软件无线电技术.ppt

第七讲软件无线电技术 电子科技大学 王洪 无线通信被广泛应用于商业 气象 军事 民用等领域 军方 大量不兼容的协议降低了联合作战的能力 固定 机载 车载 背负 不同公司的产品 沙漠风暴 行动和格林纳冲突 美军各种通信设备的不兼容性暴露无疑 不得不借助许多额外的无线电台 才能保障高效的通信联络 7 1软件无线电概述 1 软件无线电的由来 软件无线电的由来 民用 大量现有及新协议的竞争且互不兼容 无线电系统被割据 受地理范围限制 运营商为此投入大量费用 升级困难 欧洲第一代模拟网 加入欧洲邮电会议 CEPT 的16个国家 分别共使用6种不同的制式 这些模拟通信体系的制式 频率各不相同 不能互通 兼容 那些喜欢到邻国旅游的人们 车一出国门电话就不通了 带来了极大的不便 矛盾的核心 互通性 到底怎么办 1 军方 设计一种能够使用几种不同协议在多个不同频段上运作的无线电系统 即多频段多模式无线电 MBMMR 在单个机箱内放置支持不同系统的所有硬件 不同系统的切换通过改变硬件设备的激活状态 实质是一种组合无线电系统 其庞大的开支 短暂的寿命 使这种设想并没有发挥多大作用 2 可编程数字无线电系统 PDR 对简单参数可编程 允许某种程度的重构 特别是基带处理过程 但无线电系统的主要功能仍由硬件定义 特别是发射和接收部分 3 软件无线电系统 SDR 将更多的无线电基本功能推延到软件领域 使数据转换过程更加接近天线 射频硬件获得更大的独立性 1992年 MILTRE公司的JosephMitola首次明确提出了软件无线电的概念 其中心思想是 构造一个具有开放性 标准化 模块化的通用硬件平台 将各种功能 如工作频段 调制解调类型 数据格式 加密模式 通信协议等用软件来完成 并使A D和D A转换器尽可能靠近天线 以研制出具有高度灵活性 开放性的新一代无线通信系统 目前 采用开放式系统体系结构 OSA 一种非专利 层次化的体系结构 每个层次公开且有明确定义的接口和标准未来 将数字化处理推延到天线端并实现包括天线在内的所有组件的完全可编程控制 4 感知无线电系统 CognitiveRadio 结合人工智能领域的概念 实现的无线电系统能够对所处的环境有所 感知 以软件无线电为扩展平台的一种新的智能无线通信技术 它可以感知到周围的环境特征 并自动调整其设备的一些发射和接收参数 具有感知能力的设备能够在时域 频域和空域多维空间 对较宽的频段不断地进行频谱侦听 能够侦测到这些频段内主用户 从而能得知频谱的使用情况 整个过程可以通过 侦听 感知 自适应 的循环来表示 关键技术 无线电传输场景分析 信道状态估计 功率控制 频谱侦测功能 动态频谱分配 抗干扰技术 2 软件无线电的特点 1 可重构性 改变无线电系统个性化的能力 编程实现 波形 算法等可重构 2 灵活性 不用改变体系结构就能适应可重构的能力 3 模块化 对每种功能的封装 增加或替换模块即可改变系统功能 4 可扩展性 在系统硬件或软件中增加新模块的能力 经得起考验的 future proof 无线电系统 5 可复制性和互信道连接性 共享或交换信息的能力 6 开放性 3 已开发和正在开发的软件无线电系统 1 SPEAKeasy 2 JTRS 联合战术无线电系统 目标 支持的工作频率范围最初为 2MHz 2GHz 可以通过波形软件进行重构 支持话音 视频和数据的应用 在软件和硬件方面都可扩展 利用商业现货组件 能够与不同的波形 传统的装备以及为不同环境而设计的无线电系统进行互操作 应用环境 机载 固定 舰载 车载 背负 手持 实质上是一个无线电系统系列 共享通用的SCA 软件通信体系结构 SCA强调开放式系统体系结构和广泛使用的面向对象的方法 3 WITS 无线信息传输系统 MOTOLARA开发 JTRS SDR论坛的第一个具体例证 系列产品 6004 5004 3004 体系结构特点 具有分布式处理环境 分成红边和黑边 由基于CORBA的SCA促成 4 SDR 3000数字收发机子系统由SpectrumSignalProcessing提供 能够同时支持许多发射和接收信道 每个信道具有独立的空中接口协议 与2G 3G JTRS等兼容 包括输入输出模块 基带处理机和转换模块 5 SpectrumWare麻省理工学院启动 考察学术性软件无线电体系结构 研究通用处理器在实现软件无线电系统方面的适应性 两个关键创新 用于处理系统输入输出的机制 创建快捷而简单的实时功能实现所需要的编程环境 其编程环境支持4个方面的适应性 信号环境 内部算法 用户需求 资源可用性 