软件无线电技术概要

1、第七讲 软件无线电技术电子科技大学：王 洪 软件无线电技术概要第1页 无线通信被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。军方：大量不兼容协议降低了联合作战能力。（固定、机载、车载、背负。不一样企业产品）“沙漠风暴”行动和格林纳冲突，美军各种通信设备不兼容性暴露无疑，不得不借助许多额外无线电台，才能保障高效通信联络。7.1 软件无线电概述1、软件无线电由来软件无线电技术概要第2页软件无线电由来民用：大量现有及新协议竞争且互不兼容，无线电系统被割据，受地理范围限制，运行商为此投入大量费用，升级困难。欧洲第一代模拟网：加入欧洲邮电会议(CEPT)16个国家，分别共使用6种不一样制式。这些模拟通信体系

2、制式，频率各不相同，不能互通、兼容。那些喜欢到邻国旅游人们，车一出国门电话就不通了，带来了极大不便。矛盾关键：互通性到底怎么办？软件无线电技术概要第3页1）军方：设计一个能够使用几个不一样协议在多个不一样频段上运作无线电系统，即多频段多模式无线电（MBMMR） 在单个机箱内放置支持不一样系统全部硬件，不一样系统切换经过改变硬件设备激活状态，实质是一个组合无线电系统。其庞大开支，短暂寿命，使这种构想并没有发挥多大作用。软件无线电技术概要第4页2）可编程数字无线电系统（PDR） 对简单参数可编程，允许某种程度重构，尤其是基带处理过程，但无线电系统主要功效仍由硬件定义，尤其是发射和接收部分。3）软件

3、无线电系统（SDR） 将更多无线电基本功效推延到软件领域，使数据转换过程愈加靠近天线，射频硬件取得更大独立性。软件无线电技术概要第5页1992年，MILTRE企业Joseph Mitola首次明确提出了软件无线电概念。其中心思想是： 结构一个含有开放性、标准化、模块化通用硬件平台，将各种功效，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出含有高度灵活性、开放性新一代无线通信系统。当前，采取开放式系统体系结构（OSA），一个非专利、层次化体系结构，每个层次公开且有明确定义接口和标准未来，将数字化处理推延到天线端并实现包含天线

4、在内全部组件完全可编程控制。 软件无线电技术概要第6页4）感知无线电系统（Cognitive Radio） 结合人工智能领域概念，实现无线电系统能够对所处环境有所“感知”。以软件无线电为扩展平台一个新智能无线通信技术，它能够感知到周围环境特征，并自动调整其设备一些发射和接收参数。含有感知能力设备能够在时域、频域和空域多维空间，对较宽频段不停地进行频谱侦听，能够侦测到这些频段内主用户，从而能得知频谱使用情况。整个过程能够经过“侦听感知自适应”循环来表示，关键技术：无线电传输场景分析、信道状态预计、功率控制、频谱侦测功效、动态频谱分配、抗干扰技术。 软件无线电技术概要第7页2、软件无线电特点（1）

5、可重构性：改变无线电系统个性化能力，编程实现，波形、算法等可重构。（2）灵活性：不用改变体系结构就能适应可重构能力（3）模块化：对每种功效封装，增加或替换模块即可改变系统功效。（4）可扩展性：在系统硬件或软件中增加新模块能力，经得起考验（future-proof）无线电系统。（5）可复制性和互信道连接性：共享或交换信息能力（6）开放性 软件无线电技术概要第8页3、已开发和正在开发软件无线电系统（1）SPEAKeasy（2）JTRS（联合战术无线电系统）目标： 支持工作频率范围最初为：2MHz-2GHz； 能够经过波形软件进行重构； 支持话音、视频和数据应用； 在软件和硬件方面都可扩展； 利用商

6、业现货组件； 能够与不一样波形、传统装备以及为不一样环境而设计无线电系统进行互操作。应用环境：机载、固定/舰载、车载、背负、手持软件无线电技术概要第9页 实质上是一个无线电系统系列，共享通用SCA（软件通信体系结构），SCA强调开放式系统体系结构和广泛使用面向对象方法。（3）WITS（无线信息传输系统） MOTOLARA开发，JTRS/SDR论坛第一个详细例证，系列产品：6004/5004/3004,体系结构特点：含有分布式处理环境、分成红边和黑边，由基于CORBASCA促成。（4）SDR-3000数字收发机子系统 由Spectrum Signal Processing提供，能够同时支持许多发

