第二章软件无线电的体系结构

1、 软件无线电的体系结构 2.1 软件无线电的系统模型软件无线电的系统模型 2.2 软件无线电的体系结构软件无线电的体系结构 2.1 软件无线电的系统模型 一、通信系统模型一、通信系统模型 二、深入理解软件无线电二、深入理解软件无线电 三、无线电顶层部件的拓扑结构三、无线电顶层部件的拓扑结构 2.1 软件无线电的系统模型 一、通信系统模型一、通信系统模型 传统无线通信模型传统无线通信模型 软件无线电的多频带、多模式、多线程、多个性化软件无线电的多频带、多模式、多线程、多个性化 的特点需要从这个简单的通信模型上进行扩展。的特点需要从这个简单的通信模型上进行扩展。 2.1 软件无线电的系统模型 RF

2、信道扩展信道扩展 为信道集为信道集 信源扩展为信信源扩展为信 源集源集 基本函数模型基本函数模型 2.1 软件无线电的系统模型 可编程的射频及信道接入：对多个射频段和其他可能的可编程的射频及信道接入：对多个射频段和其他可能的 信道接入方式进行自动接入信道接入方式进行自动接入 中频处理：进行滤波、频率变换、波束形成等处理中频处理：进行滤波、频率变换、波束形成等处理 调制解调：包含多种调制技术，实现多模式无线电所要调制解调：包含多种调制技术，实现多模式无线电所要 求的多种调制方式求的多种调制方式 2.1 软件无线电的系统模型 u信源阶段：信源阶段：信源编码算法、远程信息输入信源编码算法、远程信息输

3、入 软件无线电节点对计算的需求：软件无线电节点对计算的需求： u信道阶段：信道阶段：波束形成算法、频段选择、调制方式选择波束形成算法、频段选择、调制方式选择 数据格式选择数据格式选择 u联合控制：联合控制：管理和协调整个系统的正常工作管理和协调整个系统的正常工作 用户选择不同的配置，系统对运算的需用户选择不同的配置，系统对运算的需 求有很大不同。求有很大不同。 2.1 软件无线电的系统模型 一个软件 无线电节点 个性化配置 服务供应商 软件无线电基站 个性化配置 其它软件 无线电节点 不能超过 不能超过 系统本身系统本身 允许的最允许的最 大限量大限量 软件无线电节点个性化配置软件无线电节点个

4、性化配置 2.1 软件无线电的系统模型 使用使用排队论排队论对系统资源的需求进行统计，对对系统资源的需求进行统计，对固定固定 结构结构的系统分析它的实时特性。的系统分析它的实时特性。 有限处理资源系统有限处理资源系统 即插即用模块产生了即插即用模块产生了可变的结构可变的结构，导致了分析的复杂性。，导致了分析的复杂性。 软件无线电系统软件无线电系统 2.1 软件无线电的系统模型 软件无线电系统的拓扑结构软件无线电系统的拓扑结构 忽略了软件无线电的各种函数、忽略了软件无线电的各种函数、 接口和实现细节。接口和实现细节。 2.1 软件无线电的系统模型 明确系统顶层的即插即用接口；明确系统顶层的即插即

5、用接口； 可以预测和控制系统的性能；可以预测和控制系统的性能； 为建立标准定义一个参考模型；为建立标准定义一个参考模型； 为产品演化提供体系结构；为产品演化提供体系结构； 拓扑结构中的节点和有向线段可带有拓扑结构中的节点和有向线段可带有 有关的任何重要特性。这些重要特性有关的任何重要特性。这些重要特性 构成拓扑空间的维数。构成拓扑空间的维数。 2.1 软件无线电的系统模型 “实现实现”维空间的值：硬件和软件维空间的值：硬件和软件 u线段线段”中频中频ADC” 硬件硬件 u线段线段“调制解调调制解调”和和“声码器声码器” 软件软件 “信号频率及数据速率信号频率及数据速率”空间：频率值空间：频率值

