第3章 软件无线电的系统组成

1、第3章 软件无线电的系统组成3.1 引言。3.2 软件无线电系统的组成。3.3 软件无线电系统接收机。3.4 软件无线电发射机。3.5 应用举例。3.6 本章小结。 3.1 引言 软件无线电是一种令人激动的无线技术。它在军事和民用通信领域中取得了广泛的应用，是继数字技术后的一个重大变革。 与学习通信原理和数字信号处理等课程不同，学习软件无线电，是学习一种新的无线体系结构。 软件无线电是可以用一种无线设备面对多种通信需要的技术。与一般的电子系统相同，软件无线电系统也是由硬件子系统、软件子系统构成的。 软件无线电是一种新型的无线体系结构，它通过硬件和软件结合，使无线网络和用户终端具有可重配置能力。

2、 软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效、而且相当经济的解决方案，它可以通过软件升级实现新的系统功能。 3.2 软件无线电系统的组成 软件无线电是这样一种无线技术：这种技术配置一个无线设备，就可以使用于任何通信应用中。例如：即可以用于移动网络的手机、传呼机、卫星接收机终端，又可以用于简单的收音机、音乐播放器、视频播放机、汽车遥控器等等。 图3-1为软件无线电的技术设想。在一个软件无线电设备平台上，通过软件升级：软件下载、重配置，就可以实现不同的无线设备功能。 3.2.1 软件无线电系统的模型 为了实现上述软件无线电的技术设想，首先需要建立软件无线电系统的模型，然后，构建软

3、件无线电的体系结构。 软件无线电技术，是在数字无线电技术的基础上发展起来的。基本的数字通信系统结构框图如图3-2所示。信源编码加密信道编码信 道信道译码解密信源译码信宿密钥源噪 声密钥源信源 1. 由数字无线电到软件无线电由数字无线电到软件无线电 软件无线电经历了以下发展过程： （1）由硬件无线电到数字无线电。 （2）从数字无线电到软件无线电。 在硬件无线电中，系统的功能完全由各种特定功能的固定电路模块：如放大器、滤波器、变频器、调制器等等组合而成，其功能不可能发生任何改变。若要改变系统功能，需要更换硬件模块。 在数字无线电中，通过模拟/数字变换器、数字/模拟变换器以后，许多原先由硬件完成的功

4、能，可以由软件来实现了。但是，数字无线电系统的可重编程、可重配置能力较差，系统的主要功能不易发生改变。 在软件无线电中，不仅原来由硬件完成的大部分功能，如：编码、调制、同步、滤波等等功能，都要由软件系统利用数字信号处理技术来完成。而且，系统的可重编程、可重配置能力提高了。 2. 软件无线电的系统模型软件无线电的系统模型 数字无线电与可下载软件技术结合，就形成了具有可重编程、可重配置能力的软件无线电技术。软件无线电的系统模型如图3-4所示。 软件无线电系统包括以下几部分： （1）天线子系统。 （2）射频部分。 （3）模拟/数字转换器、数字/模拟转换器。 （4）数字信号处理部分。 3.2.2 软件

5、无线电的体系结构 软件无线电的体系结构，是指一个全面、一致的功能、组件、设计原则的集合，依靠它可以组织、设计、构建一个软件无线电系统。 软件无线电系统结构，是实现软件无线电概念的设计结构，包括硬件、软件、接口协议等等部分。 1. 软件无线电系统的基本组成软件无线电系统的基本组成 一个实际的软件无线电系统的基本组成如图3-5所示。 2. 信号的收发过程信号的收发过程 软件无线电系统接收信号的过程如下： （1）天线接收模拟无线电信号。 （2）信号经过天线耦合到射频部分。 （3）经过下变频降低频率。 （4）模拟信号由ADC经过采样、量化、编码，得到数字信号。 （5）数据经数字信号处理，存储或输出给信

6、宿。 3.2.3 软件无线电系统的实现 为了实现软件无线电系统，可以有两种不同的方法： （1）按照组成系统的物理介质，划分系统的硬件结构。 （2）按照系统中各功能模块的连接方式，划分系统的体系结构。 这两种方法不是完全分开的，任何硬件平台的构成，都同时包含了这两个方面的设想与问题。 1. 按照系统的物理介质按照系统的物理介质 按照组成软件无线电系统的物理介质，软件无线电的硬件体系结构，可以划分为以下三种： （1）以通用处理器（GPP：服务器或者桌面计算用的CPU芯片）为基础、直接采用个人计算机（PC）和工作站进行数字信号处理的体系结构。 （2）以数字信号处理器（DSP：专门为快速实现各种数字信

