（信息与通信工程专业论文）虚拟无线电试验系统的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 软件无线电是对传统无线电通信体系结构的一次重大革新。它摆脱了硬件体系结构 的束缚，是解决不同通信体制之间互操作问题和开展多种通信业务的最佳途径，具有巨 大的商业和军事价值。 以通用处理器为核心的软件无线电系统因其结构类似于虚拟仪器而被称之为“虚拟 无线电”系统。开发虚拟无线电系统可以快速建立原型系统，促进对软件无线电体系结 构的深入研究，具有理论和实践上的双重意义。本文的工作围绕虚拟无线电试验系统的 建立而展开，旨在实现多种体制卜的窄带通信传输。 第二章研究并确立了虚拟无线电试验系统的结构框架。在软硬件协同设计方法的 指导下，对系统进行建模、软硬件任务划分和实现，提出了一种新的建模方法，将系 统各组件的内在行为与通信模式相隔离，实现了系统的模块化设计。 第三章探讨虚拟无线电试验系统底层硬件的结构设计，包括数字上变频模块和数字 f 变频模块。它们不仅完成数字信号的上下变频，减轻通用处理器的负载，还具有良 好的可编程性，能适应多种调制方式。 第四章研究虚拟无线电试验系统软件体系结构。它分为三层，底层是控制硬件的内 核模式驱动程序：中间层是建立数据传输路径的用户模式驱动程序；顶层是应用程序。 着重分析底层内核模式驱动程序的工作过程，并对中间层用户模式驱动程序的工作流程 以及a m 、f m 模式下的应用程序流程作了简要分析。 第五章探讨软件无线电系统中的码元同步问题，为后续实现数字调制信号的产生与 解调做准备。文中提出了一种可用于软件无线电系统中的码元同步方案。该方案以信号 插值为理论基础，用最小均方滤波器替代传统的多项式插值滤波器，并采用能量检测算 法以降低半周期传输延迟时的误码率。在仿真实验中，从定时抖动能量和误码率两方面 进行比较，实验结果证明了该方案的有效性。 在论文最后对全文进行了总结，并指出了进一步研究探索的方向。 【关t 词】软件无线电虞拟无线电信号处理码元同步 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t s o f t w a r er a d i oi sr e g a r d e da sag l r e a tr e v o l u t i o nt ot h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lr a d i o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t h o u tt h ec o n s t r a i n to fh a r d w a r es t r u c t u r e ，s o f t w a r er a d i oi s b e c o m i n gt h eb e s tw a yt o s o l v et h ep r o b l e m so fc o - o p e r a t i o na m o n gd i f i e r e n tm o d e sm a d d e v e l o pm o r es e r v i c e s i ti so fm a g n i t u d ec o m m e r c i a la n dm i l i t a r yv a l u e s o f t w a r er a d i os y s t e m w i t ht h ec o r eo fg e n e r a l - p u r p o s ep r o c e s s o r , i sn a m e d “v i r t u a lr a d i o ” s 3 7 s t e mb e c a u s eo f i t ss i m i l a rs t r u c t u r ew i t hv i r t u a li n s t r u m e n t t h ed e v e l o p m e n to fv i n t l a lr a d i o s y s t e mi sh e l p f u lt or a p i d l ye s t a b l i s h i n gap r o t o t y p es y s t e ma n da c c e l e r a t i n gt h ei n v e s t i g a t i o n o f t h es t r u c t u r eo fs o f t w a r er a d i os y s t e mi nd e p t h 嘣si so fm u c hb o t l lt h e o r ya n de x p e r i e n c e m e a n i n g t h ep a p e rf o c u s e do ne s t a b l i s h i n gv i r t u a lr a d i oe x p e r i m e n ts y s t e mt oi m p l e m e n t n a r r o w b a n dc o m m u n i c a t i o na m o n gd i l y e r e n tk i n d so fm o d e s t h es