第二章软件无线电的体系结构ppt课件.ppt

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1、软件无线电的系统模型软件无线电的系统模型软件无线电的体系结构软件无线电的体系结构软件通信体系结构是根据联合战术无线联合战术无线电系统（电系统（JTRS)开发软件，按可配置无线电台的基、本需求而建立的独立于具体应用的软件无线电体系结构，它包括硬件体系结构、软件体系结构等部分。 传统的通信系统的概、念是发信者使用无线电发射机将信息传送给接收者;接收者使用相应的无线电接收机接收信息,中间通过一定的通信信道。图传统的通信模型信源处理信源处理：将原始信号（如语音）转换成适当的电信号；信道处理信道处理：将电信号转换成适合无线电射频（RF）信道传输的波形；传统无线电与软件无线电比较：传统无线电与软件无线电比

2、较：传统通信需人工干预的控制很少，只有像电源开关、音量控制等几个简单的控制功能；软件无线电在此基础上扩展多频带、多模式、多线程以及多个性化的特点；软件无线电信道可扩展成三部份：软件无线电信道可扩展成三部份：可编程的RF/信道接入部份,是对多个射频段和其它信道的接入部份进行自动的接入；中频部份主要是进行滤波、频率变换、波束形成等处理；调制解调部份包括了多种可用的调制技术；信息安全：信息安全：信息安全中的信息加密技术越来越受到人们的重视,认证技术可以防止欺骗，而传输安全技术可以将信息传输的事实（信息的流向、流量、频度）隐藏起来。函数模块：函数模块：所有这些函数模块共同实现一个多频段、多模式、多线程

3、以及多个性化的软件无线电节点，它由一个联合控制函数来管理和控制，联合控制保证了系统的稳定性以及系统的自动恢复。联合控制使得系统具有自动选择频带、自动选择数据格式以及自动选择调制方式的功能。软件无线电节点对计算的需求：软件无线电节点对计算的需求：首先,从信源开始，为了兼容多种信息输入，信源编码要包括所有可能的算法，如话音压缩编码、图像压缩编码、视频信号编号以及多媒体信息编码等算法。其次,对于远程信息输入,在服务和网络支持模块中还要包含与相关网络的互联协议。在信道选择，波束形成算法、频段的选择、调制方式的选择、数据格式的选择等等,都包括了大量的运算需求。 最后，一个复杂的联合控制林管理和协调整个系

4、统的正常工作，包括要管理系统的个性化配置以及基本硬件资源（如DSP，FPGA，ASIC等）的支撑软件上，它也需要大量的运算。因此，同样一个多频段、多模式、多个性化的软件无线电节点，当用户选择不同的配置时，系统对运算的需求是有很大的不同的，有可能造成运算资源的冲突。另外，使用过程中某些器件的失效，又会使系统失去一些运算资源，进一步造成运算资源的的短缺。软件无线电节点配置要求：软件无线电节点配置要求：一个软年无线电节点可以进行个性配置，可以改变空间接口的任何方面，如信号是否跳频，是否扩频，当然改变配置后所需要的资源（如运算容量、存储容量，带宽等）不、能超过系统本身所能允许的最大限量。进行了个性化配

5、置的这样一个软件无线电节点，可以将它的新的配置进行上载(Upload)，传给服务供应商(Service Provider)或软件无线电基站，而其它需要以这种个性化方式进行通信的节点，就要从空中先进行下载，将配置安装在自身的节点上再进行通信.当然每一个新的个性化配置在使用之前都应先确保其正确性和安全性。软件下载需考虑的问题：软件下载需考虑的问题：软件下载和重新配置对软件无线电的影响是全面的,软件无线电的多层视图可分为物理层、网络层、服务层、应用层。图图 软件无线电的多层视图软件无线电的多层视图1.下载的程度下载的程度根据下载的内容可分为完全下载和非完全下载。前者是完全替换系统代码,这需要较大的系

6、统资源。部分下载只是替换部份代码,下载量较少，但各层之间的接口通常较稳定。2.各系统之间的通信各系统之间的通信系统各层间均是相互联系的、共同完成任务的，在软件下载过程中必须保持通信,各单元之间必须有力相互发现,这也称之为绑定。3.下载的内容下载的内容 可分为执行代码和数据两大类。可执行代码就是可供系统主动执行功能的代码；数据是被动的，例如系统的一些参数。4.软件下载的安全保障软件下载的安全保障由于下载软件的来源很多，其核心任务是保证恶意的软件代码不被下载和激活。安全性需要可归纳如下：授权：确认用户可以访问数据或使用网络;完整性：采用加密技术和编码技术保证信息的完整性;隐私：采用加密技术实现;认

