引 言 

    1992 年 5 月，Joe MitoIa 在 美国电信系统会议上首次明确提 出了软件无线电的概念。其中心 思想就是以一个通用、标准、模 块化的硬件平台为依托，通过软 件编程来实现无线电台的各种功 能，从基于硬件、面向用途的电 台设计方法中解放出来。其主要 特点有：尽可能多地采用 DSP （数字信号处理）技术；开放程度 高；适应性强；空中接口可下 载。其中 DSP 技术是实现软件 无线电的一个最基本和关键的方 面。本文将首先概述 DSP 芯片 的特点和发展趋势；接着给出软 件无线电的基本概念，并说明正 是具有通用可编程能力的 DSP 的使用才将软件无线电和数字无 线电从本质上区别开来；然后文中将比较几种实现软件无线电的 技术解决方案，并结合现代 DSP 的发展得出 DSP 是实现软件无 线电的最佳平台；之后，我们将 给出几种用 DSP 实现软件无线 电的方案并给出一个实例，最后 是结论。

1 DSP 的特点和发展趋势 

1.1 概述

    数字信号处理（DigitaI SignaI Processing，简称 DSP）是一门涉 及许多学科而又广泛应用于许多 领域的新兴学科。20 世纪 60 年 代以来，随着信息技术的飞速发 展，数字信号处理技术应运而生 并得到迅速发展。数字信号处理 是利用计算机和专用处理设备 （各种通用和专用 DSP 处理芯 片），以数字形式对信号进行采 集、变换、滤波、估值、增强、压 缩和识别等处理，以得到符合人 们需要的信号形式。数字信号处 理是围绕着数字信号处理的理 论、应用等几个方面发展起来 的，理论的发展推动了应用的发 展，应用的发展反过来又推动了 理论的提高。尤其自上世纪 90 年代以来，DSP 处理器得到了广 泛的应用，DSP 处理器的品种也 越来越繁多。除了德州仪器公 司、朗讯技术公司、模拟设备公司和摩托罗拉公司四大全球 DSP 芯片厂商，还有大约 80 多家生 产厂商。DSP 处理器主要分为两 大类：定点 DSP 和浮点 DSP。随 着处理器技术的发展，DSP 芯片 的成本已经下降到可以应用在消 费品和其它成本敏感的系统中， 其速度也已经可以满足大部分高 速实时信号处理的需求。

1.2 DSP 处理器的特点 

    DSP 处理器与传统的微处理 器相比，具有更高的运算速度和 运算能力。其与通用处理器如 InteI X86 等具有很大的区别，其 主要特点如下： 

    1）特殊的总线结构。通用 处理器都是采用冯·诺依曼结 构，将指令、数据和地址存储在 统一存储器中，统一编址，依靠 指令计数器提供的地址来区分是 指令、数据还是地址，数据吞吐 率低。而 DSP 芯片采用哈佛结 构，数据总线和程序总线分开， 数据和总线存储在不同的存储空 间中，每个存储器独立编址、独 立访问，从而使数据吞吐率提高 了 1 倍。可以满足完成一次乘法 累加操作要在一个指令周期内对 存储器进行 4 次访问的要求。 

    2 ） 专 用 硬 件 乘 法 器 （MAC）。在通用处理器中，乘法 都是通过加法来完成的，而 DSP芯片中设置了专用的硬件乘法 器，乘法可以在一个指令周期内 完成。可以说能够进行单周期乘 法操作和具有明确的 MAC 指令 是 DSP 芯片和通用处理器区别 开来的最重要的标志。 

    3）流水线。DSP 芯片通常 都是采用流水线以减小指令执行 时间，增强处理器的处理能力。 

    4）特殊的 DSP 指令及快速 的指令周期。DSP 中对指令进行 了特殊的设计，用来实现一个指 令周期完成多个操作。再加上哈 佛结构、流水线、专用硬件乘法 器等等使得 DSP 芯片具有快速 的指令周期。 