7、号处理算法所设计的、具有特殊结构的微处理器）为基础进行数字信号处理的体系结构。 （3）以现场可编程门阵列（FPGA：为专门集成电路的一种半定制电路，综合了定制电路、与可编程期间的优点）为基础进行数字信号处理的体系结构。 2. 按照系统中各功能模块的连接方式按照系统中各功能模块的连接方式 在软件无线电系统中，各个功能模块通过一定的连接方式，组成一个硬件平台。这个平台具有以下特点： （1）开放性。 （2）可扩展性。 （3）标准性。 （4）高数据吞吐率。 3.3 软件无线电系统接收机 软件无线电系统是实现软件无线电思想的具体设备。软件无线电系统的核心是接收机与发射机。 本节简要介绍软件无线电系统接收

8、机的概念、原理、技术和实现。 3.3.1 概述 为了实现软件无线电的设想，对软件无线电系统的功能有以下要求： （1）高度集成的软件无线电收发机结构。 （2）高度的灵活性。 （3）多模式通信的能力。 1. 软件无线电系统的灵活性软件无线电系统的灵活性 软件无线电系统的功能灵活性，体现在以下两个方面： （1）功能的灵活性：调制方式、编码方式、桢结构等，都可以灵活设置。 （2）射频的灵活性：具有灵活多变的、尽可能全频段的射频覆盖能力。 2. 下变频部分下变频部分 在无线通信系统中，由于射频频率很高，常常工作在微波或超短波频段。这是为了便于实现信号发射和信道复用。所以，信号的频率变换，是无线通信系统需

9、要研究的重要内容。 3. 解调部分解调部分 在软件无线电接收机的解调部分中，使用数字信号处理的方式进行完成解调功能。在频率和相位调制系统中，接收机解调需要采用正交下变换方式。 3.3.2 外差式接收机 软件无线电外差式接收机，是非常经典的接收机结构。从小的时候，我们就在少年无线电实践中，组装过外差式无线电收音机。 1. 射频信号的处理射频信号的处理 在外差式接收机中，射频信号的处理步骤如下： （1）首先通过第一级混频器、实混频到一个比较低的中间频率，着就是我们常说的中频。 （2）然后，在中频频率上，进行带通滤波、增益控制等等处理。 （3）最后，信号被变频带基带。 2. 接收机的结构接收机的结构

10、 外差式接收机结构可以分为以下两种： （1）模拟中频结构的外差式接收机。 （2）数字中频结构的外差式接收机，如图3-11所示。 3. 外差式接收机的特点外差式接收机的特点 外差式接收机的特点是：使用中频、射频部分相对固定、接收机元器件的数量比较多、结构比较复杂。 外差式接收机的优点在于： （1）含有抑制镜像滤波器和中频滤波器，具有良好的选择性。 （2）接收机增益分散在几个不同频率的放大器上。 （3）使用固定的本振频率，将接收的射频信号由实信号转换为复信号，本地振荡器只需要在一个单一频率上，进行相位正交和幅度平衡，易于实现。 （4）整体性能良好。 3.3.3 零中频接收机 零中频软件无线电接收机

11、，是为了克服外差式接收机的缺点，通过直接下变频的方式，将信号从射频下变到基带，也称为直接变换结构。 1. 接收机的结构接收机的结构 零中频接收机，由于完全取消了中频部分，所以整个接收机的结构很简单，如图3-12所示。 2. 接收机的实现接收机的实现 零中频接收机的具体实现分为以下两种方式： （1）模拟正交混频方式。 （2）数字正交混频方式。 常用的是模拟正交混频方式，如图3-13所示。3. 接收机的特点接收机的特点零中频接收机的特点非常明显：它不需要分立的高Q可调带通滤波器，只用宽带高频滤波器来降低下变频部分所需动态范围。零中频接收机的优点在于：（1）使用数字滤波器允许实现性能较好的信道滤波，

12、比如：线性相位滤波器可以使对调制信号的损伤较小。（2）镜像频率位于带内，使用增益和相位平衡的正交下变换，使得对镜像信号抑制要求不高。（3）只需要一个本地振荡器。（4）没有中频，易于单片实现。（5）低通滤波器很容易集成实现。 3.3.4 低中频接收机 为了使软件无线电接收机，一方面能够具有较好的集成度，另一方面，又可以消除零中频接收机的某些缺点。结合上述外差式接收机和零中频接收机的优点，人们提出了低中频接收机。 低中频接收机，具有类似于零中频接收机的正交下变频结构，同时，又保持一个比较低的中频。 1. 思路思路 根据前面的讨论，从镜像信号干扰抑制的角度考虑，采用正交下变频方式，可以完全消除射频前

