软件无线电的原理与应用_第一章.ppt

1 软件无线电的原理与应用PrinciplesandApplicationsforSoftware DefinedRadio SDR 主讲 曹运合杨明磊单位 雷达信号处理重点实验室办公室 科技楼18层1815室Tel 88201031 8806Email cyh xidian 2 教学目标 掌握软件无线电的基本概念 基本理论 数学模型 工程实现 应用设计方法了解软件无线电发展的新动向 3 教学内容 第一章绪论软件无线电的提出 发展概况第二章软件无线电的基本理论采样定理 多速率信号处理 高效数字滤波 正交变换第三章软件无线电的数学模型第四章软件无线电的硬件平台设计 4 第五章软件无线电的信号处理算法第六章基于软件无线电的智能天线第七章软件无线电的应用 5 参考书目 软件无线电原理与应用 杨小牛 楼才义 徐建良电子工业出版社 SoftwareRadioTechnologies JosephMitolaIII ZoranZvonar 6 教学安排与考核方式 教学安排 主讲14 16次 46课时 考核方式 大作业 理论分析 仿真 7 第一章绪论 教学内容 软件无线电的基本概念发展概况关键技术 8 1 1SDR概念的由来 软件无线电 SoftwareRadio或Software DefinedRadio所谓软件无线电 是指构造一个具有标准化 模块化 开放性的硬件平台 将各种功能用软件来完成 同时使宽带A D转换器尽可能靠近天线 以充分实现数字化 提高可编程性 9 1 SDR提出的背景 起源于军事通信军用电台面临的问题 各军兵种之间使用不同的通信体制 互不兼容 功能单一 而且频带拥挤 大量 非标准 的标准在同时使用 10 为了保证不同设备的互通性 使各军兵种之间实现高效 可靠的协同通信 美国军方开展了研制三军通用软件无线电台的工作 其目标是研制一种 可以包容很宽的无线频带 可以接收多种信道调制方式 具有很强 可互操作性 的无线电台 11 1992年5月 在美国电信系统会议上MITRE公司的JoeMitola首次明确提出了软件无线电的概念 12 2 SDR的中心思想 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注意 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 这个平台具有两个特点 模块化 标准化 以总线方式连接 13 软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚 通过软件实现各种功能 14 软件无线电是一种开放的体系结构 这种开放性包含 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 15 3 SDR的主要特点 具有很强的灵活性通过增加软件模块实现新的功能具有很强的开放性采用标准化 模块化结构硬件可以扩展或更新软件可以升级 16 4 软件无线电的基本思想 由于软件无线电的基本思想之一就是力图从通信系统的基带信号直至中频 射频段进行数字化处理 因此 它是一种比目前任何一个数字通信系统的数字化程度都要高得多的全数字化通信系统 1 完全数字化 17 软件无线电通过一种通用的硬件平台 将通信的各种功能实现完全由相应软件运行来完成 可编程的射频与中频信号处理 宽频段内的可编程的信道调制方式 可编程的信道解调方式 信源编码 解码方式等等 2 完全的可编程性 18 3 系统功能的可扩充性 由于软件无线电通信系统的功能更多体现在软件上 因此 系统的升级只需改变相应的软件 即对软件的升级即可 显然 它比以往对硬件电路的设计与改进更加快捷 通过软件工具可扩展通信系统业务 分析无线通信环境 定义所需扩展增强的各项通信业务 19 4 系统便于实现模块化 利用软件无线电的基本思想 对现行的通信系统均可实行模块化设计 模块的物理及电气接口性能指标符合统一 开放的标准 通过更换单一模块 可以维护或提高系统的性能 也便于系统间复用 20 一方面SDR符合军事上三军协同快速通信的需要 另一方面在民用领域 由于它可以通过软件编程 保持一种硬件平台结构的通用性 所以在移动通信领域内 可以对不同体制进行综合兼容 因此 软件无线电思想及技木的提出与实现是非常必要的 21 1 2SDR的发展概况与应用 为克服美军常规作战中通信方面存在的问题 加速高技术的应用 美国国会于1987年制定了平衡技术倡议 BTI 1990年8月 美国国防部与Hazeltine公司签订了430万美元的合同 开始研制SPeakeasy软件无线电系统的第一阶段工作 22 1994年8月 SpeakeasyI型样机研制成功并进行了技术演示 其演示了以下功能 分别与4种不同的电台通信 同时向两种不同的电台通信作为网桥网关 连接两个不同的 相互独立的 具有不同信号形式的无线网 使信号能透明地传输 演示包括传输话音和数据 23 1995年美军启动Speakeasy二期工程 目标是完成一个实用系统 能兼容美军的15种电台 并能够同时与其中任意4种电台通信 系统的目标是实现一个波形可编程 多频段 多模式电台 Speakeasy多频段多模式电台较完整地体现了软件无线电的设计思想 24 实现各种军用电台的互联互通的多功能无线网关 接入各种军用移动通信网的多功能车载电台 实现各种军用无线系统空中转信的多功能空中平台 实现智能化通信侦察与对抗的通信电子对抗系统等等 SDR应用前景 军事 25 民用将成为软件无线电的更为重要的应用领域 其应用前景可包括 多频段多模式移动通用手机 多频段多模式移动电话通用基站 无线局域网及无线用户环的通用网关等等 SDR应用前景 民用 26 1 3软件无线电的关键技术 1 开放式总线结构及实现现有的软件无线电实验系统中一般采用双总线结构 即 控制总线和高速效据总线 控制总线结构 如VME总线 PCI总线等 尽可能采用现有的工业标准 以便于利用已有的软件及硬件平台 加快开发速度 27 2 宽带 多波段天线这是软件无线电不可替代的硬件出入口 只能靠硬件本身来完成 不能用软件加载实现其全部功能 软件无线电对这部分的要求包括 天线能覆盖所有的工作频段能用程序控制的方法对功能及参数进行设置 实现的技术包括 组合式多频段天线及智能化天线技术 模块化 通用化收发双工技术 多倍频程宽带低噪音放大器方案等 28 3 模数转换部分软件无线电对模数 A D 和数模 D A 转换器的要求很高 主要包括采样速率和采样精度 采样速率主要由信号带宽决定 因为软件无线电系统的接收信号带宽较宽 而采样速率一般要求大于信号带宽的2倍 因此采样速率较高 采样精度在80dB的动态范围要求下不能低于12位 除了进一步提高器件性能外 还可采取多个A D并联使用的方法 29 4 数字下变频部分数字下变频 DDC DigitalDownConverter 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 是系统中数字处理运算量最大的部分 一般认为 要进行较好的滤波等处理 带要对每个采样点进行100次操作 30 5 高速信号处理部分主要完成基带处理 调制解调 比特流处理和编译码等工作 这部分工作用高速数字信号处理器 DSP 完成 这是软件无线电的一个核心部件 但也是一个主要瓶颈 单路数字话音编译码 调制解调能用单个DSP芯片实现 当单个DSP处理能力不足时 可采用多个DSP芯片的并行处理提高运算能力 31 1 4软件无线电的基本结构 1 射频低通采样数字化2 射频带通采样3 中频数字化采样 32 射频低通采样数字化 对