e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a d e rs t u d i e dt h es t r u c t u r ef r a m eo fv i r t u a lr a d i oe x p e r i m e n t s y s t e m u n d e rt h ed i r e c t i o no fh a r d w a r e s o f t w a r ec o - d e s i g nm e t h o d ，w ei m p l e m e n t e ds y s t e m m o d e l i n ga n dp a r t i t i o n e dt a s ki n t os o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e a l s ow ep u tf o r w a r dan e w m o d e l i n gm e t h o d t h r o u g hi s o l a t i n gt h e i n t e r n a lb e h a v i o ro fs y s t e m c o m p o n e n t sa n d c o m m u n i c a t i o nm o d e s w ei m p l e m e n t e dam o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o d i nt h et h i r dc h a p t e rt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h eb o t t o mh a r d w a r el a y e ro fv i r t u a lr a d i o e x p e r i m e n ts y s t e mw a sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gd i g i t a lu p c o n v e r t e ra n dd o w n - c o n v e r t e rm o d u l e t h e yn o to n l ya c c o m p l i s hu p - f r e q u e n c ya n dd o w n 行e q u e n c yc o n v e r s i o no fd i g i t a ls i g n a l ，b u t a l s or e d u c et h el o a do fg e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o r t h e ya r eo ff a v o r a b l ep r o g r a m m a b l ea b i l i t y a n ds u i tt ok i r i d so f m o d e s t h ef o r t hc h a p t e rs t u d i e dt h es o f t w a r es t r u c t u r eo fv i r t u a ir a d i oe x p e r i m e n ts y s t e mw h i c hi s p a r t i t i o n e di n t ot h r e el a y e r s t h eb o t t o ml a y e ri st h ek e m e lm o d ed e v i c ed r i v e rt oc o n t r o l h a r d w a r e t h em i d d l el a y e ri st h eu s e rm o d ed e v i c ed r i v e rt oe s t a b l i s hd a t at r a n s m i t t a lp a t h t h et o pl a y e ri sa p p l i c a t i o np r o g r a m t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ek e r n e lm o d ed e v i c ed r i v e ri n b o a o ml a y e rw a sa n a l y z e d t h ew o r k i n gf l o wo ft h eu s e rm o d ed e v i c ed r i v e ri nm i d d l el a y e r a n do f a p p l i c a t i o np r o g r a mi na ma n df mm o d e si nt o pl a y e rw e r ed i s c u s s e d i i lt h ef i f c hc h a p t e rw ed i s c u s s e dt h ep r o b l e m so fs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ni ns o f t w