軟件無線電技術(shù)概要

1、第七講 軟件無線電技術(shù)電子科技大學：王 洪 軟件無線電技術(shù)概要第1頁 無線通信被廣泛應用于商業(yè)、氣象、軍事、民用等領(lǐng)域。軍方：大量不兼容協(xié)議降低了聯(lián)合作戰(zhàn)能力。（固定、機載、車載、背負。不一樣企業(yè)產(chǎn)品）“沙漠風暴”行動和格林納沖突，美軍各種通信設備不兼容性暴露無疑，不得不借助許多額外無線電臺，才能保障高效通信聯(lián)絡。7.1 軟件無線電概述1、軟件無線電由來軟件無線電技術(shù)概要第2頁軟件無線電由來民用：大量現(xiàn)有及新協(xié)議競爭且互不兼容，無線電系統(tǒng)被割據(jù)，受地理范圍限制，運行商為此投入大量費用，升級困難。歐洲第一代模擬網(wǎng)：加入歐洲郵電會議(CEPT)16個國家，分別共使用6種不一樣制式。這些模擬通信體系

2、制式，頻率各不相同，不能互通、兼容。那些喜歡到鄰國旅游人們，車一出國門電話就不通了，帶來了極大不便。矛盾關(guān)鍵：互通性到底怎么辦？軟件無線電技術(shù)概要第3頁1）軍方：設計一個能夠使用幾個不一樣協(xié)議在多個不一樣頻段上運作無線電系統(tǒng)，即多頻段多模式無線電（MBMMR） 在單個機箱內(nèi)放置支持不一樣系統(tǒng)全部硬件，不一樣系統(tǒng)切換經(jīng)過改變硬件設備激活狀態(tài)，實質(zhì)是一個組合無線電系統(tǒng)。其龐大開支，短暫壽命，使這種構(gòu)想并沒有發(fā)揮多大作用。軟件無線電技術(shù)概要第4頁2）可編程數(shù)字無線電系統(tǒng)（PDR） 對簡單參數(shù)可編程，允許某種程度重構(gòu)，尤其是基帶處理過程，但無線電系統(tǒng)主要功效仍由硬件定義，尤其是發(fā)射和接收部分。3）軟件

3、無線電系統(tǒng)（SDR） 將更多無線電基本功效推延到軟件領(lǐng)域，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程愈加靠近天線，射頻硬件取得更大獨立性。軟件無線電技術(shù)概要第5頁1992年，MILTRE企業(yè)Joseph Mitola首次明確提出了軟件無線電概念。其中心思想是： 結(jié)構(gòu)一個含有開放性、標準化、模塊化通用硬件平臺，將各種功效，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出含有高度靈活性、開放性新一代無線通信系統(tǒng)。當前，采取開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（OSA），一個非專利、層次化體系結(jié)構(gòu)，每個層次公開且有明確定義接口和標準未來，將數(shù)字化處理推延到天線端并實現(xiàn)包含天線

4、在內(nèi)全部組件完全可編程控制。 軟件無線電技術(shù)概要第6頁4）感知無線電系統(tǒng)（Cognitive Radio） 結(jié)合人工智能領(lǐng)域概念，實現(xiàn)無線電系統(tǒng)能夠?qū)λ幁h(huán)境有所“感知”。以軟件無線電為擴展平臺一個新智能無線通信技術(shù)，它能夠感知到周圍環(huán)境特征，并自動調(diào)整其設備一些發(fā)射和接收參數(shù)。含有感知能力設備能夠在時域、頻域和空域多維空間，對較寬頻段不停地進行頻譜偵聽，能夠偵測到這些頻段內(nèi)主用戶，從而能得知頻譜使用情況。整個過程能夠經(jīng)過“偵聽感知自適應”循環(huán)來表示，關(guān)鍵技術(shù)：無線電傳輸場景分析、信道狀態(tài)預計、功率控制、頻譜偵測功效、動態(tài)頻譜分配、抗干擾技術(shù)。 軟件無線電技術(shù)概要第7頁2、軟件無線電特點（1）

5、可重構(gòu)性：改變無線電系統(tǒng)個性化能力，編程實現(xiàn)，波形、算法等可重構(gòu)。（2）靈活性：不用改變體系結(jié)構(gòu)就能適應可重構(gòu)能力（3）模塊化：對每種功效封裝，增加或替換模塊即可改變系統(tǒng)功效。（4）可擴展性：在系統(tǒng)硬件或軟件中增加新模塊能力，經(jīng)得起考驗（future-proof）無線電系統(tǒng)。（5）可復制性和互信道連接性：共享或交換信息能力（6）開放性 軟件無線電技術(shù)概要第8頁3、已開發(fā)和正在開發(fā)軟件無線電系統(tǒng)（1）SPEAKeasy（2）JTRS（聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)）目標： 支持工作頻率范圍最初為：2MHz-2GHz； 能夠經(jīng)過波形軟件進行重構(gòu)； 支持話音、視頻和數(shù)據(jù)應用； 在軟件和硬件方面都可擴展； 利用商