6、 uRF 模拟信号，几百兆到几千兆模拟信号，几百兆到几千兆 u射频处理后得到中频值射频处理后得到中频值模拟信号，几十兆模拟信号，几十兆 u中频中频ADC后后 数字信号，几百兆数字信号，几百兆/秒秒 u信道滤波后信道滤波后 几兆至几十兆几兆至几十兆/秒秒 u解调后语音信号解调后语音信号 几千几千几万比特几万比特/秒秒 2.1 软件无线电的系统模型 二、深入理解软件无线电二、深入理解软件无线电 1. 1. 可编程数字无线电可编程数字无线电 基带部分使用基带部分使用DSPDSP，基带以上部分采用硬件来实现。，基带以上部分采用硬件来实现。 2. 2. 软件无线电软件无线电 基带部分使用基带部分使用DS

7、PDSP，射频和中频部分尽可能采用软件，射频和中频部分尽可能采用软件 来实现来实现, ,具有完全的可编程性。具有完全的可编程性。 2.1 软件无线电的系统模型 软件无线电的关键模块软件无线电的关键模块 （数字接入点）（数字接入点） 软件的起止点软件的起止点 2.1 软件无线电的系统模型 3. 3. 硬件的等价软件模型硬件的等价软件模型 (a) (a) 用射频专用用射频专用ASICASIC实现的拓扑结构实现的拓扑结构 (b) (b) 用等价的软件模型实现的拓扑结构用等价的软件模型实现的拓扑结构 2.1 软件无线电的系统模型 3. 3. 硬件的等价软件模型硬件的等价软件模型 参数的不定性造成拓扑结

8、构中的开放球参数的不定性造成拓扑结构中的开放球 2.1 软件无线电的系统模型 4. 4. 对可编程程度的定量量化对可编程程度的定量量化 对于软件无线电体系结构来说，如何衡量一个对于软件无线电体系结构来说，如何衡量一个 具体实现方案的可编程的程度具体实现方案的可编程的程度是最根本的问题。是最根本的问题。 可编程性可编程性: : 是指系统的灵活性，即是不是很容易是指系统的灵活性，即是不是很容易 地进行地进行个性化配置个性化配置等。等。 2.1 软件无线电的系统模型 4. 4. 对可编程程度的定量量化对可编程程度的定量量化 软件无线电状态空间示意图软件无线电状态空间示意图 纵轴：数字接纵轴：数字接

9、入点的频段入点的频段 横轴：系统的灵横轴：系统的灵 活性活性 2.1 软件无线电的系统模型 三、无线电顶层部件的拓扑结构三、无线电顶层部件的拓扑结构 基本函数模型基本函数模型 2.1 软件无线电的系统模型 三、无线电顶层部件的拓扑结构三、无线电顶层部件的拓扑结构 软件无线电的顶层功能模块软件无线电的顶层功能模块 2.1 软件无线电的系统模型 三、无线电顶层部件的拓扑结构三、无线电顶层部件的拓扑结构 通信系统基本函数模型的接口通信系统基本函数模型的接口 2.1 软件无线电的系统模型 三、无线电顶层部件的拓扑结构三、无线电顶层部件的拓扑结构 通信系统基本函数模型的接口通信系统基本函数模型的接口 2

10、.2 软件无线电的体系结构 体系结构：是一些设计原则、基本功能块以体系结构：是一些设计原则、基本功能块以 及函数的集合，利用它们可以组织、设计和及函数的集合，利用它们可以组织、设计和 建立一个系统。建立一个系统。 当系统复杂性增加时，体系结构的作用就变得非常当系统复杂性增加时，体系结构的作用就变得非常 重要，一个强有力的体系结构可以简化和加速系统重要，一个强有力的体系结构可以简化和加速系统 的开发。的开发。 2.2 软件无线电的体系结构 一、无线电系统的结构一、无线电系统的结构 二、无线电体系结构的演变二、无线电体系结构的演变 三、软件无线电的体系结构三、软件无线电的体系结构 2.2 软件无线

11、电的体系结构 一、无线电系统的结构一、无线电系统的结构 (a) (a) 发射端发射端 (b) (b) 接收端接收端 1. 1. 基于语音传输的最简无线电系统结构基于语音传输的最简无线电系统结构 2.2 软件无线电的体系结构 u天线效率低天线效率低； 1. 1. 基于语音传输的最简单无线电系统结构基于语音传输的最简单无线电系统结构 u不能多路传输；不能多路传输； 将输入的激励电流转换为电磁波能量输出，存在功率将输入的激励电流转换为电磁波能量输出，存在功率 转换问题（天线效率）转换问题（天线效率） 所传输信号的频率范围相同，在其发射机功率覆盖范围所传输信号的频率范围相同，在其发射机功率覆盖范围 内