7、证：简单口令或高级的加密的技术;认可：接收者和传送者都肯定各自的行为,采用数字签名或适当的协议方法实现;软件无线电原理图的拓扑结构软件无线电原理图的拓扑结构图图 软件无线电的拓扑结构软件无线电的拓扑结构 图中所显示了一个双频带接收机，它可以接收两个射频段（高段或低段）的信号，接收到的射频信号通过射频处理变换到中频，在中频进行采样将信号数字化（ADC），然后通过信道滤波器选出所要的信道，信道选择可以由用户控制。选出所要的信道后，经过调制解调器得到基带信号，然后通过一个声码变成话音输出给用户，在这里，用户可以控制输出声音的音量。用这样一种添加了变换和控制函数怕拓扑结构就可以很简单地表示一个无线电通

8、信系统。拓扑模型的好处：拓扑模型的好处：可以明确系统顶层的即插即用接口；可以预测和控制系统的性能；为建立标准定义一个参考模型；为产品的演化提供一个体系；拓补模型的特点：拓补模型的特点：1.节点和有向线段可以带有有关的重要特性,这些重要特性构成拓补空间的维数;2.一个拓补结构包括了很多的空间,在这些空间上可以从不同的角度得到系统的重要特性。本节介绍软件无线电与可编程数字无线电相区别,现在很多数字接收机都是都是编程数字无线电，但并不等同于软件无线电。 软件无线电的三种结构形式软件无线电的三种结构形式 基于采样方式的不同，软件无线电的组基于采样方式的不同，软件无线电的组成成结构可以分成以下结构可以分

9、成以下3 3种：种： 1 1）射频全宽带低通采样软件无线电结构）射频全宽带低通采样软件无线电结构 2 2）射频直接带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 3 3）宽带中频带通采样软件无线电结构）宽带中频带通采样软件无线电结构 组成结构如图所示：组成结构如图所示：双工器双工器超宽带超宽带滤波器滤波器超宽带超宽带放大器放大器超高速超超高速超宽带宽带A/D分波段分波段滤波器滤波器超宽带功超宽带功率放大器率放大器超高速超超高速超宽带宽带D/A超高超高速速 DSP软件软件minmaxffmax2sff这种结构的优缺点这种结构的优缺点n优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电优点：对射频信

10、号直接采样，符合软件无线电概念的定义。概念的定义。n缺点缺点：（1）需要的采样频率太高，特别还要求采用大）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动态、多位数的动态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件水时，显然目前的器件水平无法实现。平无法实现。（2）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范围有很高的要求，工程实现极为困难。范围有很高的要求，工程实现极为困难。所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。例：短波例：短波HFHF频段低通采样软件无线电结构频段低通采样软件无线电结构n对于工作频段处于对于工作频段处于0.1MH

11、z到到30MHz范围的范围的HF就可能采用上述结构，因为采样频率在就可能采用上述结构，因为采样频率在100MHz左右精度为左右精度为14位的位的AD已基本能满足要已基本能满足要求。求。双工器双工器滤波器滤波器放大器放大器A/DA/D滤波器滤波器功放功放D/AD/ADSPDSP软件软件:75 90sfMHzMHz0.1MHz30MHz 射频直接带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n组成结构如图所示：组成结构如图所示：双工器双工器窄带电调滤窄带电调滤波器波器放大器放大器A/D功功放放“0”内插上内插上变频变频D/ADSP软件软件00/ 4/ 4SmSmffff(2n+1)(2m+3

12、)m/SSff窄带电调窄带电调滤波器滤波器本结构说明本结构说明n本结构采用了射频直接带通采样原理。本结构采用了射频直接带通采样原理。n这种带通采样除了需要一个主采样频率这种带通采样除了需要一个主采样频率fs外，还需外，还需要要M个个“盲区盲区”采样频率采样频率fsm(m= 0,1,2M-1)，M值由下式确定：值由下式确定： 式中，式中，INTx表示取大于等于表示取大于等于x的最小整数。的最小整数。n盲区采样频率为：盲区采样频率为： ，式中，式中，m = 0, 1,2,M-1对应盲区号。对应盲区号。max2sfMINTf2223Smsmffmn主采样频率主采样频率fs的确定主要取决于的确定主要取

13、决于A/D器件的性能；器件的性能；另外，还要考虑与后续另外，还要考虑与后续DSP的处理速度相匹配。的处理速度相匹配。为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率fmax一定的情况下，一定的情况下， fs应尽量选高。应尽量选高。n本结构对本结构对A/D器件的要求是器件的要求是A/D需有足够高的工需有足够高的工作带宽。作带宽。n优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有A/D的采样速率不同；最后就是对的采样速率不同；最后就是对DSP的处理速度要的

