软件无线电幻灯片.ppt

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1、软件无线电第1页，共39页，编辑于2022年，星期三一。软件无线电产生的背景o美军统一其战术通信系统的动机及实践，开发出了美国陆军的战术通信系统JTRS（Joint Tactical Radio System）及空军的SPEAKeasy。并由此发展出了软件无线电的概念：一部无线通信机，其通信功能由软件来实现。同样的硬件，输入不同的软件，就具有不同的通信功能，这样就可以使不同单位的不同制式的通信机可以互通。o九十年代软件无线电开始进入民用通信系统,例如Vanu的软件无线电基站。o软件无线电论坛（SDR Forum）-一个非盈利的推动软件无线电技术发展的国际组织，给出的软件无线电的定义：“一个无线

2、电系统中，天线以后就数字化，对信号的所有的必要的处理都由存放在高速数字信号处理器中的软件来完成”。第2页，共39页，编辑于2022年，星期三现有无线电系统的问题o无线电通信系统也得到了更大的发展。然而它仍存在着一些较大缺陷，主演表现在以下几个方面：o军事通信方面o所用频段不同：现行频率体制给三军分配了不同的可用频段；不同的应用场合使用不同种类的电台，这样就使各军、兵种之间通信困难。解决这一问题，在现代化的三军联合作战，陆、海、空一体化的立体战争中，就显得更加迫切。o供应体制不同：三军按各自要求购买、研制通信装备，必然造成了通信电台装备的多样化和互通困难。o采用制式不同：各种电台按相应要求设计，

3、必然造成信源编码与解码、信道调制与解调，加、解密、网络协议、通信组网等方式的不同。第3页，共39页，编辑于2022年，星期三现有无线电系统的问题o因此，在现有的无线电通信系统中多种体制并存，形成各种体制互联困难；由于无线电频带越来越拥挤，又造成相邻频道间的干扰越来越严重，从而也要求通信系统的抗干扰能力增强。o在九十年代初的海湾战争期间，这个问题也暴露于美国和多国部队间的三军协同作战通信的兼容性与互通性上，并因此遇到了相应的通信不畅的棘手问题。第4页，共39页，编辑于2022年，星期三现有无线电系统的问题o在民用通信方面o显然，他也同样要遇到类似于军事通信方面由于通信体制与频段带不同而引起的互通

4、性与兼容性不佳的麻烦问题。尤其在移动通信方面，由于现代数字技术的发展，移动通信发展迅猛。自70年代模拟蜂窝通信系统问世以来，已经发展到了以数字化技术为主要特征的第三代移动通信，并将迅速向前发展。然而我们也可以看到如前所述的移动通信体制在全球范围内还是三足鼎立之势，并没有统一到同一种体制上，而且各种体制又各有其长处与不足，三者尚不能相互替代，因此，移动通信系统中各种体制如何互联互通，也是一个重要的问题。最佳的解决方法是能够对多种体制综合兼容。第5页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电的基本思想及其优越性o1992年，美国MITRE公司的JOE.MITOLA在美国国家远程会议上首次提出了

5、软件无线电（Software Radio）技术的概念。他是把硬件系统作为无线电通信的基本平台，在此硬件平台上把尽可能多的无线电通信功能与个人通信及其他通信业务运行从长期依赖于固定线路特性的方式中解脱出来，将对不同通信系统新产品的开发更多地转移到相应软件的开发与设计上来。因此，在今后对通信系统的改进与升级就将非常方便且代价较小；而且对不同的频段，不同制式的通信系统可以互联、兼容。显然，这是继模拟到数字通信，固定到移动通信之后，在无线电通信领域内出现的又一次重大技术突破。第6页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电的基本思想及其优越性o以下我们谈谈软件无线电系统的基本思想及其优越性，以充分