a r er a d i o s y s t e m t h i si sh e l p f u lt of i t r t h e ri m p l e m e n t i n gt h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no fd i g i t a l s i g n a l an e ws y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nm e t h o ds u i tt os o f t w a r er a d i os y s t e mw a sp u tf o r w a r d ， w h i c hi sb a s e do ns i g n a li n t e r p o l a t i o n t h en e wm e t h o du s el e a s tm e a ns q u a r ef l m s ) f i l t e r i n s t e a do ft r a d i t i o n a lm u l t i n o m i a li n t e r p o l a t i o nf i l t e r , a n da p p l ye n e r g yd e t e c t i n ga r i t h m e t i ct o r e d u c et h ee r r o rc o d er a t i ow i t h i nt h ed e l a yo f h a l f p e r i o dt r a n s m i t t a l t h er e s u l to fe x p e r i m e n t c o n f i r m st h ec o r r e c t n e s so ft h en e wm e t h o db yc o m p a r i n gt h et i m i n gj i t t e re n e r g ya n de r r o r c o d er a t i o t h eg e n e r a lw o r ko ft h i sp a d e ri ss u m m a r i z e da n dt h ef a r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o ni sp o i n t e d o u ti nt h e1 a s tc h a p t e r 【k e y w o r d s ls o f t w a r er a d i o ，v i r t u a lr a d i o , s i g n a lp r o c e s s i n g ，s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n 第1 i 页 国舫科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 软件无线电系统研究背景与现状 无线电通信在社会生活、经济发展和国防建设中发挥着极其重要的作用。近二十年来， 随着微电子技术、计算机技术、v l s 技术和软件技术的飞速发展，无线电通信也经历了 从模拟到数字、从固定通信到移动通信的飞跃。无线电设备体积、重量大大减小，而功能 却日益增强：使用频段由低到高，调制方式由a m 、f m 到数字调制：多址方式由f d m a 到t d m a 、 c d m a ；传递信息由电报、语音发展到数据和多媒体。无线电通信技术，尤其是移动通信技 术的迅猛发展，在促进社会进步的同时，也产生了许多问题，如：多种通信体制并存，各 种标准竞争激烈，频率资源紧张，产品生存周期越来越短等。原有的以硬件为主的无线电 通信体系结构难以适应这种局面，软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 概念【1 1 便应运而生，并受 到广泛的重视。 早在7 0 年代末英国的r o m s e y 公司为了研究解决频谱拥挤问题的方法，制造了第一个 军用“软件无线电”系统” 。它工作在很低的频率，在中频对信号采样后送入8 0 8 5 处理 器，用软件进行后续处理。受当时技术水平的限制，该系统结构复杂，造价昂贵，但它验 证了直接对低载频信号进行采样的可行性。到了9 0 年代初期，针对美军在入侵格林纳达 和海湾战争中各军种电台协同通信不力的情况，美国国防部高级研究计划署( d a r p a ) 、陆 军和空军共同合作，提出多模式多功能无线网关研制计划，其目标是想要解决跨越多种通 信频段( h f 、v h f 、u h f 和s h f ) 、多种信道调制( m 和f m 话音，数据传输多样性以及包括 跳频和直接序列扩展频谱等几种保密模式) 和多种数据格式的互操作性问题。由此在l9 9 2 年提出了带有浓厚军事应用背景的软件无线电“o 概念。1 9 9 5 年s p e a k e a s yi 计划旧3 获得 巨大成功，具体而真实地展现了软件无线电系统的魅力，引起了学术界对软件无线电系统 的关注4 _ ”。