14、处理速度要求不同。实现可行性较强。求不同。实现可行性较强。n缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的A/D（高性能采样保持放大器）实现起来还是（高性能采样保持放大器）实现起来还是有相当的难度。另外，本结构需要多个采样频有相当的难度。另外，本结构需要多个采样频率，增加了系统实现复杂度。率，增加了系统实现复杂度。因此，我们将介绍下面一种软件无线电结构因此，我们将介绍下面一种软件无线电结构宽带中频带通采样软件无线电结构。宽带中频带通采样软件无线电结构。 宽带中频带通采样软件无线电结构宽带中频带通采样软件无线电结构n组成结构如图所示：组成结构如图所示：分波段分波段滤

15、波器滤波器 功功放放高高放放 双工双工器器 一本一本振振 一中一中放放 滤滤波波A/DD/A DSP (软软件件)fsf0/4s(2n+1)f放放大大放放大大 一本一本振振 二中二中放放本结构说明本结构说明n本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结构。构。n本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽处理，本结构具有更好的

16、波形适应，信号带宽适应性以及可扩展性。适应性以及可扩展性。n本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射频信号转换为适合于频信号转换为适合于A/DA/D采样的宽带中频或把采样的宽带中频或把D/AD/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。输出的宽带中频信号变换为射频信号。.可编程数字无线电可编程数字无线电 可编程数字无线电的编程性体现在基带使用DSP,包括可以用软件改变信源的编码方式。但是对于基带以上的部份，它是通过使用多种硬件模块或不同芯片使得无线电接入多外模式,并且选择多种空间接口方式；当需要转换射频或改变空中接口的方式时，则需要对硬件模块进行更换才能实现系

17、统的个性化配置。 典型的可编程数字无线电，如双模手机GSM/CDMA双模手机。2.软件无线电软件无线电 软件无线电以其特有的方法给予无线电更多的个性化,它以软件定义空间接口（包括接入多外射频段及多外调制波形等）。图图 软件无线电的关键模块软件无线电的关键模块软件无线的射频端是一个多波束天线和一个多频段的射频转换器,它可以接收多个方向，多个频段的射频信号，并且将射频信号转换成中频信号。宽带的ADC对中频信号采样,中频处理部份包括：隔离用户信号滤波器,波束形成以及数字下变频。它从采样的中频多用户信道提出所需的用户信道,抑制相邻用户的干扰,并且将提取出的单用户窄带信号进行抽样,进一步降低采样率,完成

18、数字下变频。解调后的信号为一个比特流序列,比特流处理部份需要完成信息的加密解密、编码译码等。 在现在的移动终端中,更多的采用一些固化的定制芯片（ASIC),尽管ASIC可以设计成具有多个控制参数,但是在移动终端的使用过程中是无法改变个性化设置。要改变一个移动终端空中接口的个性化设置,必须更换相应的ASIC芯片。ASIC芯片与DSP芯片相比具有低功耗,尺寸小、重量轻、成本低等优点,但是它的灵活性受到限制。3.硬件的等价模型图用射频专用图用射频专用ASIC实现实现图用等价软件模型实现图用等价软件模型实现4.对编程程度的量化对编程程度的量化可编程性是指系统的灵活性,即是不是可以很容易个性化配置。现化

19、的无线电使用不同的处理器的混合,因此对灵活性的度量要适用于各种处理器。软件无线电可编程的度量：软件无线电可编程的度量：软件无线电的拓补结构是由单一弧线和源点、汇点组成，弧线可以一层层分解到最基本的组成部份。硬件的最基本组成是离散的器件,而软件的最基本组成部份是处理器的单条指令。对于分解对最底层的拓补结构,计算出所有能通过软件重新定义的弧线，它与总的弧线之比就是可编程的度量。DSP与与FPGA可编程性比较：可编程性比较： FPGA从理论上讲是完全可以编程的从理论上讲是完全可以编程的,在实际中它们在实际中它们比比ASIC的可编程性要高。由于的可编程性要高。由于FPGA受限于门数和连受限于门数和连线

