（通信与信息系统专业论文）软件无线电系统的研制及其技术的研究.pdf

软件无线电系统的研制及其技术的研究 摘要 软件无线电技术是一种实现无线通信的新的体系结构。现代无线 通信领域存在一些问题，如：多种通信体系共存，各种标准竞争激烈， 频谱资源紧张等，特别是无线个人通信系统的发展，使得新的系统层 出不穷，产品生存周期越来越短，原有的以硬件为主的无线通信体制 难以适应这种局面，软件无线电的概念应运而生。 本课题在现有的技术基础上，开展了软件无线电技术的研究，研 制出一套完整的软件无线电中频系统。在同一个硬件平台上，通过友 好的人机界面将系统设置成不同的工作状态，实现了不同中频载波、 符号率和调制方式间的实时改变，已成为某军用移动电台的软件无线 电技术内核。厂o 本文首先介绍了软件无线电的概念，比较了不同硬件平台结构的 性能，描述了实现软件无线电的一些关键技术。 一“、 本文第三章详细描述了软件无线电系统中各个子系统的构成和 功能：讨论了d s p 软件的设计；给出了系统的参数和指标；提出了 各种调制方式的实现方案，给出调制解调框图，完成了多种调制解 调的全数字处理。 ， 。软件无线电系统的数字滤波器参数设计是一个核心技术。本列探 ， 讨丫系统中的信号处理流程，对抽样率转换及其实现进行了详细讨 厂 论。陋过理沦分析和实际测试给出了系统中各滤波器的设计参数，实 摘要 现了高速数据的信号处理，达到了良好的系统效果。 7 。 在第四章中，) 结合系统建立了载波同步环路的数学模型，推导了 系统方程，分析了输入存在频率阶跃和相位阶跃时的环路性能，给出 了参数的取值范围。( 为改善系统性能提供了参考。，1 7 + 最后，给出进一步研究的内容，并对软件无线电技术的发展进行 r 展挈。 关键字：软件无线电，调制解调，抽样率转换，数字t a n l o c k 环 ! ! ! ! 坠! !一一 r e s e a r c ha n dd e s i g n o f s o f t w a r er a d i os y s t e m a b s t r a c t s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g yi san e wa r c h i t e c t u r et or e a l i z eaw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tf o c u s e so nm a n y p r o b l e m se x i s t i n gi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf i e l d s ，s u c ha s ：c o e x i s t e n c eo fm a n yc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，c o m p e l l i n g o fm a n ys t a n d a r d s ，a n dl i m i t a t i o no ff r e q u e n c y r e s o u r c e s w ed or e s e a r c ha b o u ts o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g ya n dh a v ed e s i g n e da s o f t w a r er a d i o s y s t e mi n c l u d i n g au n i v e r s a lh a r d w a r e p l a t f o r m a n d s o f t w a r e w i t ht h ei n s t a l l a t i o no fd i f f e r e n ts o f t w a r e t h r o u g hf r i e n d l y m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，i t c a n c h a n g e t h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s f u n c t i o no n l i n ew i t h o u t c h a n g i n g t h eh a r d w a r e ，s u c ha sm o d u l a t i o n s c h e m e s ，b i tr a t e ，a n di fb a n d t h es y s t e mh a sb e c o m et h ec o r et e c h n i q u e o fam o b i l er a d i ow h i c h a d o p t st h ec o n c e p to f s o f t w a r er a d i o f i r s to fa 1 1 w ei n t r o d u c et h ec a n o n i c a la r c h i t e c t u r