12、，只能由一个发射机传输一路信号。内，只能由一个发射机传输一路信号。 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 (a) (a) 发射端发射端 增加了调 增加了调 制环节制环节 2.2 软件无线电的体系结构 (b) (b) 接收端接收端 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 增加了解 增加了解 调环节调环节 2.2 软件无线电的体系结构 频分复用技术频分复用技术： 选用不同的载波频率可以在同一空间里同时传输电选用不同的载波频率可以在同一空间里同时传输电 磁频谱重叠的调制信号，如：语音、图像等。磁频谱重叠的调制信号，如：语音、图像等。 根据调

13、制信号对载波参数影响的不同，调制分为：根据调制信号对载波参数影响的不同，调制分为： 调幅调幅(AM)、调频、调频(FM)、调相、调相(PM)三种方式。三种方式。 它的应用使人类开始了无线电广播的历史。它的应用使人类开始了无线电广播的历史。 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 无线电频带和波段的命名无线电频带和波段的命名 表表 2.2 软件无线电的体系结构 我国无线广播电台分为我国无线广播电台分为3个频段：个频段： 中波调幅：中波调幅：525 525 1610 kHz1610 kHz； 短波调幅

14、：短波调幅：4.5 4.5 22 MHz22 MHz； 调频：调频：87 87 108 MHz108 MHz； 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 无线电视划分为无线电视划分为68个频道：个频道： 1 11212频道：频道：48.6 48.6 223 MHz223 MHz； 13136868频道：频道：470 470 958 MHz958 MHz； 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 从发射角度而言，发射机发射的信号频谱必须严从发射角度而言，发射机发射的信号频谱必须严 格限制在所分配的频带范围内，否则将影响到相邻格限制在所分配的

15、频带范围内，否则将影响到相邻 频道的无线电设备的正常使用。频道的无线电设备的正常使用。 对接收机而言，它只能接收自己所在频道的无线对接收机而言，它只能接收自己所在频道的无线 电信号，否则将受到相邻频道的影响。电信号，否则将受到相邻频道的影响。 从天线进入接收机的信号要进行选频滤波处理从天线进入接收机的信号要进行选频滤波处理 ，保留所需频道的信号，滤除相邻频道的信号。，保留所需频道的信号，滤除相邻频道的信号。 2.2 软件无线电的体系结构 例：例：假定所接收的频道假定所接收的频道2的相邻频道有频道的相邻频道有频道1和频道和频道3，如，如 图所示。其中频道图所示。其中频道2的中心频率的中心频率 ,

16、频道宽度频道宽度 为为 ，频道间隔为，频道间隔为 ，则接收机输，则接收机输 入选频滤波器的入选频滤波器的Q值估计为：值估计为： zfrMH6 .95 2 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 zBMH05. 0 12 zBrMH15. 0 2 接收机输入频谱示意图接收机输入频谱示意图 12 3 频道带宽频道带宽频道间隔频道间隔 选频特性选频特性 637 2 2 r r B f Q 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 无线电系统的基本结构无线电系统的基本结构 选频滤波器的中心频率是可变的，一般采用选频滤波器的中心频率是可变的，一般采用LC滤波器。滤波器。 解决实际滤波器解决

17、实际滤波器Q值限制的工程方法有两种：值限制的工程方法有两种： u增加电磁频谱中频道的间隔增加电磁频谱中频道的间隔； u降低滤波器输入信号的中心频率降低滤波器输入信号的中心频率； B f Q 2.2 软件无线电的体系结构 3. 3. 无线电系统的实用结构无线电系统的实用结构 (a) (a) 发射端发射端 高高Q值的滤波器在实际工程中难以实现值的滤波器在实际工程中难以实现 用频率较低的用频率较低的 载波进行调制载波进行调制 将频率搬移至将频率搬移至 到所需的频率到所需的频率 2.2 软件无线电的体系结构 3. 3. 无线电系统的实用结构无线电系统的实用结构 (b) (b) 接收端接收端 2.2 软