13、端对高频镜像抑制滤波器的需求。 2. 结构结构 根据正交变换的方式，低中频接收机的结构可以分为以下两种： （1）模拟正交变换结构。 （2）数字正交变换结构。 3. 低中频的实现低中频的实现 从概念上讲，从零中频接收机到低中频接收机很简单，但是，在实际实现中，它会面临新的问题：对于正交下变频后，得到的低中频信号，其包含所需信号频谱和镜像信号频谱。 为了抑制镜像信号，一般采用滤波器的方法进行处理，分为以下两种： （1）复带通滤波器。 （2）实带通滤波器。 4. 特点特点 低中频接收机的优点在于： （1）解决了零中频接收机的直流失调问题。 （2）本振与射频之间泄漏少。 （3）复杂度比外差式低、比零中

14、频高。 3.3.5 宽中频接收机 软件无线电思想，希望尽可能采用数字信号处理手段完成信号接收过程。 在传统的硬件无线电中，不同用户都被下变频到一个信道、或者一个频段上，接收机的选择性主要通过模拟信号处理手段来实现。 1. 结构结构 为了尽可能采用数字信号处理方式完成处理过程，人们提出了宽中频接收机，如图3-18所示。 2. 特点特点 前面介绍的几种接收机是射频选择信道接收机，而宽中频接收机是中频信道选择接收机，具有以下优点： （1）由于将所有信道都下变频到中频，不需要使用高阶的带通滤波器抑制镜像信号，所以，可以实现较高的集成。 （2）由于第一本振的频率固定，所以，可以使用低带宽的锁相环，从而获

15、得比较低的相位噪声。 3.2.3 软件无线电系统的实现 为了实现软件无线电系统，可以有两种不同的方法： （1）按照组成系统的物理介质，划分系统的硬件结构。 （2）按照系统中各功能模块的连接方式，划分系统的体系结构。 这两种方法不是完全分开的，任何硬件平台的构成，都同时包含了这两个方面的设想与问题。 1. 按照系统的物理介质按照系统的物理介质 按照组成软件无线电系统的物理介质，软件无线电的硬件体系结构，可以划分为以下三种： 2. 按照系统中各功能模块的连接方式按照系统中各功能模块的连接方式 在软件无线电系统中，各个功能模块通过一定的连接方式，组成一个硬件平台。这个平台具有以下特点： （1）开放性

16、。 （2）可扩展性。 （3）标准性。 （4）高数据吞吐率。 3.3 软件无线电系统接收机 软件无线电系统是实现软件无线电思想的具体设备。软件无线电系统的核心是接收机与发射机。 本节简要介绍软件无线电系统接收机的概念、原理、技术和实现。 3.3.1 概述 为了实现软件无线电的设想，对软件无线电系统的功能有以下要求： （1）高度集成的软件无线电收发机结构。 （2）高度的灵活性。 （3）多模式通信的能力。 1. 软件无线电系统的灵活性软件无线电系统的灵活性 软件无线电系统的功能灵活性，体现在以下两个方面： （1）功能的灵活性：调制方式、编码方式、桢结构等，都可以灵活设置。 （2）射频的灵活性：具有灵

17、活多变的、尽可能全频段的射频覆盖能力。 2. 下变频部分下变频部分 在无线通信系统中，由于射频频率很高，常常工作在微波或超短波频段。这是为了便于实现信号发射和信道复用。所以，信号的频率变换，是无线通信系统需要研究的重要内容。 根据频率变换前后的情况，可以分为以下两种频率变换： （1）下变频：频率减少。 （2）上变频：频率增加。 3. 解调部分解调部分 在软件无线电接收机的解调部分中，使用数字信号处理的方式进行完成解调功能。在频率和相位调制系统中，接收机解调需要采用正交下变换方式。 3.3.2 外差式接收机 软件无线电外差式接收机，是非常经典的接收机结构。从小的时候，我们就在少年无线电实践中，组

