摘 要 软件无线电接收机是基于一个通用可编程硬件平台，通过软件来实现各种通信标准。随着数字处理技术不断进步，理想软件无线电的最终实现成为可能。本文对软件无线电中的关键技术、系统架构、射频信号处理、中频信号A/D处理技术、数字信号多模式处理、数字解调、软件无线电接收机进行探讨，以 AM、SSB、CW、FM信号为例，仿真了该设计方案的可行性。
关键词 软件无线电 系统设计 可行性研究
1 引言
软件无线电的基本思想是构造一个开放、标准、模块化的通用硬件平台，将无线电通信系统的各种功能如调制解调类型、数据格式、加密解密、通信协议等通过软件编程来实现。将宽带 A/D和D/A转换器尽可能靠近天线端，即尽可能早地将接收到的射频模拟信号进行数字化是软件无线电接收机的基础架构思路。
目前由于 A/D及 DSP或CPU等器件的处理速度限制，直接对射频进行采样还无法实现，对于高频更多地采用下变频并采用中频采样技术。在A/D采样后通过高速通信口送给计算机的SDR软件进行后续处理（如图 1所示）。
2 软件无线电理论基础
软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心的，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。其基础理论主要包括数据采集理论和数字下变频技术，其中数字下变频又包括2.1 带通采样理论
带通采样定理：设一个有限带宽的信号x（t），其通带为（fl，fh），如果采样频率fs满足以下条件，则x（t）能被其采样
■ （1）
重构信号x（t）的表达式为：
■
（2）
式（1）中， M= fh /（fh-fl）-N，带宽 B= fh-fl，中心频率 fc=（fh-fl）/2，fh是上限截止频率， fl是下限截止频率。很显然，最小采样频率fs与B有如下关系: fs大于或等于2B小于4B。
3 接收机硬件设计与实现
在本接收机中，主要分为多段射频预处理部分、包含多频段天线、高放、混频、DDS本振部分，高速AD负责将MF频段、HF及VHF频段混频后的中频信号进行模数转换、MCU负责系统控制、PC通信，系统总体结构（如图 2所示）。
3.1 射频预处理部分
软件无线电中一项重要的技术就是理想天线技术，但实际中只能在特定的频段内实现相对理想的天线，因为在本方案设计中将本接收机的天线分为中频MF段0.3M-3M段、HF段3M-30M段、VHF低段30M-150M段共三段，使用三付相应频段的天线来代替全频段天线。
在各频段天线后设置独立的射频放大部分，将射频放大到适合后级采样或混频电路所需要的电平标准，使用分立高频放大电路实现。
3.2 本振及下变频部分
受限于A/D及后级处理能力，除MF段直接进行送往A/D模数转换处理之外，HF/VHF两个频段需要下变频到4.5M再送往A/D处理。本振采用直接数字频率合成器（DDS）来实现。
本设计中使用了一片DDS程控生成频率范围为3M-150M的正弦波本振信号源，对HF、VHF各使用了一片LT5512来混频，混频输出混合到一路，送入下级A/D变换，HF、VHF的混频控制由MCU控制DDS频率及LT5512的使能端实现两路分离。
3.2.1 AD9851 180 MHz完整DDS频率合成器
AD9851是一款高度集成的器件，采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能数模转换器和比较器，共同构成数字可编程频率合成器和时钟发生器。以精密时钟源作为基准时，AD9851能产生一个频率稳定、相位可编程的数字化模拟输出正弦波。该正弦波可以直接用作频率源，或在内部转换为适合捷变时钟发生器应用的方波。AD9851的创新型高速DDS内核提供一个32位频率调谐字；对于180MHz基准时钟，输出调谐分辨率可以达到0.040Hz。AD9851内置独特的X6基准时钟乘法器电路，无需高速参考振荡器。该6X PLL乘法器对无杂散动态范围（SFDR）和相位噪声特性的影响极小。该器件还提供5位数字控制相位调制，使其输出能够以180°、90°、45°、22.5°、11.25°及其任意组合的增量发生相移。
3.2.2 LT5512有源双平衡频混器