eo ft h ei d e a l s o f t w a r er a d i oa n dr e c a l lt h em o t i v a t i o na n dh i s t o r yo ft h et e c h n o l o g y t h e nw es u m m a r i z et h eh a r d w a r ep l a t f o r l t la r c h i t e c t u r es c h e m e sa n dg i v e o u tt h e c o m p a r i s o n r e s u l t so ft h e d i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e s s o m e k e y t e c h n i q u e so f s o f t w a r er a d i oa r ea l s od e s c r i b e d c h a p t e rt h r e eo ft h i s t h e s i s p r e s e n t s t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n d f u n c t i o no ft h es u b s y s t e m si nd e t a i l t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dp e r f o r m a n c e o ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e nw ed i s c u s st h ed e s i g no fd s p p r o g r a m a n dm a n 。m a c h i n ei n t e r f a c c b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h ed u c w e d e s i g nt h em o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns c h e m e sa n da c h i e v et h er e a l i z a t i o n i nd i g i t a l t h ed e s i g no fd i g i t a lf i l t e ri st h ek e r n e lt e c h n i q u eo fs o f t w a r er a d i o s y s t e m w ep r o b ei n t ot h es i g n a lp r o c e s sf l o wo ft h es y s t e m ，a n da r g u e 些! ! 坠! !一 t h e s a m p l e c o n v e r t e rm o d u l ea n di t s r e a l i z a t i o n a t l e n g t h w i t h t h e a n a l y s i sa n dt e s t i n go f t h es y s t e m ，w ed e v i s et h ed i g i t a lf i l t e rp a r a m e t e r s t op r o c e s st h eh i g hr a t ed a t aa n di m p r o v et h es y s t e mc a p a b i l i t y i nc h a p t e rf o u r t h em a t hm o d e lo fc a r r i e r1 0 c k e dl o o pi 8d e s c r i b e d a n di t s s y s t e me q u a t i o n sa r ed e r i v e d w es t u d i e dt h eb e h a v i o r ，i n c l u d i n g l o c k i n g c o n d i t i o n sa n dl o c k r a n g e s o ff i r s t a n ds e c o n d o r d e r l o o p ， a s s u m i n g a ni n p u tw i t hf r e q u e n c ya n d p h a s eo f f s e t t h er e s u l t sw i l ls e r v e a sac o n f e r e n c ec r i t e r i o nf o rt h es y s t e md e s i g ni nt h ef u t u r e a t l a s t ，s o m e b r i e fr e m a r k so nf u t u r ee x t e n s i o n so ft h e w o r k p