1 9 9 6 年3 月，在s p e a k e a s yi i 计划 3 】f 8 一【叫的推动下，模块化多功能信息传 输系统( i t s ：n o d u l a r 机i t i f u n c t i o ni n f o r m a t i o nt r a n s f e rs y s t e m s ) 论坛成立，其 成员包括1 0 0 多个政府部门、商业巨头和著名学府，如美国联邦航空管理局、爱立信、西 门子、摩托罗拉、三星、诺基亚、东京大学等。它主要致力于研究与制定开放的软件无线 电系统结构，并于1 9 9 7 年5 月在布鲁塞尔召开了第一届欧洲软件无线电会议。近两年来， 随着第三代移动通信系统研究热潮的兴起，也掀起了软件无线电研究的高潮。1 9 9 8 年4 月在日本召开了第一届亚洲软件无线电会议，6 月在希腊召开了第一届国际软件无线电会 议。1 9 9 8 年底，删i t s 论坛更名为“软件定义无线电”( s d r ：s o f t w a r e d e f j n e dr a d i o ) 论坛，标志着软件无线电的研究重心己由军用通信转向民用通信n “。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 软件无线电是对传统无线电通信体系结构的一次重大革新。它使通信系统摆脱了硬件 结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，可以拓展多种服务。因此，软件无线 电己成为解决不同体制之间互操作问题和开展多种业务的手段，具有巨大的商业和军事价 值。 目前以美国和西欧为主导的各国都在积极地致力于软件无线电技术的研究和系统的开 发。美国在其国防科学技术战略的三大支撑之一国防技术领域计划1 中，将软件无 线电视为战场无缝通信的基石和首要的技术挑战，用以解决多售主、多网络、联合诸兵 种合成部队和商业环境中的通信设备互操作性问题。并在此基础上发展利用商业标准和协 议达到战术系统之间以及战术系统与全球通信系统之间的自动化无缝接口，实现数据语 音一体化传输和数字战场通信，确保战区内分散在各处的阵地直到最低梯队步兵和 每艘舰艇和每架飞机之间的可靠：透明的安全连通。 在商用移动通信领域，第三代移动通信系统正在加速开发之中，并即将进入商业试运 行阶段。其代表有国际电信联盟( i t u ) 提出的国际移动通信系统( d i t 2 0 0 0 ) ，和欧洲电信标 准协会( e t s i ) 提出的全球移动通信系统( t m r s ) 【1 2 1 3 。第三代移动通信系统支持的通信服 务几乎无所不包，如u g r s 系统提出的自适应终端可以根据用户需要，下载所需软件以获 取语音、数据、视频、传真、图象、视频会议、i n t e r n e t i n t r a n e t 接入、音频视频点 播、远程办公、远程医疗、远程教育等服务“。软件无线电不仅在技术上能实现多波段 多制式多业务通信系统，还将对通信产业的政策、网络结构和工业结构产生重大影响“5 一 “。例如专家们预测，随着软件无线电开放体系结构标准的建立和业务市场的开放，中小 型服务供应商将得到蓬勃发展，通信产业的很大一部分利润将从传统的设备制造商和网络 运营商，流向软件制造商和服务供应商。 j n i t o l a 提出的理想软件无线电系统能工作在2 m 2 0 0 0 z 的频段范围，并能直接 对2 0 0 0 m h z 的信号进行采样。由于技术水平远远达不到理想中的要求，现今只能采用一些 折衷的方法来构筑软件无线电系统，如使用具有标准接口的分频段天线、对i f 而非r f 信 号采样等。目前己报道完成的软件无线电系统有很多，我们挑选几个具有代表性的系统加 以介绍。 1 s p e a k e a s y 计划跚 8 】- 1 0 1 美国的s p e a k e a s y 计划无疑是最著名的软件无线电系统。1 9 9 3 年在d a f 2 a 基金的资 助下，美空军r o m e 实验室作为项目主管部门与h a z e t i n e 公司签订了研究多模电台的计 划，即s p e a k e a s y 计划。s p e a k e a s y 计划分为两个阶段：s p e a k e a s yi 和s p e a k e a s yi i 。 s p e a k e a s yi 已经在1 9 9 4 年完成，并在当年8 月进行了样机演示。在演示中它实现了下列 功能：分别与美军现役的四种电台进行通信；同时和其中的两种跳频电台进行对话；作为 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 网桥，帮助两种不同的通信网络实现了互通；演示了语音、数据和图象的传输。s p e a k e a s y i 功能较为简单，但实现了其预定的目标：验证软件无线电概念的可行性。s p e a k e a s yi i 的目标是基于p c i 总线底板和p c m c i a 格式模块，开发具有六个信道( 四个可编程信道，一 个全球定位只收信道，一个商业蜂窝式电话信道) 的多波段多模式无线电台。 s p e a k e a s y 将用作三军的下一代战术无线电台，最后的装置预计其尺寸约为o 4 英寸， 重3 0 磅或更轻。