高频电子电路9.1课件

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件无线电系统还必须与传统

2、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，只要设计好模块化、标准化的硬件平台，也可以只

3、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。9.2 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

4、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。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

5、、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

6、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。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

7、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

8、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

9、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；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

10、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。 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

11、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

12、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

13、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

14、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通