1.3 DSP 的发展趋势

    随着技术和理论的发展，人 们对 DSP 芯片的性能也提出了更 高的要求。仅仅提高主频已很难 满足实际应用的需要，所以现代 DSP 在结构上作了更大的改进， 主要是提高操作的并行性。主要 有以下几种办法。第一，在保持 传统 DSP 芯片的结构和指令集不 变的情况下，增加额外的执行单 元和增加数据通路，这样编程者 能在一条指令中指定更多的并行 操作，从而增加了 DSP 的运行速 度。第二，采用（VLIW 超长指令 字）的结构，其指令结构采用一种 更 RSIC 化的指令集，在一条指令 周期执行多条指令，整个芯片使 用一个寄存器堆。第三种就是使 用动态指令规划，即所谓超标量 体系结构。其可以根据处理器可 用的资源、数据依耐性和其它一 些因素来决定哪些指令要被同时 执行，而不需要预先清楚被指定 同时运行的指令。还有就是采用 SIMD 结构，将输入的长数据分解为多个较短的数据，然后由单指 令并行地操作，从而提高数据处 理能力。另外在以控制功能为主 的 DSP 的应用中，还可以采用 DSP/ MPU 混合体系结构。以上 几种新的体系结构代表了 DSP 芯 片的发展潮流和趋势。未来 DSP 的发展还将会着重在处理器核和 快速用户可定制能力的开发上。 现在人们还提出了 DSP 化现场可 编程门阵列，将 DSP 和 FPGA 的 优点结合到一起。未来，DSP 还 将更“芯片”化，一块 DSP 芯片上 将集成 DSP 处理器核、微控制 器、RAM 和 ROM、串行口、模数 转换、数模转换、用户定义数字 电路和模拟电路，从而使 DSP 系 统更加小型化，集成化，低功耗， 以使其更加有利于应用在便携式 产品，如移动电话等当中，从而 也使 DSP 的应用前景更加广阔。

2软件无线电的体系结构 

2. 1 软件无线电的基本概念 

    软件无线电技术是数字信号 处理技术、VLSI 技术和计算机 技术快速发展并在通信中应用的 产物。其起源于美国国防部的 Speakeasy 战 术 通 信 系 统 计 划。 关键思想是构造一个具有开放 性、标准化、模块化的通用硬件 平台，从而使各种功能，如工作 频段、调制解调类型、数据格 式、加密模式、通信协议等用软 件来完成，并使宽带 A/ D 和 D/ A 尽可能地靠近天线，从而使整 个系统具有高度的灵活性和开放 性。系统的功能由软件定义，软 件是可以不断升级的，同时系统 的硬件也可以像计算机那样不断 地更新模块和升级换代。软件无线电的最终目的是要使通信系统 摆脱硬件系统结构的束缚，在系 统结构相对通用和稳定的情况 下，通过软件来实现各种功能， 使得系统的升级和更新换代非常 方便而且成本会比较小。

    对于软件无线电很多人都存 在着一种误解，认为软件无线电 技术就是当前数字无线电技术的 发展，亦即只要数字无线电的 A/ D 和 D/ A 越靠近天线后，就是软 件无线电了。其实软件无线电和 我们现在通常讲的数字无线电还 是有着本质的区别的。区别二者 的关键是采用通用的可编程能力 较强的 DSP、CPU 来代替专用的 数字电路，使系统对硬件和系统 结构具有最小的依赖性。软件无 线电的基本特性是可重构性和模 块化，特点是具有高度的灵活性 和开放性，可以兼容不同的通信 体制和标准，而数字无线电只能 导致对硬件和系统结构的更多依 赖。进一步地说，数字无线电是 侧重描述无线通信系统的实现方 法，是一种技术手段；而软件无 线电则侧重形容一种崭新的实现 无线通信系统的概念，是数字无 线电技术的高级形式和抽象化。 数字无线电技术是软件无线电实 现的前提和基础，软件无线电是 数字无线电技术发展的必然趋 势，二者紧密联系却又截然不同。 由于软件无线电的概念提出时间 还不长，还处在实验室阶段，从 现有的技术和认识上讲，系统数 字化程度越高，系统的开放性和 可编程控制能力就越强，就越是 真正意义的软件无线电。但从理 论上说，具备软件无线电特点的 无线通信系统并不一定就是完全数字化的系统，只要系统的功能 是可由软件定制的，构成系统的 各个模块可编程，即使模块内部 的某些结构暂时未数字化，我们 也可以认为其是软件无线电系 统，随着研究的深入和技术、理 论的发展，软件无线电的基本概 念也将会进一步地清晰和明了。

2. 2 DSP 对软件无线电发展的影响和作用 

    目前，软件无线电的研究正 在逐步走向深入，各种应用前景 也被逐步地提出并加以论证，如 软件无线电在3G 中的应用、软件 无线电在雷达中的应用等等。然 而在这些应用当中都离不开 DSP 这一平台，毫不夸张地讲软件无 线电技术应用的核心就是采用一 个通用的 DSP 硬件平台并通过软 件定义方式来实现各种功能。 

    未来无线通信终端的发展必 将是走向小型化、集成化和低功 耗。系统功能也将越来越强，需 要支持多模式、多频段，实现对 各种制式的支持。这些给软件无 线电的发展带来了很好的机遇和 前景，同时也对软件无线电技术 的应用 提 出 了 更 高 的 要 求，而 DSP 技术的发展则能使软件无线 电最好地满足了这种要求。