6、業(yè)現(xiàn)貨組件； 能夠與不一樣波形、傳統(tǒng)裝備以及為不一樣環(huán)境而設計無線電系統(tǒng)進行互操作。應用環(huán)境：機載、固定/艦載、車載、背負、手持軟件無線電技術(shù)概要第9頁 實質(zhì)上是一個無線電系統(tǒng)系列，共享通用SCA（軟件通信體系結(jié)構(gòu)），SCA強調(diào)開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和廣泛使用面向?qū)ο蠓椒?。?）WITS（無線信息傳輸系統(tǒng)） MOTOLARA開發(fā)，JTRS/SDR論壇第一個詳細例證，系列產(chǎn)品：6004/5004/3004,體系結(jié)構(gòu)特點：含有分布式處理環(huán)境、分成紅邊和黑邊，由基于CORBASCA促成。（4）SDR-3000數(shù)字收發(fā)機子系統(tǒng) 由Spectrum Signal Processing提供，能夠同時支持許多發(fā)

7、射和接收信道，每個信道含有獨立空中接口協(xié)議，與2G/3G/JTRS等兼容，包含輸入輸出模塊、基帶處理機和轉(zhuǎn)換模塊。軟件無線電技術(shù)概要第10頁（5）Spectrum Ware 麻省理工學院開啟，考查學術(shù)性軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，研究通用處理器在實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)方面適應性，兩個關(guān)鍵創(chuàng)新：用于處理系統(tǒng)輸入輸出機制;創(chuàng)建快捷而簡單實時功效實現(xiàn)所需要編程環(huán)境，其編程環(huán)境支持4個方面適應性：信號環(huán)境、內(nèi)部算法、用戶需求、資源可用性。由Vanu企業(yè)研究結(jié)果商業(yè)化。（6）CHARIOT(適于互操作通信可變高級無線電系統(tǒng)) 弗吉尼亞工學院開發(fā)，美國國防高級研究計劃局全球移動信息系統(tǒng)計劃一部分，集中發(fā)展3個前沿技術(shù)

8、：自適應天線陣、多用戶基站和自適應移動接收機。經(jīng)過創(chuàng)建形式化結(jié)構(gòu)，在運行環(huán)境中使用可重構(gòu)硬件實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)，采取3種先進思想：自定義計算設備、基于流處理和硬件分頁。軟件無線電技術(shù)概要第11頁（7）其它： 可編程模塊化通信系統(tǒng)PMCS Atlantic Paw 計劃 美國海軍數(shù)字模塊化無線電系統(tǒng)大量含有軟件無線電特征產(chǎn)品和試驗系統(tǒng)。 軟件無線電技術(shù)概要第12頁7.2 軟件無線電實例軟件無線電技術(shù)發(fā)覺MBMMR SPEAKeasy Phase1SPEAKeasy Phase2軟件無線電技術(shù)概要第13頁軟件無線電技術(shù)概要第14頁1、1991年Joseph Mitola III提出軟件無線電概念，

9、并各到廣泛認可。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.軟件無線電技術(shù)概要第15頁2、美國軍方開始Speakeasy（易通話）研發(fā)，代表軟件無線電技術(shù)研究全方面開展。 易通話電臺試圖經(jīng)過全數(shù)字、軟件可編程、基帶信號處理、多頻段、小功率射頻收發(fā)信機、大功率放大器和天線分系統(tǒng)來實現(xiàn)各種功效。當前，易

11、通話已經(jīng)完成了第一階段和第二階段研究。軟件無線電技術(shù)概要第16頁軟件無線電技術(shù)概要第17頁易通話兩個研發(fā)階段軟件無線電技術(shù)概要第18頁1）易通話工程第一階段 第一階段主要驗證軟件無線電概念正確性、可行性。由美國國防部支持和Hazeltine, TRW, Lockheed-Martin, Motorola, and Rockwell-Collins等企業(yè)贊助，完成： - 兩個可編程信道電臺實現(xiàn)。 VME bus architecture Texas Instrument quad-TMS320C40 multi-chip module for digital signal processing

