軟件無線電的現(xiàn)在和未來課件

一。軟件無線電的來由美軍統(tǒng)一其戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的動機(jī)及實(shí)踐，開發(fā)出了

美國陸軍的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)JTRS（JointTacticalRadioSystem）及空軍的SPEAKeasy。并由此

發(fā)展出了軟件無線電的概念：一部無線通信機(jī)，其通信功能由軟件來實(shí)現(xiàn)。同樣的硬件，輸入不同的軟件，就具有不同的通信功能，這樣就可以使不同單位的不同制式的通信機(jī)可以互通。九十年代軟件無線電開始進(jìn)入民用通信系統(tǒng),例如Vanu的軟件無線電基站。軟件無線電論壇（SDRForum）--一個(gè)非盈利的推動軟件無線電技術(shù)發(fā)展的國際組織，給出的軟件無線電的定義：“一個(gè)無線電系統(tǒng)中，天線以后就數(shù)字化，對信號的所有的必要的處理都由存放在高速數(shù)字信號處理器中的軟件來完成”。一。軟件無線電的來由美軍統(tǒng)一其戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的動機(jī)及實(shí)踐，開發(fā)1圖一。理想的軟件無線電圖一。理想的軟件無線電2圖二。傳統(tǒng)的無線通信機(jī)。圖二。傳統(tǒng)的無線通信機(jī)。3圖三。過度型的軟件無線電圖三。過度型的軟件無線電4圖一所示為理想的軟件無線電的方框圖。通信載頻信號由天線接收后，經(jīng)低噪聲放大器放大后即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以后的所有信號處理都是數(shù)字式的，由軟件處理。圖二所示為傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)的方框圖。整個(gè)系統(tǒng)為模擬式的。圖三所示為過渡型軟件無線電系統(tǒng)的方框圖。由于當(dāng)前前置放大器及A/D轉(zhuǎn)換器尚達(dá)不到理想軟件無線電的要求，故采用過渡型。A/D轉(zhuǎn)換器在中頻以后采樣，以降低對A/D轉(zhuǎn)換器的要求。圖一所示為理想的軟件無線電的方框圖。通信載頻信號由天線接收5二。采用軟件無線電的好處對用戶：1。一機(jī)多功能，可以與各種制式的通信系統(tǒng)通信。2。可以做到真正的環(huán)球漫游。對于通信營運(yùn)商，可以減少營運(yùn)開銷。當(dāng)無線終端需要升級或改進(jìn)時(shí)，無須召回，只要讓用戶下載新的軟件就可以了。對通信設(shè)備制造商，增加了通信系統(tǒng)的服務(wù)功能，可以開拓更多的商機(jī)。二。采用軟件無線電的好處對用戶：1。一機(jī)多功能，可以與各種制6對于專用通信系統(tǒng)，各種不同功能的專用系統(tǒng)用戶數(shù)有限，因此價(jià)格很高。采用軟件無線電后，不僅得到各系統(tǒng)可以互通的好處，而且由于統(tǒng)一了硬件，擴(kuò)大了市場，價(jià)格也會下降。對于軍隊(duì)，由于軍內(nèi)各不同單位采用不同的通信設(shè)備，互通很難。有時(shí)一部通信指揮車上要有幾部不同的通信系統(tǒng)的通信機(jī)，造成電子兼容問題。一部軟件無線電可以和各種不同制式的通信機(jī)通信，可以方便各軍事單位的聯(lián)系。如果全軍都采用軟件無線電，所有通信機(jī)采用同一硬件，用軟件實(shí)現(xiàn)不同功能，從而降低通信系統(tǒng)的采購成本。對于專用通信系統(tǒng)，各種不同功能的專用系統(tǒng)用戶數(shù)有限，因此價(jià)格7三。實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)軟件無線電能夠普及使用在技術(shù)上要做到三點(diǎn):(1)。