6、认识软件无线电产生的必要性与必然性。o完全数字化o由于软件无线电的基本思想之一就是力图从通信系统的基带信号直至中频、射频频段进行数字化处理，因此，它是一种比目前任何一个数组通信系统的数字化程度都要高得多的全数字化通信系统。o完全的可编程性o软件无线电通过一种通用的硬件平台，将通信的各种功能实现完全由相应软件运行来完成。它包括：款频段内的可编程的信道调制方式、可编程的射频与中频频段、可编程的信道解调方式、信源编码、解码方式等。第7页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电的基本思想及其优越性o系统升级的便捷性与系统功能的可扩充性o由于软件无线电通信系统的功能更多体现在软件上，因此，系统的升

7、级只需改变相宜的软件，即对软件的升级即可。显然，它比以往对硬件电路的设计与改进更加快捷。通过软件工具可扩展通信系统业务，分析无线通信环境、定义所需扩展增强的各项通信业务。o系统便于实现模块化o利用软件无线电的基本思想，对现行的通信系统均可实行模块化设计，模块的物理及电气接口性能指标符合统一、开放的标准。通过更换单一模块，可以维护或提高系统的性能，也便于系统间复用。第8页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电的研究现状o软件无线电自90年代初问世以来，就被作为一种全新的通信理念在通信领域内受到极大重视，它被称为继模拟到数字通信、从固定到移动通信之后的第三次通信技术革命。之后，它成为军用、

8、民用通信领域内的技术热点。因此，软件无线电技术的研究发展及应用也正蓬勃向前。o目前，国外在软件无线电技术研究及应用方面已走在前面，如美国在其军用无线电通信方面已着手将对软件无线电技术的研究成果进行开发及应用。一种称为（speakeasy）的系统是美国国防部为其陆海空三军设立的一种共用通信系统，其多频段、多方式工作的无线电台计划是该系统的主要组成部分。第9页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电的应用前景 o在民用领域，软件无线电技术已成功地在800MHZ商用蜂窝移动通信、卫星通信、全球定位系统等领域内得到应用。1995年，美国在DAMPS系统上进行了“智能天线”实验，并成功地运用了软件

9、无线电技术。该实验关键是利用不同软件的运行来完成“智能天线”的各种功能。在系统中的基站采用软件无线电结构，大部分通信与系统控制功能由软件在一种通用硬件平台上完成。中频处理部分由专用硬件模块来实现。实验表明，这种智能天线可使系统的频率复用率由1/7提高至1/3，从而可用于大大增强现有通信系统的容量，也可相应提高系统的可靠性。o综上所述，与传统的数字或模拟无线通信系统相比，由于软件无线电有着前述的特殊优越性，因此无论是在军事上还是在民用领域，它都有广泛的应用前景。第10页，共39页，编辑于2022年，星期三二、软件无线电结构及其功能概述 第11页，共39页，编辑于2022年，星期三理想的软件无线电

10、o理想的软件无线电台包括：电源、天线、多频段射频转换器，宽带ADA转换器，可编程处理高速Dsp及通用处理器和存储器的专用芯片。该芯片可完成无线电台的各种功能。o标准的移动软件无线电终端通过话音、图像、传真等直接与用户接口，标准的基站直接与公用交换电话网络（PSTN）接口。o在该系统中，还可通过业务扩展工作站来对系统外围已配置的各基站进行操作控制与管理。第12页，共39页，编辑于2022年，星期三理想的软件无线电第13页，共39页，编辑于2022年，星期三理想的软件无线电o由图可知，理想软件无线电系统的A/D/A转换器已相当接近天线，从而可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数字通信系统的

11、根本区别所在。显然，它的硬件平台相对简单而且通用，且可用不同软件来定义无线电系统的各种功能。这些就是软件无线电台的主要特征。o此外，软件无线电台的可编程性较宽，它包括可编程的RF频段、信道访问模式及信道调制解调方式等。目前要求该系统覆盖2M2GHZ分人频带宽。第14页，共39页，编辑于2022年，星期三理想的软件无线电o然而上述理想的软件无线电台在现有的实际工程设计中还难以实现。这是由于目前的高速DSP芯片、A/D/A转换芯片的处理能力还未达到理想软件无线电要求从系统的射频段数字化的处理能力，因此在目前的实用软件无线电结构中，采取了一种折中的方案，即实用的软件无线电系统结构。第15页，共39页

