软件无线电技术.ppt

软件无线电技术,西北工业大学电子信息学院,一、软件无线电的概况软件无线电技术是最近几年提出的一种实现无线通信的新体系结构。它主要是针对目前无线通信领域存在的一些问题，如：多种通信体系并存，各种标准竞争激烈，频率资源紧张等等。特别是无线个人通信系统的发展，使得新的系统层出不穷，产品生产周期越来越短，原有的以硬件为主的无线通信体制难以适应这种局面，软件无线电则应运而生。,11软件无线电的起源软件无线电的概念最初是在1992年的全美电信系统会议上由JoeMitola提出的。其基本思想是构造一个通用的开放型可编程硬件平台，通过加载相应的软件模块来实现相应的无线电台功能。在通用平台上，只要更改有关软件，就可以方便的完成对电台功能的修改及扩展，而不必重新设计构造硬件电路系统。这样的无线电台很容易实现与现有或未来的多种电台的兼容，最大限度的满足互通互连的要求，同时可节省大量电台更新时的开发时间和研发经费。软件无线电的需求最早来源于军方，其研究和开发最初也是在军用无线电台中，然而随着其概念的不断完善，软件无线电在过去的十年中从军方的研究逐渐被民间商用移动通信领域所重视。,12软件无线电的概念由于技术的变化和应用的扩展，有关软件无线电的概念、结构、实现、用途等都在发展之中，目前还很难给出一个严格而全面的定义。软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电的关键思想：将A/D/A尽可能靠近天线用软件来完成尽可能多的无线电功能,对于软件无线电的理解：第一，软件无线电并不是不要硬件，而是把硬件作为一个基本平台。这个平台具有模块化、标准化、以总线方式连接等特点。一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划分为射频、中频、基带、信源和信令等各层，它们具有模块化结构，各层之间的连接通过控制总线和数据总线实现。第二，软件无线电和软件控制的数字无线电（DigitalRadio）有着根本的区别：软件无线电的结构和功能是完全可编程性(包括可编程的射频频段、可编程的信道接入模式、可编程的信号调制解调方式等)，而软件控制的数字无线电台则不能。第三，软件无线电是一种开放的体系结构。这种开放性包含三个方面的含义，即对使用的开放性、对生产的开放性和对研制的开放性。这三个开放性将同时给用户、厂家和科研部门带来好处。,13软件无线电的优越性软件无线电与传统通信系统相比，其优越性：(1)系统结构通用，功能实现灵活，改进升级方便。高速A/D、D/A为一个标准接口，将RF及IF部分与通用的数字软件部分连接起来，高速A/D/A和数字软件部分只要带宽与处理能力满足要求，都具有很高的通用性；(2)提供不同系统互操作的可能性；更大范围内实现了通信资源的共享；(3)复用的优势。由于其结构的一致性，使得模块化的思想得以很好地实现，而模块的通用性，使得不同的系统及其本身的升级系统很易复用；,(4)软件生存期决定了通信系统的生存期。由于软件开发成本较小，降低了更新换代成本；(5)软件实现的系统主要功能，更易于采用新的信号处理手段，提高系统抗干扰性能。,二、软件无线电的体系结构,21标准的软件无线电体系结构22软件无线电体系结构的分类,二、软件无线电的体系结构软件无线电的核心思想是：在尽可能靠近天线的地方使用宽带的/和/转换器，尽早的完成数字化，从而使无线电台的功能尽可能用软件来实现。,21标准的软件无线电体系结构一个标准的软件无线电台的结构如图1。,其结构按功能分为三部分：实时信道处理、环境管理及在线和离线的软件工具。实时信道处理包括天线、射频(RF)处理、中频(IF)处理、基带处理、比特流处理和信源处理六部分。环境管理的对象是信道，通常是信道的识别和其它参数的估计。在线和离线的软件工具，用于增强服务功能或离线软件系统分析，开发环境支持。,22软件无线电体系结构的分类（1）基于DSP的设计主要代表是美军的Speakeasy多频段多模电台。