A/D轉(zhuǎn)換器要盡量的靠近天線。(2)。用軟件處理取代硬件處理。(3)。數(shù)字信號處理要盡量用通用微處理器替代專用集成電路，以降低成本。滿足上面第一，第二條要求，1。要有頻帶又寬，尺寸又小，效率又高，價(jià)格又便宜的天線，這樣的天線目前尚不存在。2。要有寬頻帶，低噪聲，線性性能好，價(jià)格便宜的前置放大器。3。要有工作頻率高，采樣速度快，分辨率高，功耗低，價(jià)格又便宜的A/D轉(zhuǎn)換器。滿足第三條要求，要求有速度快，功耗低，價(jià)格便宜的通用DSP或CPU。這些技術(shù)都沒有達(dá)到理想軟件無線電所要求的性能，所以目前不存在理想型的軟件無線電系統(tǒng)，只有過渡型的軟件無線電系統(tǒng)。即使是過渡型的，民用產(chǎn)品也只有基站，沒有手機(jī)，因?yàn)楣募皟r(jià)格問題都還沒有解決。三。實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)軟件無線電能夠普及使用在技術(shù)上要8四。實(shí)現(xiàn)理想軟件無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展。天線和射頻前置放大器：目前尚沒有工作頻段覆蓋整個(gè)軟件無線電所需覆蓋頻段的器件，預(yù)測不久就會有合適的器件問世。微電子機(jī)械系統(tǒng)(Microelectromechanicalsystem),簡稱MEMS可以幫助實(shí)現(xiàn)寬帶天線和前置放大器的要求。MEMS是采用生產(chǎn)集成電路的同樣技術(shù)生產(chǎn)的微型機(jī)械部件。因此一致性很好。MEMS可以做成各種微型機(jī)械部件，應(yīng)用非常廣泛。四。實(shí)現(xiàn)理想軟件無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展。天線和射頻9MEMS可以做成微型開關(guān)，和微型諧振腔濾波器，和微型天線。MEMS組成的天線庫，開關(guān)庫，濾波器庫可以組成體積不大的，可以覆蓋很寬頻帶的天線和前置放大器。圖四所示為一MEMS開關(guān)。MEMS可以做成微型開關(guān)，和微型諧振腔濾波器，和微型天線。M10圖四。MEMS開關(guān)，（a）。開關(guān)開，（b）。開關(guān)俯視圖，（c）。開關(guān)閉合。圖四。MEMS開關(guān)，（a）。開關(guān)開，（b）。開關(guān)俯視圖，（c11圖五。用MEMS開關(guān)組成的天線和前置放大級AdjustableMEMSAntennaMEMSSwitchesMEMSSwitchableImpedanceMatchingCircuitHigh-QMEMSFilterforBand1High-QMEMSFilterforBand2High-QMEMSFilterforBandNSoftwareControlLOADCToBasebandProcessing圖五。用MEMS開關(guān)組成的天線和前置放大級Adjustabl12圖五是一個(gè)用MEMS組成寬帶天線和寬帶前置級的方案的示意圖。MEMS是目前實(shí)現(xiàn)軟件無線電的前置和天線的一個(gè)可行的方案。ADC：ADC一直是實(shí)現(xiàn)軟件無線電的瓶頸，現(xiàn)有ADC大多都不超過100兆。這是為什么現(xiàn)有的軟件無線電系統(tǒng)都是過渡型的。最近ADC的技術(shù)進(jìn)展有不同方向，一個(gè)方向仍然從半導(dǎo)體技術(shù)著手。最新的ADC的性能如表所示。圖五是一個(gè)用MEMS組成寬帶天線和寬帶前置級的方案的示意圖。13從表中可以看出速度達(dá)到要求了，但是功耗仍然偏高，不能用于手機(jī)。