高频电子电路9.1

1、第第9 9章章 软件无线电基础软件无线电基础 9.1 原理概述原理概述 9.2 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术 9.3 软件无线电的体系结构软件无线电的体系结构 9.4 软件无线电的应用软件无线电的应用 内容提要内容提要 软件无线电是20世纪80年代无线通信领域的一次划时 代的进步，它在模块化通用硬件平台上加载不同的软 件来实现各种无线通信功能，它把无线通信思想和技 术提高到了一个崭新的高度。 注意，经典高频电子线路的分析方法与设计思想仍可 作为软件无线电技术的理论基础，而且由于目前器件 制造水平的限制，软件无线电技术还只能在高频通信 系统的基带部分得到充分发挥，要研制一个完整的软

2、件无线电系统还必须与传统电路相结合，进行深入研 究也要借助经典的通信电路理论。 本章将简要介绍软件无线电的关键技术、体系结构和 常见应用。 9.1 原理概述原理概述 前面章节介绍了多种模拟、数字调试方式，但这些仍 然只是调制方式大家族中的一小部分。众所周知，通 信技术在发展过程中必然会存在多种标准、多种功能 并存的问题，每逢新标准的制订、新功能的实现，都 要求对旧的软、硬件进行大量修改，甚至完全重新设 计，这给通信设备的设计制造和使用带来很大麻烦。 人们从个人电脑（PC）的设计和使用中得到启发：PC 具有统一的、固定的硬件平台，要实现不同的功能只 需安装不同的软件即可。同样，对通信设备来说，只

3、 要设计好模块化、标准化的硬件平台，也可以只通过 设计不同的软件就在此平台上实现不同的通信体制， 这就是软件无线电（Software Defined Radio，SDR）的 基本思路。 软件无线电通过软件编程来实现无线通信的各种功 能，把传统无线电从基于硬件、面向用途的通信设 计方式中解放了出来。显然，要实现多种功能的软 件化，势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电 路（尤其是减少模拟环节），把数字化处理尽量靠 近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和可编 程性，采用标准的开放式总线结构，通过软件更新 实现新功能。应用软件无线电技术，一个无线通信 终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用。 9

4、.2 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术 9.2.1 自适应智能天线自适应智能天线 自适应智能天线（Adaptive Smart Antenna）技术利用高速 数字处理技术将天线的主波束对准用户，它是软件无线电 的关键技术之一，通常安装在基站现场，主要由天线阵列、 模数和数模转换、自适应信号处理和波束赋形四个部分组 成，其中波束赋形部分为核心。 图9.1所示为一个基本的智能天线接收机结构图。由图可以 看出，各天线接收到的信号经过下变频和模数转换后，送 入自适应信号处理器并合理加权，然后经过相加和滤波即 可得到信干比（有用载频功率与干扰信号功率的比值）最 大的输出信号，即实现了波束赋形。

5、图图9.1 智能天线接收机基本结构图智能天线接收机基本结构图 9.2.2 高速、宽带高速、宽带A/D、D/A转换转换 高速、宽带的模数（A/D）、数模（D/A）转换是软件 无线电的基础。由于软件无线电要求系统功能要尽可 能多地使用软件实现，因此，必须将A/D、D/A转换器 尽可能靠近天线；同时，现代高频、高速通信信号的 载波频率、数据速率都很高，这些都对A/D、D/A转换 器的性能提出了很高的要求： （1）采样速率。根据采样定理，采样速率应该大于被 采样信号带宽的2倍。实际应用中，采样速率必须留有 一定的余量，一般要求大于被采样信号带宽的2.5倍。 （2）采样位数。采样位数的选取必须满足一定的

6、动态 范围和数字处理部分的精度要求。例如在80dB的动态 范围要求下，采样位数至少要达到12位。 数字下变频（Digital Down Conversion，DDC）也是软件无线 电的核心技术之一，是接收机射频A/D转换后首先要完成的 工作。它主要包括数字混频器、数控振荡器（NCO）、数字 滤波器等三部分，如图9.2所示。 从频谱上看，DDC将前级ADC输出数字信号的有效频谱从高 频下搬到基带；从被处理信号的采样率上看，DDC将前级 ADC输出的高速采样信号降低为低速基带采样信号。 DDC是SDR系统中数字处理运算量最大最难的部分。要进行 良好的数字滤波处理，需要对每个样点进行至少100次操作

7、。 对于一个带宽20MHz的SDR系统，采样频率实际最低需要 50MHz，这就意味着至少需要5000MIPS（每秒执行50亿条 指令）的运算能力，这超过了现有绝大部分单个DSP的运算 能力，因此一般将DDC的这部分运算工作交给专用FPGA完 成，既能保留软件无线电的优点，又有较高的可靠性。 9.2.3 数字下变频数字下变频 9 图图9.2 DDC结构框图结构框图 9.2.4 高速信号处理和信令处理高速信号处理和信令处理 高速信号处理部分主要包括基带处理、调制解调、数据 流处理、编译码、加解密等工作，这是系统处理真正通 信数据的核心。考虑到成本，这部分通常用合适的DSP 来完成。 信令处理部分在