7、射和接收信道，每个信道含有独立空中接口协议，与2G/3G/JTRS等兼容，包含输入输出模块、基带处理机和转换模块。软件无线电技术概要第10页（5）Spectrum Ware 麻省理工学院开启，考查学术性软件无线电体系结构，研究通用处理器在实现软件无线电系统方面适应性，两个关键创新：用于处理系统输入输出机制;创建快捷而简单实时功效实现所需要编程环境，其编程环境支持4个方面适应性：信号环境、内部算法、用户需求、资源可用性。由Vanu企业研究结果商业化。（6）CHARIOT(适于互操作通信可变高级无线电系统) 弗吉尼亚工学院开发，美国国防高级研究计划局全球移动信息系统计划一部分，集中发展3个前沿技术

8、：自适应天线阵、多用户基站和自适应移动接收机。经过创建形式化结构，在运行环境中使用可重构硬件实现软件无线电系统，采取3种先进思想：自定义计算设备、基于流处理和硬件分页。软件无线电技术概要第11页（7）其它： 可编程模块化通信系统PMCS Atlantic Paw 计划 美国海军数字模块化无线电系统大量含有软件无线电特征产品和试验系统。 软件无线电技术概要第12页7.2 软件无线电实例软件无线电技术发觉MBMMR SPEAKeasy Phase1SPEAKeasy Phase2软件无线电技术概要第13页软件无线电技术概要第14页1、1991年Joseph Mitola III提出软件无线电概念，

9、并各到广泛认可。I coined the term Software Radio in 1991 to signal the shift from hardware intensive digital radios of the 1980s to the multiband multimode software-defined radios of the year and beyond. Last year, I coined the term Cognitive Radio to refer to that class of software radio that employs model

10、-based reasoning and at least a chess-program level of sophistication in using, planning, and creating radio etiquettes. Cognitive radio is an emerging topic within software radio.软件无线电技术概要第15页2、美国军方开始Speakeasy（易通话）研发，代表软件无线电技术研究全方面开展。 易通话电台试图经过全数字、软件可编程、基带信号处理、多频段、小功率射频收发信机、大功率放大器和天线分系统来实现各种功效。当前，易

11、通话已经完成了第一阶段和第二阶段研究。软件无线电技术概要第16页软件无线电技术概要第17页易通话两个研发阶段软件无线电技术概要第18页1）易通话工程第一阶段 第一阶段主要验证软件无线电概念正确性、可行性。由美国国防部支持和Hazeltine, TRW, Lockheed-Martin, Motorola, and Rockwell-Collins等企业赞助，完成： - 两个可编程信道电台实现。 VME bus architecture Texas Instrument quad-TMS320C40 multi-chip module for digital signal processing

12、SUN Sparc 10 工作站作为主机接口。 - 采取模块设计，19标准机箱。软件无线电技术概要第19页语音/数据接口通信保密波形合成传输保密数字信号处理高速信号预处理频率变换滤波放大天线分系统终端控制人机接口电源分系统时钟分系统易通话电台信号处理流程软件无线电技术概要第20页终端控制多处理器分系统预处理分系统波形产生分系统高频分系统频率合成器IR/FR控制分系统基带转换分系统干扰抑制分系统时钟/定时参考分系统信息保密分系统易通话工程功效方框图软件无线电技术概要第21页2）易通话工程第二阶段 在第一阶段成功完成理论验证基础上，研制演示系统，到达以下目标： - 正真开放式结构 - 功效软件可编

13、程 - 能与TF-XXI AWE F, Irwin, March 97等电 台互通 - 支持HF, VHF, UHF 多频段软件无线电技术概要第22页易通话第二阶段功效模块天线耦合器发射接收信道A/DD/A预处理器(ASIC)波形处理器(DSP)信息安全控制多媒体接入路由器GPS控制处理器参考时钟蜂窝电话射频前端信号处理信息安全网络互联控制外部接口人机接口MBMMR电台组成软件无线电技术概要第23页易通话第二阶段功效模块SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL软件无线电技术概要第24页易通话第二阶段功效模块SPEAKEASY