12、SUN Sparc 10 工作站作為主機接口。 - 采取模塊設計，19標準機箱。軟件無線電技術(shù)概要第19頁語音/數(shù)據(jù)接口通信保密波形合成傳輸保密數(shù)字信號處理高速信號預處理頻率變換濾波放大天線分系統(tǒng)終端控制人機接口電源分系統(tǒng)時鐘分系統(tǒng)易通話電臺信號處理流程軟件無線電技術(shù)概要第20頁終端控制多處理器分系統(tǒng)預處理分系統(tǒng)波形產(chǎn)生分系統(tǒng)高頻分系統(tǒng)頻率合成器IR/FR控制分系統(tǒng)基帶轉(zhuǎn)換分系統(tǒng)干擾抑制分系統(tǒng)時鐘/定時參考分系統(tǒng)信息保密分系統(tǒng)易通話工程功效方框圖軟件無線電技術(shù)概要第21頁2）易通話工程第二階段 在第一階段成功完成理論驗證基礎(chǔ)上，研制演示系統(tǒng)，到達以下目標： - 正真開放式結(jié)構(gòu) - 功效軟件可編

13、程 - 能與TF-XXI AWE F, Irwin, March 97等電 臺互通 - 支持HF, VHF, UHF 多頻段軟件無線電技術(shù)概要第22頁易通話第二階段功效模塊天線耦合器發(fā)射接收信道A/DD/A預處理器(ASIC)波形處理器(DSP)信息安全控制多媒體接入路由器GPS控制處理器參考時鐘蜂窩電話射頻前端信號處理信息安全網(wǎng)絡互聯(lián)控制外部接口人機接口MBMMR電臺組成軟件無線電技術(shù)概要第23頁易通話第二階段功效模塊SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL軟件無線電技術(shù)概要第24頁易通話第二階段功效模塊SPEAKEASY

14、MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL軟件無線電技術(shù)概要第25頁3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS） JTRS是美軍為了適應三軍聯(lián)合作戰(zhàn)需要，在MBMMR基礎(chǔ)上提出一個戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。系統(tǒng)組成基礎(chǔ)是基于MBMMR戰(zhàn)術(shù)無線電臺（JTR）。JTR系列電臺與常規(guī)電臺最大不一樣點是含有很強網(wǎng)絡功效和信息安全處理能力。另外，JTR比MBMMR電臺支持愈加廣泛信號波形，它還能適應技術(shù)發(fā)展進行快捷高效波形升級。軟件無線電技術(shù)概要第26頁3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS） JTR系統(tǒng)除2MHz2GHz工作頻率外，含有以下技術(shù)特征： 即插即用通用性；模塊化硬件可現(xiàn)場

15、配置；波形軟件可現(xiàn)場編程；嵌入式定位：自動向網(wǎng)絡輸送態(tài)勢感知；保密數(shù)據(jù)網(wǎng)絡功效；3個或更多個其它網(wǎng)絡模式；軟件無線電技術(shù)概要第27頁3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）自動區(qū)域或互聯(lián)網(wǎng)路由選擇；動態(tài)網(wǎng)絡連接、尋址和帶寬分配；模擬選定傳統(tǒng)無線電臺；“動中通”功效；開放式物理結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)；應未來技術(shù)、系統(tǒng)和支援作戰(zhàn)結(jié)構(gòu)（可擴展性）。軟件無線電技術(shù)概要第28頁聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）射頻前端調(diào)制解調(diào)信號處理信息安全網(wǎng)絡互聯(lián)系統(tǒng)控制人機接口內(nèi)部互連總線(黑)用戶接口(用于信息安全)天線接口內(nèi)部互連總線(紅)用戶接口網(wǎng)絡接口軟件無線電技術(shù)概要第29頁4、JTRS提出軟件通信結(jié)構(gòu)SCA首先提出SCA

16、是美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS），目標是建立獨立于設備結(jié)構(gòu)框架。其目標是確保軟件和硬件可移植性和可配置性，并確保依據(jù)SCA開發(fā)產(chǎn)品之間互通。之后，軟件定義無線電（SDR）論壇也接收SCA規(guī)范，并正在把SCA發(fā)展為商業(yè)應用標準。軟件無線電技術(shù)概要第30頁JTRS提出軟件通信結(jié)構(gòu)SCASCA要到達八個目標通用和開放結(jié)構(gòu)支持各種設備系統(tǒng)和設備運行環(huán)境多波段多模式與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容新技術(shù)引入含有開放性保密性網(wǎng)絡化軟件重用/通用波形軟件軟件無線電技術(shù)概要第31頁基于SCA無線通信系統(tǒng) 在SCA 中，依據(jù)通信功效劃分，全部資源經(jīng)過軟件平臺分別加載到對應硬件模塊中，從而完成用戶通信功效。從OSI（開放系統(tǒng)互