s p e a k e a s y 无线电台能够在2 m 2 0 0 0 m b z 连续范围内的任何频段上同时用 4 个信道工作，已经和将要实现的波形有：高频调制解调器( h fm o d e m ) ；单信道地面和机 载无线电系统( s i n c g a r s ) ；海空战术通信系统( h a v eo u i c ki i i ) ；超高频卫星通信；商 业( 先进移动电话服务) 蜂窝式电话：空中交通管制和民用航空波形( 甚高频频段) ；一个约 为2 m 比特秒的无线包波形：全球定位系统接收能力：一种低截获探测概率波形和增强 型位置定位报告系统波形。 2 f i l l s ? 系统吲 为促进第三代移动通信标准u 们s 的研究工作，e t s i 和a c t s 研制了多个试验系统，包 括f r a m e s 、m e d i a n 、s u 岫e a m 、s o r t 、r a i n b o w 、s l a t s 和p r o m u r a 等计划“，f i r s t 系统 也是其中之一。该计划共有1 0 个成员，包括来自英国、法国、德国和瑞士的大学研究机 构、网络运营商、设备制造商和高科技研发公司等。它的目标在于深入研究i m t 2 0 0 0 计划 中提出的软件无线电技术，进而促进u m t s 标准的建立。该计划始于1 9 9 5 年9 月，并于1 9 9 8 年底完成。它建立了四个多模式测试平台，其中两个被配置为单通道移动收发装置，另两 个作为基站，实现了d c s l 8 0 0 系统与简化的t c c d m a 系统的空中链接。f i r s t 系统的主要 技术特征有：覆盖了u m t s 标准、d c s 8 0 0 标准和增强的数字无绳通信( d e c t ) 标准的工作频 段；减少专用芯片数目，最大限度地采用可编程d s p ；与多种调制制式兼容；数模接口独 立于采样速率，采用固定1 5 p l h z 带宽滤波器信道分割由基带处理完成；在基带进行功 率控制、预失真、自动频率控制( a f c ) 和自动增益控制( a g c ) 处理；采用低损耗r f 预滤波 器，并在发送方采用直接上变频技术；采用可重构硬件结构，具有个优秀的v l s i 综合 器，能在线对系统结构进行重新配置。 f i r s t 系统的主要研究内容可以分为两个方面，一是与具体通信体制有关的技术，如 c d m 共同检测、功率控制、多媒体信息的编译码、t u r b o 信道编码、缓慢衰落路径下的 自适应调制、视频传输等：另一类与软件无线电标准有关，如软件无线电模块化系统结构 模型、空中接口的选择、软件与服务下载方式等。 3 s p e c l z u n _ e a e 系统嘲1 s p e c t r u m w a r e 是美国麻省理工学院计算机科学实验室开发的基于通用处理器的软件 无线电系统，它不仅可以作为研究软件无线电关键技术的实验平台，在某些场合还可以构 成一个实用的系统，如a m p s 蜂窝移动通信系统的基站处理设备。s p e c t r u m w a r e 工作在l i n l i x 操作系统下，数据i o 由一块通用的p c i 插卡完成。该系统实时实现了g s m 系统两个物理 第3 页 国防科学技术大学研蒴= 生院学位论文 信道完整的数据传输工作，包括语音编码、信道编码、调制、信道分离、解调、信道均衡、 信道解码和信源解码等。其中大部分数据处理工作由四台i n t e l 埘x2 0 0 完成，而实时处 理需求高的调制解调由外加的一些加速单元完成。由于s p e c t r u 皿w a r e 系统以通用计算机 为处理单元，在结构上与基于通用计算机的“虚拟仪器”很相似，因此被称之为“虚拟无 线电”系统。 4 国内研兜情况 我国对软件无线电技术的研究虽然起步较晚，但己充分认识到其重要性，8 6 3 计划 和国家自然科学基金都己将软件无线电技术纳入其研究范围，众多院校和科研结构都投入 到软件无线电关键技术的研究和样机的构造工作中。1 9 9 8 年1 2 月，总参某所着眼于我军 未来的战术通信设备，研制出我国第一台军用无线电网关，能收发川、f m 等模拟调制信 号，并实现了陆军与空军部分电台的互通。据报道解放军理工大学和广州7 所在多模m o d e m 和多模手机的研究工作中都取得的一定的成绩。 1 2 软件无线电模型及主要研究问题 1 2 1 软件无线电概念模型 理想中的软件无线电平台“。主要由三部分构成：r f 模块与天线子系统、a d a 模块、 由d s p 芯片组成的高速处理模块。它的结构如图1 】所示： 图1 i 软件无线电概念模型 软件无线电的基本思想是：直接对r f 信号进行采样，通过加载软件模块来实现所需 的功能，包括以前由专用硬件完成的信道检测、调制解调，以及编码解码等等。理想中的 软件无线电能与其天线接收范围内的各种电台进行通信，还可以充当不同电台之间进行通 信的桥梁，甚至可以接入各种公众数据网，实现语音、图象、数据的传输。软件无线电的 最终目的就是要使设备功能摆脱对硬件系统结构的束缚，实现通信业务多元化。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 软件无线电硬件平台相对通用，利用软件配置功能。这种全新的设计思想与体系结构， 使得软件无线电具有巨大的优势： 1 系统结构通用，功能实现灵活。不同的通信系统可由相对一致的硬件利用不同的软 件来实现，系统功能的改进和升级也很方便。 2 、提供不同系统互操作的可能性。只要在硬件平台上加载相应的软件并配备相应的射 频部分，就能够很自然地实现互通。 3 ，复用的优势。