14、MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL软件无线电技术概要第25页3、联合战术无线电系统（JTRS） JTRS是美军为了适应三军联合作战需要，在MBMMR基础上提出一个战术通信系统。系统组成基础是基于MBMMR战术无线电台（JTR）。JTR系列电台与常规电台最大不一样点是含有很强网络功效和信息安全处理能力。另外，JTR比MBMMR电台支持愈加广泛信号波形，它还能适应技术发展进行快捷高效波形升级。软件无线电技术概要第26页3、联合战术无线电系统（JTRS） JTR系统除2MHz2GHz工作频率外，含有以下技术特征： 即插即用通用性；模块化硬件可现场

15、配置；波形软件可现场编程；嵌入式定位：自动向网络输送态势感知；保密数据网络功效；3个或更多个其它网络模式；软件无线电技术概要第27页3、联合战术无线电系统（JTRS）自动区域或互联网路由选择；动态网络连接、寻址和带宽分配；模拟选定传统无线电台；“动中通”功效；开放式物理结构和软件结构；应未来技术、系统和支援作战结构（可扩展性）。软件无线电技术概要第28页联合战术无线电系统（JTRS）射频前端调制解调信号处理信息安全网络互联系统控制人机接口内部互连总线(黑)用户接口(用于信息安全)天线接口内部互连总线(红)用户接口网络接口软件无线电技术概要第29页4、JTRS提出软件通信结构SCA首先提出SCA

16、是美军联合战术无线电系统（JTRS），目标是建立独立于设备结构框架。其目标是确保软件和硬件可移植性和可配置性，并确保依据SCA开发产品之间互通。之后，软件定义无线电（SDR）论坛也接收SCA规范，并正在把SCA发展为商业应用标准。软件无线电技术概要第30页JTRS提出软件通信结构SCASCA要到达八个目标通用和开放结构支持各种设备系统和设备运行环境多波段多模式与现有系统兼容新技术引入含有开放性保密性网络化软件重用/通用波形软件软件无线电技术概要第31页基于SCA无线通信系统 在SCA 中，依据通信功效划分，全部资源经过软件平台分别加载到对应硬件模块中，从而完成用户通信功效。从OSI（开放系统互

17、连） 模型来看，这些通信功效包含了物理层数字信号处理、链路层协议处理、网络层协议处理、网络间路由转发、信息安全传送、外部输入输出访问等。下列图是基于SCA 无线通信系统方框图。软件无线电技术概要第32页信息源加密器编码器调制器信道解调器译码器解密器受信者信息信息噪声源HW：射频/调制解调模块SW：调制解调资源/ 数据链路资源黑边子系统HW：黑边处理模块SW：调制解调资源/网络信息资源SW：网络信息资源/数据链路资源HW：信息安全模块（通信保密模块）加密子系统HW：红边处理模块HW：输入输出模块SW：输入输出资源SW：信息安全资源红边子系统红边子系统基于SCA无线通信系统方框图软件无线电技术概要

18、第33页SCA软件结构SCA软件结构定义了一个运行环境（OE：Operating Environment），还包含一系列CF业务和结构化软件（主板支持软件包、操作系统和服务、CORBA中间件）。SCA使用是面向对象开发方法，其开发过程不但能够用于框架定义，还能够用于产品开发。SCA使用联合建模语言UML对接口进行图示建模，使用接口定义语言CORBA IDL对接口进行定义。软件无线电技术概要第34页软件无线电技术概要第35页在民用方面，软件无线电也取得了很大发展。如：已经研制成功220MHz地震遥测系统，采取16QAM调制方式，信道带宽为20kHz，频带利用率为3b/(s*Hz)。利用这种设备,

19、不但降低了成本，还提升了系统灵活性。又比如3G/4G中应用。4、军事上成功，是软件无线电技术迅 速在民用上推广软件无线电技术概要第36页7.3 软件无线电技术研究内容1、软件无线电基本平台设计 普通说来，软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和数字信号处理以及各种软件组成，理想软件无线电组成结构以下列图：窄带A/D_D/A转换器实时、准实时处理软件DSP宽带A/D_D/A转换器射频前端模块电话图像数据传真软件无线电技术概要第37页当前，软件无线电结构基本上能够分为三种： - 射频低通采样数字化结构； - 射频带通采样数字化结构； - 宽带中频带通采样数字化结构。软件无线