由Vanu公司研究成果的商业化 6 CHARIOT 适于互操作通信的可变高级无线电系统 弗吉尼亚工学院开发 美国国防高级研究计划局的全球移动信息系统计划的一部分 集中发展3个前沿技术 自适应天线阵 多用户基站和自适应移动接收机 通过创建形式化的结构 在运行环境中使用可重构的硬件实现软件无线电系统 采用3种先进思想 自定义计算设备 基于流的处理和硬件分页 7 其他 可编程模块化通信系统PMCSAtlanticPaw计划美国海军的数字模块化无线电系统大量具有软件无线电特征的产品和实验系统 7 2软件无线电的实例 1 1991年JosephMitolaIII提出软件无线电概念 并各到广泛认可 IcoinedthetermSoftwareRadioin1991tosignaltheshiftfromhardwareintensivedigitalradiosofthe1980 stothemultibandmultimodesoftware definedradiosoftheyear2000andbeyond Lastyear IcoinedthetermCognitiveRadiotorefertothatclassofsoftwareradiothatemploysmodel basedreasoningandatleastachess programlevelofsophisticationinusing planning andcreatingradioetiquettes Cognitiveradioisanemergingtopicwithinsoftwareradio 2 美国军方开始的Speakeasy 易通话 研发 代表软件无线电技术的研究全面开展 易通话电台试图通过全数字 软件可编程 基带信号处理 多频段 小功率射频收发信机 大功率放大器和天线分系统来实现各种功能 目前 易通话已经完成了第一阶段和第二阶段的研究 易通话的两个研发阶段 1 易通话工程的第一阶段 第一阶段主要验证软件无线电概念的正确性 可行性 由美国国防部支持和Hazeltine TRW Lockheed Martin Motorola andRockwell Collins等公司赞助 完成 两个可编程信道的电台实现 VMEbusarchitecture TexasInstrumentquad TMS320C40multi chipmodulefordigitalsignalprocessing SUNSparc10工作站作为主机接口 采用模块设计 19 标准机箱 易通话电台信号处理流程 易通话工程功能方框图 2 易通话工程的第二阶段 在第一阶段成功完成理论验证基础上 研制演示系统 达到下列目标 正真开放式结构 功能软件可编程 能与TF XXIAWEF Irwin March97等电台互通 支持HF VHF UHF多频段 易通话第二阶段的功能模块 MBMMR电台的组成 易通话第二阶段的功能模块 SPEAKEASYMULTIBAND MULTIMODECOMMUNICATIONSTERMINAL 易通话第二阶段的功能模块 SPEAKEASYMULTIBAND MULTIMODECOMMUNICATIONSTERMINAL 3 联合战术无线电系统 JTRS JTRS是美军为了适应三军联合作战的需要 在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统 系统构成的基础是基于MBMMR的战术无线电台 JTR JTR系列电台与常规电台的最大不同点是具有很强的网络功能和信息安全处理能力 另外 JTR比MBMMR电台支持更加广泛的信号波形 它还能适应技术发展进行快捷高效的波形升级 3 联合战术无线电系统 JTRS JTR系统除2MHz 2GHz工作频率外 具有以下技术特性 即插即用通用性 模块化硬件可现场配置 波形软件可现场编程 嵌入式定位 自动向网络输送态势感知 保密的数据网络功能 3个或更多个其他网络模式 3 联合战术无线电系统 JTRS 自动区域或互联网路由选择 动态网络连接 寻址和带宽分配 模拟选定的传统无线电台 动中通 功能 开放式物理结构和软件结构 应未来技术 系统和支援作战结构 可扩展性 联合战术无线电系统 JTRS 4 JTRS提出的软件通信结构SCA 首先提出SCA的是美军联合战术无线电系统 JTRS 目的是建立独立于设备的结构框架 其目标是确保软件和硬件的可移植性和可配置性 并确保根据SCA开发的产品之间的互通 之后 软件定义无线电 SDR 论坛也接受SCA规范 