    实现软件无线电难点就是对 高速信号的处理。当 A / D 在越 靠近天线的地方将信号数字化后 交给 DSP，此时多模式多频段的 高速信号处理对 DSP 芯片的性 能要求很高。举个例子，现在我 们仅仅考虑信号在中频以后给 DSP 进行处理，即使在这种情况 下，DSP 的处理速度也至少要达 到数千 MOPS，即时钟主频要达 到 GHZ，而且此时功耗和散热问题将会十分突出。今后，终端的 发展趋势将是越来越小型化、低 功耗，无 法 承 受 大 的 功 耗 和 发 热，这 一 问 题 只 能 靠 今 后 超 高 速、低功耗 DSP 芯片的研制来解 决。在实现软件无线电的技术解 决方案上人们曾提出基于单个 DSP 的多 ASIC 结构的技术解决 方 案， 即 不 同 的 处 理 模 块 用 ASIC 来实现，这样对 DSP 的运 行速度性能要求就会降低，从而 解决了高速信号处理和功耗的问 题。但是，我们知道，虽然 ASIC 芯片具有较高的运行速度，但是 一经生产出来，再增加和修改或 者升级是十分困难的，这样就会 与软件无线电的基本思想相矛 盾。而且随着工作模式和支持频 段的增加，所需的 ASIC 芯片也 将会增加，从而也会带来功耗和 成本增加等相关问题。还有人提 出采用 FPGA 技术，这样可以较 大程度地解决系统升级和修改问 题，因为 FPGA 较 ASIC 要具有 更大的灵活性。但是 FPGA 同样 存在着功耗和面积过大的问题。 而且，对信号处理来讲 DSP 的能 力较 之 FPGA 来 讲 更 强、更 灵 活。如果再考虑到实现各种复杂 的协议和应用功能，未来的通信 终端中还将需要引进各种复杂的 实时操作系统，这时 DSP 优越的 性能就更是 FPGA 和 ASIC 所无 法比拟的了。所以未来的软件无 线电的发展将越来越依赖数字信号处理技术和 DSP 芯片的发展。

    由此，我们可以相信实现软 件无线电的最佳模式是采用通用 的可编程能力较强的 DSP 来实 现的方案。以 DSP 为核心的软 件无线电结构能支持所有的通信 模式，对于不同的模式和频段的 相互兼容我们所需要做的仅仅是 DSP 软件程序和加载方式的变 化，而 这 又 是 比 较 简 单 和 可 行 的。与此相反其它的方案都更偏 向于数字无线电的概念，离标准 的软件无线电还有一定的差距。 所以说未来超高速、低功耗、小 型化、集成化的 DSP 芯片的研制 对软件无线电的实现来讲具有重 要的意义。现代 DSP 技术的突 飞猛进，各种 DSP 在功能上趋向 实现多个 MAC 和多个寄存器， 更宽的程序总线和数据总线；在 结构上趋向采用 SIMD、MIMD 以 及 VLIW（ 超 长 指 令）。再 加 上 DSP 软 件 技 术 的 发 展，如 各 种 FFT 算法，调制解调、信源编码、 信号编码等各种通信软件，也包 括方式控制、信号控制和数据交 换软件等等的飞速发展等等必将 促进软件无线电技术的应用和推 广及最终实现。

3 DSP 在实现软件无线电中的 几种应用方案 

3. l 三 种 软 件 无 线 电 结 构 中 DSP 的应用 

    标准的软件无线电由天线、射频处理前端、高速 A / D、D / A 和高速 DSP 三部分。其基本结 构如图 l 所示。

    在图 l 中，对应于 A / D 采 样是基于 Nyguist 低通采样定理 还是带通采样定理，软件无线电 的组成结构又可以进一步细分成 射频全带宽低通采样软件无线电 结构、射频直接带通采样软件无 线电结构和宽带中频带通采样软 件无线电结构。关于这三种软件 无线电结构的详细论述可以参考 文献［l］，这里将只着重论述三 种不同的软件无线电结构中 DSP 的使用。

    射频全宽带低通采样软件无 线电结构是最理想的软件无线电 结构。信 号 直 接 在 射 频 数 字 化 后，所有的工作都将由 DSP 去完 成，这样整个系统将会具有高度 的灵活性和可升级性。但是在这 种结构中对 DSP 和 A / D 的要求 是相当高的。我们可以做个简单 的计算，系统采样速率应满足：，如果考虑前置超宽带 滤波器的矩形系数 #，则要求：fs。假设 fmaX= 2GHZ，当 r =2 时，fs ＞ 8GHZ，如此高的采 样信号，对 A / D 和 DSP 目前都 是无法实现的。所以这种结构中 DSP 的应用方案还要留待以后去 进一步研究。再看看在射频直接 带通采样软件无线电结构中，这 时除了需要一个主采样频率外还 要 M 个“ 盲区”采样频率。如果 我们取 fs ＜100MHZ，对目前的 DSP 来讲是可行的，但是对于前 置窄带电调滤波器和 A / D 等来 讲却还是十分困难的，所以目前 最为可行的是宽带中频带通采样 的软件无线电结构。信号通过多次混频到中频，在中频进行数字 化，然 后 通 过 数 字 下 变 频 到 基 带，再用 DSP 进行处理，这样对 DSP 的速度和性能要求就会大大 降低。这里数字下变频可以由专 门的芯片去完成。系统基本结构 如图 2 所示。