8、当代无线通信系统中已经是用软件完成 的，软件无线电的任务是将通信协议及软件标准化、通 用化和模块化，在进行多种无线通信模式的互联时，有 必要实现通用信令处理，开发出标准信令模块和通用信 令框架。 9.3 软件无线电的体系结构软件无线电的体系结构 软件无线电的体系结构是指一些设计原则、基本功 能块以及函数的集合，利用它们可以设计和建立一 个系统。当系统复杂性增加时，体系结构的作用将 变得非常重要。 9.3.1 硬件体系结构硬件体系结构 软件无线电的硬件体系结构有两种划分方法，即按照 构成硬件平台的物理介质划分，或者按照系统各功能 模块的连接方式划分。这两种划分方法显然并不是截 然分开的。 按照物

9、理介质划分的硬件体系结构主要有三种：一是 以通用处理器（General-Purpose Processor，GPP）为基 础，直接采用PC机和工作站进行数字信号处理；二是 以数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）为 基础进行数字信号处理；三是以现场可编程门阵列 （Field-Programmable Gate Array，FPGA）进行数字信 号处理。 表表9.1 按模块连接方式划分的硬件体系结构的性能按模块连接方式划分的硬件体系结构的性能比较比较 按照系统各功能模块的连接方式划分的硬件体系结构 主要有四种：第一种是流水线结构，即与系统中信号 流程的方向一致

10、；第二种是总线式结构，各功能单元 通过总线连接交换数据和控制命令；第三种是交换式 结构，采用适配器和交换网为各功能模块提供统一的 数据通信；第四种是基于计算机和网络式结构，由可 编程前端和并行计算机平台组成。这几种硬件体系结 构各有优劣，其性能比较见表9.1。 9.3.2 软件体系结构软件体系结构 软件无线电是用软件实现灵活的无线通信方式和传 输机制的，因此软件的作用居于核心位置。尽管现 有的软件结构很多，但对于软件无线电而言，重点 在于开放的软件结构和接口，才能保障软件可重用 性、可移植性以及不同通信方式之间的兼容性。 软件无线电的软件体系结构主要分为硬件特定的软 件结构和开放的软件结构两种

11、。 硬件特定的软件结构针对特定的硬件平台，软 件的具体功能直接与硬件相关联。这种结构的优点 是简单直观，容易实现；缺点是程序兼容性差，几 乎没有移植能力。 开放的软件结构要求软件必须独立于硬件平台， 硬件和应用软件分离，使应用软件更易于移植，应 用软件的开发者可以不必深入了解硬件，而将精力 完全集中到软件设计中。 9.4 软件无线电的应用软件无线电的应用 9.4.1 软件无线电在软件无线电在TD-SCDMA中的应用中的应用 我国拥有自主知识产权的3G移动通信标准TD-SCDMA， 采用时分同步-码分多址接入技术，支持高速数据通信， 为了提高系统容量，还采用了智能天线、多用户检测等 技术，这些都

12、使得软件无线电在TD-SCDMA中有着广泛 的应用空间。 由于高速ADC制造技术的限制，ADC尚不能直接处理高 频、高速的射频信号，在进入ADC之前，必须将天线上 接收到的高频信号用混频器下变频到频率较低的中频信 号，数字化处理从中频输出的模拟信号开始，其简要框 图如图9.3所示。 图图9.3 SDR方案简要框图方案简要框图 9.4.2 软件无线电在电视广播接收中的应用软件无线电在电视广播接收中的应用 近年，高清晰度电视（HDTV）以其近乎完美的视听效 果，已经逐渐在传统百姓家庭中普及。但是，和模拟电 视存在多种互不兼容的制式（PAL、NTSC、SECAM等） 一样，这类电视节目在信道编码和调

13、制方式上也存在 QPSK、QAM、VSB、OFDM等多种标准，难以兼容。 软件无线电可以很好地解决数字电视多体制并存的难题。 一种软件无线电数字电视接收机的原理框图如图9.4所 示，系统可以通过加载不同的软件来接收所有标准的电 视节目。 模拟 下变频 软件解调器 （DSP） 显示 终端 SDR DDCADC 传输 媒介 软件 解码器 图图9.4 软件无线电数字电视接收机原理框图软件无线电数字电视接收机原理框图 日常广播领域也有了采用软件无线电技术的接收机。 某公司生产的基于DSP的606型收音机，核心技术就 是软件无线电。图9.5是该收音机软件无线电部分的 功能框图。 FM信号和AM信号经过调

14、谐、 低噪声放大、AGC等处理后进 入各自的正交混频器，将 高频 信号下变频到低频，并得到与 原信号同相（I支路）和正交 （Q支路）的模拟信号，经过 ADC转换成数字信号后进入DSP 进行数字处理，处理好的数字 音频信号由DAC转换成模拟音 频信号，提供给外部音频功率 放大器放大后驱动扬声器发声。 图9.5 某收音机SDR部分功能框图 该收音机利用DSP软件处理 150KHz30MHz的AM广播 信号，以及64MHz108MHz 的FM广播信号，处理不同的 信号只需选择处理程序而不 必更改硬件电路。与传统收 音机相比，具有成本低、功 能多、音质好、灵活性高、 升级方便等独特的“软件无 线电型”优点。 9.4.3 软件无线电的其它常见应用软件无线电的其它常见应用 软件无线电的其它常见应用包括无线定位、雷达系统、 卫星通信、电子对抗、无线电监测、高速铁路通信、 导航等。 本本 章章 小小 结结 软件无线电是指在标准化、模块化、通用化的硬件 单元以总线或交换模式构成的通用平台上，通过加 载标准化、模块化、通用化的软件而实现各种无线