Speakeasy多频段多模电台是一种军用软件无线电系统，用软件编程实现用户参数或波形改变，而无需重新设计和构建无线电设备，使多种通信系统互联，包括多种不同频段、通信制式、组网方式、调制方法、编码方式等。大部分信号用通用可编程DSP处理，另一部分如高速FFT和扩频匹配滤波器等，为达到实时处理要求用专用处理器实现。基于DSP的设计是目前可实现的一种设计，通用性、灵活性比较好，开发调试比较容易，性能比较好。,（2）基于通用处理器的设计MIT计算机科学实验室开发的SpectrumWare系统是一个以通用CPU作为核心处理单元,主要用于无线通信系统设计和验证的实验平台。通用机与DSP系统的最大区别是它不是一个实时的同步系统，只能通过中断保持一定的同步，而不能对有严格定时的采样信号做实时处理。基于通用CPU的设计在可编程性、通用性、灵活性和开放性方面都非常好，开发调试非常容易，最接近理想的软件无线电，是未来的研究方向，具有深远意义。而且，通用计算机的并行处理和人机界面大大优于DSP和FPGA系统。但是，由于通用计算机等技术水平还达不到理想处理能力，目前性能比较差，成本相当高，实用性不强。,（3）基于FPGA或CPLD的设计随着电子设计自动化的发展，可编程器件可以在线编程，动态改变器件的逻辑功能。可以实现物理器件的时分复用，甚至可以实时地按要求实现软件无线电结构的大部分模块。FPGA是可重配置处理器，适用于范围广泛的大计算量的任务。最新的FPGA在性能和容量上都有了显著的提高，使它的应用范围扩大到数字滤波器等复杂的运算功能。基于FPGACPLD的设计通用性、灵活性好，随着可重构技术的发展，开发调试比较容易。,为适应第三代移动通信系统的要求，软件无线电出现了一些新的发展趋势，主要表现在体系结构分层化、软件模块化、结构数学分析化、面向对象化、计算机化、网络化、安全化。软件无线电的多体制并存和通用性可以减少淘汰，降低成本。第三代移动通信系统的基站和终端设备采用软件无线电的概念可以达到多体制、多业务、多模式、不同信源、信道、处理方式智能的透明的切换，实现自适应的选择，达到最佳效率。总之，软件无线电结构实现方式的发展趋势是从ASIC、FPGA、DSP到通用处理器。目前设计无线电通信设备的技术状况是模拟电路、数字电路和软件技术的综合。但是数字电路的比重，尤其是软件技术的比重日益扩大。软件无线电设计是现代通信技术的综合，随着时间的推移，先进的微电子技术、计算机技术、通信和信号处理技术的结合将使理想的软件无线电得以实现。,三、软件无线电系统软件化程度的评价,1997年5月JoeMitola在欧洲召开的软件无线电会议中提出一种思路：用一个矢量（N，PDA，HM，SFA）来表示其软件化程度，该矢量的每一维坐标取值均为03，其含义如下：N为空中接口所能支持的频道数，分为4种类型：单一频道（0），双频道（1），多频道（小于6个）（2），RF频段中的所有频道（3）。PDA是指可编程数字化访问（ProgrammableDigitalAccess）,即指软件无线电中数字可编程的程度，也分为四种类型：无可编程性（完全模拟或固定功能的数字无线电）（0）基带可编程（1），中频可编程（2），射频可编程（3）。HM指硬件的模块化程度（HardwareModularity），实际指硬件可编程程度，分为四类：无可编程性（0），系统采用可编程专用模块（1）系统采用DSP（2），采用FPGA等（3）。,SFA指软件模块化程度，也可认为是软件的可重用性Reuse），即软件是否可以应用于不同的硬件平台上，有如下4类：无定义空中接口的软件（0）；硬件平台上只能够运行一个厂商所提供的软件（1）；多个厂商的软件均可加载到硬件平台上，但硬件平台只有一个（2）；多个厂商的软件可加载到多个硬件平台上（3）。按照矢量分布，从四个尺度均为0，到均为3，作者给出了对软件无线电评价的级别，也是从0级到3级，如表1所示。目前很多的可编程数字无线电处于级别1，美国军方的Speakeasy处于级别2。