    如果采用速度和性能比较好 的 DSP，图 2 中还可以省去数字 上、下变频器专用硬件，中频信 号直接在 DSP 中进行处理，这样 整个系统的灵活性会有较大地提 高。系统结构如图 3 所示。

    下面我们具体地分析一下图 2 和图 3 所示的系统 DSP 的作用 和功能。图 3 中 DSP 对中频信 号进行处理，图 2 中 DSP 主要完 成基带信号处理，此时对 DSP 的 要求要大大地降低。我们可以做 个对 比，假 设 对 带 宽 为 lOMHZ 的信号进行采样，则采样频率至 少要 2OMHZ，而且实际应用中采 样频率至少要 3OMHZ ~ 4OMHZ， 如果在图 3 所示系统中，即使对 每个样值仅仅运算 lOO 次，运算 量就是 3 OOOMIPS ~ 4 OOOMIPS， 而目前最快的 DSP 芯片 TI 公司 的 C6X 系 列 也 只 能 达 到l SOOMIPS左右。但是如果在图 2 所示的系统中，信号降到基带 以后再进行处理，由于基带信号 带宽比较小，例如 GSM 系统中 基带信号带宽仅为 2OOkHZ，这 时仅需大约 SOMIPS 的运算量， 这点对 DSP 来讲还是比较容易 完成的。所以在目前情况下，图 2 所示的系统要比图 3 所示的系 统更容易实现，但系统的灵活性 却比较差。当前，如果要实现对 中频信号的直接处理，即图 3 所 示的系 统，我 们 可 以 采 用 多 个 DSP 并行处理的方法。例如让 4 片 C62 并行工作，其处理速度将 达到 64OOMIPS，可以满足需要。 多 DSP 系统实现的结构框图如 图 4 所示。

    在图 4 中，虽然系统的运行 速度可以达到要求，但是要采取 合理的方法协调它们之间的工 作，多处理器之间的通信会十分 重要，更多的时候我们可能还需 要使用嵌入式实时操作系统来完 成 DSP 之间通信的协议，这点现 在研究得比较深入，实现起来并 不困难。从这点也看出了前文所 述 的 采 用DSP作 为 硬 件 平 台 来实现软件无线电的好处和优点。 3. 2 软件无线电思想应用的一 个实例.

    前文所述的各种思想很多现 在已经被人们应用到了实际当 中，更多的还在随着技术和理论 的发展进一步地向前发展。多模 式数字化中频接收机就是一个典 型的基于 DSP 实现软件无线电 思想的一个实例（ 虽然它还不能 叫做真正的软件无线电），系统 框图如图 5 所示。

    在多模式数字化中频接收机 中，射频前端主要完成对不同模 式信号的预处理并将它们混频至 第一中频，经抗混叠滤波和自动 增益控制后对信号进行带通 A / D 转换，在带通 A / D 转换的同时 将信号变频到第二中频即数字中 频。这时的输出信号已经是数字 信号了。再经过数字下变频，然 后在基带对信号进行解调和处 理。在第一中频，模拟抗混叠滤 波器的设计只需针对带宽最大的 信号，而对不同模式信号的选择 和处理都在后面的 DSP 中利用 软件编程来完成，可以说 DSP 是 整个系统的核心和关键所在。这 种结构的数字化中频接收机可以 支持多模式、多频段，在未来多 模式移动电话等其它系统当中会 有广泛的应用。

4 结 论

    DSP 是实现软件无线电的最 佳平台，具有通用可编程能力的 DSP 的使用将软件无线电和数字 无线电 从 本 质 上 区 别 开 来。现 在，DSP 处理器在软件无线电中 已经得到了大量的应用，随着数 字信号处理技术和理论及大规模 集成电路的发展，高速高性能的 DSP 处理器必将不断涌现，并将 进一步推动软件无线电的发展。

柏 涛 杜俊杰

参考文献 

1 杨小牛，楼才义等. 软件无线电原 理与应 用. 北 京：电 子 工 业 出 版 社，2001 

2 张雄伟，陈亮，徐光辉. DSP 芯片 的原理与开发应用. 北京：电子工 业出版社，2001 

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7 张春生，陈亮，徐志军等. 多模式 数字化中频接收机中带通Az调 制器的研究和仿真. 南京地区第十 八届研究生通信年会论文集，2003 

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