r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r ec o n c l u d e d k e yw o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n s a m p l e r a t ec o n v e r t e r ，d i g i t a lt a n l o c kl o o p v 符号和缩略语说明 符号和缩略语说明 软件定义无线电 公共对象请求代理体系结构 应用编程接口 软件无线电 超长指令字 通过空中接口 无杂散动态范围 压控振荡器 数控振荡器 抽取因子 梳状滤波器 半带滤波器 数字上变频器 数字下变频器 可编程数字下变频器 符号阳j 干扰 数字锁相环 数字t a n l o c k 环 自动增益控制 概率密度函数 载波频率 调制指数 脉冲成肜函数 初始相偏 信号频率 标准频率 频率误差 信号能量 相位误差 稳态相差 i 蠢 v 漱一州帆一m一呦啪。叭岫呲眦眦眦眦吼觚叫 厶。如 既砌只 舭 丸 爵 一、绪论 1 软件无线电技术的产生背景及发展历史 纵观历史，无线通信系统已经历了从模拟到数字的发展历程，并正朝着软 件无线电方向迈进。早期的模拟系统各个组成部分都采用模拟方式实现，基本 不涉及数字技术。该类系统一般体积比较大，硬件调整困难。7 0 8 0 年代，通 信系统逐步由模拟向数字方式过渡。同时，采用跳频或直接序列扩频等技术提 高抑制单频及宽带干扰的能力，并利用分集、自适应均衡等方式来提高抗衰落 能力。数字电台体积小、耗电省、性能稳定可靠。但数字处理还局限于基带和 信源部分，射频和中频处理仍采用模拟方式。随着宽带高速模数( a d ) 和数 字信号处理( d s p ) 器件的出现，在中频部分实现数字化处理成为可能。除射 频滤波、低噪放和功率放大为模拟方式外，系统的其他功能均可以使用d s p 器 件通过软件编程来实现。该系统具有高度可编程性，并能自动选择最佳的传输 信道、调制方式以及合适的通信协议和信号格式。这可以看作软件无线电通信 系统的雏形。 软件无线电的概念 1 1 最初源于美军方对多模式、多频段，具有丌放结构的， 能用于多种通信平台互通互连的军用无线电台的要求。它一经提出迅速引起人 们的关注，并丌始对它进行广泛而深入的研究。目前，这项技术不仅在军用通 信中有着重要的应用价值，同时也在考虑民用，尤其是在第三代移动通信系统 中的应用。第三代系统对多模终端、无缝全球漫游和与第二代系统的兼容等要 求，都加快对软件无线电技术的研究进程。 荚欧等发达国家在软件无线电技术的研发上，有所不同。美国由于其军事 通信的领先，该项技术首先集中在一大批军事研究项目中，其中有美国防部的 s p e a k e a s y 、a c n 、j t r s ，美o a r p a 的g l o m o 等项目，其中最著名的是s p e a k e a s y 弘1 ， 它直接导致了i m i t s 论坛，也就是现在的软件定义的无线电( s d r ) 论坛的成立， 该项目分两个阶段，分别于1 9 9 2 和1 9 9 5 年丌始。前者主要是丌发多模式、波 肜可编程，具有丌放结构的调制解调器，以及丌发通用的软件结构，以利于后 删增加新的波形，其采用的主要技术手段有快速f f t 、宽带高速a d 转换器、 多d s p 的m c m ，信息加密采用r i s c 技术，并实现了快速跳频。第二阶段的目标 足扩展啊制解调器的功能，以实现一个丌放的、模块化的，具有从用户端i o 刮r f ? 均可匝编程的结构的无线电系统，为降低成本，还考虑使用商用模块和标 准。它能实现多种类型的u o 、网络互联、可重编程的加密服务和可编程宽带 凋制解调器，r f 从2 m h z 到2 g h z 连续覆盖。其硬件实现手段广泛采用了f p g a 、 【) s p 等器件，软件：l 臣采用c c + + 、a d a 、汇编语言，总线结构为p c i 。 ( ；lo m o 项日足美d a r p a 支持，有二十多个子项目，分别由多家著名院校和科 _ 【i j f 机构承掣l ，其目的是要实现移动用户可以完全使用国防信息设施的各项服务， 一、绪论 该项目中有数项与软件无线电密切相关，其中m i t 的s p e c t r u m w a r e p ) 是利用通 用工作站实现各种物理层的算法，而仅保留模拟前端到a d 的电路和t o 系统， 陔i o 系统采用了p c i 总线。v t 的“可重配置计算的软件无线电”则利用f p g a 一类的器件实现可重配置计算，并研究了智能天线和多用户检测于软件无线电 中的实现。 欧洲的软件无线电研究稍落后于美国，但其目标定位于民用。欧共体的a c t s 计划中与软件无线电直接有关的是s o r t 和f i r s t i “，前者进行三个方面的研究： 系统结构、关键功能模块的研究、演示样机的实现。后者的目的是要研究智能 多模式终端和软件无线电技术对u m t s 的影响，内容包括对多模终端结构和算法 的研究、使用参数化的v l s i 器件的宽带收发信机，以及演示样机的研制和标准 化工作。 在亚洲，包括我国，软件无线电的研发相对落后于欧美，但是些机构也 正在加紧这方面的技术跟踪，并加入相关的论坛。