第二章 软件无线电综述.ppt

软件无线电基础,任课老师：杜青松,信息科学与工程学院,第二章软件无线电综述,3,本章学习的主要内容,软件无线电的定义,1,软件无线电的起源,2,软件无线电的理想结构,3,软件无线电的关键技术,5,软件无线电技术的应用,6,软件无线电的发展,4,4,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,无线通信是通信领域中最为活跃的部分，在各个方面都得到了广泛的应用。无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。我们的世界正由于无线通信的长足发展而变得越来越小。,5,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,然而，无线通信在给我们的生活带来便利的同时也面临着许多的困扰。例如：移动通讯市场多种体制并存，从某种程度上促进了移动通信的发展，但其极大地限制了移动通信的全球性发展。新的通信体制和“标准”不断提出，通信产品生存周期缩短，开发费用上升；,6,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,多种通信体制共存，对多种体制间互联的要求也日趋强烈；随着移动通信制式、标准种类的不断增加，需要的频率资源增加，频率分配、管理更为困难。如何实现不同制式、不同标准的移动通信设备之间的兼容、互联、互通、资源共享？,7,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,又如：在“沙漠风暴”行动和格林纳达冲突，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。,8,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,矛盾的核心是：不同无线设备的互通性,为了解决互通性的问题，各国军方积极探索，提出一种研制多频段、多功能电台，用一系列的电台来解决互通问题的方案。但是，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。,9,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,能否想象有一种无线技术，这种技术配置一个无线终端设备便可用于任何通信应用之中。例如该终端可以用于蜂窝网的手机、传呼机、卫星接收机终端，也可以用于简单的收音机，甚至车库遥控器。,10,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,让我们来联想一下个人计算机（PC）个人计算机是一台通用的设备，我们给PC安装上不同的软件，PC就可以完成很多完全不同的工作，如观看视频、听音乐、编辑文档、打游戏等。这是PC的功能就像一台专用的视频播放器，或音响，或打字机等。如下图所示。,12,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,我们设想有一种无线设备，该设备就像一台通用PC机一样，能够满足多种无线通信的需要，使用一台无线设备可以在不同环境充当手机、或卫星接收机、或车库遥控器等，如下图所示。,14,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,在一台无线设备上，通过下载不同的软件将该设备重配置成不同功能的无线终端，这种技术就是软件无线电技术。软件无线电技术的前景无疑是非常诱人的，一台软件无线电设备就是无线通信世界中的个人计算机。,15,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,1992年，MILTRE公司的约瑟夫米托拉（JosephMitola）在1992年5月“美国远程系统会议（NationalTelesystemsConference）”上首次明确提出了软件无线电（SoftwareDefinedRadio，简称SDR）的概念。,16,无线电发展过程的困扰,2.1软件无线电的定义,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。,17,软件无线电的定义,2.1软件无线电的定义,目前，有关软件无线电的定义并不统一。本课程分别给出JosephMitola和软件无线电论坛对软件无线电的定义。JosephMitola的定义：软件无线电是多频带无线电，它具有宽带的天线、射频转换、模数和数模变换，能够支持多个空中接口和协议，所有方面（包括物理空中接口）都可以通过软件定义。,18,软件无线电的定义,2.1软件无线电的定义,软件无线电论坛的定义：软件无线电一种新型的无线体系结构，它通过硬件和软件的结合使无线网络和用户终端具有可重配置能力。软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案，可以通过软件升级实现功能提升。,19,软件无线电的定义,2.1软件无线电的定义,综合而言，软件无线电系统就是一种用软件控制和再定义的无线电系统，用不同的软件模块就可以实现不同的功能；软件模块还可以像计算机软件一样升级换代，以适应新的功能或业务。换句话说，就是同样的无线硬件设备可以通过软件定义来完成不同的功能。,20,软件无线电的特点,2.1软件无线电的定义,1、可多频带/多模式/多功能工作：(M3,Multiband/Multimode/Multirole)。多频带是指软件无线电可以工作在很宽的频带范围内；多模式是指软件无线电能够使用多种类型的空中接口，其调制方式、编码、帧结构、压缩算法、协议等可以选择；,21,软件无线电的特点,2.1软件无线电的定义,多功能是指采用相同的无线电设备可以用于不同的应用中；另外，强调多频带/多模式/多功能同时通信的能力，比如同时在两个或两个以上频段收/发信号。,22,软件无线电的特点,2.1软件无线电的定义,2、具有可重配置、可重编程能力。可重配置是指系统的操作软件（包括程序、参数以及硬件结构控制软件）根据需求改变；软件无线电采用多个软件模块在相同的系统上实现不同的标准，只需要选择不同的模块就可实现系统的动态配置。