软件无线电技术要点.ppt

现代通信技术进展 第四讲 软件无线电技术 一 概述 无线通信技术经历了从第一代模拟式到第二代数字式的变革后 目前新一代无线电台即 软件无线电台 正在兴起 移动通信 第一代是采用 的模拟蜂窝移动通信系统第二代是数字移动通信系统 根据采用标准不同又分为 系统 系统等 个人通信系统 为第三代 它要达到的目标是 任何人在任何时间 任何地点都可以和其他任何人进行通信 通信技术的作用 一方面使通信产品的生存周期缩短 开发费用上升 另一方面 新老通信体制共存 各种通信系统之间的互联变得更加复杂 困难 这在军事通信中尤为突出 JoeMitola说 在1992年5月的全美远程系统会议 Nationaltelesystemsconference 上 Mitre公司的科学家JoeMitola在同IEEE的一位会员谈话时 首先提出了软件无线电的概念 软件无线电基于一硬件平台 其 变换应尽量地靠近天线 而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现 美国利用软件无线电技术的主要工程是联合战术无线电系统 旨在提供2 2000 频段的视距 和超视距 话音 图像和数据传输 以代替一系列战术电台 可以看作是 易通话 工程的延续 以雷声公司的指挥 控制 通信与信息系统分公司为首的承包小组 包括 工业公司 罗克韦尔柯林斯公司和马可尼 公司 已定义了 的体系结构 这是消除各军兵种间和联合作战互通性这一基本问题所迈出的坚实一步 雷声公司牵头的研究小组于2000年12月交付了软件通信体系结构 的最新版本 这是开发 应用程序的基础 交付软件通信体系结构是 工程的第1和第2 阶段 其它生产厂家包括哈里斯公司 波音公司 摩托罗拉公司和 公司在内的制造商正在对不断演变的软件通信体系结构标准进行验证 这属于2 阶段 哈里斯公司以其 117 费尔康 多频段电台为基础 实现其软件通信体系结构合同中自己的那一部分项目 3 德国 公司已研制成功了用途非常广泛的高质量软件无线电系列 3 3 4400系列 和 3 6000系列 其通用性表现在3个方面 多频段 多功能和多模式 3 可作为战斗网电台在战场网络中进行半双工话音和数据传输 作为功能性终端集成到分组无线网 具有分组数据传输的多跳功能 在干扰和重新分配电台的情况下能实现路由自适应 它还可以作为距离扩展节点 用于在不同通信频段和保密配置的电台间建立话音和数据服务 作为无线接入点 时 3 可为固定网络提供接口 它还具有智能网关和转信功能 3 3 3 覆盖的频段包括 频段 战斗网电台 的 频段 地 空通信的 频段高端以及地 空和卫星通信的 频段 多功能性意味 多功能性意味着除了进行话音传输外 还可以进行自动数据处理 并以较高的数据率进行数据传输 软件无线电的发展简史 最初软件无线电只是以美国为中心在军用通信领域内开发 形成软件无线电的基本概念 到1994年开发成功并做出了软件无线电样机 SPEAK easy 软件无线电系统的发展 软件无线电体系结构 软件无线电台的军事背景 如何打赢未来以信息战为主要作战样式的高技术条件下的局部战争 已成为各国军队研究探讨的主要课题 信息战和数字化战场等新概念表明 现代战争的指挥自动化体系对军事通信保障能力提出了更高的要求 即要求尽快提供军队通信保障的协同 机动 保密 抗干扰和抗毁五种能力 长期以来 军用无线电台都是针对某些特定用途而设计的 各种电台虽有许多共同功能 但也有很大差别 如不同的工作频段 调制解调方式等 这些差别显示了各种电台为完成不同的军事通信任务的需要 同时也限制了不同电台之间的互通 即使是同一部队 由于军事目的不同 有时也必须装备不同的无线电台 1 2软件无线电台的概念 软件无线电台是继模拟无线电台 数字无线电台之后的新一代 第三代 无线电台 它意味着无线通信从模拟走向数字之后 又迈向了软件的新时代 软件无线电收发信机结构 软件无线电的核心 其核心是 集中使用宽带A D D A转换器并尽可能地靠近天线 无线电功能尽可能地通过软件来实现 其基本思想在于使所有电台都基于同一个硬件平台 通过安装不同的软件模块 利用软件升级或版本更迭来实现通信装备的更新换代和新老电台之间的兼容 以达成三军互通 以及多速率话音编码等多种工作方式 软件无线电的关键技术 其关键技术包括宽带天线和射频变换技术 宽带A D和D A变换技术 中频和基带部分的通用可编程处理器技术 软件无线电的最终目标就是所谓的多波段多模式MBMMR Multiband Multi modeRadio 它覆盖2 2000MHz的频段 用软件实现SSB FM AM等多种模式以及扩频 跳频 高频自适应 