一些厂商在进行产品设计时 也借鉴了软件无线电的概念，如大唐移动的双模基站。但总的来讲，我国在这 方面的研究尚未完全展丌。 理想的软件无线电是一种“纯数字”、“纯软件”的电台、a d 变换器紧靠 射频天线，除低噪放、功率放大器及电源等模块外，绝大部分功能都可以通过 d s p 芯片采用软件编程来实现。它摆脱了面向用途的设计思想，通过一种模块 化的通用硬件平台把系统提供的业务从长期依赖于固定线路特性( 包括频段、 信道带宽、信道编码等) 的方式中解放出来，便于更新换代，具有较长的生命 周期。 2 本文的课题背景和作者所做的工作 目前，筛三代移动通信系统已经出现多种标准共存的局面，这样为了实现 全球漫游，就要求多模终端或基站的出现。第二代移动通信系统，主要是g s m ， 已在我国形成了庞大的网络。为保护投资，实现从二代系统到三代系统的平滑 过渡，就要求三代系统对二代系统的反向兼容，于是多模终端或基站也是不可 避免的。所以，无论从第三代系统本身，还是从二代到三代的过渡来看，在技 术上采目软件无线电的概念进行设计，都将起到增强灵活性、降低成本和通过 f 城软件而更新空中接口的作用。 本实验室认为软件无线电作为能显著提高系统性能的技术，展丌对其的研 究足十分必要的。因此在已有的技术基础上，根据军用通信的需求丌展了“软 件无线f 1c r 频系统”的研制，主要负责丌发软件无线电中频系统的硬件平台及 配套软件。其中已完成的“软件无线电实验系统”为上海交通大学电子工程 系研究生丌改了一个完备的实验课程，获得上海交通大学教学成果特等奖；即 4 h i f y f f l i , j 完牛f , j “w f 2 0 0 0 数字中频处理系统”为某军用移动电台提供了软件无 线f 巳的披术内核。 一、绪论 在硕士学习期蒯，本人围绕该研制项目进行了学习和研究，主要完成以下 两方面的工作： ( 1 ) 参与实际系统的研制开发。主要有： 1 ) 参与硬件系统的设计和调试： 2 ) 完成d s p 编程； 3 ) 负责软件界面的功能设计； 4 ) 制定和实现接i z l 协议： 5 ) 数字滤波器参数的设计： 6 ) 载波同步性能分析和参数设计。 ( 2 ) 积极跟踪软件无线电技术的发展，对关键技术进行了探讨。 因此本文主要由两部分内容组成： 1 ) 对软件无线电系统的性能的详细分析和总结。 2 ) 对软件无线电系统的关键技术的分析和探讨。 3 本文的篇章结构 第二章介绍了软件无线电的概念，从硬件和软件两方面总结了软件无线电 的系统结构，比较了不同硬件平台结构的性能，描述了软件无线电的关键技术。 第三章对研制丌发的系统进行了总结。阐述了相关的理论知t ；具体总结 了系统的研制丌发，描述了软件无线电中频系统中各个子系统的构成和功能， 包括硬件结构、软件流程和界面设计等：讨论和给出了各种调制解调的实现方 案和系统数字滤波器参数的设计。 第四章结合系统建立了载波同步环路的数学模型，推导了系统方程，分析 了输入存在频率阶跃和相位阶跃时的环路性能，给出了参数的取值范围，为改 善系统性能提供了参考。 最后总结全文，提出进一步研究的方向，并对软件无线电技术的发展进行 了展掣。 r 软件无线电的系统结构和关键技术 二、软件无线电的系统结构和关键技术 1 软件无线电的概念 随着技术的发展，软件无线电的概念、结构、实现和应用也在不断的演变。 目前该领域的专家普遍认为软件无线电是一个开放的体系结构，由模块化和标准 化的硬件单元组成基本平台，通过嵌入式的软件实现不同的无线通信功能。 一个典型的软件无线电系统由天线、多频段的r f 转换器、a d a 转换器及 通用d s p 组成芦1 ，如图2 - i 所示。其中d s p 实现i f 、基带及比特流的处理和通 信接口的功能，而r f 转换器实现r f 信号和i f 信号间的转换。 b a s e s t a t i o n 图2 - 1 软件无线电系统的典型结构 f i g2 1 t h ec a n o n i c a la r c h i t e c t u r eo f s o f t w a r er a d i o 可见软件无线f 包系统在结构上的显著特点是： a d a 转换器尽可能地靠近射频端，即将之从基带移向i f 甚至r f 段， 对系统的所有频段采样： 山软件定义无线通信的功能，即用高速的d s p c p u 代臂传统的数字电路 和低速的d s p c p u 。 这些也是软件无线电和数字电台在结构上的区别。但两者之洲的最大区别在 于自u 者的完全可编程性。在软件无线电系统中r f 频段、信道接入模式、信道调 制方式等部是软件r 丌编程的，其最终目标是使通信系统摆脱硬件结构的束缚。当 体系结构相列稳定和通用时，可以通过软件很容易地提高和改进系统功能，并实 现不同体制系统i b j 的互连和兼容。这些是软件控制的数字电台无法实现的。 可见，软件无线电的基本特征有： 完全的可编程性 软件无线电是通过安装不同的软件，实现不同的功能。通信的： 作模式通过 r ，r 编程软件来改变，系统的功能由软件来定义。软件无线r 包产品可通过丰富的软 什米扩展、f k 务、帮助分析通信环境( 频率、时m 1 1 和空删特征) 、定义所需增加的 4 软件无线r 乜的系统鲐构和关键技术 业务，并用软件，土成、调试与运行。 