并正在把SCA发展为商业应用的标准 JTRS提出的软件通信结构SCA SCA要达到的八个目标通用的和开放的结构支持多种设备系统和设备运行环境多波段多模式与现有系统兼容新技术的引入 具有开放性保密性网络化软件重用 通用的波形软件 基于SCA的无线通信系统 在SCA中 根据通信功能的划分 所有的资源通过软件平台分别加载到相应的硬件模块中 从而完成用户通信功能 从OSI 开放系统互连 模型来看 这些通信功能包括了物理层的数字信号处理 链路层的协议处理 网络层的协议处理 网络间的路由转发 信息的安全传送 外部输入输出访问等 下图是基于SCA的无线通信系统方框图 SCA的软件结构 SCA的软件结构定义了一个运行环境 OE OperatingEnvironment 还包括一系列CF业务和结构化的软件 主板支持软件包 操作系统和服务 CORBA中间件 SCA使用的是面向对象的开发方法 其开发过程不仅可以用于框架的定义 还可以用于产品的开发 SCA使用联合建模语言UML对接口进行图示建模 使用接口定义语言CORBAIDL对接口进行定义 在民用方面 软件无线电也取得了很大的发展 如 已经研制成功的220MHz地震遥测系统 采用16QAM的调制方式 信道带宽为20kHz 频带利用率为3b s Hz 利用这种设备 不但降低了成本 还提高了系统的灵活性 又比如3G 4G中的应用 4 军事上成功 是软件无线电技术迅速在民用上推广 7 3软件无线电技术的研究内容 1 软件无线电基本平台设计一般说来 软件无线电主要由天线 射频前端 宽带A D D A转换器 通用和数字信号处理以及各种软件组成 理想的软件无线电的组成结构如下图 目前 软件无线电的结构基本上可以分为三种 射频低通采样数字化结构 射频带通采样数字化结构 宽带中频带通采样数字化结构 2 硬件功能的模块化设计软件无线电的硬件具有开放性 其硬件必将采用总线结构 采用标准的 高性能的开放式总线结构便于硬件模块的不断升级和扩展 工业控制总线的总线标准很多 例如ISA PCI VME等 其中 针对多处理系统而设计的VME总线被广泛的应用于工业控制之中 也是软件无线电选择的总线之一 下面给出一个基于VME总线的简单的软件无线电硬件结构图示 3 软件的模块化设计和面向对象编程 软件无线电的软件应具有开放性 可以不断更新或者升级 而软件的加载可以通过空中接口实现 使用起来快捷方便 同时 应根据API来进行区分 进行模块化 采用通用对象请求代理 CORBA 技术 以面向对象方法为基础 为分布环境中各类网络互相访问 协同工作提供了一个一致的服务平台 CORBA能够无缝的共享应用数据 它提供了一种软总线 概念说明 CORBA 是一种规范 用于解决面向对象的异构应用之间的互操作问题 提供分布式计算所需要的一些其他服务 使用CORBAIDL可以描述CORBA中间件接口 软件的模块化设计和面向对象编程 软件的模块化设计和面向对象编程 4 软件化及软件化程度的评价 我们知道软件无线电是要在通用的硬件平台上 靠软件来完成各式各样的功能 因此 软件化的程度是一个很重要的指标 1997年JoeMitola提出用矢量V N PDA HM SFA 表示软件化程度 每个参量的取值均为0 3 5 智能天线技术 我们知道软件无线电是要实现多波段 多制式电台的互通互连 必然要引入多天线技术 软件无线电技术与数字多波束形成 DBF 相结合的完美产物就是智能天线技术 实际上智能天线技术已经成为下一代移动通信系统的关键技术 6 软件无线电理论和信号处理算法 软件无线电是建立在一个具有高速处理能力的通用平台上 因此DSP处理成为软件无线电的核心 从采样理论 多速率信号处理 到通信信号理论 波形生成算法和信号处理算法 许多新概念 理论和算法成为软件无线电的根本所在 7 4软件无线电数学模型 软件无线电的宗旨 1 尽可能地简化射频模拟前端 使A D转换尽量靠近天线 数字化后的信号尽量多用软件处理 2 硬件平台应具有开放性 通用性 软件应具有可升级性 可替换性 软件无线电可分为三大组成部分 基于采样方式的不同 软件无线电的组成结构可以分成以下3种 1 射频全宽带低通采样软件无线电结构2 射频直接带通采样软件无线电结构3 宽带中频带通采样软件无线电结构 射频全带宽低通采样软件无线电结构 组成结构如图所示 射频直接带通采样软件无线电结构 组成结构如图所示 宽带中频带通采样软件无线电结构 组成结构如图所示 7 5信道化软件无线电发射机模型 前面的两种结构模型只能对单个信号或有限几个信号进行调制发射 如果信道数比较多 则多通道方案就显得过于