參數(shù)GaAsSiGe最高鐘頻〉5GHz〉15GHz信號噪聲失真比〉70dB〉110dB2.5GHz時(shí)的分辨率14比特18比特RF輸入電壓范圍-1.5V—1.5V-0.5V—0.5V功率消耗5瓦1瓦從表中可以看出速度達(dá)到要求了，但是功耗仍然偏高，不能用于手機(jī)14另一種開發(fā)中的新型的ADC是超導(dǎo)ADC。這種ADC的名字叫做RSFQ（rapidsingle-fluxquantum）。這種ADC具有功耗低，速度快，靈敏度高的特點(diǎn)。采樣率可達(dá)20G次/秒?，F(xiàn)在仍在實(shí)驗(yàn)室階段，相信很快就會開發(fā)出產(chǎn)品。數(shù)字處理部件：數(shù)字信號處理器有三種：ASIC，F(xiàn)PGA和DSP。ASIC速度最快，靈活性最差；FPGA據(jù)中；DSP靈活性最高，速度最慢。三種器件選擇哪種，要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求斟酌決定。現(xiàn)在的DSP的速度可以滿足軟件無線電的要求，但是速度越高，功耗越大，價(jià)格也越高。選擇一般速度的DSP加加速器（accelerator）是一種可行方案。圖六是這一方案的示意圖。另一種開發(fā)中的新型的ADC是超導(dǎo)ADC。這種ADC的名字叫做15軟件無線電的現(xiàn)在和未來課件16五。軟件無線電的未來軟件無線電的未來發(fā)展是智能無線電（CognitiveRadio）。簡稱CR。CR是一種高度智能化的通信技術(shù)，它可以自己學(xué)習(xí)周圍的環(huán)境，自己取得適當(dāng)?shù)能浖约哼x擇最佳頻段，最佳的，適合通信環(huán)境的制式進(jìn)行通信。五。軟件無線電的未來軟件無線電的未來發(fā)展是智能無線電（Co171。什么是智能無線電（CognitiveRadio）？FCC:一個(gè)無線電系統(tǒng)的各種參數(shù)是由關(guān)于系統(tǒng)所在的周圍的環(huán)境的信息來決定。NTIA：一個(gè)無線電系統(tǒng)，能夠感知它周圍的電磁環(huán)境，能夠動態(tài)地，自動地，調(diào)整它的工作參數(shù)來修改它本身的工作狀態(tài)?？萍冀绲膹V義定義：自適應(yīng)，多維探查，自治的無線電系統(tǒng)，它可以從它的經(jīng)歷中學(xué)習(xí)，可以推理，作計(jì)劃，并決定它的未來行動，以滿足用戶的需要。1。什么是智能無線電（CognitiveRadio）？F18軟件無線電的現(xiàn)在和未來課件192。智能無線電（CR）的特性自適應(yīng)：調(diào)整傳播參數(shù)以滿足各種需要，達(dá)到各種目標(biāo)。感覺（覺察）：獲取并保存關(guān)于自身功能的知識，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，外部數(shù)據(jù)（例如應(yīng)用頻譜，規(guī)則），和用戶的需要。推理：應(yīng)用推理（案例為基礎(chǔ)，模型為基礎(chǔ)），基于本體及觀察來調(diào)整自適應(yīng)目標(biāo)和對新的情況作出反應(yīng)。2。智能無線電（CR）的特性自適應(yīng)：調(diào)整傳播參數(shù)以滿足各種需20學(xué)習(xí)：結(jié)合過去的表現(xiàn)去重新認(rèn)知各種狀態(tài)并且在任何時(shí)候都為達(dá)到目標(biāo)作出快速反應(yīng)。計(jì)劃：基于過去和現(xiàn)在的狀況，預(yù)測未來所要采取的行動。網(wǎng)絡(luò)：聯(lián)系自己經(jīng)驗(yàn)和其他更多的經(jīng)驗(yàn)以達(dá)到正確的決定。圖八是CR的主要組成功能。學(xué)習(xí)：結(jié)合過去的表現(xiàn)去重新認(rèn)知各種狀態(tài)并且在任何時(shí)候都為達(dá)到21軟件無線電的現(xiàn)在和未來課件22C4ISR系統(tǒng)簡介