18、装过外差式无线电收音机。 1. 射频信号的处理射频信号的处理 在外差式接收机中，射频信号的处理步骤如下： （1）首先通过第一级混频器、实混频到一个比较低的中间频率，着就是我们常说的中频。 （2）然后，在中频频率上，进行带通滤波、增益控制等等处理。 （3）最后，信号被变频带基带。 2. 接收机的结构接收机的结构 外差式接收机结构可以分为以下两种： （1）模拟中频结构的外差式接收机。 （2）数字中频结构的外差式接收机，如图3-11所示。 3. 外差式接收机的特点外差式接收机的特点 外差式接收机的特点是：使用中频、射频部分相对固定、接收机元器件的数量比较多、结构比较复杂。 外差式接收机的优点在于：

19、（1）含有抑制镜像滤波器和中频滤波器，具有良好的选择性。 （2）接收机增益分散在几个不同频率的放大器上。 （3）使用固定的本振频率，将接收的射频信号由实信号转换为复信号，本地振荡器只需要在一个单一频率上，进行相位正交和幅度平衡，易于实现。 3.3.3 零中频接收机 零中频软件无线电接收机，是为了克服外差式接收机的缺点，通过直接下变频的方式，将信号从射频下变到基带，也称为直接变换结构。 1. 接收机的结构接收机的结构 零中频接收机，由于完全取消了中频部分，所以整个接收机的结构很简单，如图3-12所示。 2. 接收机的实现接收机的实现 零中频接收机的具体实现分为以下两种方式： （1）模拟正交混频方

20、式。 （2）数字正交混频方式。 常用的是模拟正交混频方式，如图3-13所示。3. 接收机的特点接收机的特点零中频接收机的特点非常明显：它不需要分立的高Q可调带通滤波器，只用宽带高频滤波器来降低下变频部分所需动态范围。零中频接收机的优点在于：（1）使用数字滤波器允许实现性能较好的信道滤波，比如：线性相位滤波器可以使对调制信号的损伤较小。（2）镜像频率位于带内，使用增益和相位平衡的正交下变换，使得对镜像信号抑制要求不高。（3）只需要一个本地振荡器。（4）没有中频，易于单片实现。（5）低通滤波器很容易集成实现。 3.3.4 低中频接收机 为了使软件无线电接收机，一方面能够具有较好的集成度，另一方面，

21、又可以消除零中频接收机的某些缺点。结合上述外差式接收机和零中频接收机的优点，人们提出了低中频接收机。 低中频接收机，具有类似于零中频接收机的正交下变频结构，同时，又保持一个比较低的中频。 1. 思路思路 根据前面的讨论，从镜像信号干扰抑制的角度考虑，采用正交下变频方式，可以完全消除射频前端对高频镜像抑制滤波器的需求。 2. 结构结构 根据正交变换的方式，低中频接收机的结构可以分为以下两种： （1）模拟正交变换结构。 （2）数字正交变换结构。 3. 低中频的实现低中频的实现 从概念上讲，从零中频接收机到低中频接收机很简单，但是，在实际实现中，它会面临新的问题：对于正交下变频后，得到的低中频信号，

22、其包含所需信号频谱和镜像信号频谱。 为了抑制镜像信号，一般采用滤波器的方法进行处理，分为以下两种： （1）复带通滤波器。 （2）实带通滤波器。 4. 特点特点 低中频接收机的优点在于： （1）解决了零中频接收机的直流失调问题。 （2）本振与射频之间泄漏少。 （3）复杂度比外差式低、比零中频高。 3.3.5 宽中频接收机 软件无线电思想，希望尽可能采用数字信号处理手段完成信号接收过程。 在传统的硬件无线电中，不同用户都被下变频到一个信道、或者一个频段上，接收机的选择性主要通过模拟信号处理手段来实现。 1. 结构结构 为了尽可能采用数字信号处理方式完成处理过程，人们提出了宽中频接收机，如图3-18

23、所示。2. 特点特点前面介绍的几种接收机是射频选择信道接收机，而宽中频接收机是中频信道选择接收机，具有以下优点：（1）由于将所有信道都下变频到中频，不需要使用高阶的带通滤波器抑制镜像信号，所以，可以实现较高的集成。（2）由于第一本振的频率固定，所以，可以使用低带宽的锁相环，从而获得比较低的相位噪声。（3）由于本振在接受信号的带外，所以，相位噪声对接收信号的影响比较小。（4）由于在中频完成信道的选择，锁相环所需要的分频比较低，所以，锁相环中参考晶振、相位检测器、分频电路对频率综合器的相位噪声影响减少。另外，比较低的分频比，使锁相环输出中频时的寄生分量减少。 3.3.6 信道化接收机 软件无线电是