系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好的实现，而且这些模 块具有很大的通用性，能在不同的系统和系统升级时很容易的复用。技术更新时，只需更 换个别的模块，大大降低系统研制的成本。 4 在软件无线电中，软件的生存期决定了通信系统的生存期。一般地，软件开发的周 期相对于硬件要短，开发费用要低。这样就能更快的跟踪市场变换，满足新的使用要求， 降低更新换代的成本。 5 ，由于系统的主要功能都由软件来完成，可方便地采用新的数字信号处理手段提高抗 干扰性能，其他诸如系统频带监控、可编程信号波形、在线改变信号调制方式等功能的实 现也成为可能。 软件无线电的系统功能与硬件结构不再是紧密耦台，这一优点特别适合于多频段多 用户多模式兼容或互连系统设计，因此软件无线电在军用通信和商用通信中都有着广泛 的应用前景。在军用方面，多功能无线网关可实现各军兵种电台的互通；多功能车载电台 可接入各种军用移动通信网；可以建造智能化的通信侦察和电子对抗设备等。在商用通信 领域，多模手机、多频段多模式基站、无线局域网、无线接入等都是软件无线电的用武之 地。 1 2 2 软件无线电功能模型叫蚓 理想的软件无线电是一个高度智能化的通信系统，在发射过程中，它能分析传输信道 和临近信道的能量分布特征，探测传播路径，在适应地选择信道调制方式，将天线波束自 动指向合适的传输方向，选择合适的功率电平进行发射；在接收过程中，它能分析传输信 道及临近信道的能量分布特征，识别接收信号的调制方式，自适应消除干扰，对信号的多 径效应进行评估及自适应均衡，再进行解调与前向纠错，尽可能以最低的误码率接收到有 用信号。此外，软件无线电还可以通过众多的软件工具支持多种业务。 典型的软件无线电功能结构如图1 - 2 所示，它从功能上可以划分为三部分，即实时信 道处理流、环境管理流及辅助的软件工具。实时信道处理流的对象是输入输出信息流，因 而是必须实时处理的：环境管理流的对象是信道，并通过处理产生相应的信道参数，供实 时信道处理流使用，因而是必须近实时处理的：辅助的分析与支持工具用于增强服务功能 或承担部分分析无线电环境的功能。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 实时信道处理流主要实现通信系统基本的数据处理流程，包括天线、r f 模块、i f 处 理、基带处理、比特流处理和信源处理等模块。软件无线电要想兼容多种通信标准，其天 线必须要能要跨越多个频段，相应的r f 放大器要具有很大的带宽和动态范围，并能保证 良好的线性特性。i f 处理指信号在中频与基带之间的数据传输与处理。i f 部分主要包括 宽带数字滤波器等，它主要完成选择服务的频带，并完成信号的频率搬移。基带处理用数 字信号处理方法完成各类数字( f s k 、b p s k 、q p s k 、6 m s k 、0 a m 等) 或模拟( _ a j l 4 、f m 等) 调制解调算法以及扩频通信的扩频解扩。比特流处理主要完成纠错编码( f e c 、a r q 等) 、 复接分接或交换( 无线电基站或网关) 、信令、控制、操作、管理以及加密解密等功能。 信源处理实现各种话音、图象的编码、解码算法等。 图1 2 软件无线电功能结构 环境管理流的主要用来描述信道的状况。它可以采用时域、频域或空域等多种方法来 描述信道特征，包括信道识别、信道干扰等其他参数的估计( 具体取决于信令的方式和多 模式访问方案) 以及用户位置的估计。环境管理流可以充分利用快速傅立叶变换、小波变 换和矩阵运算等块操作( b j o c ko p e r a t i o n ) 方式来进行处理。 软件分析与支持工具由离线分析软件和在线实时处理软件组成，它们允许定义一些增 强型业务，如改进的波束成形、均衡器和译码器，这些技术可以用来提高用户密度。增强 型业务可以被制定为标准或协议，并纳入信道处理流程，一通过算法调试，最后确定业务量 ( 即改进用户密度) 和处理资源( 如i o 带宽和时延) 。软件无线电多种业务的开展以软件为 核心，可以采用基于对象的管理方法，将数据和相应的处理函数封装起来构成相对独立的 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 组件在此基础上进一步形成开放的软件接口标准，由此新的业务可以通过某种下载方式 传递给其它的通信网络节点。 软件无线电是一个复杂的综合性的系统，尽管它主要应用于无线通信领域，但它的成 熟应用离不开v l s i 投术、e d a 技术、信号处理技术、计算机体系结构、操作系统、编译 技术等多学科的发展。因此，软件无线电研究的不仅仅是通信领域的问题，它还涉及到其 它相关学科的领域。 软件无线电主要研究的问题可以分为两大类：一是为了构筑系统并实现基本通信功能 而必须解决的技术问题，它包括天线、高速a d 和d a 、高速数字信号处理系统结构，还 有通信领域的各种算法：另一类是为了解决不同制造商及服务供应商软硬件产品之间的兼 容问题而必须制定的各种标准，它主要包括可编程协议栈、下载方式和软件体系结构等。 下面我们将这两个研究大方向简单的概括为技术问题和标准问题，并加以讨论。 一、技术问题 天线子系统、a d a 模块、高速数字信号处理系统和通信领域的各种算法是软件无线 电不可或缺的重要组成部分，也是软件无线电研究的重点对象。 