20、电技术概要第38页2、硬件功效模块化设计 软件无线电硬件含有开放性，其硬件必将采取总线结构。采取标准、高性能开放式总线结构便于硬件模块不停升级和扩展。工业控制总线总线标准很多，比如ISA、PCI、VME等。其中，针对多处理系统而设计VME总线被广泛应用于工业控制之中。也是软件无线电选择总线之一。 下面给出一个基于VME总线简单软件无线电硬件结构图示：软件无线电技术概要第39页 宽 带 射 频板 存 储 器 板并行DSP板高速A/DD/A板 VME 主机板 用 户 接 口 板音频视频传真数据VME总线 多路耦合器 高速数据总线软件无线电技术概要第40页3、软件模块化设计和面向对象编程： 软件无线

21、电软件应含有开放性，能够不停更新或者升级，而软件加载能够经过空中接口实现，使用起来快捷方便。同时，应依据API来进行区分，进行模块化。采取通用对象请求代理（CORBA）技术，以面向对象方法为基础，为分布环境中各类网络相互访问、协同工作提供了一个一致服务平台。 CORBA能够无缝共享应用数据，它提供了一个软总线。 概念说明 CORBA - 是一个规范，用于处理面向对象异构应用之间互操作问题，提供分布式计算所需要一些其它服务。使用CORBA IDL能够描述CORBA中间件接口。软件无线电技术概要第41页软件模块化设计和面向对象编程：软件模块软件模块软件模块软件模块层间通信垂直接口 传统软件层次结构

22、1234软件无线电技术概要第42页软件模块化设计和面向对象编程：软件模块1软件模块2软件模块3软件模块4CORBA软总线基于CORBA软件结构软件无线电技术概要第43页4、软件化及软件化程度评价我们知道软件无线电是要在通用硬 件平台上，靠软件来完成各式各样功效。所以，软件化程度是一个很主要指标。 1997年Joe Mitola 提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA)表示软件化程度，每个参量取值均为03 。软件无线电技术概要第44页软件无线电技术概要第45页5、智能天线技术我们知道软件无线电是要实现多波段、多制式电台互通互连，必定要引入多天线技术。软件无线电技术与数字多波束形成（DBF）相结合

23、完美产物就是智能天线技术。 实际上智能天线技术已经成为下一代移动通信系统关键技术。软件无线电技术概要第46页软件无线电技术概要第47页6、软件无线电理论和信号处理算法软件无线电是建立在一个含有高速处理能力通用平台上，所以DSP处理成为软件无线电关键。从采样理论、多速率信号处理，到通信信号理论、波形生成算法和信号处理算法，许多新概念、理论和算法成为软件无线电根本所在。软件无线电技术概要第48页7.4 软件无线电数学模型软件无线电宗旨：（1）尽可能地简化射频模拟前端，使A/D转换尽可能靠近天线，数字化后信号尽可能多用软件处理。（2）硬件平台应含有开放性、通用性，软件应含有可升级性，可替换性。软件无

24、线电可分为三大组成部分：射频处理前端A/DD/A数字处理软件软件无线电技术概要第49页基于采样方式不一样，软件无线电组成结构能够分成以下3种： 1）射频全宽带低通采样软件无线电结构 2）射频直接带通采样软件无线电结构 3）宽带中频带通采样软件无线电结构软件无线电技术概要第50页射频全带宽低通采样软件无线电结构组成结构如图所表示：双工器超宽带滤波器超宽带放大器超高速超宽带A/D分波段滤波器超宽带功率放大器超高速超宽带D/A超高速 DSP软件软件无线电技术概要第51页射频直接带通采样软件无线电结构组成结构如图所表示：双工器窄带电调滤波器放大器A/D功放“0”内插上变频D/ADSP软件窄带电调滤波器

25、软件无线电技术概要第52页宽带中频带通采样软件无线电结构组成结构如图所表示：分波段滤波器 功放高放 双工器 一本振 一中放 滤波A/DD/A DSP (软件)fsf0放大放大 一本振 二中放软件无线电技术概要第53页7.5 信道化软件无线电发射机模型前面两种结构模型只能对单个信号或有限几个信号进行调制发射，假如信道数比较多，则多通道方案就显得过于复杂。信道化模型不但能同时发射整个处理带宽（0fs）内全部信道上信号，而且运算效率高，实时处理能力强，结构简单。本结构关键同信道化接收机，都是基于多相滤波来实现，经过内插方式。软件无线电技术概要第54页7.5.1 发射机信道化基本概念全信道化发射原理说明 1）对i 个待发射基带复信号mi(t)进行频率为fs采样，得到数字谱以下列图所表示： 2）对 进行I倍内插和滤波后得到数字谱为下列图所表示：软件无线电技术概要第55页 3）然后分别用移频因