灵活性 软件无线电的灵活性是指可以任意地转换信道接入方式，改变调制方式或接 收不同系统的信号等。这在通信标准不断涌现的今天显得尤为重要。 集中性 软件无线电的集中性是指多个信道享有共同的射频前端和宽带的a d a 转 换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。尽管软件无线电要比传统的接 收机贵很多，但每一信道的费用却低得多。 在未来应用中，软件无线电不再是简单的发信机，它能标注出可用的传输信 道，探测传播通道，进行智能的调制方式选择，在正确的方向上辐射波束，选择 合适的功率电平进行发送；同时，软件无线电也不再是简单的收信机，它能标注 出本信道和邻近信道的能量分布，识别接收信号的模式，自适应地消除干扰，对 所要求信号的多径特性进行估计、自适应均衡，对信道调制进行树状译码，然后 通过舸向纠错达到尽可能低的误码率。 2 软件无线电的体系结构 m r m i t o l a 在”j 中将“体系结构( a r c h i t e c t u r e ) ”定义为功能、结构和设计舰 则的组合。 ( 1 ) 概述 从结构上看，典型的软件无线电由电源、天线、多波段射频转换器、a d c d a c 和通用处理器组成，如图2 - 1 所示。与用户终端相连的是窄带话音传真a d 与 d a 变换器，完成信源编码解码功能。而基站在信源端直接与p s t n 相连接，完 成接入和远端信源编码及接口之恻的协议处理。 从功能上看，软件无线电系统包括实时信道处理流、环境管理流和在线与离 线软件工具。如图2 - 2 所示。 其中实时信道处理又可分为天线部分、射频变换部分、中频处理部分、基带 处理部分和比特流处理部分。射频变换部分完成由射频至适用于宽带a d a 标 准中频的信号变换。中频部分完成发送和接收的中频信号与基带信号之间的映 射。船特部分完成信道调制、格状编码和软判参数估计。比特流处理部分完成比 特流的“i 向纠错( f e c ) ，包括比特交织、自动重复请求( a r e ) 检测和响应、 帧分配、比特填充和无线链路安全编码。在准实时的环境管理模块中，使用时问、 频率和空问特征来刻化无线通信环境，包括信道确认并估计其它一些参数，如信 道于扰程度、用户位置等，所有的这类运算可由一个多指令数据并行处理器完成。 利用z l ：线利离线的软件工具，可以实现增量业务增强。例如，为增强用户密度而 ： j 监波束形成擗、均衡器、格状编码器等。以软件为基础的增强功能可围绕管理 刈象束进行，：l j | j 【二棚应的丌放结构的软件接口标准，将数据和相关的执行程序联 系起来。 软件光线电的系统结构和关键披术 图2 2 软件无线电系统的功能结构 f i g 2 2 t h ef u n c t i o n a la r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r er a d i o 在设计舰则上，软件无线电遵循公共论坛制定的标准，以保证体系结构的丌 放性。 因此从概念来看，一个软件无线电系统由硬件平台和软件两大部分组成。 ( 2 ) 软件无线电硬件平台的结构 日时，国内外研究者探讨了多种软件无线电硬件平台结构。主要有 1 ) 流水结构( p i p e l i n ea r c h i t e c t u r e ) 1 6 1 传统的流水型结构如图2 - 3 所示。 h l g h wln d b a ns p e e d m l l l t i 1 卜 r fa d 八 d d c l 卜 d s p v 7 d u cl 叫r b a n d_ 一 a s i c 、ntennari?hi g hs p e e dp r o c e s s i n g ! , o w 3 0 。“ o c l i l g 图2 - 3 软件无线电系统的流水结构 f i g 2 - 3 t h ep i p e l i n ea r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r er a d i o 陔硬件平台的结构与无线通信的逻辑或说功能模块的结构是一致的。但它却 有一些与软件无线电本身不相适应的缺点和局限。可以看出，在这种硬件平台结 构中，虽然乜强调各功能模块的划分和独立，但由于其结构是流水结构在各模 卜 软件无线电的系统结构和关键技术 块之间采用实际电路互连，所以使得模块之间的耦合相当紧密，也就是浇模块的 独立程度不高。在这种结构中，因接收( 发射) 机功能改变而需要增加、去除， 或者修改某一模块时，都难免涉及到相应模块的变动，甚至是总体结构上的改变。 例如，当中频带宽和波道数增加，采用原来的d d c 部件不能满足要求时，就需 要采用更强有力的d d c 部件。如果硬件平台常用上述结构，则由于不同模块间 耦合太紧，使用时必须重新设计整个系统。 2 ) 总线结构( b u sa r c h i t e c t u r e ) 为了使硬件平台具有丌放性和可扩展性，必须要求为各个功能模块制定一个 ( 或少数几个) 统一而开放的接口标准。目前国内外有很多人在研究基于总线结 构的硬件平台，即把各个功能模块通过总线连接起来。s p e a k e a s y 中采用v m e 总线结构。