12、，编辑于2022年，星期三图三。过渡型的软件无线电第16页，共39页，编辑于2022年，星期三实际的软件无线电结构o以下简要地介绍一种目前较为通用的软件无线电系统结构，即中频数字化的软件无线电系统结构。o如图所示，实际的软件无线电系统结构包括：电源、天线、多频段射频变换器、A/D、D/A转换器的芯片，以及片上通用处理器及存储器。该系统也能实现各种常用无线电系统功能和一些相应的接口功能。第17页，共39页，编辑于2022年，星期三实际的软件无线电结构在这种实用的结构中，为了满足现有DSP处理器的功能，系统的A/D、D/A只是尽可能地向RF端靠近，由基带移到中频，对整个中频系统频带进行采样。这样也

13、可以尽可能造地将接收到的模拟信号数字化，从而使信号的产生、调制、解调、编码、解码、等功能均可以通过通用可编程DSP等器件完成。这也是这种使用软件无线电系统与传统的数字通信系统的重大区别所在。前者可以通过运行不同的算法，使这种软件无线电系统实现不同的通信业务功能。第18页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电系统信道流程模块划分 o理想的软件无线电可将传统的信道编解码划分成如下模块：分别是天线、RF转化、IF处理、基带处理和比特流处理模块等。第19页，共39页，编辑于2022年，星期三天线模块o软件无线电需跨越多个频段，它既有多倍频程的频段又有统一的形式和低损耗以提供可用的业务频段。例如

14、，在军事运用中，移动终端要求用VHF/UHF系列，UHF的卫星通信及HF作为支撑模式。多波段的开关式接入需要倍频带宽天线或频段多天线及一个RF模块的灵活的频率参考。多路天线单元也是波束形成网络的一部分，用以降低干扰及实现空分多路接入方式。第20页，共39页，编辑于2022年，星期三RF转换模块oRF转换包括功率输出、预放大、运用于宽带A/D/A转换的RF信号与标准中频信号的相互转换等于部分。在大多数无线电频段，RF转换是对模拟信号进行转换的。在软件无线电中，某些RF转换问题更加突出，其中包括对放大器的线性及接入频段的效率需求。为避免将处理器时钟调谐引入系统中的模拟RF/IF电路，需对其处理器进

15、行屏蔽。多个发射机同时存在还将产生电磁干扰问题，这对软件无线电系统来说，它将经历与多个硬件无线电台放在一起而出现的类似干扰问题。第21页，共39页，编辑于2022年，星期三A/D/A转换模块o在实用的软件无线电系统中，需要进行数字化的中频信号带宽决定了所需采用的A/D转换技术。根据奈奎斯特定理对带限信号的抽样，A/D转换器的取样速率Fs必须是Ws的二倍，实际的系统中往往是Fs2.5Wa，其中Wa表示中频信号的带宽。因此，宽带A/D/A转换器访问频谱的连续频段一般是1050MHZ。o显然，在使用的软件无线电结构中，在IF末端与信道隔离滤波器前放A/D/A转换器部分，主要有三个优点：（一）在检测及

16、解调前进行数字信号处理；（二）通过将IF及基带处理引入可变成硬件，降低混合信道访问模式的成本；（三）将系统元素的使用集中于一点，即为每个结构要素提供计算资源系统（I/O带宽、存储器及处理能力），这些元素主要是实用系统尺寸、重量、功率及使用成本费用等。第22页，共39页，编辑于2022年，星期三中频处理模块o中频IF处理模块将在调制的基带和中平IF信号间传送和接收信号，并对信号进行相应处理。IF接收处理模块包括宽带数字滤波部分，其作用是从可用频带中选择所需业务频带。此外，IF滤波还可恢复中间频段的信道（如GSM中200KHZ的TDMA信道）和宽带用户信道（如2MHZ的CDMA信道），并将信号变换