LT5512是一款有源双平衡混频器 IC，专为高线性度 HF、VHF 和 UHF 应用而优化。该 IC 包括一个用于驱动混频器的集成 LO 缓冲器放大器和一个用于改善 LO-RF 隔离度的 RF 缓冲器放大器。内部偏置电路免除了增设精准外部电阻器的需要，并允许采用使能控制（EN）引脚来关断器件。外部匹配的 RF 和 IF 端口使得混频器能够在非常低（1MHz 以下）或高达 3GHz 的频率条件下使用。差分 LO 输入是专为单端或差分输入驱动而设计的。LT5512 是无源二极管混频器的一种高线性度替代方案。与具有转换损耗并需要高 LO 驱动电平的无源混频器不同，LT5512 提供了转换增益且所需的 LO 驱动电平低得多。
3.3 模拟数字转换部分
根据A/D理论SNR公式：
■ （3）
由（3）式我们可以看出，模数转换的信噪比与这三个参数有关：A/D 的转换位数N、采样速率sf和输入信号的最高频率maxf。在本接收机的设计中，输人模拟中频信号最高频率为15MHz，接收解调对象AM、SSB、CW、FM等基带均为窄带信号，但为有更宽的接收带宽，故采用较为高速、分辨率较大的A/D转换器件。选用AD公司的AD6659，其性能参数（如表1）。
AD6659是一款混合信号双通道中频接收机，支持需要两条接收机信号路径的无线电拓扑结构，例如主信号/分集通道或直接变频。该通信系统处理器由两个高能性模数转换器（ADC）和噪声整形再量化器（NSR）数字模块组成。AD6659专为支持各种需要高动态范围性能和小尺寸的通信应用而设计。高动态范围ADC内核采用多级、差分流水线架构，并集成了输出纠错逻辑。各ADC的差分流水线第一级采用宽带宽开关电容采样网络。
各ADC输出从内部连接至NSR模块。集成NSR电路可以改善奈奎斯特区域内的小频段SNR使能NSR特性后，ADC输出经过处理，增强了AD6659在奈奎斯特带宽有限区域内的SNR性能，同时可以保持12位输出分辨率。NSR模块通过编程可提供采样时钟20%的带宽。例如，采样时钟速率为80 MSPS时，AD6659对9.7 MHz AIN下的16 MHz带宽最高可实现81.5 dBFS SNR。禁用NSR模块后，ADC数据直接提供至输出，输出分辨率为12位。在此模式下，AD6659对整个奈奎斯特带宽最高可实现72 dBFS SNR。
经过数字处理，输出数据路由至两个支持1.8 V或3.3 V CMOS电平的12位输出端口。AD6659接收机可对宽频谱的中频频率进行数字化处理。每个接收机均设计成可同时接收主通道和分集通道。与传统模拟技术或集成度较低的数字方法相比，这种中频采样架构大大降低了器件成本和复杂性。AD6659还可选用集成直流失调校正和正交误差校正（QEC）模块，用于校正两个通道之间的增益和相位失配。在直接变频接收机等复数信号处理应用中，此功能模块可发挥重要作用。
AD6659非常适合通用软件无线电的基带及中频信号的模数转换，也能应用于分集无线电系统、多模式数字接收机、3G、W-CDMA、LTE、CDMA2000、TD-SCDMA、MC-GSM等通信系统，另外也能应用于I/Q解调系统、智能天线系统、电池供电仪表等场合。
3.4 MCU及PC接口部分
微控制器MCU是软件无线电接收机的硬件控制、数字信号预处理、通信接口、人机接口等功能的实现模块。
在本接收机中，MCU及嵌入式软件负责接收联机计算机上的SDR软件的指令，并根据指令来选择MF、HF、VHF频段，控制A/D模块的工作通道，控制DDS产生相应的频率的本振信号、控制混频通道，控制A/D模块的转换速度和其他参数，接收A/D模块的转换结果高速大容量数据，在联机情况下需要通过通信接口送往联机计算机，同时在液晶屏显示调试信息或当前工作状态等。实现软件无线电系统接收处理的完整过程。
当本接收机脱机工作时，可通过键盘来选择脱机简易工作模式，可进行选频、模式选择、建议数字信号处理、信号解调、实现脱机人机交互界面或显示调试信息等功能。
微控器在本设计中选用Atmel的32位AVR处理器ATUC256L4U，该系列处理器具有先进的架构、高处理能力、高速通信和先进的安全性与可靠性，更重要的是具备浮点计算，内部大容量Flash、RAM、全速USB2.0通信接口。其主要参数如下：
32-bit AVR核心、256KB多次编程Flash、16K RAM、50M最大工作频率、I/O管脚36个、1个全速USB2.0收发器、1个SPI接口、2个I2C接口、4个URAT、8通道460KspsADC转换器、输入捕捉通道、温度传感等其他部件。