,23,软件无线电的特点,2.1软件无线电的定义,3、功能的灵活性软件无线电的功能由软件决定的，软件模块可以通过空中接口或人工下载的方式获得，以增加或改变其无线电功能，因此其功能的使用和配置非常方便、灵活。,24,软件无线电的特点,2.1软件无线电的定义,4、结构的开放性软件无线电的结构分为硬件和软件两大部分。这两大部分都具有模块化和标准化的特点，是一种开放式的体系结构，使得研制、生产和使用各环节可以共享已有成果，共同推进软件无线电技术的发展。,25,硬件无线电,2.1软件无线电的定义,所谓硬件无线电，是指无线电设备的功能由硬件结构确定，系统的工作没有软件参与或只有很少一部分有软件参与，它们在功能上是固定的。硬件无线电是我们目前接触最多的无线设备，从收音机、电视机到移动电话。模拟无线电、数字无线电都是硬件无线电。,26,硬件无线电,2.1软件无线电的定义,模拟无线电系统中，系统的功能完全由各种特定功能的固定模拟电路模块组合而成，其功能不能发生任何变化。数字无线电技术出现以后，构成收/发通道的很多电路模块数字化了，而且引入了数字信号处理，使原来模拟无线电系统的一些功能可以通过软件实现，具有一定的可重配置能力。,27,硬件无线电,2.1软件无线电的定义,数字无线电系统的可重编程、可重配置能力不强，虽然能够采用软件方式处理数据并控制系统，但系统的主要功能是不能改变的(特别是跟频段、调试样式、空中接口等关键因素相关的决定无线电系统体制的功能）。因此仍然属于硬件无线电体制。,28,硬件无线电,2.1软件无线电的定义,由于硬件无线电功能固定，因此无论对于设备生产商、运营商还是用户而言，其使用周期都较短，将不可避免地很快被淘汰或替代。尤其是在面对多频段/多模式/多功能应用的时候代价更高。软件无线电在这方面具有显著的优势，如下图所示。,30,软件无线电的优势,2.1软件无线电的定义,为技术和产品研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台，大大降低开发成本和周期为设备制造商降低投资风险，提高经济效益为运营商降低投资风险为最终用户提供了一个通用的终端设备平台,31,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,软件无线电技术最早是由军事通信技术发展而来的。虽然软件无线电的明确提出是在20世纪90年代，但其概念最早起源于20世纪70年代末美军对VHF频段多模式无线电系统的开发。长期以来，美军军用无线电设备都是针对某些特定用途设计的。,32,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,当时美军的不同军用无线电设备存在着很多差异：不同的射频载波频率和空中接口不同的调制方式不同的波形结构不同的功能和用途，如导航、雷达、通信等,33,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,后果：军事无线装备品种多、系列多不同无线装备互通差、协同难不能适应未来海、陆、空一体化、立体化作战的需要尤其是空军，空中作战平台的空间重量有限，不能携带过多的无线装备,34,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,美军在20世纪70年代末启动了通信、导航和识别综合航空电子系统的开发计划ICNIA开发目标：开发一种工作在301600MHz的多功能、多频带的航空无线电系统，以整合原来各分离系统的功能。样机于1992年成功进行了测试，成为世界上第一种可编程的无线电系统。,35,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,该计划奠定了美军第四代作战飞机的机载电子设备的技术基础。美军在该计划的基础上为第四代战机研制了高度综合化的航空电子系统，将通信、导航、识别整合为一个可编程的CNI系统。CNI系统支持35种不同的通信、导航和识别的信号波形，可以提供从VHF到K波段的无线电通信。,36,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,CNI系统是由一系列不同类型的通用模块实现的，系统的各种通信、导航、识别功能的实现是在通用模块的支持由软件实现的。在20世纪80年代末，美国空军又发起了战术抗干扰可编程信号处理器计划，该计划的目的是开发采用模块化方式的具有同时多波形处理能力的处理器。该计划后期演变成SPEAKeasy计划。,37,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,SPEAKeasy计划是美军的软件无线电通信电台开发计划，主要开发面向未来军事需求，具备多媒体网络操作功能的无线电系统结构和技术，以解决多兵种之间的互通问题。这个计划首次试图将美军已有的无线系统整合为一个系统。,38,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,SPEAKeasy计划完成后，美军开始研制面向全军的软件无线电设备-JTRS电台。JTRS旨在为海、陆、空各种环境下的指战员提供横向和纵向跨频段的网络连接，是数字化战场中作战人员通信联络的主要手段，支持美军未来的“2010联合构想”。JTRS计划还推出了国际软件无线电商用标准的软件通信结构SCA.,40,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,在军用无线电中采用软件无线电的优势是显而易见的：可以随时改变保密编码、调制模式、信道带宽、数据速率、语音编码类型等可以重新配置以适应工作环境的变化（比如传输信道的特性变化）能够有效阻止敌人的截获,41,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,军用无线通信的需求和发展对软件无线电的起源和发展起到了至关重要的作用。同时，民用无线通信对软件无线电技术也有着强烈的需求。民用无线通信同样存在互通性差的问题。