,表1软件无线电的级别,从上面的描述我们可以看到，目前国外对软件无线电概念的认识正逐步加深，不仅无线电通信系统中的各个功能模块是用软件实现，同时要求整个系统中的软件和硬件都具有灵活性和开放性。,四、软件无线电的关键技术,41宽带/多频段天线42高速宽带A/D变换43DDC部分44高速并行DSP45高性能的互联结构46软件无线电的算法47信令处理,41宽带/多频段天线软件无线电台要求10倍频程以上的工作带宽（0.43GHz），能够从短波到微波相当宽的频段内进行工作，最好能研究一种新型的全向宽带天线，可以根据实际需要用软件智能地构造其工作频段和辐射特性。就目前水平，设计制造这样的全频段全向天线是不现实的。对于大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口就可以了，不必覆盖全部频段。采取组合式多频段天线的方案是可行的。美军的Speakeasy项目所用天线把22000MHz分成三段：230MHz，30500MHz，5002000MHz。这在技术上是完全可行的，且基本不影响使用要求。,42高速宽带A/D变换数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须通过采样转化成数字信号才能用软件进行处理，而生成的数字信号也需要变成模拟信号才能进行射频放大输出。对/的主要性能是采样速率和采样精度，理想的软件无线电台是直接在射频上进行/变换，要求必须具有足够采样速率。根据Nyquist采样定理，要不失真的反映信号特性，采样频率Fs至少要是模拟信号带宽Wa的两倍。采样速率高，会带来一系列的好处，当然也不能太高。必须考虑到采样后系统处理的能力，以及现有A/D的速度及系统的要求，来选定合适的采样速率和采样方法。,几种常用的基于软件无线电的采样技术1过采样技术以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称为过采样。过采样技术有两个优点。首先，高速采样可降低前级抗混迭滤波器的设计要求。其次，过采样可以提高A/D转换的信噪比。如果仅考虑量化误差，并且假设量化噪声的幅度在一个量化阶内呈均匀分布，则ADC在理论上可能达到的最大信噪比S/N可通过下式计算：,其中，B为ADC的位数，fs为采样频率，fmax为输入模拟信号的最高频率。由上式看出，采样频率每提高一倍，SNR增加3dB。,3带通抽样技术带通抽样用于将RF或IF信号变换到更低的中频上，很适合在无线通信接收机中采用。一般，为保证不产生频谱混迭，抽样频率应满足带通信号采样理论设一个频率带限信号X(t)，其频带限制在(fL，fH)内，如果其采样频率fS满足：n取能满足fS2(fHfL)的最大正整数(0，1，2，)，则用fS进行等间隔采样所得到的信号采样值X(nTS)能准确地确定原信号X(t)。,并且,带通抽样可降低ADC的采样速率，但依然要求ADC能在最高频率上正常工作。一般ADC的性能随输入频率的升高而下降。因此带通信号的中心频率用ADC的模拟输入带宽加以限制。,4并行A/D转换技术软件无线电的发展方向是ADC和DAC尽量靠近射频器。高频宽带信号（如图像信号和扩频信号）的数字化对采样频率、位数及动态范围都提出了较高要求.,目前的ADC水平远远不能达到要求。解决方案之一，可用多个高速采样保持电路和ADC，然后通过并串转换将量化速度降低，以提高采样分辨率。,ADC器件在软件无线电台中处于非常关键位置，它直接反映软件无线电台的软件化程度。随着技术的发展，ADC器件中的性能将逐步提高，其位置越来越接近天线，最终将达到软件无线电的理想目标。,43DDC部分数字下变频DDC是A/D变换后首先要完成的处理工作，包括数字下变频、滤波和二次采样，是系统数字处理运算量最大的部分，也是最难完成的部分。一般认为，要进行较好的滤波等处理，需要每采样点100次操作。对于一个系统带宽为10MHz的系统，采样率要大于25MHz，这样就需要有2500MIPS的能力。