18、件无线电的体系结构 4. 4. 无线数字通信系统无线数字通信系统 (a) (a) 发射端发射端 数字调制分为：幅移键控数字调制分为：幅移键控(ASK)、调、调移键控移键控(FSK)、相、相移键控移键控 (PSK)三种方式。三种方式。 2.2 软件无线电的体系结构 4. 4. 无线数字通信系统无线数字通信系统 (b) (b) 接收端接收端 2.2 软件无线电的体系结构 二、无线电体系结构的演变二、无线电体系结构的演变 2.2 软件无线电的体系结构 二、无线电体系结构的演变二、无线电体系结构的演变 2.2 软件无线电的体系结构 二、无线电体系结构的演变二、无线电体系结构的演变 2.2 软件无线电的

19、体系结构 三、软件无线电的体系结构三、软件无线电的体系结构 1. 1. 硬件平台的体系结构硬件平台的体系结构 u流水线结构流水线结构 2.2 软件无线电的体系结构 u总线式结构总线式结构 宽 宽 带带 射射 频板频板 存 存 储储 器器 板板 并并 行行 DSP 板板 高高 速速 A/D D/A 板板 VME 主主 机机 板板 用 用 户户 接接 口口 板板 音频音频 视频视频 传真传真 数据数据 VME总线总线 多路耦合器多路耦合器 高速数据总线高速数据总线 2.2 软件无线电的体系结构 u交互式网络结构交互式网络结构 2.2 软件无线电的体系结构 uPC+LAN的结构的结构 2.2 软件无

20、线电的体系结构 u典型的软件无线电的体系结构典型的软件无线电的体系结构 2.2 软件无线电的体系结构 u典型的软件无线电的体系结构典型的软件无线电的体系结构 2.2 软件无线电的体系结构 u典型的软件无线电的体系结构典型的软件无线电的体系结构 软件无线电系统按大框架可分为三部分：软件无线电系统按大框架可分为三部分： 射频处理部分、中频及基带处理部分、控制管理和支持部分。射频处理部分、中频及基带处理部分、控制管理和支持部分。 u射频处理：射频处理：包括所有射频的模拟器件；包括所有射频的模拟器件； u中频及基带处理：中频及基带处理：完成所有数字化处理；完成所有数字化处理； u控制和支持：控制和支持

21、：完成整个系统的运行维护、提高服务完成整个系统的运行维护、提高服务 质量以及新业务开发等任务；质量以及新业务开发等任务； 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 软件平台的体系结构软件平台的体系结构 软件无线电的软件应具有良好的开放性，采用模块化、软件无线电的软件应具有良好的开放性，采用模块化、 结构化设计，方便不断更新和升级，以便能够最大限度地满结构化设计，方便不断更新和升级，以便能够最大限度地满 足未来无线通讯系统多模式、多制式的要求。足未来无线通讯系统多模式、多制式的要求。 软件总线；软件总线； SLATSSLATS体系结构；体系结构； 分层体系结构；分层体系结构； 共同点：结构上分层

22、化、功能上模块化。共同点：结构上分层化、功能上模块化。 不同点：层次的具体划分、功能模块之间的接口不同。不同点：层次的具体划分、功能模块之间的接口不同。 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 软件平台的体系结构软件平台的体系结构 说明：说明： 基于软件通信结构的工具开发、软件模块设基于软件通信结构的工具开发、软件模块设 计、操作系统设计、网络应用软件开发、分布计、操作系统设计、网络应用软件开发、分布 计算实现等等，是目前软件无线电技术研究的计算实现等等，是目前软件无线电技术研究的 热点之一。热点之一。 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 软件平台的体系结构软件平台的体系结构 u软件总线软件总线 软件模块软件模块软件模块软件模块 软件模块软件模块软件模块软件模块 层间通信层间通信 垂直接口垂直接口 传统软件层次结构传统软件层次结构 12 34 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 软件平台的体系结构软件平台的体系结构 u软件总线软件总线 软件模块软件模块 1 软件模块软件模块 2 软件模块软件模块 3 软件模块软件模块 4 CORBA软总线软总线 基于基于CORBA的软件结构的软件结构 2.2 软件无线电的体系结构 2. 2. 软件平台的体系结构软件平台的体系结构 u软件总线软件总线 2.2