20、的多少。线的多少。 FPGA的设计在一定程度取决于设计者的经验的设计在一定程度取决于设计者的经验,而用而用DSP通过软件来实现功能的通过软件来实现功能的,软件是保存在存储器中的软件是保存在存储器中的,所以通过软件来替换某些电路对所以通过软件来替换某些电路对DSP来说是轻而易举来说是轻而易举的。因而的。因而DSP的可编程度比的可编程度比FPGA要高。要高。处理器处理能力的度量处理器处理能力的度量1.时钟速率 时钟速率越快，运算速度就越快。2.指令执行速度指令执行是以一条指令所需的执行时间或每秒种执行的指令数目来度量，互为倒数，单位分别为ns（纳秒）和MIPS(百万条指令每秒）。3.操作速度操作执

21、行速度是指每秒钟进行的操作数目来度量，其单位MOPS，MFLOPS和BOPS。4.乘加运算（MAC)执行速度乘加运算执行速度指完成一次MAC运算的时间或每秒钟执行的乘加运算数目来度量，单位分别为ns和MMACS(百万次乘加每秒）。5.FFT的执行速度运行一个N点的FFT程序所需时间来度量。对信号处理器的要求对信号处理器的要求1.大运算量的实时运算必须有多个并行执行的功大运算量的实时运算必须有多个并行执行的功能单元，并对常用的数字信号处理操作提供直能单元，并对常用的数字信号处理操作提供直接的硬件加速；接的硬件加速；2.强的实时性决定处理器不能有太多的动态特征，强的实时性决定处理器不能有太多的动态

22、特征，对分支预测同、终端响应的机制的选用和采用对分支预测同、终端响应的机制的选用和采用有一定的限制；有一定的限制；3.处理器应该设置片内存储器，硬件处理器应该设置片内存储器，硬件“零开销机零开销机制制”，单周期的，单周期的MAC功能单元功能单元;4.专用的地址单元和寻址模式。专用的地址单元和寻址模式。软件无线电可用的编程语言软件无线电可用的编程语言在软件无线电中，实现软件功能的编程语言主要有汇编语言、高级软件语言和硬件描述语言。1.汇编语言汇编语言汇编语言是一种面向机器语言的低级语言。它依赖于硬件，能通过巧妙的程序设计充分发挥硬件的潜力。如果采用汇编语言实现软件无线电的编程,则需要编程人员熟悉

23、处理器的结构。虽然采用汇编语言能充分发利用处理器的软硬件资源,程序代码的执行效率高,但是延时了开发周期,降低了开发效率,而且在可读性、可修改性、可移植性和可重用性方面的缺点日益突出。2.C语言语言 采用高级语言编程的目的就是要将执行命令的目标处理器相分离,通过编译器决定哪一种硬件特定的指定被执行,这与汇编语言是不同的。 Dennis Ritchie在1972年改进了B语言,在一台DEC计算机上开发了最早的C语言版本，其主要目的是开发Unix。1987年,美国国家标准协会制定了一个C语言的标准,Kernighan和Ritchie在书中全面介绍了标准。因此,当DSP厂商首次将汇编语言升级为高级语言

24、时候, C语言最佳选择,C语言程序可以在较短的时间内开发出来。如TI公司的CCS集成开发环境。3.硬件描述语言 硬件描述语言（HDL)是一种用形式化方法来描述数字电路和数字逻辑系统的语言。数字逻辑电路设计者可以利用这种语言来描述自己的设计思想,然后利用EDA工具来进行仿真,再自动综合到门级电路,最后用ASIC或FPGA来实现其功能。随着EDA技术的发展,使用硬件描述语言设计PLD /FPGA已成为一门技术。目前最主要的硬件描述语言是VHDL和Verilog。硬件描述语言的特点具有如下特点：能精确描述和模拟数字系统设计的行为,行为描述即可用算法也可用实际硬件结构。设计按层次分解,可进行复杂的、多

25、层次设计。与硬件独立,一个设计可用于不同的硬件结构,而且设计不必了解过多的硬件细节。有丰富的软件支持硬件描述语言的综合和仿真,从而在设计时阶段就能发现设计中的缺陷,缩短设计时间,降低成本。具有良好的可读性,便于理解。并行性、定时和时钟都可被模型化,设计的逻辑操作和定时特性都可被模拟。硬件描述语言和计算机语言的区别：硬件描述语言和计算机语言的区别：运行的基础不同。计算机语言在CPURAM构建的平台上运行；硬件描述语言设计的结果是由具体的逻辑、触发器组成的数字电路。执行方式不同。计算机语言基本上以串行方式执行;硬件描述语言在总体上以并行方式执行；验证方式不同。计算机语言主要关注数值量的变化;硬件描