该结构将r f 、i f 、基带和比特流部分组装在一个v m e 系统中，完成 无线系统的基本功能：用工作站将用户接口、研究工具、丌发工具和本地信源编 码解码集成在一起，提供对系统的软件支持。天线，v m e 分系统和工作站构成 一个完整的软件无线电体系结构。 采用总线式结构的好处是：实现起来比较简单，且有多种工业标准可采用； 另外有很多现成的通用功能模块可供使用。但总线结构有一些明显的缺点。在无 线系统中各个相邻功能模块间的数据流是一种流水或称接力机制，而总线式结构 采用的是时分机制。时分机制在这种场合中就显得带宽过窄和控制复杂，同时其 可扩展性也受到限制。所以总线式结构的硬件平台在软件无线电中的应用是有限 的。但可将其思想应用于硬件平台上的低速控制总线，完成信令的处理以及软件 加载或其它控制功能。 3 ) 树状结构( t r e ea r c h i t e c t u r e ) i s 从劓频到中频，数据率在逐渐降低，并且每个分支就是一个独立的信道，具有 较好的扩展性。其结构如图2 - 4 所示。 4 ) 交换网络结构( s w i t c h e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) 1 7 1 一种基于交换的硬件平台结构，如图2 - 5 所示。 该平台通过适配器( a d a p t e r ) 和交换网络为各个功能模块提供统一的数据通 信服务。各个功能模块之问通过数据包交换来传送数据，即功能模块通过适配器 束进行拆包和打包( 类似于a t m 信元) ，并通过交换网络来交换数据。交换网络 可以理解为类似于a t m 交换机，完成数据包的交换。这使得各模块之例的耦合 搬弱，因此该结构具有较好的灵活性和可扩展性。可以设想，各个功能模块都是 相同的由d s p 组成的功能板，它们之间遵循相同的通信接口和协议。在实现某 种具体的通信系统时，可以具体考虑如何配置各个功能板的功能( 可重构性) ， 因为任何两个功能板之恻可以通过建立一个虚电路来进行通信。因此采用上述交 换网络的硬件结构，还可以方便地实现数据地广播和选播，这对硬件平台地可扩 彪性足很重要的。如：a d 模块输出地数据可以送给多个d d c 功能模块使用( 在 r f l 个d d c 功能模块地处理能力有限时) 。这种交换网络结构具有最大的通用性和 灵活肚，它可以适应多种无线通信系统。 软件无线电的系统结构和关键技术 r f f i g2 4t h et r e ea r c h i t e c t u ro fs o f t w a r er a d i o 5 ) 硬件平台结构性能比较 图2 - 5 软件无线电系统的交换网络结构 f i g2 5 t h es w i t c hn e t w o r ka r c h i t e c t u ro f s o f t w a r er a d i o 各种硬件平台的性能比较如表2 1 所示。 表2 1 硬件平台一性能比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o nr e s u l t so f d i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r ma r c h i t e c t u r e 可见总线结构不是很适合软件无线电系统，但出于其实现简单，因此在初期 得到很好的应用。网络结构具有良好的可升级性、通用性和灵活性，因此可用于 不同的无线通信方案中，同时也可以用在其他数据处理服务中。但其一个缺点是 硬件复杂，成本高。树形结构在带宽、时延和有效性上具有优势，但由于其实现 的复杂性限制了其应用范围，一般在方案固定的无线通信系统中使用。 ( 3 ) 软件无线电的软件 1 ) 软件无线电系统“软件化”程度的评价 如何来评价一个软件无线电系统的“软件化”程度呢? 1 9 9 7 年5 月软件无线 乜概念的提 h 者j o s e p h m 在欧洲召丌的软件无线电会议中提到了一种思路：用 个矢量( n ，p d a ，h m ，s f a ) 柬表示系统的“软件化”程度，垓矢量的每一维 坐标敬值可为0 h 3 。其中： 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 ； p d a 是指可编程数字化访问( p r o g r a m m a b l ed i g i t a la c c e s s ) ，即指软 件无线电中数字可编程的程度，分为4 种类型：无可编程性( 完全模拟或固 定功能的数字无线电) 0 ，在基带可编程 1 ，在中频可编程 2 ，在射频 i f 编程 ：j ： 软件无线电的系统结构和关键挫术 i m 指硬件的模块化程度( h a r d w a r em o d u l a r i t y ) ，即指硬件可编程程度， 分为4 类：无可编程性 0 ，系统采用可编程专用模块 1 ，系统采用d s p 2 ， 以及采用f p g a 等 3 ： s f a 指软件模块化程度，也可以认为是软件的可重用性( r e u s e ) ，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 1 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，但硬件平台是一个 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2 2 所示。 