第一章软件无线电的概述.ppt

,软件无线电技术概述,2010年9月13日,shufangzhang,软件无线电技术的发展和应用,软件无线电的关键技术,软件无线电的优势,软件无线电的起源,无线电通信的发展历史,第一章软件无线电技术概述,通信是伴随人类进步的推动力,烽火台,旗语,200多年以前现代文明还未启动，人类已经进行了大量远距离通信的探索。,1.1无线电通信的发展历史,电的发明推动现代通信诞生,电的发现与现代通信,BenjaminFranklin(1706-1790),MichaelFaraday(1791-1867）,SamuelMorse(1791-1872),AlexanderGrahamBell(1847-1922）,“上帝创造了何等的奇迹！”,电话之父,电磁场电磁波理论推动无线通信,无线通信发展,JamesClerkMaxwell(1831-1879),HeinrichHertz(1857-1894)1887年，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，证明了麦克斯韦理论的正确性。,1873年，麦克斯韦发表了电磁辐射理论，成为无线电领域中最为重要的理论基础。,电磁场电磁波理论推动无线通信,1895年意大利发明家马可尼（Marconi）试验无线电通信成功。1901年,他成功地用莫尔斯电码跨越大西洋传输无线电信号，开创了人类对无线电技术的开发和应用，开启了移动通信发展的大门。他被称为“无线电之父”。,第一代：模拟制式蜂窝移动通信系统,第二代：数字移动通信系统,1978年美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS）是第一代移动通信系统的典型代表。,第二代移动通信系统采用数字调制技术，具有频谱利用率高、保密性好的特点，既可支持话音业务，也可支持低速数据业务。又称为窄带数字通信系统。典型代表是美国的DAMPS系统、IS-95和欧洲的GSM系统。,移动通信的发展历史,第三代：以世界范围的个人通信为目标。,第三代移动通信所采用的宽带CDMA技术完全能够满足现代用户的多种需要，满足大容量的多媒体信息传送，具有更大的灵活性。,芬兰赫尔辛基国际电联（ITU）大会确定：由中国所制订的TD-SCDMA、美国所制订的CDMA2000和欧洲所制订的WCDMA所组成的最后三个提案中，将确定一个提案或几个提案兼容来作为第三代移动通信的正式国际标准（IMT-2000）。,移动通信的发展历史,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。然而，大家可曾知道“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。,1.2软件无线电的起源,软件无线电的起源,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；,多种通信体制共存，对多种体制间互联的要求也日趋强烈；,随着标准种类的不断增加，频率分配、管理更为困难，需要的频率资源增加。,不能互通、兼容,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，用一个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。,矛盾的核心：互通性,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。,到底怎么办？,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。,软件无线电定义：将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线电功能的一种开放式的体系结构。,1.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；,对软件无线电的认识需要注意的问题,2.软件无线电与软件控制的数字无线电有本质区别；,3.软件无线电是一种开放的体系结构。,软件无线电具有灵活性和集中性两大优点。,软件无线电论坛（SDRForum）-一个非盈利的推动软件无线电技术发展的国际组织，给出的软件无线电的定义：“一个无线电系统中，天线以后就数字化，对信号的所有的必要的处理都由存放在高速数字信号处理器中的软件来完成”。,软件无线电论坛,软件无线电论坛（SDRForum）对SDR的正式定义包括五个等级：第0级为不可改变的数字硬件无线电。第1级为软件控制无线电(SCR)，软件可以改变一些功能(例如功率水平和互连方式)，但不进行调制或者频率操作。第2级使用软件对调制、宽/窄带、安全、波形产生和检测进行控制，但通常受到频率的约束。第3级为理想的软件无线电(ISR)，在接收端或发射端无需任何下变频或上变频转换，它完全可编程。,软件无线电论坛,第4级为终极软件无线电(USR)，它完全可编程，但能同时支持广泛的频率和功能(双路、GPS、视频、智能卡及卫星等)。蜂窝电话和基站符合第0级和第1级SDR定义，一些WLAN也是如此。但是，真正的SDR尚未在军事以外的领域得到广泛使用。,软件无线电论坛,1.3软件无线电的优势,使用SDR概念设计和实现下一代无线通信系统和设备，与传统的产品和设备相比较，具有明显的优势。,1.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,2为设备制造商降低投资风险，提高经济效益,3.为运营商降低投资风险,4为最终用户提供了一个通用的终端设备平台,1.4软件无线电技术的关键技术,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、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成，理想的软件无线电的组成结构如下图：,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：,1、开放式总线结构及实现,1）高性能2）并行性3）实时性4）可靠性,特点：,2、智能天线技术,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。,3、模数转换部分,/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。软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A尽量接近射频前端。这要求A/D和D/A器件要有高速度、大带宽和大动态范围。,4、数字下变频部分,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。,5、高速信号处理部分,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。,1.5软件无线电的发展和应用,1、软件无线电在军事通信中的应用,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。,分为三个阶段完成，目前已完成前两个阶段。,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Motorola,andRockwell-Collins等公司赞助，完成：-两个可编程信道的电台实现。VME总线为基础SUNSparc10工作站作为主机接口-采用模块设计,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：-真正开放式结构-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,3）易通话工程的第三阶段,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。,3）联合战术无线电系统（JTRS）,JTRS系统除2MHz2GHz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）。,JTRS5种已经开发出的设备及应用,2、软件无线电在个人移动通信中的应用,未来的个人移动通信要达到的目标是：任何人在任何时间、任何地点都可以和其它任何人进行任何种类（话音、数据和图象等）的通信。,软件无线电，既能满足新一代移动通信需求，又能兼容老的体制，而且更具扩展能力的新的个人移动通信体系结构。成为第三代移动通信系统研究的热点。,09.06.2020,具体地讲，软件无线电技术在3G通信系统中的应用体现在以下3个方面：,二,三,智能天线结构实现，空间特征矢量包括DOA(来波方向估计)的获得、射频通道权重的计算和天线波束赋形,各种信号处理软件的实现，如无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件算法等。,3、软件无线电在卫星通信中的应用,卫星通信是当代最重要的通信方式之一，但其设备种类繁多，更新换代周期长；卫星通信频带宽，信息速率高且变化范围大，设备功能全由软件来实现困难。,软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地解决卫星通信系统存在的问题。在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统的功能。,4、软件无线电在数字电视系统中的应用,完成信源编码和多种体制的信道编码，采用软件无线电来实现就比较方便。,20世纪90年代广播电视领域掀起划时代的数字革命，以高清晰度电视(HDTV)为标志的第三代电视成为新一代数字电视的发展方向。,5、认知无线电（CognitiveRadio）,频谱是通信能够使用的唯一资源，这种资源的统筹是通过无线电管理机构来确定的。目前采用的是基于静态（固定）频带的分配原则和方