26、述语言主要实现严格的时序逻辑关系。编程方式比较：编程方式比较：汇编语言（机器语言）的效率最高,设计进度慢；高级语言（C语言）的效率次之,但设计进度快；软件自动产生语言效率最低,但设计进度最低；软件无线电的状态空间软件无线电的状态空间状态空间是理解无线电的编程性与所用器件的关系。图图 软件无线电状态空间示意图软件无线电状态空间示意图功能模块性质注释信源编译码音频视频传真数据接口标准算法服务与网络支持系统的管理与控制数据服务网络互联线路标准,互联网标准,移动标准信息安全传输安全,认证,加密,数据完整性可能不用信道编码调制解调基带调制解调,定时恢复,均衡,预失真,信道编译码信息安全,调制解调,中频接

27、口是标准的中频处理波束形成,分集接受射频信道接入天线,射频转换与中频接口是非标的信道集多频段,同时传输,与线路接口自动多信道/多模式接入多个性化多频段,多模式 ,灵活服务,向前兼容复杂的射频接口 进化支持定义和管理的个性化本地或网络支持联合控制联合的信源/信源编码,动态服务或下载服务,处理资源管理集中了用户和网络接口表表 软件无线电的顶层功能模块软件无线电的顶层功能模块表 顶层模块接口接口重要性质拓补结构模拟信号流音频/视频/传真信号无限维信源比特流经ADC后为时间离散的量化采样波形,信源编码比特流有限维未加密比特流帧形成,多路复合,前向差错控制有限维加密比特流随机性数据,认证响应,加密比特流

28、和数据包有限维,随机化的数据流基带波形时间离散的同步量化采样数据流精确反应信号的数字波形中频波形经过数字预加重的适合上变频的波形模拟中频具有无限维的拓补特性,数字中频具有基带的拓补特性射频波形控制功率强度,信号形状,信道干扰等无限维的拓补结构网络接口打包的数据流需要ATM,SS7或ISO协议同步数字传输(SDH)联合控制对所有的硬件和软件的控制接口,初始化,默认恢复对数空间目标软件从进化支持系统下载应用程序装载执行目标软件封装下载的拓补结构是非线性的 本节具体介绍在体系结构上构造软件无线电的问题。体系结构的定义：体系结构是一些设计原则、基本功能块以及函数的集合,利用它们可以组织、设计和建立一个

29、系统。当系统的复杂性增加时,体系结构的作用变得非常重要，一个加有力的体系结构可以简化和加速系统的开发；一个特定的体系结构承当了系统中各部份的划分、软硬件的分配,以及各部份之间接口的定义等。SCA的发展的发展1. 什么是什么是SCA？定义了用于管理、控制、配置管理、控制、配置软件无线电的软件体系结构，由接口、行为规范、一般规规范、一般规则、波形应用程序则、波形应用程序接口（API)程序以及所需的安全需求构成。是一组用来实现软件无线电的规则、方法和设计标准。2. JTRS构建构建SCA的目标的目标 在不同的设备间实现应用软件的可移值性； 基于开放的商业标准； 支持无线系统和互操作能力、可编程能力和

30、可裁减能力； 最大可能软件和硬件独立； 通过可重用设计模块、可降低新波形的开发时间； 可支持嵌入式可编程的信息安全模块INFOSEC相结合；3. SCA的版本发展的版本发展由JPRS JPO软件模块之间的应用程序接口进行标准化，并推荐Vxworks为操作系统。并发展成为商用标准。 2000.2 SCA1.02000.12 SCA2.0其内容如下： 允许设备制造商在运营商在设备部署到位后，进行配置； 第三方在原硬件制造商确认的情况下，制造和销售终端软件；软件无线电对无所不在的通信世界是必然的；需多频段、多模式能力；需要较高的频段利用率；多个软件模块可以协作认知无线电； 无线电体系结构经历了从简单

31、到复杂,从低到高的数据率的提高。图图 无线电体系结构的演变无线电体系结构的演变典型的软件无线电可从移动台移动台和基地台基地台两方面分析。它们其包括电源提供、天线、多频带射频转换器、宽带A/D/A转换器，以及通用可编程处理器和存储器等。移动软件无线电终端通过声音、数据、传真或多媒体等方式与用户接口，而软件无线电基地台与公共电话交换网（PSTN)接口。基地台抱括支持运行和维护的软件系统,以及支持新业务的工作站。图图 典型软件无线电的移动台和基地台典型软件无线电的移动台和基地台软件无线电的宗旨：软件无线电的宗旨：（1）尽可能地简化射频模拟前端，使）尽可能地简化射频模拟前端，使A/D转换尽量靠近天线，