软什无线电级圳性质( n ，p d a ，h m ，s f a ) 定功能，包括模拟无线电( ，0 ，0 ，0 ) ，如fm 0 级和数字无线电( ，1 ，0 ，0 ) ，如寻呼机( 1 ，l ，0 ，0 ) l 级基带可编样( ，l ， o ， o ) 中频可编程( ，2 ， 0 o ) 2 级 如s p e a k e a s y ( 1 n ，2 ，2 3 ，1 2 ) 3 级 射频可编鞋理想的软什无线电( n n ，3 ，1 3 3 ) 表2 - 2 软件无线电级别 t a b l e2 2t h el e v e lo fs o f t w a r er a d i o 2 ) 软件无线电系统的软件可重用性i b i 软件无线电系统中的软件是否具有可重用性，是否能够适用于多种由不同硬 件厂商提供的硬件平台已经成为其丌放性评价的重要因素。可重用性至少可以在 两个层次上完成：软件的可重用性和波形的可重用性。这些都依赖于定义套具 柯标准接 】的软件模块。目前国外已经有人1 9 】t 【1 从事这方面的研究。比较典型的 s o f t w a r e a p p lic a t i o n p r o g r a m r h l a y e r a p i p i p r o g r a m l m l a b1e w lr c io s s in t e r f a c o f ) r o t o e o i vlr l u a l m a c h in e w l a y e r h a r d w a r e a i f l i 。l t f o f i l l 是考虑j a v a 及c o r b a 在无线通信领域中的应用。 c o r b a ( c o m m o no b j e c tq u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) ，即公共 对象请求代理体系结构，是由面向对象管理集团( o m g ) 制定的标准。它基于“软件总线”的思想，其目标是建 立一个标准的、丌放的、易用的体系结构。所谓软件总 线，是起到类似计算机系统硬件总线的作用，只要将应 用模块按照标准做成软插件，插入总线即可实现集成运 行，从而支持分布式计算环境。该思想与软件无线电中 的软件可重用性是一致的。此外，为进一步明确问题， m o t o r o l a 公司提出如图2 - 6 所示的结构。 图2 - 6 软件无线电层次模型 l ：i g2 6s o f t w a r er a d i ol a y e rm o d e 一、软件无线f 乜的系统结构和关键技术 在该层次化模型中，软件应用程序完成软件无线电应用系统的功能、体系的 描述，并规定相应的指标、参数。采用应用编程接口( a p i ) 层能够支持应用程 序的再利用，即采用相同的a p i 层接口标准的应用程序可以应用在不同的软件无 线电系统中。可再编程的无线接口协议栈就是与提供a p i 相关的软件模块，如信 源编码，调制解调算法，多址算法，d d c 算法等。这些模块与a p i 层之间有标 准的接口。只要接口不变，模块的改变不会影响用a p i 编写的应用程序的运行。 同时这些软件模块又都是可编程的，可以采用不断发展的新的通信体制和适于软 件无线电的新算法。为了使协议栈与硬件平台无关，引入虚拟机层( v i r t u a l m a c h i n e ) ，也称为硬件抽象层。其目的是掩盖无线通信系统的硬件实现。它与无 线接口协议又一个统一的接口低层a p l 。采用低层a p i 可以使同样的软件加 载到不同厂商的产品或同一厂商的不同系列的产品。该层次化模型的最底层是硬 件。一定的硬件与一定的虚拟机相对应，称为硬件平台。 上述结构能够解决软件无线电中的软件可重用性问题，但其具体标准特别是 a p i 和虚拟机层需要仔细的设计。如对a p i 层，可以采用现存的a p i 标准，在原 理上可以用短时间实现。但由于它们不是专为无线系统设计的，所以应对它进行 修改。例如a p i 应考虑并丌发有关移动化信息及考虑无线系统中可能提供的不同 数据率服务质量。因此，软件无线电系统中软件可重用性的解决，依赖于建立一 个可被广泛接受的无线通信软件标准【i o o 3 软件无线电的关键技术 ( 1 ) 宽带多频段天线及射频前端 就现阶段的技术而言，人们还不能研制出2m h z 到2 0 0 0m h z 的全频段天线。 美国军方已经研制出几个倍频程的宽带天线，但是效率很低。可以采用组合式多 频段天线的方案。s p e a k e a s y 项目把2 m h z 2 0 0 0 m h z 的频段分为3 段：2 - 3 0 m h z ， 3 0 5 0 0m h z ，5 0 0 2 0 0 0m h z ，分频段是很容易实现的。而低噪声前置放大器可达 几个倍频程，这一技术已经成熟。 目前，智能天线在软件无线电中的应用是个研究热点。