高速调解器 多速率话音编码等多种工作方式 软件无线电的基本特征 与传统的通信体制相比 软件无线电有以下几个特点 系统功能软件化 软件无线电将 变换尽量向射频端靠拢 将中频以后全部进行数字化处理 使通信功能可由软件来控制 系统的更新换代变成软件版本的升级 开发周期与费用大为降低 数字化 它是已经充分数字化的无线电台 即从信源基带信号处理到射频信号的发送与接收都已经尽可能地实现了数字化 完全的可编程性 它是具有 完全的可编程特性 的数字化无线通信电台 这是指软件无线电台能通过更换程序或模块插件来适应多种频段和多种工作方式 多频段转换 具有性能良好的多频天线和可程控的多频段和多功率的射频转换能力 具有宽带的 能接近天线的A D和D A转换能力 模块化设计 采用标准的 高性能的 开放式的总线结构 能支持并行 流水线和异种多处理机 支持模块化设计 多种业务 利用可编程特性可以方便地 低成本地增加或改进无线通信的业务功能 移动式的信源终端应允许多种通信业务 话音 传真和数据等 的接入 标准基站具有与公共交换电话网 PSTN 互通的能力以及对本省系统的维护能力 二 基于软件无线电技术的接收机 传统超外差接收机是模拟和数字系统的混合结构 这种接收机的特点是采用模拟前端 仅在DSP处理前的基带才将模拟信号转换成数字比特流 密度较大的区域 一个蜂窜基站需要许多这样功能相似的窄带接收机 这种接收机最大的弊端就是缺乏可编程灵活性 为了克服传统接收机的缺点 人们提出了软件无线电概念应用于蜂窝基站中以适应现有和未来的标准发展 应用软件无线电概念的接收机 2 1A D转换技术 在软件无线电接收机中 A D转换器常用于模拟信号的RF或IF的宽带数字化 而不是在基带采样 A D高采样速率及宽模拟输入带宽把宽带信号转换到信号处理子系统 不管是过采样还是欠采样 采样频率越高 可恢复的带宽潜力越大 A D转换器的关键特性 A D转换器的主要技术特性包括采样速率 信噪比 SNR 实际信噪比 SINAD 有效比特数 NOB 总谐波失真 THD 互调失真 IMD 无寄生动态范围 SFDR 量化噪声 分辨率以及动态范围等等 2 2可编程数字下变频器 PDC 由于软件无线电的大部分功能都希望用软件来完成 所以运算量非常大 即使采用较快的设备 DSP仍不用软件实现本身的下行转换 采用可编程下变频器 PDC 把必须处理的操作减少到可用DSP中软件处理的水平 PDC PDC的典型代表为Harris的HSP50214 HSP50214可将数字IF数据下变频到基带数据并滤波 然后能够用标准DSP微处理器进行处理 PDC实现功能包括下变频 抽取 窄带低通滤波 增益控制 重新采样和笛卡儿极坐标转换 为什么要使用数字本振 传统无线接收机中模拟下变频采用模拟本地振荡器 正交相位分化性能受静电和温度影响 另外 A D转换器的放大器和滤波器过程也引入了同相 I 和正交 Q 数据增益的不平衡 由模拟器件引入的这些缺点将导致基带微处理器采样及符号判别的性能下降 软件无线电研究中 数字IF调谐由数字控制振荡器 NCO 实现 采样IF输入信号通过数字混频器和正交NCO下变频至基带 现场可编程门阵列 FPGA 现场可编程门阵列 FPGA 就是带有可编程互连和逻辑功能的门阵列 并且成品也可被重新定义 FPGA最初被用于制造快速的ASIC 现在 采用大容量动态可重构FPGA设计系统 可使硅晶片尺寸不再受所能支持空中接口数量的限制 同时又增加了现场高灵活性 FPGA FPGA通常由块阵组成 每一块包括逻辑块和连接逻辑块的互连资源 FPGA逻辑块通常包括n个输入的查找表 LookupTable 简称LUT n通常在3 6之间 并触发存储数据 通过采用复路器 mux 可选择不同的输入信号组合 DSP技术在软件无线电接收机中的应用 采用DSP后的接收机 中频的模拟数字接口由一对高速ADC DAC组成 核心部分主要是一块高速DSP 外加一片CPU 构成一个开放式模块化结构 接收机利用DSP完成相应的信号放大 滤波 解调等功能 软件无线电接收机的硬件结构如图所示 DSP在进行各项信号接收处理之前 首先要对ADC输出的数字信号进行低通滤波 滤除有效信号带外的干扰成分 并通过抽取和内插技术 去除数字滤波后信号频谱中的高次谐波 保留有效信号的频谱成份 以便作进一步处理 DSP的工作是调用具有各种处理功能的实用程序 对接收到的各类调制信号进行软件解调接收 DSP处理接收信号的软件流程 DSP能即时响应来自CPU的控制命令 实时调用相应的处理程序模块并更新相应的参数 完成CPU所设置的各项功能 DSP对接收信号的处理过程可以用如图所示的流程来描述 软件无线电接收机设置的各种工作模式及解调方式 