3.5 其他人机部分
为便于接收机调试、观察工作状态，以及可在脱离计算机及SDR软件的情况下也能简单工作，设置了包括简单键盘、液晶显示模块、及音频功率放大模块、喇叭等简单的人机交互部分。
4 SDR软件系统
软件无线电信号接收系统在有了基本必要的无线信号接收电路后，即在预处理了基带信号或者IF信号、进行A/D转换后，后级将使用可定义、可配置的软硬件系统来代替传统无线电接收机的后级处理部分，使无线电的应用更趋于通用化、灵活化，这是基于现代计算机技术的发展而提出的全新的理念。
较为常见的软件无线电接收机系统在将接收信号预处理并A/D之后，基本使用类似Ti公司的TMS320C62X系列DSP芯片来做后续的信号处理及最终的解调等，即通常使用FPGA、DSP芯片+嵌入式软件来完成后级处理。这种模式作为承载业务相对固定、量产产品设计上是一种优选方案。
同样可以选择通用计算机平台来作为后级处理系统，对软件设计的要求将会更高，但其可配置、可定义性比基于嵌入式的系统平台更好。
4.1 基础框架设计
在本设计中，采用更为贴近无线电定义软件（software defined radio）的理想的设计理念，在将接收信号预处理并A/D之后，完全采用通用计算机上运行SDR软件做后级处理、系统控制、业务处理方式来实现信号接收处理的后级处理（软件系统框架如图所示）。
软件系统主要分为负责和接收机进行通信的通信模块，负责基带及IF信号处理的数字滤波器DF、DSP等区块，负责各种信号解调的AM、SSB（包含LSB、USB）、CW、FM等解调区块，负责各种效果的音频处理或数字化处理等业务处理区块，以及输出、录音、数据通信、网络应用等辅助功能区块，负责人机交互的整体控制、各种参数显示、即可视化效果的区块。
4.2 数字处理插件化设计
本系统各个区块中的各个功能模块的数字插件化设计，首先是软件架构适应软件无线电的应用模式的需要，可以象装配零部件一样为接收机插上不同的部件达到不同的系统诉求。其次，各个部件之间本来就存在这不同的功能和效用，随着软件无线电的发展，将来的趋势很可能会出现不同信号领域的功能插件很可能来自于不同的提供者。类似的情况在模拟接收机中，为了使接收机拥有良好的选频特性、中频特性、音频特性，在高端机型中往往充斥着大量各种各样的滤波器，有些部件可以由使用者来选择和装配。在软件无线电中，相对模拟机“天生”就是数字化的机器，因此“部件插件化”是一种既符合传统概念，又能适应将来发展的模式。
在本接收机中，主要以插件形式存在的有基带处理部分的数字滤波器、数字信号处理，各种模式解调插件，包含音效处理、数字处理的业务级插件，更包括处于直观信号的信号、处理显示、插件作用前后效果的对比的可视化效果插件。数字插件之间可以串联、并联，可控制工作参数，以由使用者进行最大程度的控制。
插件举例：
CW通信中的喀呖声通信中十分常见，当喀呖声滤波器（Click Filter）加载并启用后，插件从CW解调插件接收解调后的音频信号，进行喀呖声滤波，输出一路送往在可视化插件、同时输出给音频输出或CW译码插件做翻译。使用者可以在可视化窗口看到插件的作用效果，或者输出窗口看到电码翻译结果。
4.3 概念系统的软件界面设计
软件设计的软件界面是人机交互的重要部分，其友好性、易用性、可操控性将会在很大程度上决定全系统的有效性。在软件无线电的控制和接收设计中这尤为重要，作为一个通用性的无线电的信号接收处理平台，其参数众多、中间处理插件数量多并组织灵活、业务有一定通用性，并且希望能有传统硬件接收机所不具备的可视化直观效果，因此对软件的设计有着较高的要求。
本例中采用C++开发基本应用界面框架，各个区块的模块采用插件化、可加载、可配置化设计。
5 应用展望
本系统设计在一定程度上验证了软件无线电的理论，在使用了部分通用器件设计了基础硬件后，使用通用计算机平台加专用软件的方式完成系统整体架构。系统架构的优势在于硬件部分简单、软件可以随需而变、拥有良好的扩展性。即可以作为通用信号接收机单系统工作，由于功能模块化和插件化，更可以在应用上予以扩展。
5.1 覆盖频段拓展
频段覆盖宽窄的关键在于天线、下变频处理、A/D的速度、采样带宽等主要因素，随着无线电技术及电子技术的不段发展，宽带天线， DDS、A/D、DSP等不断高速化，因此该模式的频段覆盖可以继续得以提高。