国内外众多文献从接 收准则、自适应算法、宽带信号波束成形处理、实现技术及测试平台等多方面展 丌研究。文献 1 1 】，【1 2 】在c i ) t “a 网络中定量分析了软件无线电智能天线的性能。 分析表明智能天线的应用能极大地降低话务阻塞率和被迫中断率，降低用户功 耗，提高系统容量。 ( 2 1 模拟信号的数字化 将模拟信号数字化的器件是a d c ( a n a l o gt od i g t a lc o n v e r t e r ) ，对a d c 的要求t 要是采样速率、分辨率和输入信号的动态范围。现有的技术还不能同时 满足刈+ 上述三者的要求。依据n y q u i s t 抽样定理，a d c 的采样速率q ，2 ( o 。( 峨足 软件无线电的系统结构和关键控术 被采样信号的最高频率) 。在实际中，由于a d c 器件存在非线性失真、量化噪声 以及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般选择缺，2 5 c o 。除了n y q u i s t 采样 技术外，软件无线电可以应用一些改进的采样技术。 一交采样技术 正交采样将输入信号分成两路相互正交的信号，可以降低采样率一倍。 带通采样技术 对于带通的模拟信号，可以采用低于n y q u is c 采样率的速度进行抽样，从而 降低对a d c 采样率的要求。需要特别注意的是，带通采样中被采样信号的最高频 率不应高于a d c 的模拟输入带宽。 抖动技术 软件无线电要求接收装置必须有极宽的动态范围，并对微弱信号足够敏感， 在模数转换过程中，加不相关的抖动信号可以提高a d c 线性转换的动态范围。一 般的抖动技术可以使a d c 的动态范围提高几十分贝。 并行a d c 技术 a d c 的高采样率和高分辨率是对矛盾，不能在同一个a d c 中兼得。一个有 效的解决方案是采用并行技术。在模数转换之前加上高速的采样保持电路，然后 通过串并转换将量化速度降低。 以上几种方法都是对接收到的宽带信号直接进行数字化。但是在s w r 接收 机中来自不同信源的大量载波在射频功率上有着很大的不同。比如，在a m p s 系统中远近信号比达8 7 d b ，而在g s m 、i s 9 5 以及w c d m a 中要达到9 0 d b 。 对于这样大的功率差异，要满足最弱信号在接收带宽中的信噪比s n r ，对于现 有的a d c 是难以完成的。过去，为了缓解这样的矛盾，通常采用一些技术，比 如将整个接收带宽分成若干子波段或者在数字化之前先进行对数压缩。然而t 这 些方法不足限制了s w r 系统的灵活性，就是由于非线性( 对数) 信号处理引入 了互凋失真。文献1 4 1 提出一种新的方法，通过对剩余信号而不是原来接收到的 宽带信号进行数字化，大大降低a d c 输入端的动态信号范围。其系统框图如图 2 7 所示。 一 圈2 - 7 新方法系统模型 f i g 2 - 7s y s t e mm o d e lo f n e wa p p r o a c h 软件无线r 乜的系统结构和关键技术 ( 3 ) 高速数字信号处理技术 高速数字信号处理，主要完成数字下变频( d d c ) 基带处理、调制解调、比 特流处理和编码解码等工作。其中数字下变频( d d c ) 是系统数字处理运算量最 大的部分，可以采用专用的可编程芯片完成( 如美国h a m s 公司的d d c 芯片 h s p 5 0 0 1 6 ) 。由于d s p 技术在软件无线电方面的重要地位，目前其发展 非常快，主要的趋势有：在单片d s p 中实现多个m a c 、更多的寄存器、更宽的 程序总线和数据总线；从结构上采用s i m d 以及m i m d ：采用超长指令( v l l w ) 等。随着d s p 技术的发展，上述各个功能均可以用d s p 来完成是可能的。 ( 4 ) 软件下载技术i l 软件无线电技术中，软件是实现软件无线电的关键。电台不同功能的实现取 决于不同的软件，软件下载的灵活性和实时性程度制约了软件无线电优势的发 挥。普遍认为软件下载机制的发展需经过三个阶段：静态、伪动态和动态下载。 静态下载的方法即将s d r 手机预先配置成某种状态，如通过智能卡，将应 用程序、协议及无线接口等软件固化在智能卡中。当手机需要接入另一种标准的 网络时，使用相应的智能卡或者更改现有智能卡的内容。此卡可以和现有的s i m 卡、信用卡相结合提供更多的个人化服务。 伪动态下载方法即在某一时间通过o t a ( o v e r - t h e a i r ) 方式( 1 8 】下载参数使终 端支持相应的应用、协议和无线接口。这一过程对用户是透明的。咳方法假定终 端没有长时侧掉电而错过参数更改的情况。若出现这种情况，可以通过使用更新 的智能卡更改系统参数。 动态下载方法即实时地通过所谓的网络接入信道或全球接入信道下载系统 参数。i b m s 项目【1 叫 z o l 研究了该下载机制。 ( s ) 软件算法研究 软件无线电台的功能是由软件重构的，即由软件算法决定软件无线电台的功 能，而软件又渗透于包括物理层在内的各层协议栈中。软件无线电技术的发展对 软件算法的研究提出了挑战，要以软件实现信道( 信源) 编码、调制解调以