什么是C4ISR系統(tǒng)呢？C4代表指揮，控制，通訊，計(jì)算機(jī)，四個(gè)字的英文開頭字母均為“C，”所以稱“C4?！薄癐”代表情報(bào)；“S”代表電子監(jiān)聽；“R”代表偵察。C4ISR是軍事術(shù)語,意為自動化指揮系統(tǒng)。它是現(xiàn)代軍事指揮系統(tǒng)中，7個(gè)子系統(tǒng)的英語單詞的第一個(gè)字母的縮寫,即指揮Command、控制Control、通信Communication、計(jì)算機(jī)computer、情報(bào)Intelligence、監(jiān)視Surveillance、偵察Reconnaissance。C4ISR，就是美國人開發(fā)的一個(gè)通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。

C4ISR是指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)及監(jiān)視與偵察的英文單詞的縮寫。C4ISR系統(tǒng)是現(xiàn)代軍隊(duì)的神經(jīng)中樞，是兵力的倍增器。美國戰(zhàn)略C4ISR系統(tǒng)是美國軍事指揮當(dāng)局作出重大戰(zhàn)略決策以及戰(zhàn)略部隊(duì)的指揮員對其所屬部隊(duì)實(shí)施指揮控制、進(jìn)行管理時(shí)所用的設(shè)備、器材、程序的總稱，是美國整個(gè)軍事C4ISR系統(tǒng)的重要組成部分。C4ISR系統(tǒng)簡介

23一。軟件無線電的來由美軍統(tǒng)一其戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的動機(jī)及實(shí)踐，開發(fā)出了

美國陸軍的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)JTRS（JointTacticalRadioSystem）及空軍的SPEAKeasy。并由此

發(fā)展出了軟件無線電的概念：一部無線通信機(jī)，其通信功能由軟件來實(shí)現(xiàn)。同樣的硬件，輸入不同的軟件，就具有不同的通信功能，這樣就可以使不同單位的不同制式的通信機(jī)可以互通。九十年代軟件無線電開始進(jìn)入民用通信系統(tǒng),例如Vanu的軟件無線電基站。軟件無線電論壇（SDRForum）--一個(gè)非盈利的推動軟件無線電技術(shù)發(fā)展的國際組織，給出的軟件無線電的定義：“一個(gè)無線電系統(tǒng)中，天線以后就數(shù)字化，對信號的所有的必要的處理都由存放在高速數(shù)字信號處理器中的軟件來完成”。一。軟件無線電的來由美軍統(tǒng)一其戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的動機(jī)及實(shí)踐，開發(fā)24圖一。理想的軟件無線電圖一。理想的軟件無線電25圖二。傳統(tǒng)的無線通信機(jī)。圖二。傳統(tǒng)的無線通信機(jī)。26圖三。過度型的軟件無線電圖三。過度型的軟件無線電27圖一所示為理想的軟件無線電的方框圖。通信載頻信號由天線接收后，經(jīng)低噪聲放大器放大后即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以后的所有信號處理都是數(shù)字式的，由軟件處理。圖二所示為傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)的方框圖。整個(gè)系統(tǒng)為模擬式的。圖三所示為過渡型軟件無線電系統(tǒng)的方框圖。由于當(dāng)前前置放大器及A/D轉(zhuǎn)換器尚達(dá)不到理想軟件無線電的要求，故采用過渡型。A/D轉(zhuǎn)換器在中頻以后采樣，以降低對A/D轉(zhuǎn)換器的要求。圖一所示為理想的軟件無線電的方框圖。通信載頻信號由天線接收28二。采用軟件無線電的好處對用戶：1。