軟件無線電技術(shù)的發(fā)展史及未來的展望 - 全文

軟件無線電(SDR)的開發(fā)進(jìn)度依賴于許多元器件和軟件的改進(jìn)。盡管如此，電子行業(yè)一直致力于解決增強(qiáng)型SDR技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。軟件無線電這個名字很好地闡述了這些無線電設(shè)備的工作模式：能夠通過軟件代碼修改硬件元器件的性能。但實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)仍需要高性能的模擬和數(shù)字元件：比如相應(yīng)的低噪聲放大器(LNA)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以及系統(tǒng)級配置，用于在不同制造商生產(chǎn)的SDR之間實(shí)現(xiàn)互操作性。這些無線電設(shè)備一般工作在2MHz至2GHz頻率范圍。?

軟件無線電技術(shù)現(xiàn)在是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)等商用市場的重要組成部分。但這種技術(shù)的發(fā)展很大程度上歸功于時斷時續(xù)的美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)計劃。這個計劃的目標(biāo)是用某種形式的通用軟件可編程無線電設(shè)備替代現(xiàn)有的模擬戰(zhàn)術(shù)無線電設(shè)備。其面臨的挑戰(zhàn)是，除了提供不同軍用網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性外，還要確保通信的安全性。?

JTRS計劃得到了不少最大型的軍事承包商的支持，包括波音公司(Boeing)在JTRS網(wǎng)絡(luò)的地面移動無線電(GMR)版本方面付出的努力，以及Lockheed-Martin公司在JTRS無線電系統(tǒng)的空海版本上做的工作，后者也被稱為空中/海上固定站(AMF)JTRS無線電。JTRS無線電系統(tǒng)基于軟件通信架構(gòu)(SCA)，這是一種定義了軟硬件如何協(xié)調(diào)工作的開放架構(gòu)框架。?

遺憾的是，波音公司的延遲和成本超支導(dǎo)致去年晚些時候JTRS計劃中涉及該公司的部分被迫取消(雖然合同計劃是到2012年3月截止)。波音公司是與Northrop-Grumman、Rockwell Collins、BAE Systems和Harris RF Communications公司一起開發(fā)這些高性能的GMR JTRS無線電系統(tǒng)的。當(dāng)然，JTRS計劃中軍隊(duì)部分內(nèi)容的消減可以追溯到相關(guān)的未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)(FCS)計劃，后者是一項(xiàng)旨在為未來士兵帶來高科技的龐大且昂貴的計劃。FCS計劃已于2009年被迫取消。?

美國國防部(DoD)認(rèn)為，波音JTRS無線電系統(tǒng)的一些問題與試圖在硬件相對受限的無線電設(shè)備中支持寬范圍的復(fù)雜波形有關(guān)。舉例來說，美國軍隊(duì)為這些可編程無線電系統(tǒng)開發(fā)了兩種波形——士兵無線電波形(SRW)和寬帶網(wǎng)絡(luò)波形(WNW)，用于實(shí)現(xiàn)可靠且安全的通信。?

基于SRW的無線電系統(tǒng)被設(shè)計為以分配的1.2MHz帶寬工作，而WNW無線電系統(tǒng)的最佳工作帶寬是3MHz或5MHz。但這些波形都是內(nèi)存/計算密集型波形。波音公司發(fā)現(xiàn)，很難以極具成本效益的方式提供能夠同時支持所有這些波形與網(wǎng)絡(luò)的軟件無線電系統(tǒng)。?

哈里斯射頻通信公司(Harris RF Communications)取得的巨大成功也歸功于涉足JTRS，當(dāng)然也與公司開發(fā)自己的軟件無線電系統(tǒng)有關(guān)。例如，哈里斯公司剛剛從美國特種作戰(zhàn)指揮部(USSOCOM)收獲到3900萬美元的定單，用于購買公司的Falcon III AN/PRC-152A寬帶手持式戰(zhàn)術(shù)無線電設(shè)備(見附圖)。這是4億美元的不定期交付不確定數(shù)量(IDIQ)合同的首批交貨定單，旨在幫助美國特種作戰(zhàn)指揮部實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)無線電設(shè)備庫存現(xiàn)代化。該合同還覆蓋Falcon III AN/PRC-117G多頻段單兵無線電設(shè)備。?

靈活的AN/PRC-152A無線電系統(tǒng)同時支持寬帶和窄帶波形。哈里斯的寬帶功能將由該公司的網(wǎng)絡(luò)寬帶波形設(shè)備提供，該設(shè)備已經(jīng)得到美國安全局(NSA)的1類高可靠互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議加密(HAIPE)認(rèn)證。哈里斯公司希望今年晚些時候AN/PRC-152A也能獲得NSA的1類認(rèn)證，以便與JTRS SRW一起工作。

圖：Falcon III AN/PRC-152A寬帶手持式戰(zhàn)術(shù)無線電設(shè)備使用SDR技術(shù)適應(yīng)不同的波形應(yīng)用。

此外，Rockwell Collins和BAE Systems的合資公司Data Link Solutions(DLS)最近與空海作戰(zhàn)系統(tǒng)指揮部(SPAWAR)簽署了一份價值2580萬美元的合同。這份定單用于多功能信息發(fā)布系統(tǒng)JTRS終端的首次全面生產(chǎn)與現(xiàn)場試驗(yàn)(FP&F)，設(shè)備主要用于美國海軍F/A-18 E/F(超級黃蜂)、海軍實(shí)驗(yàn)室和NAVSUP(Navy Supply)。這些設(shè)備還將提供給美國空軍E-8(JSTARS)、RC-135(鉚接偵察機(jī))、EC-130E(高級偵察機(jī))、EC-130H(羅盤呼叫機(jī))、空軍參與測試單位和華納羅賓斯空軍基地。?