不同制式、不同标准的无线通信体制导致用户需要不断购买新的终端，造成较大经济负担,42,软件无线电的起源,2.2软件无线电的起源,现在的民用无线通信系统竞争非常激烈，任何可以为用户或服务商提供更好性能或服务的系统都可能在竞争中获得优势。软件无线电终端通过软件下载方式就可以进行重新配置，适应不同体制、不同标准的通信需求，获得新的服务。因此，软件无线电将是一个解决全球无线通信需求的最佳方案，将成为未来无线通信设备设计的核心。,43,理想的软件无线电体系结构,2.3软件无线电的理想结构,44,理想的软件无线电体系结构,2.3软件无线电的理想结构,理想的软件无线电体系结构中，包含一个数字子系统和一个简单的模拟子系统。模拟子系统包括天线、射频滤波、射频切换、接收机前置低噪声放大、发射机功率放大器等，这些部分没办法用数字器件实现，是软件无线电系统中不可缺少的模拟部件。,45,理想的软件无线电体系结构,2.3软件无线电的理想结构,理想软件无线电体系结构的关键在于：模数变换和数模变换尽可能接近天线。接收机部分的ADC紧跟在低噪声放大器之后，发射机部分的DAC在功率放大器之前，载波的分离和上、下变频到基带都采用数字处理系统来完成。同样的，信道编码、星座映射等操作都在基带采用数字方式实现。,46,软件无线电技术的发展,2.4软件无线电的发展,根据软件在无线电系统中的参与程度，可以将软件无线电的发展细分为5个层次：第0级为数字硬件无线电。系统不能做任何修改，系统操作由开关、拨号盘和按钮等硬件设备完成。,47,软件无线电技术的发展,2.4软件无线电的发展,第1级为软件控制无线电（SCR,SoftwareControlledRadio）。系统通过软件实现控制功能，但在不改变硬件的条件下，通过软件控制无线电设备是不能改变像频段或调制方式这样的特征参量的。,48,软件无线电技术的发展,2.4软件无线电的发展,第2级为软件定义无线电（SDR,SoftwareDefinedRadio）。系统使用软件对调制、宽/窄带、信息安全、波形产生和检测等方面的具体特征参量进行控制（重新定义或重新配置），不需要对硬件做任何修改。但受频率的约束，仍然存在较多的模拟处理部分，如射频或中频处理电路。,49,软件无线电技术的发展,2.4软件无线电的发展,第3级为理想软件无线电（ISR,IdealSoftwareRadio,或SR/SWR）。系统完全可编程，在接收端或发射端无需任何下变频或上变频转换，将天线前端的输入/输出直接接入ADC/DAC，消除了大部分模拟部件，从而降低了失真和噪声，但仍然受到一定的频率约束。,50,软件无线电技术的发展,2.4软件无线电的发展,第4级为终极软件无线电（USR,UltimateSoftwareRadio）。这种软件无线电没有外接天线、运行频率或带宽的限制，完全可编程，能同时支持广泛的频率和功能（GPS、视频、智能卡、卫星等），能够快速实现空中接口的检测和转换。,51,软件无线电技术的发展,2.4软件无线电的发展,软件无线电的发展过程可用下图表示：,52,开放式总线结构,2.4软件无线电的关键技术,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。,53,软件的模块化设计,2.4软件无线电的关键技术,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。,54,宽带/多频段天线技术,2.4软件无线电的关键技术,理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段。由于内部阻抗不匹配，不同频段电台的天线是不能混用的；软件无线电台覆盖的频段为2MHz2000MHz组合式多频段天线：就目前水平而言，研制一种全频段天线是不可能的。一般情况下，大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口，不必覆盖全部频段。,55,高速宽带A/DD/A变换,2.4软件无线电的关键技术,/和/转换器在软件无线电系统所处的位置是非常关键的，它直接反映了软件电台的软件化程度。对于理想的软件无线电而言，/变换器的动态范围必须在-或者位，最大输入信号频率要在和之间。,56,数字下变频技术,2.4软件无线电的关键技术,数字上下变频技术是软件无线电的核心技术之一。其作用是提高或降低数据流速率，并实现频谱的搬移。数字下变频(DDC)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,是系统数字处理运算量最大的部分,也是最难完成的部分。,57,高速数字信号处理,2.4软件无线电的关键技术,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，因此数字信号处理器（DSP）处理成为软件无线电的核心。主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码等工作。它是软件无线电的一个核心部件，但也是一个瓶颈。,58,在军事通信中的应用,2.6软件无线电的应用,1995年美国国防部提出了SPEAKeasy（易通话）计划。该计划的最终目的是：开发一种能适应联合作战要求的电台，它具有多频段、多模式（Multi-BandMulti-ModeRadio）的特点，称为MBMMR电台。,60,在军事通信中的应用,2.6软件无线电的应用,在SPEAKeasy计划的基础上，研制开发满足三军装备需求的联合战术无线电系统（JTRS）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）。具有很强的网络功能和信息安全处理能力，还能适应技术发展进行快捷高效的波形升级。,62,在军事通信中的应用,2.6软件无线电的应用,JTRS的特性: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；,63,在军事通信中的应用,2.6软件无线电的应用,保密的数据网络功能；3个或更多个其他网络模式；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；开放式物理结构和软件结构.,JTRS5种已经开发出的设备及应用,65,在个人移动通信中的应用,2.6软件无线电的应用,未来的个人移动通