一機(jī)多功能，可以與各種制式的通信系統(tǒng)通信。2?？梢宰龅秸嬲沫h(huán)球漫游。對于通信營運(yùn)商，可以減少營運(yùn)開銷。當(dāng)無線終端需要升級或改進(jìn)時(shí)，無須召回，只要讓用戶下載新的軟件就可以了。對通信設(shè)備制造商，增加了通信系統(tǒng)的服務(wù)功能，可以開拓更多的商機(jī)。二。采用軟件無線電的好處對用戶：1。一機(jī)多功能，可以與各種制29對于專用通信系統(tǒng)，各種不同功能的專用系統(tǒng)用戶數(shù)有限，因此價(jià)格很高。采用軟件無線電后，不僅得到各系統(tǒng)可以互通的好處，而且由于統(tǒng)一了硬件，擴(kuò)大了市場，價(jià)格也會下降。對于軍隊(duì)，由于軍內(nèi)各不同單位采用不同的通信設(shè)備，互通很難。有時(shí)一部通信指揮車上要有幾部不同的通信系統(tǒng)的通信機(jī)，造成電子兼容問題。一部軟件無線電可以和各種不同制式的通信機(jī)通信，可以方便各軍事單位的聯(lián)系。如果全軍都采用軟件無線電，所有通信機(jī)采用同一硬件，用軟件實(shí)現(xiàn)不同功能，從而降低通信系統(tǒng)的采購成本。對于專用通信系統(tǒng)，各種不同功能的專用系統(tǒng)用戶數(shù)有限，因此價(jià)格30三。實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)軟件無線電能夠普及使用在技術(shù)上要做到三點(diǎn):(1)。A/D轉(zhuǎn)換器要盡量的靠近天線。(2)。用軟件處理取代硬件處理。(3)。數(shù)字信號處理要盡量用通用微處理器替代專用集成電路，以降低成本。滿足上面第一，第二條要求，1。要有頻帶又寬，尺寸又小，效率又高，價(jià)格又便宜的天線，這樣的天線目前尚不存在。2。要有寬頻帶，低噪聲，線性性能好，價(jià)格便宜的前置放大器。3。要有工作頻率高，采樣速度快，分辨率高，功耗低，價(jià)格又便宜的A/D轉(zhuǎn)換器。滿足第三條要求，要求有速度快，功耗低，價(jià)格便宜的通用DSP或CPU。這些技術(shù)都沒有達(dá)到理想軟件無線電所要求的性能，所以目前不存在理想型的軟件無線電系統(tǒng)，只有過渡型的軟件無線電系統(tǒng)。即使是過渡型的，民用產(chǎn)品也只有基站，沒有手機(jī)，因?yàn)楣募皟r(jià)格問題都還沒有解決。三。實(shí)現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)軟件無線電能夠普及使用在技術(shù)上要31四。實(shí)現(xiàn)理想軟件無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展。天線和射頻前置放大器：目前尚沒有工作頻段覆蓋整個(gè)軟件無線電所需覆蓋頻段的器件，預(yù)測不久就會有合適的器件問世。微電子機(jī)械系統(tǒng)(Microelectromechanicalsystem),簡稱MEMS可以幫助實(shí)現(xiàn)寬帶天線和前置放大器的要求。MEMS是采用生產(chǎn)集成電路的同樣技術(shù)生產(chǎn)的微型機(jī)械部件。因此一致性很好。MEMS可以做成各種微型機(jī)械部件，應(yīng)用非常廣泛。四。實(shí)現(xiàn)理想軟件無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展。天線和射頻32MEMS可以做成微型開關(guān)，和微型諧振腔濾波器，和微型天線。MEMS組成的天線庫，開關(guān)庫，濾波器庫可以組成體積不大的，可以覆蓋很寬頻帶的天線和前置放大器。圖四所示為一MEMS開關(guān)。MEMS可以做成微型開關(guān)，和微型諧振腔濾波器，和微型天線。M33圖四。MEMS開關(guān)，（a）。開關(guān)開，（b）。開關(guān)俯視圖，（c）。開關(guān)閉合。