在本设计中，使用更为高速的DDS、或VCO、或上变频电路，或在不同频段是使用不同范围的器件组成不同的模块组，可以是整个接收机工作在更高的频段，进一步延展应用范围。
天线在低频段的合一化较高频段困难，因此可以在低频段继续沿用分段天线的模式，高频段可以市面已经能提供的700M-2700M超宽频带的天线。
5.2 网络化应用
在接收机硬件部分采用带以太网通信模块的微处理器，将接收机作为网络终端模块来使用，各种功能配置可以通过网络来进行配置，模块接收到的信号数据可以通过网络传送到任意有网络的地方，配合网络中心软件系统既可实现网络化应用。
如，该模式可用于各级无线电管理局对辖区内的无线频点、频谱使用情况进行检测，甚至实现对某些频点进行录音等特殊功能，更可以通过中心软件来实现频点使用情况的长期跟踪记录。随着基础电信运营商能提供的网络覆盖和带宽越来越广和月来越宽，这种网络化分布式监测完全可以实现。相比传统的开出检测车的做法明显有着更为实时、有效，并且有着更为低廉的运行成本。
6 结论
本系统基于软件无线电的基本原理，尽可能将A/D过程靠近天线，采用了可编程DDS，通过对基带信号同中频信号进行数字化采样，通过高速接口送到计算机，在SDR软件上进行全数字化处理，最后实现对AM、SSB、CW、FM等信号的解调。这种模式基本符合软件无线电接收机的模型，实现硬件宽容度高、工作模式广、模块化基本不变，通过软件的功能扩充、模块增减、功能修改即可实现多模式信号接收处理，是当前实现软件无线电技术的有效方案。最后，运用 MatLab仿真软件对AM、SSB、CW、FM信号的仿真结果验证了方案的可行性和合理性。
参 考 文 献
[1] J. Mitola. Software Radio Architecture.Object-Oriented Approaches to Wireless Systems Engineering [J] .IEEE T.ASSP., 2003, 29(2): 155-162.
[2] 粟欣，许希斌编著. 软件无线电原理与技术. 人民邮电出版社 2010年5月.
[3] 胡平,叶春勇等. 软件无线电及其在数字电视中的应用[J]. 微计算机信息,2006, 1(2):80-83.
[4] 胡平,叶春勇等. 软件无线电及其在数字电视中的应用[J]. 微计算机信息,2006, 1(2):80-83.
A Software Radio Broadband Multi Mode Receiver Design
Ye Yongping
（Taizhou City bidding Center，Taizhou 318000，China）
Abstract The software radio receiver is based on an general programmable hardware platform, realizes each kind of correspondence standard through the software. Progresses unceasingly along with the digital processing technology, the ideal software radio possibly realizes finally into. This article to the software radio in the key technologies, the system construction, radio-frequency signal processing, the intermediate frequency signal A/D processing technology, the digital signal multi-schema proccessing, the digital demodulation, the software radio receiver carries on the discussion, take AM, SSB, CW, the FM signal as the example, the simulation this design proposal feasibility.
Key words Software radio，System design，Feasibility study
（收稿日期：2012年6月27日）