由CPU以命令格式发送DSP DSP通过串行口中断方式接收CPU发送的命令数据以及ADC输出的数字信号 然后 DSP按CPU命令指示 对接收到的数字信号完成各功能的处理 经过DSP解调处理后的数据再由串口发送给DAC 由DAC输出解调接收后的模拟信号 DSP实现信号解调的算法模型 一个线性调制信号可用图的等效模型来实现 其中hI t 和hQ t 是产生线性调制信号的同相和正交滤波器 对于不同的线性调制 滤波器hI t 和hQ t 的冲激响应也不同 实现正交相干解调时 DSP把接收到的信号样值分成两个支路I n Q n 然后分别与同相载波CI n 正交载波CQ n 相乘 再分别经数字低通滤波器滤除有效带宽外的频率分量 最后获得基带数字信号yI n yQ n 具体过程如图所示 软件无线电技术中的智能天线技术 智能天线的基本思想是 天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号 来自窄波束以外的信号被抑制 智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化 智能天线的 智能化 正体现于此 软件无线电对智能天线的支持主要体现在 1 软件无线电结构为智能天线的实现提供了方便 2 在天线确定以后 不同的准则或算法将导致不同的性能 软件无线电的开放式结构使得在硬件系统确定后还具有改善和更新系统的能力 3 在抑制干扰方面 难有一种普遍适用的最佳算法 采用软件无线电技术 可以汇集多种算法于同一系统 以便系统能够对抗各种干扰 提高系统性能 4 不同的通信系统要求不同的智能天线系统 软件无线电结构特别适用于具有复杂的接收环境的CDMA移动通信系统 三 软件无线电系统的关键技术 软件无线电的关键技术涉及以下几个方面 3 1软件无线电的结构 在第三代移动通信系统中完全彻底地实现软件无线电技术还需要较长时间 目前只能采用DSP 可编程硬件 FPGA等 不可编程硬件三者结合的方法来实现 如何在这三者之间进行功能划分和性能指标分配 应当引起注意 3 2电磁兼容 考虑到软件无线电中射频部分和中频基带部分相互之间会有很大的电磁干扰 实现时应把这两部分做成相互独立 较为封闭的结构 但这样就必须在这两部分之间设计一些接口电路 以实现信号传输 这样无疑会增加系统的体积和成本 在降低电磁干扰和减小系统体积之间应找到一种折衷的办法 3 3高速A D的研究 由于A D器件性能的局限及采样时引入的频谱混迭 量化误差等因素 会对软件无线电台的性能产生不良影响 但这种影响尚缺乏定量分析 3 4信息论在软件无线电研究中的作用 信息论对通信系统发展所起的作用众所周知 在软件无线电的研究中 也应追根溯源 从信息论的角度来进行分析 3 5软件的设计 为了实现软件无线电台的开放性 我们把软件无线电台上运行的软件分为三个层次 应用程序 应用程序接口 API 和操作系统 这种划分的科学性还有待验证 四 软件无线电发展趋势 根据目前的发展 由于受到利益驱使和应用场合的限制 在世界范围内无线移动个人通信不可能统一到一个体制上 在不同的应用场合 不同的体制有其固有的优越性 是其它体制所不能代替的 因此不同体制的互联性已成为一个重要的讨论课题 多种体制并存是未来无线通信系统的必然趋势 4 1全球软件无线电产业间的合作将加强 为使国际接受无线接口层真正的动态重构产品 应扩大全球产业之间的合作 加强国际范围的协商和交流探讨 如何建立国际管理体制管理对软件无线电技术有广泛兴趣的运营商 用户 国家政府 民间团体 制造商 这是影响未来发展趋势的主要问题 4 2可提供具有市场活力的新业务 应用下载和移动因特网接入已开始运营 预计具有市场活力的移动业务将快速增长 目前移动运营商都把这种情况看作新的机遇和挑战 提供这种具有市场活力的新业务应是软件无线电未来的发展趋势 4 3实现软天线和软基站技术 软天线在移动网络中的潜在效益已被GSM和其它系统所证实 宽带第三代系统的出现为软天线提供了新的机遇和挑战 软天线与软基站的完全综合将是实现第三代系统的全部潜力的关键 下个世纪初 软天线的增值业务将受到肯定 为使未来的产品易于演变 越来越多的人认为软件无线电基站和软天线的自适应处理之间需增加结构协同 所以目前需正确选择基站的结构 4 4增强自适应频谱管理 频谱资源目前被永久性地低效率地分配给了实际使用率较低的系统 软件无线电技术通过自适应频谱管理 ASM 为充分利用这种已浪费的资源提供了工具 可以预测扩展这种基本能力以便动态协调的潜力 不仅包括频率和时空的使用 而且包括优化空中接口 与发射功率和调制方式相适应 同时也扩展了跨越大量无线频谱的协调运作 