次MAC的性能。

由于大規(guī)模FPGA既有傳統(tǒng)FPGA運(yùn)算速度快、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，又具有可動(dòng)態(tài)配置的靈活性，在軟件無線電中將發(fā)揮重大的作用，主要表現(xiàn)在：

（1）主要完成軟件無線電臺(tái)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理、調(diào)制解調(diào)和編碼解碼等工作
由于電臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)流量大，進(jìn)行濾波、變頻等處理運(yùn)算次數(shù)多。必須采用高速、實(shí)時(shí)、并行的數(shù)字信號(hào)處理器模塊或?qū)Ｓ眉呻娐凡拍苓_(dá)到要求。要完成這么艱巨的任務(wù)，必須要求硬件處理速度很高，芯片容量大，同時(shí)要求進(jìn)行針對(duì)處理器算法的優(yōu)化和改進(jìn)。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)電臺(tái)內(nèi)部軟件的高速運(yùn)行以及多種功能的靈活切換和控制。對(duì)于一些固定功能的模塊如濾波器、下變頻器等，可以用具有可編程能力的專用芯片來實(shí)現(xiàn)，而且這種芯片的處理速度要高于通用DSP芯片。
利用FPGA可以同時(shí)滿足速度和靈活性兩方面的要求，支持軟件無線電中動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置的功能。通常來說系統(tǒng)的分配方式是：計(jì)算密集型的部分在DSP內(nèi)部完成；功能相對(duì)固定的部分，則由FPGA來完成。這樣，既可以滿足高速的數(shù)字信號(hào)處理器的要求，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種硬件的全方位配置。

（2）根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)理想的軟件無線電進(jìn)行配置，并提供數(shù)字化終端
理想的軟件無線電是用AD轉(zhuǎn)換器對(duì)天線上的信號(hào)或中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，但數(shù)字化后的數(shù)據(jù)不只是靠軟件進(jìn)行處理，而是利用各種靈活的、可重新配置的ASIC和通用數(shù)字信號(hào)處理器DSP來縮減系統(tǒng)功耗、體積和成本。這些ASIC是可編程的，可以針對(duì)不同頻道的特性和調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的實(shí)施方案包括現(xiàn)場可編程門陣列FPGA或ASIC， 它們比完全靈活的DSP實(shí)施方案更為經(jīng)濟(jì)。這些硬件模塊可以通過軟件進(jìn)行選擇，用作不同系統(tǒng)的公用硬件。
另外，F(xiàn)PGA提供了“芯片上的系統(tǒng)” 特征。它包含了連續(xù)的收發(fā)技術(shù)、RSIC處理器和一定數(shù)量的可編程存儲(chǔ)器，為軟件配置無線電信號(hào)處理提供數(shù)字化終端。

（3）同DSP組合，可以提供較大的可編程能力
可編程門陣列FPGA在實(shí)際中的可編程性比ASIC高，但FPGA要受門的個(gè)數(shù)和連線多少的限制，當(dāng)電臺(tái)在功能上需要擴(kuò)展時(shí)，受門連接的限制，其可編程性要比DSP小。采用FPGA與DSP混合結(jié)構(gòu)，具有較大的可編程能力。

（4）在軟件無線電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換、濾波等功能
FPGA同DSP、FIR專用芯片、存儲(chǔ)器、I/O接口組成可編程DSP模塊，用以實(shí)現(xiàn)X.25物理層中數(shù)據(jù)比特流的透明傳輸。按照不同的數(shù)據(jù)處理流程，DSP模塊的功能可劃分為：與終端的數(shù)據(jù)交換、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)、信道環(huán)境分析和管理、自適應(yīng)頻率估計(jì)選擇和校正、單邊帶SSB調(diào)制解調(diào)、頻率交換等。整個(gè)DSP模塊在軟件無線電系統(tǒng)中通常用來滿足頻率變換和濾波的需求，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換、濾波、擴(kuò)頻、調(diào)制等功能。

五 互連技術(shù)（interconnection）

互連結(jié)構(gòu)是用來解決如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各單元互連，組成一個(gè)開放、可擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)，具有較高數(shù)據(jù)吞吐量的硬件平臺(tái)的問題。目前主要的互連結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)。在總線結(jié)構(gòu)中，各功能模塊通過統(tǒng)一的、開放的標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，使系統(tǒng)具有良好的開放性和通用性。但是總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是只能有一個(gè)功能單元在總線上傳輸數(shù)據(jù)，即它是時(shí)間共享。這種時(shí)分復(fù)用機(jī)制限制了帶寬，制約了互連總線結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性�？偩�結(jié)構(gòu)，包括VME和PCI等，在工業(yè)界已有廣泛使用，且實(shí)現(xiàn)起來較容易。再加上其特有的一些優(yōu)勢使其在近期內(nèi)很難被其它技術(shù)完全取代。在交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)功能單元有一個(gè)適配器，用來將數(shù)據(jù)打包傳送給交換網(wǎng)。其原理類似于IP或ATM交換。與總線結(jié)構(gòu)相比，交換網(wǎng)技術(shù)有以下一些優(yōu)勢：
（1）在時(shí)隙數(shù)和綜合性能兩方面有很好的可擴(kuò)縮性
（2）物理配置和規(guī)模上的靈活性
（3）費(fèi)效比高，實(shí)用性強(qiáng)，系統(tǒng)不出現(xiàn)局部故障
（4）有效滿足各種通信系統(tǒng)和通信協(xié)議的要求

該結(jié)構(gòu)在軟件無線電中應(yīng)用時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量和包延遲方面的性能有嚴(yán)格的要求。樹型結(jié)構(gòu)優(yōu)化了互連技術(shù)的應(yīng)用，免除功能塊之間的互連，但實(shí)現(xiàn)起來有一定的難度，靈活性也有限。下表為這三種結(jié)構(gòu)性能比較：

在這三種結(jié)構(gòu)中，總線結(jié)構(gòu)享有廣泛的使用和認(rèn)可；而交換網(wǎng)結(jié)構(gòu)速率更高、更具靈活性，樹型結(jié)構(gòu)更是優(yōu)化了互連技術(shù)，但是目前這三種互連技術(shù)中，任何一種還都不能滿足所有的應(yīng)用和技術(shù)要求。因此，在近期內(nèi)軟件無線電系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)將不會(huì)鎖定在任何單一的技術(shù)方案上。

正如任何技術(shù)都要經(jīng)歷一個(gè)起步、發(fā)展和成熟的過程，軟件無線電技術(shù)也在不斷地發(fā)展、成熟�？梢韵嘈牛S著這些關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，軟件無線電將在未來得到更為廣泛的應(yīng)用。