1 天线 一般而言，软件无线电要求天线能覆盖1 0 倍频程( 如0 4 3 g h z ) 。由于大多数系统 只要覆盖不同频程的几个窗口，而不必覆盖全部频段，因而可以象s p e a k e a s y 系统那样采 用组合式多频段天线的方案。宽带r f 要求有8 到1 0 倍频程，并能够进行调谐和能量控制， 这必须解决宽带r f 放大器的线性及宽带a g c 的实现等问题。 目前，智能天线已成为通信领域的又一个研究热点n e 3 5 3 - 3 9 3 。智能天线是一种阵列天 线，它采用空时复用( s d m a ) 技术，利用信号入射方向上的差别，将频率、时隙相同的信号 区分开来，由此可以成倍地扩展通信容量。若和其它复用技术相结合，还可最大限度地提 高频谱资源利用率。此外，它还可以调节各阵元的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形 状，从而抑制干扰信号。因此，智能天线在提高通信系统信道复用率和基站覆盖面积，克 服多径衰落等方面大有作为。一旦技术成熟，它必将在软件无线电系统中发挥重要作用。 2 高速枷和d a 在数模转换器件中，转换速率和精度是相互制约的一对重要指标。转换速率越高，可 以将软件无线电系统的数模接口更向r f 端推进以简化结构，还可以对超宽带信号进行直 接处理；转换精度越高，通信系统抗干扰的能力越强。一般而言，通信系统的转换精度至 少要达到1 2 b i t 以上。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在软件无线电系统中，可以有多种方法解决数模转换的速率和精度问题 6 【删。最直接 的方法是采用最先进的器件。目前6 5 1 旧z 1 4 b i t 的数模转换器件在市场上已能找到，这一 般已能满足对窄带信号进行中频转换的需要，而且新产品还会不断涌现。另一个方法便是 利用多个高速率低精度的器件进行多通道并列采样。还可以针对低分辨率器件具有极高 转换速率的特性，研究合适的编码调制方案。另外，“零中频”结构的通信系统可以将射 频信号直接下变频至基带，不仅使现有的数模转换器件可以满足要求，还可以减轻实时处 理的负担。而且它兼容多种通信标准。因此，“零中频”结构在软件无线电中的应用是一 个值得研究的课题1 - 【“ 。 3 高速数字信号处理系统结构 高速数字信号处理系统是决定软件无线电硬件体系结构的关键部分，通常由多个i ) s p 芯片来构成因此它的构造可以看成是并行处理系统或可重构系统的体系结构设计问题。 d s p 芯片具有很好的可编程性，但在体积、功耗上比a s i c 器件更大，而运算速度则有所 不及。f p g a 在体积、功耗和运算速度等方面介于a s i c 和d s p 之间，在可重构系统h ”中它 常用来作为c p u 的协处理器，完成一些实时处理需求较高的任务。近几年来，随着基于静 态r a i d 的f p g a 器件的出现，使得f p g a 内部结构可以象软件下载那样在线更新，软硬件 之间的界限更为模糊。这大大促进了可重构系统的发展，也使软件无线电硬件体系结构可 以变得更为灵活 4 7 - 4 9 。 4 通信领域的算法研究 软件无线电主要通过软件实现各种通信体制系统的功能，因此与通信有关的算法是软 件无线电研究的一个重点。如多媒体数据压缩、t u r b o 码、多用户检测、盲均衡、功率控 制、空时信号处理等，还有各种无线接入、网络传输协议等都是与软件无线电系统有关的 研究对象。 二、标准问题“ “3 为了能够象组装兼容机一样利用不同制造商生产的设各构造系统，或是将不同服务供 应商提供的软件纳入原有系统，软件无线电必须拥有一系列的标准只有这样才能促进软 硬件制造业的兴起并推动整个通信产业的发展。目前对软件无线电中的标准制定问题存在 许多争论，但普遍认为应该在可编程协议栈、下载方式和软件体系结构等方面制定一系列 标准。 l 可编程协议栈 所谓协议栈是指分层系统模型中各层接口协议的总和。软件无线电概念的提出者 j ，m i t o l a 认为 ，理想的软件无线电是一个在协议栈的任何层次都可用软件重新定义的 多功能多模式通信设各。软件无线电协议棱至少包括应用程序接口( a p i ) 、无线电虚拟机 ( r a d i 0v i r t u a lm a c h i n e ) 和物理层等协议，其中应用程序接口为应用程序开发人员提供 第s 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 调用函数；无线电虚拟机是一个掩盖具体物理实现的硬件抽象层，它也可以通过函数的形 式为高层软件提供服务；物理层是可编程的底层硬件。只有在可编程协议栈的各个层次形 成一系列标准，才能实现系统的模块化设计，不同厂商的产品也才有可能相互兼容。 2 下蛾方式盥” 软件无线电系统以何种方式更新其软件也是一个棘手的问题。目前主要有两种提议： 一是采用智能卡，它的操作类似于g s m 手机中的s i m 卡。采用智能卡方式可以方便地更改 设各的无线接口，如调制方式、工作频率等参数，但由于智能卡存储容量及传输速率的限 制，很难获得更多的服务软件。另一种方法是通过无线传输方式从基站或服务供应商处获 取新的软件，但它无法更改设备的无线接口。如何将这两种下载方式的优点结合起来，扬 长避短，是软件无线电要解决的一个重要问题。 3 软件体系结构 软件体系结构对软件无线电系统的重要性不言而喻。