可用多个DSP并行或专用芯片来完成这一处理。从目前来看，采用专用的可编程芯片既可保留软件无线电的优点，又有较强的可靠性。美国Harris公司的DDC芯片HSP50016，可完成从一宽带信号中滤出所需的带宽和频点的多个信号的功能，是一个可编程性较强的片子。HSP50016的最大输入速率为52MIPS，16bit数据输入，二次采样率从64到131072。HSP50016具有较强的可编程性，能方便地通过改变控制参数来改变信道地中心频率、带宽和二次采样率等。,另外一种可行的方法是根据实际应用需要设计DDC专用芯片。,44高速并行DSP数字信号处理(DSP)芯片是软件无线电所必须的最基本的器件。软件对数字信号的处理是在芯片上进行的。中频以下主要包括三部分：基带处理、比特流处理和信源编码。基带处理主要是完成各种波形的调制解调，扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理，每路需要几十到几百个MIPS的处理能力。比特流处理主要完成信道编解码(软判决译码)、复用或分解或交换、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能，每路需要几十个MIPS的处理能力。信源编码要完成话音、图像等的编码算法、每信道需要十几个MIPS的处理能力。要完成如此巨大的信号处理运算，必须采用高速多个DSP并行处理结构才有可能实现。,用于软件无线电的DSP必须满足下列要求：运算速度快。软件无线电台要求在射频或中频对数字信号进行处理，需要很大的运算量，DSP必须具有高速指令执行速度，而且具备功能强大的指令系统，支持单周期内完成常用的浮点运算和逻辑运算能力。高精度的数据处理。由于数字信号处理中所固有的量化效应和有限长寄存器效应影响，在实际处理过程中会产生误差，并随运算的增加逐步积累，这就要求数据一定具备足够的精度，并且处理器支持高精度运算，才尽可能减小这些误差，DSP至少要支持32位浮点运算能力。高速数据交换能力。软件无线电台工作时，各处理模块之间要进行大量的数据交换、DSP芯片总线必须能够提供足够的数据传输和/吞吐能力，才能保证对信号进行实时处理。,45高性能的互联结构软件无线电的硬件平台结构，也就是不同的功能单元如何互联起来，组成一个开放的、可扩展的硬件平台，同时要求具有较高的数据吞吐率。传统的流水线结构的硬件平台不具有开放性，不能满足软件无线电的要求。目前国内外有很多人在研究基于总线的互联结构。采用总线式结构的好处是实现起来比较简单，目前有很多的总线工业标准可供采用，如VME总线、PCI总线、Multibus、Futurebus等；另外，还有很多采用上述总线的现成通用功能模块可供使用。但总线的时分机制使其吞吐率很低，而不适合对实时性要求很高的通信系统。,46软件无线电的算法软件的研发是软件无线电技术的核心。软件无线电中的算法特点：对信号处理的实时性；软件无线电算法应具高度自由化(便于升级)，开放性(模块化，标准化)；目前主要算法为数值法，但并不排斥其它算法，或者多种算法的结合。,47信令处理软件无线电用于实现多模互联时，需实现通用信令处理，因此有必要把现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成几个标准的层次，开发出标准的信令模块，研究通用信令框架。,五、软件无线电的研究现状和应用前景,5.1软件无线电的几种典型应用5.2软件无线电的应用前景,软件无线电在电子系统中的应用1软件无线电在个人移动通信中的应用基站、手机GSM、CDMA、3G、4G2软件无线电在军事通信中的应用SPEAKeasyJTRS联合战术无线电系统JTIDS联合战术信息分发系统CNI通信、导航识别GPS,GLONASS,欧洲伽利略计划“北斗”卫星通信导航系统遥控遥测系统（测距测向数据传输）3软件无线电在电子战中的应用电子侦察接收机电子干扰发射机4软件无线电在雷达和信息家电中的应用软件雷达，信息家电,5.1软件无线电的几种典型应用(1)Speakeasy计划提到软件无线电就不能不提“易通话”计划。