MIDS JTRS是一種包含Link-16功能的4通道終端，能夠在新波形推出后整合這種新增的網(wǎng)絡(luò)波形。MIDS JTRS是Data Link Solutions公司和ViaSat公司之間合作開發(fā)的一個極具競爭力的項(xiàng)目。?

與此同時，美國國防部要求Lockheed-Martin公司重啟JTRS工作，并把重點(diǎn)放在提高可負(fù)擔(dān)性方面。Lockheed-Martin AMF JTRS小組，包括BAE Systems、General Dynamics、Northrop Grumman和Raytheon正在作為價值7.66億美元的原始系統(tǒng)開發(fā)與演示(SDD)合同的一方而辛苦工作。AMF JTRS無線電系統(tǒng)被設(shè)計用于固定電臺、潛艇、水面艦艇和飛機(jī)。?

從20世紀(jì)90年代軟件無線電概念最早出現(xiàn)以來，美國國防部對軟件無線電技術(shù)如何適應(yīng)戰(zhàn)場的觀念發(fā)生了很大變化。最近，JTRS計劃的軍隊(duì)聯(lián)合計劃辦公室將對JTRS無線電開發(fā)的興趣提升到了全功能認(rèn)知無線電系統(tǒng)(參見army.mil/articles)，后者還包含軟件定義天線(SDA)。?

認(rèn)知無線電可以被認(rèn)為是軟件無線電的進(jìn)一步發(fā)展，它使用了一種稱為動態(tài)頻譜接入(DSA)的技術(shù)。這種技術(shù)允許軟件無線電設(shè)備自動檢測并使用工作區(qū)內(nèi)的可用帶寬，還能改變自己的發(fā)射和接收特性來適應(yīng)可用的頻譜。理論上，與標(biāo)準(zhǔn)無線電臺甚至JTRS電臺相比，采用DSA技術(shù)的SDR具有更高的效率，能夠更高效地利用有限的頻譜資源。JTRS認(rèn)知無線電設(shè)備還需要使用一種稱為頻譜分段的技術(shù)，這樣，大帶寬的波形就可以被擴(kuò)展到帶寬的各個可用部分。?

對Lockheed-Martin來說，在去年晚些時候飛越新墨西哥上空的美國阿帕奇(Apache)攻擊型直升機(jī)上完成的AMF JTRS無線電系統(tǒng)測試結(jié)果，是對SDR技術(shù)的極大鼓勵。這次測試使用SRW在試驗(yàn)用AH-64 Block III阿帕奇直升機(jī)與地面部隊(duì)之間成功地進(jìn)行了語音、數(shù)據(jù)和圖像的組合通信。直升機(jī)上的一個預(yù)工程試驗(yàn)性空中無線電臺與6支裝備了JTRS手持式單兵小型(HMS)Rifleman無線電臺的地面部隊(duì)直接建立了鏈接。阿帕奇提供天線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，給地面部隊(duì)當(dāng)做中繼器使用。阿帕奇能夠中斷網(wǎng)絡(luò)中的所有連接，然后重新連接JTRS網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，中間沒有顯著的延時或信息丟失。?

如前所述，并不是所有SDR技術(shù)都是軍用的，商用通信提供商也很快發(fā)現(xiàn)了擁有軟件可定義無線網(wǎng)絡(luò)的好處。一家名為Wireless Innovation Forum的行業(yè)組織就致力于發(fā)展下一代無線電技術(shù)，其中包括軟件無線電。另外，SDR-BR是一個對SDR感興趣的業(yè)余無線電研究人員和實(shí)驗(yàn)人員組成的小組。?

SDR技術(shù)的商業(yè)用途非常廣，有許多從元件到系統(tǒng)級的新產(chǎn)品都采用了SDR技術(shù)。通信設(shè)備與服務(wù)提供商阿爾卡特-朗訊(Alcatel-Lucent)就在SDR和多載波功放(MCPA)技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了多載波遠(yuǎn)程無線電頭端(MC-RRH)設(shè)備。這種設(shè)備已經(jīng)成為阿朗公司組合式無線接入網(wǎng)的一個構(gòu)建模塊。MC-RRH模塊可以幫助運(yùn)營商同時處理兩種不同的技術(shù)，單個模塊就能支持長期演進(jìn)(LTE)和多入多出(MIMO)技術(shù)。?

支持SDR技術(shù)的元件供應(yīng)商也有許多。Altera公司針對SDR應(yīng)用推出了一系列現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。德州儀器(TI)為毫微微蜂窩基站和便攜式SDR應(yīng)用提供模擬前端(AFE)集成電路(IC)。舉例來說，后者的低功耗12位AFE7225模擬前端集成了一個雙路125Msampes/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和兩個250Msamples/s數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。?

在廣播市場，Carlson Wireless公司最近發(fā)布了一款名為RuralConnect IP的軟件無線電設(shè)備。該設(shè)備使用了廣播公司在VHF和UHF頻譜中剩下的“空白頻段”帶寬，可向欠服務(wù)地區(qū)和農(nóng)村地區(qū)提供無線寬帶服務(wù)。Carlson Wireless公司正在與數(shù)據(jù)庫提供商Spectrum Bridge和KTS Wireless合作開發(fā)這種SDR設(shè)備，并希望這種設(shè)備很快能夠獲得美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的認(rèn)證。