圖四。MEMS開關(guān)，（a）。開關(guān)開，（b）。開關(guān)俯視圖，（c34圖五。用MEMS開關(guān)組成的天線和前置放大級AdjustableMEMSAntennaMEMSSwitchesMEMSSwitchableImpedanceMatchingCircuitHigh-QMEMSFilterforBand1High-QMEMSFilterforBand2High-QMEMSFilterforBandNSoftwareControlLOADCToBasebandProcessing圖五。用MEMS開關(guān)組成的天線和前置放大級Adjustabl35圖五是一個(gè)用MEMS組成寬帶天線和寬帶前置級的方案的示意圖。MEMS是目前實(shí)現(xiàn)軟件無線電的前置和天線的一個(gè)可行的方案。ADC：ADC一直是實(shí)現(xiàn)軟件無線電的瓶頸，現(xiàn)有ADC大多都不超過100兆。這是為什么現(xiàn)有的軟件無線電系統(tǒng)都是過渡型的。最近ADC的技術(shù)進(jìn)展有不同方向，一個(gè)方向仍然從半導(dǎo)體技術(shù)著手。最新的ADC的性能如表所示。圖五是一個(gè)用MEMS組成寬帶天線和寬帶前置級的方案的示意圖。36從表中可以看出速度達(dá)到要求了，但是功耗仍然偏高，不能用于手機(jī)。參數(shù)GaAsSiGe最高鐘頻〉5GHz〉15GHz信號噪聲失真比〉70dB〉110dB2.5GHz時(shí)的分辨率14比特18比特RF輸入電壓范圍-1.5V—1.5V-0.5V—0.5V功率消耗5瓦1瓦從表中可以看出速度達(dá)到要求了，但是功耗仍然偏高，不能用于手機(jī)37另一種開發(fā)中的新型的ADC是超導(dǎo)ADC。這種ADC的名字叫做RSFQ（rapidsingle-fluxquantum）。這種ADC具有功耗低，速度快，靈敏度高的特點(diǎn)。采樣率可達(dá)20G次/秒。現(xiàn)在仍在實(shí)驗(yàn)室階段，相信很快就會開發(fā)出產(chǎn)品。數(shù)字處理部件：數(shù)字信號處理器有三種：ASIC，F(xiàn)PGA和DSP。ASIC速度最快，靈活性最差；FPGA據(jù)中；DSP靈活性最高，速度最慢。三種器件選擇哪種，要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求斟酌決定?，F(xiàn)在的DSP的速度可以滿足軟件無線電的要求，但是速度越高，功耗越大，價(jià)格也越高。選擇一般速度的DSP加加速器（accelerator）是一種可行方案。圖六是這一方案的示意圖。另一種開發(fā)中的新型的ADC是超導(dǎo)ADC。這種ADC的名字叫做38軟件無線電的現(xiàn)在和未來課件39五。軟件無線電的未來軟件無線電的未來發(fā)展是智能無線電（CognitiveRadio）。簡稱CR。CR是一種高度智能化的通信技術(shù)，它可以自己學(xué)習(xí)周圍的環(huán)境，自己取得適當(dāng)?shù)能浖约哼x擇最佳頻段，最佳的，適合通信環(huán)境的制式進(jìn)行通信。五。軟件無線電的未來軟件無線電的未來發(fā)展是智能無線電（Co401。什么是智能無線電（CognitiveRadio）？FCC:一個(gè)無線電系統(tǒng)的各種參數(shù)是由關(guān)于系統(tǒng)所在的周圍的環(huán)境的信息來決定。NTIA：一個(gè)無線電系統(tǒng)，能夠感知它周圍的電磁環(huán)境，能夠動態(tài)地，自動地，調(diào)整它的工作參數(shù)來修改它本身的工作狀態(tài)。科技界的廣義定義：自適應(yīng)，多維探查，自治的無線電系統(tǒng)，它可以從它的經(jīng)歷中學(xué)習(xí)，可以推理，作計(jì)劃，并決定它的未來行動，以滿足用戶的需要。1。什么是智能無線電（CognitiveRadio）？F41軟件無線電的現(xiàn)在和未來