海湾战争中，美国国防部在通信问题上面临两方面的难题：如何能够保证美军与最新的同盟国之间按某种全球支持的系统结构进行通信，同时防止被现在的敌人所截获？如何能够快速地进行技术更新，同时控制成本费用的上升？在这个背景下，1991年开始实施称为“易通话”(Speakeasy)的三军可编程无线电开发计划，开发一种多频段多模式电台(MBMMR)。它首次运用软件无线电的概念，实现了工作频率为22000MHz，有波形编程、多频段、多模式等功能，能同时处理4种不同的信号波形，兼容美军在役的15种以上电台，适用于多种不同频段、通信制式、组网方式和调制方法，而且在话音速率、编码方式、信息保密等方面有很大提高。,1999年美国Harris公司推出了与此相关的新产品：ANPRC-117F多频段、多任务背负式战术电台，在30512MHz频段范围内，包括了陆地、海上、空中及卫星通信的5种波段、9种波形，具有Sincgars与Sincgars，HavequickIII之间的互操作能力和GPS定位能力。1997年，美国国防部启动了“可编程模块化通信”(PMCS)计划作为Speakeasy计划的继续。“易通话”计划在全球掀起了软件无线电研究热。,下图6为Speakeasy的功能框图。频率转换滤波与放大部分为多频段可重配置。参数化的参带波形合成，实现了相关快跳频。高速信号预处理部分实现了宽带相关、多窄带分割、脉冲分割、非高斯干扰抑制和自适应信道匹配等功能。数字信号处理部分采用通用ADA编程。语音输入为可变速率低速语音。,从具体实现来看，Speakeasy采用通用可编程DSP采用TI公司的TMS320C40多芯片组Quad-C40MCM，其可提供200MFLOPS和1100MIPS的处理能力。高速FFT和扩频匹配滤波器则用专用处理器和现场可编程逻辑电路来实现。最终的SpeakeasyMBMMR将是一个通用的，具有可拆卸互换RF部分的军用软件无线电系统。,(2)联合战术无线电系统(JTRS)早在60年代，美国空军就执行了数字航空电子设备信息系统(DAIS)计划，企图用一个通道、一个波形来完成各种航空通信、导航、识别综合(CNI)功能，实践表明目的并没有达到。1978年，美国空军航空电子研究所提出多功能多频段机载无线电系统(MFMBARS)计划，探索研究将22000MHz的各种CNI设备综合成一个无线电系统。这个计划后来演变成综合化通信、导航、敌我识别航空电子(ICNIA)计划。ICNIA成为美国空军90年代先进战术飞机计划中的重要组成部分。美国空军是1989年开始了以ICNIA技术为基础的抗干扰可编程信号处理器(TAJPSP)的研究工作，目标是开发出一种模块化的可重复编程调制解调器。军方预计该计划需要坚持可靠的电子对抗手段和发展低截获概率波形。随着这些波形的成熟，采用可编程调制解调器形式的可自适应的软件定义平台将是它们的关键。,“易通话”的实施及软件无线电概念的明确提出，在全球有重大影响。反过来，它又促进了航空电子综合化的发展，这就是联合战术无线电系统(JTRS)。JTRS是一种硬件和软件都采用开放系统结构的、多频段多模式、软件可编程的无线电系统。它覆盖22000MHz频谱范围，可包含现有的和将来升级的各种波形，为战场上的指挥、控制、通信、计算机与情报信息(C4I)用途同时提供视距和超视距的话音、数据、视频通信能力，以及全球导航能力。因此，JTRS代表了航空电子的发展方向，值得大力研究。此外，Ericsson，Motorola等公司对软件无线电用在移动基站方面进行了深入研究，同时，美国Airnet公司已研制出可灵活配置的基站国内对软件无线电方面的研究尚处于起步阶段，1998年我国国家自然科学基金设立有关SWR技术的重大研究课题。,5.2软件无线电的应用前景Speakeasy的成功表明软件无线电在技术上是完全可行的，而且还代表着未来无线通信体制的发展