17、連） 模型來看，這些通信功效包含了物理層數(shù)字信號處理、鏈路層協(xié)議處理、網(wǎng)絡層協(xié)議處理、網(wǎng)絡間路由轉(zhuǎn)發(fā)、信息安全傳送、外部輸入輸出訪問等。下列圖是基于SCA 無線通信系統(tǒng)方框圖。軟件無線電技術(shù)概要第32頁信息源加密器編碼器調(diào)制器信道解調(diào)器譯碼器解密器受信者信息信息噪聲源HW：射頻/調(diào)制解調(diào)模塊SW：調(diào)制解調(diào)資源/ 數(shù)據(jù)鏈路資源黑邊子系統(tǒng)HW：黑邊處理模塊SW：調(diào)制解調(diào)資源/網(wǎng)絡信息資源SW：網(wǎng)絡信息資源/數(shù)據(jù)鏈路資源HW：信息安全模塊（通信保密模塊）加密子系統(tǒng)HW：紅邊處理模塊HW：輸入輸出模塊SW：輸入輸出資源SW：信息安全資源紅邊子系統(tǒng)紅邊子系統(tǒng)基于SCA無線通信系統(tǒng)方框圖軟件無線電技術(shù)概要

18、第33頁SCA軟件結(jié)構(gòu)SCA軟件結(jié)構(gòu)定義了一個運行環(huán)境（OE：Operating Environment），還包含一系列CF業(yè)務和結(jié)構(gòu)化軟件（主板支持軟件包、操作系統(tǒng)和服務、CORBA中間件）。SCA使用是面向?qū)ο箝_發(fā)方法，其開發(fā)過程不但能夠用于框架定義，還能夠用于產(chǎn)品開發(fā)。SCA使用聯(lián)合建模語言UML對接口進行圖示建模，使用接口定義語言CORBA IDL對接口進行定義。軟件無線電技術(shù)概要第34頁軟件無線電技術(shù)概要第35頁在民用方面，軟件無線電也取得了很大發(fā)展。如：已經(jīng)研制成功220MHz地震遙測系統(tǒng)，采取16QAM調(diào)制方式，信道帶寬為20kHz，頻帶利用率為3b/(s*Hz)。利用這種設備,

19、不但降低了成本，還提升了系統(tǒng)靈活性。又比如3G/4G中應用。4、軍事上成功，是軟件無線電技術(shù)迅 速在民用上推廣軟件無線電技術(shù)概要第36頁7.3 軟件無線電技術(shù)研究內(nèi)容1、軟件無線電基本平臺設計 普通說來，軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和數(shù)字信號處理以及各種軟件組成，理想軟件無線電組成結(jié)構(gòu)以下列圖：窄帶A/D_D/A轉(zhuǎn)換器實時、準實時處理軟件DSP寬帶A/D_D/A轉(zhuǎn)換器射頻前端模塊電話圖像數(shù)據(jù)傳真軟件無線電技術(shù)概要第37頁當前，軟件無線電結(jié)構(gòu)基本上能夠分為三種： - 射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)； - 射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)； - 寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。軟件無線

20、電技術(shù)概要第38頁2、硬件功效模塊化設計 軟件無線電硬件含有開放性，其硬件必將采取總線結(jié)構(gòu)。采取標準、高性能開放式總線結(jié)構(gòu)便于硬件模塊不停升級和擴展。工業(yè)控制總線總線標準很多，比如ISA、PCI、VME等。其中，針對多處理系統(tǒng)而設計VME總線被廣泛應用于工業(yè)控制之中。也是軟件無線電選擇總線之一。 下面給出一個基于VME總線簡單軟件無線電硬件結(jié)構(gòu)圖示：軟件無線電技術(shù)概要第39頁 寬 帶 射 頻板 存 儲 器 板并行DSP板高速A/DD/A板 VME 主機板 用 戶 接 口 板音頻視頻傳真數(shù)據(jù)VME總線 多路耦合器 高速數(shù)據(jù)總線軟件無線電技術(shù)概要第40頁3、軟件模塊化設計和面向?qū)ο缶幊蹋?軟件無線