32、数字化后的信号尽量转换尽量靠近天线，数字化后的信号尽量多用软件处理。多用软件处理。（2）硬件平台应具有开放性、通用性，软）硬件平台应具有开放性、通用性，软件应具有可升级性，可替换性。件应具有可升级性，可替换性。软件无线电可分为三大组成部分：软件无线电可分为三大组成部分：射频处射频处理前端理前端A/DD/A数字处数字处理软件理软件典型的软件无线电结构典型的软件无线电结构1.天线部分天线部分 软件无线电的天线具有多个频段的接入能力。以开关方式接入频段，需宽带天线；每个频段上有一个天线或多个天线，构成波束形成电路以降低干扰；2.射频转换部分射频转换部分射频信号部分包括功率的产生、信号预放大，射频信号

33、转换为转换标准的中频信号等。在许多无线电频带中,射频转换用模拟器件实现。对它们要求包括：放大器的线性要求,对邻道的隔离要求；避免基带信号的时钟频率调谐进入射频的模拟电路；3.模数转换部分根据采样信号的频率和带宽决定采用何种A/D采集技术。根据Nyquist采样定理,实际系统一般采用过采样。采样的方法：并行采集、带通采集等。 宽带A/D采样放置中频变换之前的目的：可以在信号的检测和解调之前使前数字信号处理器,提高算法的灵活性;可利用编程硬件完成部分数字处理功能;对有限的计算资源可以统一进行分配,如处理容量、存储量、I/O宽带。4.中频处理部分 中频处理部分接收的信号是一含有多路信道的宽带信号,中

34、频处理就是将其中的某一特定信道提取出来； 如GSM信道,中频处理部分接收GSM频(25MHz),需要从其中取出一个200kHz的TDMA信道。中频部分的复杂性和大运算量在于频率变换和滤波。对于大量的运算,目前常用的DSP是无法完成的,常用专用的专用芯片完成。5.基带处理部分 基带处理部分就是将单一信道的基带信号进行解调（或反过来进行调制）,比如有代表性的编码为BPSK,QPSK,GMSK,8-PSK等。这一部分的运算量及复杂性取决于基带信号的带宽,调制方式以及相应的处理带宽,如解调的软判决算法,定时的恢复和提取。通常2FSK信号可以由两种电路实现。 （a）模拟调频法 （b）键控法 2PSK信号

35、的典型时间波形如图所示，图中所有数字信号“1”码对应载波信号的相位，而“0”码对应载波信号的0相位（也可以反之）。n 最小频移键控（MSK）原理 最小频移键控（MSK）是频移键控（FSK）的一种改进型，是使FSK相位始终保持连续变化的一种调制，这里“最小”指的是以最小的调制指数（即0.5）获得正交信号 正交性条件为-两个信号的相关系数为零即 、 分别为传号载频和空号载频 令k=1时频差最小，为 ，称为最小移频键控。此时调制指数为 由等式（2）可得到 ，说明：MSK信号在一个码元期间内，应包括四分之一载波周期的整数倍。 sTtdtt0120coscos) 1 (221sTkfff)2(41)(2

36、121scTnfff2f1f0)sin()sin(21212121ssTTsTfff21125 . 0sfThcsTnT41 MSK信号的表达式为式中， 为载波角频率； 为码元宽度； 为第k个码元中的信息取值为 ； 为第个码元的相位常数，在时间 中保持不变。 MSK信号的两个频率为其中，N为正整数，m=0,1,2,3 kskcMSKtTattS2cos)(ssckTtTktt) 1(,)(coska1csTksskTtTk ) 1(sscsckTmNTfTfa1414122112时，当sscsckTmNTfTfa1414122111时，当 根据MSK信号的表达式设在 时刻相位是连续的，则得 即

37、相位连续条件为若设 的起始参考值为零，则 附加相位函数 是总相位减去载波相位而得到的剩余相位。 在一个码元期间内的变化量总是 ，即 kskcMSKtTattS2cos)(sskTtTk ) 1(,sTk) 1( ksskksskTkTaTkTa) 1(2) 1(211) 1(2)(11kaakkkk时当时当1111,) 1(,kkkkkkaakaak或0kksktTat2)(sskTtTk ) 1(,2/)(t2)(, 12)(, 1减少增加tatakk图 附加相位函数 附加相位路径网络-11-1111相位常数 与的关系k1234561-1-11110-2-2-2（模2）0000kkakkak

