第一部分：软件无线电概述

FPGA/CPLD

在软件无线电中的工程应用

概述篇

中嵌教育(www.chinaeda.cn)David编著Agenda

无线电技术基本知识软件无线电历史和特点软件无线电研究内容和核心技术软件无线电三种基本结构软件无线电的内涵演变

Q&A无线电技术通信系统分类模拟通信系统信息是以模拟形式被描述和传递，譬如语音和图像信息等直接以调幅或调频的方式进行调制解调，这被称作模拟通信系统。模拟通信技术的发展造就了今天广播和电视的普及。数字通信系统

当前大家都在使用的GSM手机，以及互联网手机，以及互联网等。

1948年，shannon发表了其著名的信道编码理论，指出只要满足信道的容量约束和信噪比约束，数字信号在理论上能够以任意低的误码率传输。这揭示了信息数字化描述的巨大好处，它允许人们将多年来在数学领域的丰硕成果应用到信息的编码、纠错、判别等处理领域，为数字通信技术的迅猛发展提供了充足的理论工具；同时，信息的数字化描述为拓展通信系统的业务范围，实现多种媒体的通信提供了广阔前景。香农信道容量公式

C=W*log2(1+S/N)

C为信道容量

W为带宽

S为信号功率

N为噪声功率

传统无线电通信模型Agenda

无线电技术基本知识

软件无线电历史和特点软件无线电研究内容和核心技术软件无线电三种基本结构软件无线电的内涵演变

Q&A“数字无线电”侧重描述无线通信系统的后端处理，是一种技术手段；而“软件无线电”则是一种崭新的实现无线通信系统的概念。数字无线电技术是软件无线电实现的前提和基础，软件无线电这一概念的诞生，预示着无线通信将翻开崭新的篇章。从数字无线电到软件无线电具备软件无线电特点的无线通信系统并不一定是完全数字化系统，只要系统的功能是可由软件定制的，即构成该系统的各个模块可编程，即使模块内部的某些结构暂时未数字化，也可以认为这是一个符合软件无线电概念的通信系统。通信系统数字化程度越高，系统的开放性和可编程控制能力就越强，就越是真正意义的“软件无线电”软件无线电的由来当前无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。然而，大家是否知道它存在的问题呢？“沙漠风暴”行动和格林纳冲突，美军各种通信设备的不兼容性暴露无疑，不得不借助许多额外的无线电台，才能保障高效的通信联络。存在问题：互通性和灵活性

为了解决互通性的问题，各国军方积极探索，提出一种研制多频段、多功能电台，用一个系列的电台来解决互通问题的方案。但是，其庞大的开支，短暂的寿命，使这种设想并没有发挥多大作用。问题的解决

1992年，MILTRE公司的JosephMitola首次明确提出了软件无线电的概念。其中心思想是：

构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，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，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。成功吗？（1）很强的灵活性（2）较强的开放性

这使得软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。软件无线电特点可编程模块化结构可重构性分层次开放性软件无线电技术的发现MBMMRSPEAKeasyPhase1SPEAKeasyPhase21、1991年JosephMitolaIII提出软件无线电概念，并获得了广泛认可。现代许多技术发展总是从军事需求的推动，软件无线电技术更是典型代表。2、美国军方开始的Speakeasy（易通话）研发，代表软件无线电技术的研究全面开展。易通话电台试图通过全数字、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能。目前，易通话已经完成了第一阶段和第二阶段的研究。易话通研发的两个阶段1）易通话工程的第一阶段第一阶段主要验证软件无线电概念的正确性、可行性。由美国国防部支持和Hazeltine,TRW,Lockheed-Martin,Motorola,andRockwell-Collins等公司赞助，完成：

--两个可编程信道的电台实现。

--VMEbusarchitecture

--TexasInstrumentquad-TMS320C40multi-chipmodulefordigitalsignalprocessing--SUNSparc10工作站作为主机接口。

--采用模块设计，19’’标准机箱。2）易通话工程的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，达到下列目标：

--真正开放式结构

--功能软件可编程

--能与TF-XXIAWEF,Irwin,March97等电台互通

--支持HF,VHF,UHF

多频段易通话第二阶段的功能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电台的组成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的需要，在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。系统构成的基础是基于MBMMR的战术无线电台（JTR）。JTR系列电台与常规电台的最大不同点是具有很强的网络功能和信息安全处理能力。另外，JTR比MBMMR电台支持更加广泛的信号波形，它还能适应技术发展进行快捷高效的波形升级。

JTRS系统除2MHz~2GHz工作频率外，具有以下技术特性：即插即用通用性；模块化硬件可现场配置；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；保密的数据网络功能；3个或更多个其他网络模式；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；模拟选定的传统无线电台；“动中通”功能；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）。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Agenda