在不同的应用场合，软件体系结 构的设计需求也不相同。对于合作范围及应用范围相对较小的系统，如s p e a k e a s y ，软件 体系结构主要研究实时处理内核( 或实时操作系统) 的构造，以及可编程协议栈各层接口的 确立。而对于一个庞大的系统，如第三代移动通信系统，软件体系结构更主要的考虑是如 何实现软件的“即插即用”。目前在许多文献中都提议基于c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s t b r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 来建立软件体系结构。c o r b a 规定了一个通过中间件( m i d d e w a r e ) 进行松散耦合通信的客户服务器结构框架，很好地解决了不同语言、不同环境下的软件 互操作问题。但是将c o r b a 扩展到实时处理领域，以及制定专用于通信的c o p , b a 标准都还 有待深入研究。 1 37 虚拟无线电”系统及本文主要研究内容 软件无线电的应用领域非常广泛，不仅在通信领域，还在高清晰度电视、仪器仪表等 行业得到重视。“软件定义无线电”论坛甚至将软件无线电描述为“由软件可重构组件构 成的具有一定应用范围的系统”“。因此，我们从事研究软件无线电研究工作时要有一个 明确的目的，不必也不大可能实现一个包罗万象的系统，而应针对特定目标，利用软件无 线电的思想来构筑自己的系统。 窄带通信( 如语音传输) 无论在社会生活还是在军事斗争中都应用得非常普遍，如非保 密军用电台、多模手机、无线m o d e m 和无线网关等，因而我们将多波段多制式数字语音的 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 发送和接收作为研究目标。为了能快速构建原型系统，在s p e c t r u m 系统的启发下，我们 建立了自己的“虚拟无线电”试验系统。 以通用计算机为主要处理单元的虚拟无线电系统与以d s p 为处理单元的传统软件无线 电样机系统相比，具有诸多的优势： 1 ) 系统易于构造。由于有操作系统与众多软硬件资源的支持，通用计算机的编程环境 较d s p 编程环境有着无与伦比的优势。开发人员不必一切从底层做起，可以从商业软件、 i n t e r n e t 等资源中获得软件模块，方便、迅速地完成整个系统的设计、开发与实现，而 且系统功能的修改与扩充也容易得多。 2 ) 系统易于更新与升级。由于最先进的通用处理器通常都可以在计算机上获得，因而 可以很方便地通过计算机的更新换代来提高其处理能力。还可以通过改变数据i o 模块或 加载不同的软件来完成新的功能。此外，计算机外围设备性能的提高对提高整个系统的性 能也有很大的帮助。反之，基于d s p 器件的软件系统因为其紧密依赖于器件的硬件体系结 构，向高性能d s p 芯片的移植往往需要对原系统进行大范围的修改甚至重写。 采用通用处理器和多任务操作系统的计算机能否承担实时处理任务，是虚拟无线电系 统的成败关键。为适应实时处理需求，虚拟无线电系统有两个明显的问题要解决。一是虚 拟无线电的i o 子系统应如何组织才能使外部数据能足够快地传递给应用程序；二是应用 程序各任务之间的调度问题。 一、i o 子系统结构 如何把采集数据传送到应用程序，必须要解决两个数据传输问题，即数据由采集单元 到计算机内存、再由计算机内存到用户程序的快速传递。由于计算机的串、并行通道不足 以承担大数据量的传输任务，因而数据由采集单元到内存的传递必须由专门的高速数据采 集单元来完成。另外，计算机的操作系统虽然为用户程序提供了标准的i o 机制，但在多 任务操作系统中，这些i o 接口的优先级很低，不能保证用户程序及时地响应设备中断， 所以不适于实时处理。因此，虚拟无线电的i o 子系统要有一个结构通用的i o 模块，以 及与之相配的设备驱动程序，如图l _ 3 所示。 通用 o 模块实现数据在外设与计算机内存之间的高速传输，其特征是基于高速总线 ( 如p c j 总线) ，以大容量存储设备平滑数据流通速率，并以d m a 方式实现数据在总线两侧 的交换。设备驱动程序工作在操作系统的内核层，在多任务操作系统中它具有较高的优先 级，能实时响应设备中断，可以对设备进行直接控制，并通过统一的接口与应用程序进行 通信与数据传输。i o 子系统一个重要的特点在于它良好的可移植性。当整个虚拟无线电 系统采用性能更高的计算机或者向其它平台移植时，i o 子系统可以不用重新设计，或者 第】o 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 仅需要重写设备驱动程序即可。 图1 3 虚拟无线电i 0 子系统结构 二、应用程序调度 任务调度分为静态调度和动态调度。由于虚拟无线电系统建立在多任务操作系统之 上，很难对处理器进行直接控制，所以只能采用静态调度。这要求处理器的运算能力必须 远远大于实时处理需求，并要尽量提高处理效率。特别要注意以下几个问题： 1 ) 内存拷贝是极费时的一项操作，尤其是在操作系统内核层与应用层之间通过内存拷贝 来传输数据时。因此，简化系统结构，实现底层硬件与高层应用程序之间数据传输的 “零拷贝”是十分重要的。 2 ) 多任务操作系统中的应用程序很难准确地估计每一个任务的处理时i 刈。为了不丢失数 据，