38、sTf1231sTf122MSK信号 ，“+”信号与“-”信号在一个码元期间相差二分之一周。n MSK信号的特点 n MSK为恒包络（即已调信号的振幅是恒定的）已调波，功 率谱特性好n MSK信号的两个频率偏离信道载频 ；调制指数n 以载波相位为基准的MSK信号，其相位在一个码元期间内 准确地线性变化 n 在一个码元周期内，信号应包含1/4载波周期的整数倍（这里载波是指频率为 的载波） n 在码元转换时刻信号的相位是连续的，或者说，信号的波形没有突跳。 s41Tf2112ssfffffh2/2/ )(210fff高斯滤波最小频移键控-GMSK 一种特殊的数字FM调制方式。给RF载波频率加上或者

39、减去67.708KHz表示1和0。使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK（频移键控）。在GSM中，数据速率选为270.833kbit/sec，正好是RF频率偏移的4倍，这样作可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK（最小频移键控）。 在GSM中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。它可以降低频率转换速度，否则快速的频率转换将导致向相邻辐射能量。6.比特流部分 比特流部分完成多个用户的信源比特复合,在比特流中在上前向差错控制(FEC),包括比特交织、卷积编码和自动请求(ARQ)的检测和响应，另外比特填充、比特加密也是这一部分完成。信令、控制与操

40、作、运行管理与维护的功能也是这一部分完成的。这些功能对运算量的需求依赖于信令、控制和操作的复杂性,而且正比于同时接入的用户个数（对于基地台而言）。这些功能所需的运算量与基带处理相比是较小的,但是这些特点决定了它们需要大量的数据库，如用户信息管理、用户位置信息。而这些数据库是分布式数据库。因此,信令与管理的计算量较小，时间的需求量较大。7.信源部分 信源部分在移动终端和基地台是不相同的。对于移动终端的信源，它包括用户和信源的编译器,通常,窄带的话音和传真的模数转换器位于手机、掌上电脑或工作站中。而对于基地台,它的信源部分包括与公用电话交换网(PSTN）或其它的通信网络的接口。在以上的每一部分处理

41、都会引入延时,这些延时的积累造成的端到端的延时必须保持在一个可容忍的范围内,比如端到端的语音延时必须小于150ms,而网络中的延时可能消耗100ms,只剩50 ms的延时给两端的处理器，因此以上各部分要严格限时。RPE-LTP(规则脉冲激励长期预测码）规则脉冲激励长期预测码） GSM的语音讯号处理也是属于模型式压缩方法，也就是说，将人的声音模型化为一个气流激发源流过气管与嘴型变化后的变化，这种方法和CD压缩音乐方式是不同的。由于这种方法是专门针对语音信息，所以能够提供高压缩比但仍能得到可理解的语音讯号。利用这种技术，语音数据可以压缩13Kbps。连接方式划分的硬件体系结构连接方式划分的硬件体系

42、结构在软件无线电中，各功能模块通过一定、的连接方式进行互联而组成了一个开放的、可扩展的、标准的、具有较高的数据吞吐率的硬件平台。可分为流水线结构、总线式结构、交换式结构和基于计算机网络结构。.流水线结构流水线结构包括天线、多频段射频（IF)转换、宽带ADC/DAC、DDC/DUC、数字信号处理器。图流水式结构示意图图流水式结构示意图流水式结构以流水线形式进行互联，与无线通信的信号流向一致，因此效率较高。其优点如下：时延短、硬件简单实时性好、处理速率高缺点如下：耦合相当紧密，独立性不高去除或调整某一模块，会导致总体结构的改变若增加中频带宽或信道数，那么现有的数字下数变频也将改变，牵一发而动全身！

43、在体系结构中各模块之间的接口都是面向特定对象设计的，各模块之间不存在统一和开放性接口标准。导致接口的通用性和伸缩性变差、不利用技术的协同与进步，而且带宽比较窄。2.总线式结构各功能通过总线连接、并通过总线交换数据及控制命令。图总线式结构示意图图总线式结构示意图 总线成为系统扩展的瓶颈，特别是实时处理性高的地方。因此总线须具备高速率、能进行复杂控制、便于复杂控制和功能控制。软件无线电的总线结构特点：a) 支持多处理器系统数据运算量大，要求很高的处理速度，如果采用DSP，则目前单片DSP无法胜任，需多DSP并行处理。b) 具有带宽高速的特性为保证大量的数据传输，软件无线电具有较高的数据传输和I/O

44、口吞吐能力，总线传输速率超过50Mb/s，支持32-64位的数据和总地址线。c) 具有良好的机械和电磁特性总线总能在恶劣的通信环境下工作，保证一定的通信性能。d) 需要复杂的控制机制，如采用分级总线或多总线方式软件无线电要求通信系统具有较高的通信处理能力，只有采用先进的标准化总线结构，才能发挥适应性，升级换代快的特点。这种结构是软件无线电设计的首先方案。工业化的标准化总线有：ISA 、EISA、VESA、PCI、VME、PC/104等 VME的功能构架可以说是由信号线，背板接口逻辑和功能模块所组成的。背板接口逻辑的性能是由背板上的一些特性所左右的，比如信号线阻抗、传播时间、终端数值等等。它和信