17、至基带。决定IF模块处理要求的主要因素是频率转换及信号滤波的复杂性。第23页，共39页，编辑于2022年，星期三基带处理模块 o基带处理模块主要用于对信号进行第一级信道调制。而且对非线性信道的预矫正处理也需要在基带处理中进行。基带处理部件还包括交织编码和软定义参数的估计。因此，基带处理模块的复杂性取决于基带带宽，以及依赖于信道波形的复杂性和相关处理的复杂性。第24页，共39页，编辑于2022年，星期三比特流模块o系统中比特流模块主要用于对来自多用户的源代码比特流进行数字复接。比特流模块也可对比特流进行前向误码控制功能操作，它包括比特插入分块及旋转编码，自动重发请求检测及系统响应。再如帧调整、比

18、特流填充及无线链路加密等功能也均在比特流模块中进行。常用的加密要求是将加密的比特从清零比特中分离出来。因此，它又相应地需要划分和分离比特流硬件。比特流模块还需负责做出最后交织编码调制的决定，而最终对TCM的转换将由基带模块的软延迟决定参数转换到最终比特定义。因此，该模块的复杂性取决于复接、帧构成、前向误码控制、加密及相应的比特控制操作。第25页，共39页，编辑于2022年，星期三源模块o在软件无线电终端和基站的源模块是不同的。例如，在移动终端，源模块由用户和源编解码器组成。而在基站中，源模块则由用于包含远端原编码的PSTN接口组成，并由PSTN操作进行所需的协议转换，需要在基站的源模块中进行处

19、理。第26页，共39页，编辑于2022年，星期三端至端的定时预算功能 o由于在这种软件无线电中，需要在有限组随即长短的时间里进行清除并填满缓冲区这种固定的I/O及资源处理，因此在IF、基带、比特流和源模块中会引入时延。在每个模块与模块接口处，要求这些延迟的端至端集合必须保持在同步范围之内。该范围取决于信号类型及网络结构，比如端至端IF延迟应小于150ms，但外部网络定时预算需要100ms，这样软件在无线电电台中运行时间仅剩50ms。显然，在软件无线电中这种预算由于处理器内部及处理器之间的排列时延与现有的数字无线电系统相比则显得比较复杂 第27页，共39页，编辑于2022年，星期三三、实现软件无

20、线电系统的几项关键技术o软件无线电系统的基本思想是在尽可能靠近天线处使用宽带A/D,D/A转换器，尽可能多地利用软件在同一硬件平台上来实现及兼容不同的无线电系统并完成它们的各种功能，从而达到软件无线电系统的多波段、多模式、多功能的通信。o因此，实现软件无线电系统的关键技术，主要有：宽频带智能天线技术；宽带A/D/A转换技术；通用可编程高速DSP技术；适用于软件无线电系统结构的VME总线技术标准；实用软件无线电系统中的数字上、下变频(DUC、DDC)以及直接数字频率合成（DDS）等技术。第28页，共39页，编辑于2022年，星期三宽带智能天线的基本概念o宽带智能天线在软件无线电通信中具有非常重要

21、的功能。它既有一个较宽的频率范围（如通常要求22000MHZ宽），又具有自动增强所需信号的能力，并可兼容各种无线电通信制式。它比传统的天线（如采用扩频技术或强定向天线等手段）具有更前的抗干扰能力。o智能天线是在常用自适应天线的基础上发展起来的新一代天线系统，它的基本思想是在发射信号时，智能天线可以分别发射多个高增益的动态窄波束以跟踪多个期望用户；在接收信号时，来自目标方向窄波束以外的信号即被抑制。此外，发射信号时，即使所需用户接受的信号功率最大，也可使窄波束照射范围意外的非期望用户收到的干扰最小。因此，实现智能天线的关键技术主要是智能化接收和智能化发射这两方面技术的实现。第29页，共39页，编