24、一种新型的无线体系结构，它提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效、经济的解决方案。 软件无线电系统是具有全频段、多模式工作能力的无线通信设备。软件无线电系统具有可以同时支持多个信道的能力。 1. 信道化接收机的概念信道化接收机的概念 信道化是指，通过指定信道对通信实施管理的过程，进一步讲，可以指采用多信道传输数据的结构。 2. 信道化的方法信道化的方法 实现信道化，是需要使用数字信号处理方式的。在接收机的ADC之后，根据ADC的使用情况，可以把接收机前端分为以下两种： （1）中频采样前端。 （2）零中频变换前端。 3.4 软件无线电发射机 在软件无线电系统中，发射机完成的是接收机的

25、反过程。软件无线电发射机的作用有以下两个： （1）上变频调制。 （2）功率放大。 3.4.1 概述 软件无线电发射机设计的两个主要问题是： （1）发射机结构。 （2）发射机线性化问题。 1. 实混频上变频实混频上变频 实混频的过程如下： （1）基带信号与本振信号相乘： （2）然后，进行带通滤波。 这样，就可以实现实混频上变频。 2. 复混频上变频复混频上变频 复混频上变频就是：正交上变频。正交上变频的特点是： （1）可以产生多种调制信号。 （2）可以进行相位调节。 在软件无线电中，一般采用正交上变频。 3. 内插带通上变频内插带通上变频 内插带通上变频就是：采用采样速率变换的方法实现上变频。

26、对采样点进行内插，频谱中不仅包含基带成分，而且含有高频镜像分量。为了从中恢复出原始频谱，需要进行滤波。 内插带通上变频的实现过程如下： （1）对原始信号进行内插。 （2）通过带通滤波器，形成上变频信号。 4. 数字上变频器数字上变频器 数字上变频器在数字下变频器一样，都是在软件无线电中大量使用的、专门用来进行上、下变频的数字器件。 5. 输出功率回退法射频线性化输出功率回退法射频线性化 软件无线电发射机，必须适应多调制方式和宽频率范围。为了追求更高的数据速率和频谱效率，通信系统普遍采用线性调制方式。 在多载波系统中峰均比较大，信号包络变化，系统必须支持线性调制方案，能够实现线性放大过程。 所以

27、，线性功率放大技术在发射机中非常重要。 6. 预失真法射频线性化预失真法射频线性化 预失真法：就是在功率放大器前增加一个非线性电路，以补偿功率放大器的非线性，使得两者的组合电路具有线性，从而减少线性调制信号放大后的交调失真。 预失真法的特点是： （1）优点：成本低、易于高频、宽带应用。 （2）缺点：频谱再生分量改善较少。 7. 前馈法射频线性化前馈法射频线性化 前馈法：就是预先产生误差信号，并在功放输出时减去该误差，以便实现线性放大的方法。 前馈法的特点在于： （1）优点：校准精度高。 （2）缺点：系统效率低。 3.4.2 外差式发射机 外差式发射机，也叫多级交换发射机，它有一个、或者几个固定

28、的中频，在中频上进行上变频调制，然后发射出去。 外差式发射机的优点是： （1）可以利用数字信号处理器用数字方法实现。 （2）系统性能好。 3.4.3 零中频发射机 零中频发射机，就是基于直接正交上变频技术的发射机，又称为直接变换发射机。它可以直接将基带信号搬移到射频载频、并且消除无用的边带信号，可以实现单边带通信的方式。 零中频发射机的优点是： （1）系统层次少、复杂度低，易于集成。 （2）没有中频，镜像信号与所许信号完全重合，对滤波器要求低。 3.4.4 低中频发射机 低中频发射机综合了外差式发射机和零中频发射机的优点，采用上变频结构，就是相移法调制。 低中频发射机的优点在于： （1）集中了外差式发射机和零中频发射机的优点。 （2）易于集成化。 （3）可以消除中频泄漏、中频牵引。 （4）综合性能好。 3.4.5 宽中频发射机 宽中频发射机具有一个宽的中频。这个中频可以包含多个信道，然后进行上变频发射出去。 宽中频发射机可以认为是数字中频发射机设计结构的扩展，只是信道的划分由数字中频完成。 宽中频发射机的特点在于： （1）优点：对模拟射频器件要求降低。 （2）缺点：可能引入不可接受的频带内幅度的不平衡。 3.4.6 信