45、号线是系统各部分之间的纽带。功能模块则是执行具体任务的电路集合。其中，主要的模块叫做主设备（master），其决定着数据传输的顺序；根据主设备数据传输情况而动作的模块叫做从设备（slave），负责监控数据传输目标地址的模块被称为定位监控设备。此外，还有发出中断请求和处理中断请求的模块，判定和处理其他模块请求的仲裁模块。当然，还少不了发出时钟信号的模块和监控系统电源工作情况的模块。 VME技术目前的优势在于多年的技术积累，其完备的规范和得力的技术支持能满足大部分客户的具体要求。此外，它的模块性也是一个非常大的优势，因为对于很多的嵌入式系统来说，加入额外的I/O是常有的事，而VME能很好的满足这一

46、特点。VME提供了21个扩充插槽，而且新加入的模块并不影响系统的整体性能 。海量数据时代，带宽是一个压倒性的指标 ！该平台采用适配器和交换网为各功能模块提供统一的数据通信能力，各个模块由相同的DSP 组成，模块之间通过数据包来交换数据，即功能模块通过适配器来打包和解包，并通过交换网络交换数据。这种体系结构遵循相同的通信接口和协议，它们之间的耦合性弱。结构类拟于ATM!3.交换式结构这种结构具有效率高、带宽高以及通用性好的特点，并具有较好的吞吐量和实时性能。系统结构缺点：时延长、硬件复杂不易实现和成本高综合总线结构和流水线结构，具有很好的前途。4.基于计算机和网络式结构由可编程前端和计算机组成。

47、可编程前端包括上/下变频、ADC/DAC、外围电路（数据总线和控制器）；后者主要由计算机组成，充分利用计算机的数据处理能力，是该系统的关键部分。图基于计算机和网络式结构图基于计算机和网络式结构体系结构的优点：a) 计算机技术和网络技术成熟，只需要安装适配器和相关软件即可在现存的计算机上使用，该方案非常经济；b) 该系统是基于网络的，因此可以为最近出现的互联网络和与移动通信结合的趋势提供有力的支持，使无线网络更容易使容易与计算机网络融合；c) 这种结构的效率高、带宽高和通用性很好；d) 该系统比DSPFPGA方案的软件化程度高、更灵活、更接近理想无线电。目前基于计算机实现软件无线电还比较困难，该

48、技术还不够成熟，所以实现的系统和任务相比代价偏高，器件体积较大，不便利于应用到个人终端中去。几种结构性能比较几种结构性能比较性能结构效率延时带宽复杂度伸缩性通用性流水式最高最短窄简单差差总线式低短宽简单好好交换式高长宽复杂好好计算机网始式高长宽复杂好好 对于软件无线电的来讲,紧张的资源包括I/O带宽、存储器容量和运算处理能力。各个部分由于算法的不同,对于资源的需求有所不同。在设计初期需要对资源的需求进行精确的估计,降低设计成本和提高系统的性能。对需求的标准化度量对需求的标准化度量对DSP处理器的度量标准：MIPS: 每秒百万条指令（定点处理器）；MFLOPS：每秒百万次浮点运算；MOPS：每秒

49、百万次操作；其中MIPS和MFLOPS之间不能互换,但均可于MOPS互换表示。一个操作：一个操作：某一时钟周期内,某一资源对一标准数据宽带所能完成的操作。2.典型的数据流估计系统各部分参数取值需求估计中频部分频带宽度10MHz(2.5倍采样)DIF=25000OPSIF滤波器100OPS/Hz 用户个数N30/基站基带部分信道带宽30kHzDBB=1.5MOPS解调器50OPS/Hz比特流部分Rb32kbpsDS=3.2MOPSFEC，信令100OPSpb信源部分CELP1.6MOPS/userDS=1.6MOPS/user信令部分SS72MOPS/基站Do=2MOPS合计DSP MOPSD=191 MOPS/基站基地台站的运算需求可以计算为：DDIFN (DBS+ DBB + DS) DO目前通用DSP器件无法完成如此大的运算，通常采用数字芯片完成。去掉中频部分,单个用户在基带部分，比特流部分和信源部分的运算总和为6.3MOPS。采用多DSP芯片并行处理，可解决带宽紧张。