这种协调方式应包括业务优先信息 以便保证用户终端服从紧急或防御业务需要的频谱 所以通过软件无线电增强自适应频谱管理将是未来的发展趋势 4 5对通信产业的影响力将加大 任何一种主要技术的发展都会带来相关基础工业的发展 软件无线电也不例外 软件无线电的许多潜在效益存在于价值链的不同层次上 最终的影响取决于如何使这种技术发展商业化 由于更多的功能是在软件上实现 最终的产值将从硬件向软件转移 目前全世界软件无线电的参与者正致力于确定软件无线电技术在产业价值链中的定位 未来软件无线电在应用层的实用将为网络运营商提供新的发展机遇 它将从不同途径对个人通信 实际上也对其它产业产生深刻的影响 五 软件无线电技术在欧洲的前景 1998年6月在希腊Rhodes 举行了第一届国际软件无线电专题研讨会 接着举行了第三届ACTS移动通信的高峰会 大量相关合作的泛欧研究项目已在欧洲委员会的先进通信技术和业务 ACTS 计划中着手进行 软件无线电技术已成为由欧洲委员会目前正在组织的新的第五种体制中最初的R D的重要项目 现已启动 5 1欧洲和北美 在欧洲7年前才起动的全球移动通信系统 GSM 数字蜂窝无线电发展非常迅速 所以目前对于PC和话音电话业务 欧洲人已习惯于简单的全球无线接入 当他们跨越整个欧洲和世界的大部分国家时 漫游已不成问题 跨越边界的所有地区接入是可以设定的 5 2软件无线电手机 80年代 制造商引入在可编程DSP平台上采用自适应信号处理的软件定义的数字高频 HF 接收机以适应不同标准的空中接口 90年代 这种技术在较高频率上已被应用到其它方面 如SMR和军用电台 灵活的综合无线电系统技术 FIRST 项目评估实现软件重构空中接口的多个方面 该项目由四个演示的多模式试验床构成 在这四个多模试验床中 两个配置为移动台 两个配置为单信道收发基站 欧洲目前调研及以上所介绍的主要研究方向包括 改进总的接收机结构 发展RF硬件及RF半导体处理技术 发展基带DSP结构 包括专用加速器和软件可编程硬件重构 发展软件无线电结构和算法 包括与其它先进处理概念的结合 波形和多信号提取 软件无线电在中兴基站中的应用 软件无线电在中兴基站中的应用 软件无线电在中兴基站中的应用 软件无线电在中兴基站中的应用 软件无线电在中兴基站中的应用 研究内容和关键技术 天线软件无线电台要求能够在从短波到微波相当宽的频段内进行工作 所配备的天线也必须能够覆盖整个频段 最好能研制出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 能够覆盖所有常用的无线通信频段 并且在整个频段和方向上都具有近似相同的接收特性和很低的功率损耗 这是软件无线电天线研制的最终目标 但是以目前国内外宽带天线的技术水平 设计制造这样的全频段全向天线是很不现实的 多载波功率放大器 MCPA 理想的软件无线电在发送方向上把多个载波合成一路信号 经过上变频后 用一种多载波信号功率放大器 MCPA 对宽带的模拟混合信号进行放大 因为混合信号中信号与信号的包络幅度相差很大 所以对放大器的非线形特别敏感 MCPA采用前向反馈技术抑制不需要的互调载波 得到有效的功率利用率 3 高速宽带A D D A变换 数字化是软件无线电的基础 模拟信号必须经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换成模拟信号才能进行射频放大输出 完成这些功能的就是各种A D D A转换器件 5 并行DSP处理器 运算速度快 软件电台要求在射频或中频对数字信号进行数字处理 需要很大的运算量 普通处理器不能胜任 因此DSP必须具有高速的指令执行速度 同时还要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的能力 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的影响 在实际处理过程中会产生误差 并随着运算的增加逐渐积累 要求数据一定要具备足够的精度并且处理器支持高精度运算 才能尽可能减小这些误差 DSP至少也要支持32位浮点运算的能力 并行DSP处理器 高速数据交换能力 软件无线电台在工作时 各个处理模块之间需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I O吞吐能力 才能保证对信号进行实时处理 支持几百个SHARC同时工作 基于软件无线电的CDMA系统中基站接收单元的实现 它主要由射频前端 数字下变频器 DSP处理板 接口模块和系统控制器组成 射频前端接收发送到基站的信号 完成从射频到中频的频谱搬移 信号