无线电技术基本知识软件无线电历史和特点

软件无线电研究内容和核心技术软件无线电三种基本结构软件无线电的内涵演变

Q&A软件无线电的研究内容软件无线电基本平台设计一般说来，软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、数字信号处理以及各种软件组成，理想的软件无线电组成结构如下图：软件无线电信号处理的核心技术高速A/D与D/A带通采样（欠采样）数字上下变频调制解调同步技术多速率信号处理数字滤波器设计等Agenda

无线电技术基本知识软件无线电历史和特点软件无线电研究内容和核心技术

软件无线电三种基本结构软件无线电的内涵演变

Q&A软件无线电的三种结构形式射频全带宽低通采样软件无线电结构射频直接带通软件无线电结构宽带中频带通软件无线电结构射频全带宽低通采样软件无线电结构组成结构如图所示：此结构优缺点优点：对射频信号直接采样，完全符合软件无线电概念的定义。缺点需要的采样频率太高，特别还要求大动态、多位数的A/D和D/A时，目前的器件水平无法实现。前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范围有很高的要求，工程实现极为困难。此种结构只适合于工作带宽不太宽的场合射频直接带通采样软件无线电结构组成结构如图所示：此结构优缺点本结构采用了带通采样原理。要求A/D有足够高工作带宽优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不同就是采用的前置滤波器的差异（什么差异）；另外还有A/D的采样速率不同；最后就是FPGA的处理速度要求不同。实现可行性较强。缺点前置窄带电调滤波器和高速大宽带的A/D

(电调滤波器在整个工作频带上都具有很好的滤波性能，高性能的采样保持放大器)

为了消除盲区，还需要对盲区采样，采样振荡器设计复杂

因此，我们将介绍下面目前应用最广的软件无线电结构－－宽带中频带通采样软件无线电结构。宽带中频带通采样软件无线电结构组成结构如图所示：本结构说明本结构类似于超外差无线通信设备，但常规无线通信设备的中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结构。信号经过接收通道后失真小，通过后续数字化处理，具有更好的波形适应，信号带宽适应性以及可扩展性。本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射频信号转换为适合于A/D采样的宽带中频或D/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。Agenda

无线电技术基本知识软件无线电历史和特点软件无线电研究内容和核心技术软件无线电三种基本结构

软件无线电的内涵演变

Q&A软件无线电的三个阶段软件定义无线电(SoftwareDefinedRadio)中频之后数字化软件无线电(SoftwareRadio)天线之后数字化，直接对射频信号采样硬件只做基本平台，通信功能全软件化自适应智能软件无线电(AdaptiveIntelligentSoftwareRadio）自适应认知环境，智能选择通信模式和通信频段

软件无线电的内涵演变1、无线电数字化－数字电台DR诞生数字化技术能大大提升系统精度、可靠性，改善抗干扰能力，带来了电台数字化的革命数字化电台（DigitalRadio）的特征：数字方式实现模拟功能－－目的提高可靠性、精度等一般采用视频数字化（基带低频采样）针对特定功能设计数字方案，是一种特定实现，没有灵活性，单实现的效率高2、一般的软件定义无线电－SDR概念一般软件定义无线电(SDR)的定义：使用软件技术来处理数字化的无线电信号SDR(SoftwareDefinedRadio)的特征：核心的无线电硬件平台－－是计算平台，如通用可编程DSP或CPU等一般采用中频数字化（IF带通采样技术）软件来定义功能，包括信源处理、信道处理、调制解调等3、SDR向软件无线电SR转换软件无线电(SR)的定义：其数字化是在天线端（或者非常接近）进行，无线电所需要的所有处理通过驻留在高速数字信号处理单元中的软件来实现－－理想的软件无线电SR(SoftwareRadio)的特征：数字化是在天线端（或者非常接近）进行大动态范围多波段多模式软件不仅定义处理功能，也定义结构、模式和波段4、自适应智能－软件无线电AI-SR自适应智能软件无线电(AI-SR)的定义：具有自适应能力，以达到提高性能和/或频谱利用率的软件无线电AI(Adaptiveintelligence)-SR的特征：基于对周围无线环境的感知交互作用，而自动改变发送和接收参数。通过分析外部环境提供的激励来认识它通信任务的内容，通过对接收和发送的多媒体内容进行分析，选择适当的解决方式－－认知性软件无线电模式、能力和参数的自适应修改－－动态配置5、移动通信技术发展看SBR技术发展模拟时代到数字时代收/发开关射频处理下变频中频处理下变频基带数字化处理I/O基带ADCDSP处理DAC转换键盘/麦克风/扬声器/显示器等基于DR思想：单模式/单波段，基带采样多波段/多模式时代收/发开关中频处理下变频基带数字化/模拟处理I/O中频ADCDSP处理数字TDMA高速DAC