21、電軟件應含有開放性，能夠不停更新或者升級，而軟件加載能夠經(jīng)過空中接口實現(xiàn)，使用起來快捷方便。同時，應依據(jù)API來進行區(qū)分，進行模塊化。采取通用對象請求代理（CORBA）技術(shù)，以面向?qū)ο蠓椒榛A(chǔ)，為分布環(huán)境中各類網(wǎng)絡相互訪問、協(xié)同工作提供了一個一致服務平臺。 CORBA能夠無縫共享應用數(shù)據(jù)，它提供了一個軟總線。 概念說明 CORBA - 是一個規(guī)范，用于處理面向?qū)ο螽悩?gòu)應用之間互操作問題，提供分布式計算所需要一些其它服務。使用CORBA IDL能夠描述CORBA中間件接口。軟件無線電技術(shù)概要第41頁軟件模塊化設計和面向?qū)ο缶幊蹋很浖K軟件模塊軟件模塊軟件模塊層間通信垂直接口 傳統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)

22、1234軟件無線電技術(shù)概要第42頁軟件模塊化設計和面向?qū)ο缶幊蹋很浖K1軟件模塊2軟件模塊3軟件模塊4CORBA軟總線基于CORBA軟件結(jié)構(gòu)軟件無線電技術(shù)概要第43頁4、軟件化及軟件化程度評價我們知道軟件無線電是要在通用硬 件平臺上，靠軟件來完成各式各樣功效。所以，軟件化程度是一個很主要指標。 1997年Joe Mitola 提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA)表示軟件化程度，每個參量取值均為03 。軟件無線電技術(shù)概要第44頁軟件無線電技術(shù)概要第45頁5、智能天線技術(shù)我們知道軟件無線電是要實現(xiàn)多波段、多制式電臺互通互連，必定要引入多天線技術(shù)。軟件無線電技術(shù)與數(shù)字多波束形成（DBF）相結(jié)合

23、完美產(chǎn)物就是智能天線技術(shù)。 實際上智能天線技術(shù)已經(jīng)成為下一代移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。軟件無線電技術(shù)概要第46頁軟件無線電技術(shù)概要第47頁6、軟件無線電理論和信號處理算法軟件無線電是建立在一個含有高速處理能力通用平臺上，所以DSP處理成為軟件無線電關(guān)鍵。從采樣理論、多速率信號處理，到通信信號理論、波形生成算法和信號處理算法，許多新概念、理論和算法成為軟件無線電根本所在。軟件無線電技術(shù)概要第48頁7.4 軟件無線電數(shù)學模型軟件無線電宗旨：（1）盡可能地簡化射頻模擬前端，使A/D轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線，數(shù)字化后信號盡可能多用軟件處理。（2）硬件平臺應含有開放性、通用性，軟件應含有可升級性，可替換性。軟件無

24、線電可分為三大組成部分：射頻處理前端A/DD/A數(shù)字處理軟件軟件無線電技術(shù)概要第49頁基于采樣方式不一樣，軟件無線電組成結(jié)構(gòu)能夠分成以下3種： 1）射頻全寬帶低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu) 2）射頻直接帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu) 3）寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)軟件無線電技術(shù)概要第50頁射頻全帶寬低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)如圖所表示：雙工器超寬帶濾波器超寬帶放大器超高速超寬帶A/D分波段濾波器超寬帶功率放大器超高速超寬帶D/A超高速 DSP軟件軟件無線電技術(shù)概要第51頁射頻直接帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)如圖所表示：雙工器窄帶電調(diào)濾波器放大器A/D功放“0”內(nèi)插上變頻D/ADSP軟件窄帶電調(diào)濾波器

25、軟件無線電技術(shù)概要第52頁寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)如圖所表示：分波段濾波器 功放高放 雙工器 一本振 一中放 濾波A/DD/A DSP (軟件)fsf0放大放大 一本振 二中放軟件無線電技術(shù)概要第53頁7.5 信道化軟件無線電發(fā)射機模型前面兩種結(jié)構(gòu)模型只能對單個信號或有限幾個信號進行調(diào)制發(fā)射，假如信道數(shù)比較多，則多通道方案就顯得過于復雜。信道化模型不但能同時發(fā)射整個處理帶寬（0fs）內(nèi)全部信道上信號，而且運算效率高，實時處理能力強，結(jié)構(gòu)簡單。本結(jié)構(gòu)關(guān)鍵同信道化接收機，都是基于多相濾波來實現(xiàn)，經(jīng)過內(nèi)插方式。軟件無線電技術(shù)概要第54頁7.5.1 發(fā)射機信道化基本概念全信道化發(fā)射原理說明 1）對i 個待發(fā)射基帶復信號mi(t)進行頻率為fs采樣，得到數(shù)字譜以下列圖所表示： 2）對 進行I倍內(nèi)插和濾波后得到數(shù)字譜為下列圖所表示：軟件無線電技術(shù)概要第55頁 3）然后分別用移頻因