22、辑于2022年，星期三软件无线电系统中的A/D转换o我们已知软件无线电结构的基本特征之一是将A/D转换部分尽可能地靠近射频天线，以在系统中尽早将模拟线号数字化，这样后级就可采用DSP等通用硬件来进行处理。因此，高速A/D/A转换在软件无线电系统中实际作为一个标准接口，将RF/IF部分和通用数字/软件部分联接起来。o对软件无线电系统汇总A/D/A转换接口的要求是：高速A/D/A转换盒数字、软件部分必须满足系统带宽；相应处理能力的要求；并具有良好的通用性。第30页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电系统中的A/D转换o常用A/D转换器的类型n闪烁式A/D转换器 应用于分辨率不高而对速度要

23、求较高的场合n逐次逼近式A/D转换器 适用于中低速率而分辨率要求较高的场合nA/D转换器 可获得较好的线性及高分辨率第31页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电系统中的DSP技术o软件无线系统性能很大程度上依赖于其DSP的处理速度，限制其发展的一个较大障碍就是DSP硬件处理的速度。现有的A/D转换器的抽样率、分辨率、转换精度已基本达到使用软件无线结构的系统可应用的程度，在由软件控制的专用数字信号处理器件的应用中，尤其是软件无线电系统对DSP器件的处理速度要求更高。第32页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电系统中的总线标准o软件无线电系统的硬件平台是将不同的功能模块互联起来

24、，组成一个开放的、可扩展的硬件平台。因此，它应具有较其他任何传统无线电通信系统高的输入输出数据量，即数据吞吐率。同时，它也对总线结构提出了相应较高的要求。o人们从PC机的发展中得到启示，由此基于总线结构的系统便应运而生，即VME总线标准。VME总线标准为软件无线电的可开放，可扩展硬件平台奠定了坚实的基础。oVME总线是由MOTOROLA公司最初提出基于微处理器系统的16或32为的总线，其前身称为VERSA总线。其传输速率40Mbytes/s.带宽也由32位过渡为目前的64位。第33页，共39页，编辑于2022年，星期三软件无线电系统中的总线标准数据传输总线32位数据线，32地址线，6地址修改线

25、主要用于主从设备的数据传输与控制。优先中断总线7中断请示线，1中断应答线，1中断应答菊花链线（用于相应优先级最高的中断请求）DTB仲裁总线仅当系统的多个主机和中断处理器同时申请总线时进行仲裁。共用总线第34页，共39页，编辑于2022年，星期三四、软件无线电的未来o软件无线电的未来发展是智能无线电（Cognitive Radio）。简称CR。oCR是一种高度智能化的通信技术，它可以自己学习周围的环境，自己取得适当的软件，自己选择最佳频段，最佳的，适合通信环境的制式进行通信。第35页，共39页，编辑于2022年，星期三智能无线电（Cognitive Radio）oFCC:一个无线电系统的各种参数

26、是由关于系统所在的周围的环境的信息来决定。oNTIA：一个无线电系统，能够感知它周围的电磁环境，能够动态地，自动地，调整它的工作参数来修改它本身的工作状态。o科技界的广义定义：自适应，多维探查，自治的无线电系统，它可以从它的经历中学习，可以推理，作计划，并决定它的未来行动，以满足用户的需要。第36页，共39页，编辑于2022年，星期三智能无线电（CR）的特性o自适应：调整传播参数以满足各种需要，达到各种目标。o感觉（觉察）：获取并保存关于自身功能的知识，内部网络的状态，外部数据（例如应用频谱，规则），和用户的需要。o推理：应用推理（案例为基础，模型为基础），基于本体及观察来调整自适应目标和对新的情况作出反应。第37页，共39页，编辑于2022年，星期三智能无线电（CR）的特性o学习：结合过去的表现去重新认知各种状态并且在任何时候都为达到目标作出快速反应。o计划：基于过去和现在的状况，预测未来所要采取的行动。o网络：联系自己经验和其他更多的经验以达到正确的决定。第38页，共39页，编辑于2022年，星期三谢谢！第39页，共39页，编辑于2022年，星期三