毕业论文：第三代移动通信中的软件无线电技术研究-史立云

1、河北北方学院河北北方学院 毕业论文毕业论文 题 目： 第三代移动通信系统中 的软件无线电技术研究 姓 名： 史立云 院 系： 河北北方学院宣化教学部 专 业： 电子信息工程 年 级： 2005 级 学 号： 2005540025 指导教师： 杨磊 河北北方学院教务处制河北北方学院教务处制 目目 录录摘摘 要要.1ABSTRACT .2引引 言言.3第第 1 章章 软件无线电概述软件无线电概述.41.1 软件无线电技术产生的历史背景.41.2 软件无线电的发展历史.41.3 软件无线电的主要内容.51.3.1 软件无线电的定义.51.3.2 软件无线电的体系结构.61.3.3 软件无线电的特点.

2、6第第 2 2 章章 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术.102.1 多波束智能天线.112.2 RF 转换技术.122.3 A/D/A 模数转换技术.12 数字中频处理.132.4.5 基带和比特流数字信号处理.14第第 3 章章 软件无线电在第三代移动通信系统中的应用软件无线电在第三代移动通信系统中的应用.153.1 第三代移动通信系统的特点.153.2 第三代移动通信对软件无线电技术的需求.153.3 软件无线电在第三代移动通信中的应用.16软件无线电技术与第三代移动通信系统的融合.163.3.2 软件无线电在 SCDMA 中的应用.17第第 4 4 章章 第三代移动通信中的软件无

3、线电技术的新进展第三代移动通信中的软件无线电技术的新进展.194.1 体系结构分层化与软件模块化.194.2 软件无线电结构数学分析化.204.3 面向对象化.214.4 认知化、智能化.224.5 计算机化.234.6 网络化、信息安全化.24第第 5 5 章章 结束语结束语.25致致 谢谢.26参考文献参考文献.27摘摘 要要软件无线电是最近几年提出的一种实现无线电通信的体系结构，是继模拟到数字、固定到移动之后，无线通信领域的又一次重大突破，是一种全新的无线电技术，它已与第三代移动通信系统紧密的结合起来。第三代移动通信系统研究推动了软件无线电技术的发展，而软件无线电技术又促使第三代移动通信

4、系统更加灵活的实现。论文介绍了软件无线电的产生背景、概念、特点、关键技术、发展趋势及其在第三代移动通信中的应用，重点对软件无线电的关键技术及其在第三代移动通信中的应用作了详细分析，同时归纳总结了由于第三代移动通信系统的推动作用，软件无线电系统呈现出的一些新的发展趋势。关键词：关键词：软件无线电；第三代移动通信；智能天线；射频转换技术；A/D/A 模数转换技术；数字中频处理；基带；比特流数字信号处理；认知化；智能化ABSTRACTSoftware radio is put forward in recent years as a radio communication system to ach

5、ieve the structure.It is a second major breakthrough afterwards analog to digita, fixed to mobile, which is a new radio technology in wireless of communications area, and has been with the first third-generation mobile communication systems closer together. The research of the third generation mobil

6、e communication system has promoted the development of software radio technology, while the software radio technology bring about the third generation mobile communication systems more flexibleThis thesis introduces the background of software radios emergence, the concept, characteristics, key techn

7、ology and its applications in the third generation mobile communication.The key to the software radio technology and its development direction has been made emphatical analysis in the thesis.Finally, the new trend,the software radio system will show,has summed up in the thesis,as a result of the rol

8、e of the third generation mobile communication in promoting the system.Key words s：Software radio;The third generation mobile communication;Smart antenna;Radio Frequency conversion technology;A/D/A conversion technology;Digital Intermedia Frequency Processing;Baseband;Bit Stream Digital Signal Proce

9、ssing; Cognitive;Intelligentize 引引 言言软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制，其核心是：将宽带 A/D 和 D/A 变换器尽可能地靠近天线，而将电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。这样，无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便，这很可能使软件无线电成为继模拟通信到数字通信、固定通信到移动通信之后，无线通信领域的第三次突破。 软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。例如欧洲的 ACTS （Advanc

10、ed Communleations Technolologies and Services）计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统（UMTSUnniversal Mobile Telecommunications System）中的。UMTS，即通用移动通信系统，作为第三代移动通信系统之一，主要用于欧洲地区，作为 GSM 的后续演进标准，其空中接口采用WCDMA 技术，通常也会将 UMTS 系统简称为 WCDMA 通信系统。FIRST（Flexible Integrated Radio System Technology）计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模（可兼容

11、GSM、DSP1800、WCDMA、现有的大多数模拟体制）可编程手机。这种手机可自动检测接受信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求；FRWMAS（Future Radio Wideband Multiple Access System, 未来的无线宽带多址系统）计划的目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足 UMTS 要求，技术方法之一是采用软件无线电技术；SORT（Software Radio Techonology）计划是演示灵活有效的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合 UMTS 的标准。在美国，研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与

12、基站。同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面，如麻省理工学院的SpectrumWare 计划。我国对软件无线电技术也相当重视，例如我国提出了第三代移动通信系统方案 SCDMA，SCDMA 是一种同步的直接扩频 CDMA 技术，它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码技术等 90 年代通信新技术。软件无线电技术在第三代移动通信中的应用是国家“863”计划的申请项目之一，因而软件无线电技术是我国第三代移动通信系统的关键技术之一。软件无线电技术已与第三代移动通信系统紧密的结合起来，第三代移动通信系统的研究推动了软件无线电技术的发展，而软件无线电技

13、术的发展又促使第三代移动通信系统更加灵活的实现。第第 1 章章 软件无线电概述软件无线电概述 软件无线电技术产生的历史背景软件无线电技术产生的历史背景移动通信在过去 20 年中获得了飞速发展，成为现代通信中的一个亮点。同时由于移动通信的迅速发展和高收益，带来了激烈的竞争，从而造就了移动通信技术和系统的多样性，而各技术标准和系统之间差别很大又不能互相兼容。特别是新业务的巨大吸引力又给用户和移动业务提供商造成了很大的压力，迫使他们不断更新设备，但这通常要造成设备和投资的浪费，问题的关键在于目前的绝大多数移动通信设备是完全基于专用硬件设计的，给移动通信系统的兼容和互联，以及快速、灵活的升级带来了很大

14、的约束。如果能够利用运行于通用硬件平台上的软件来实现无线通信功能，充分发挥软件的灵活性，通过重新配置的软件来实现不同的无线通信技术标准，将会带来基于专用硬件的无线系统所不具备的优越性这就是软件无线电概念产生的源头。 软件无线电的发展历史软件无线电的发展历史无线电的技术演化过程是 ：由模拟电路发展到数字电路 ；由分立器件发展到集成器件；由小规模集成到超大规模集成器件 ；由固定集成器件到可编程器件 ；由单模式、单波段、单功能发展到多模式、多波段、多功能；由各自独立的专用硬件的实现发展到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。20 世纪 7080 年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程向可编程

15、发展，由少可编程向中等可编程发展 ，出现了可编程数字无线电 （PDR）。由于无线电系统，特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高，投入的成本越来越大，硬件系统也越来越庞大。为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求，特别是军事通信对宽带技术的需求，提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。20 世纪 80 年代初开始的软件无线电的革命，将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。1992 年 5 月在美国通信系统会议上， Joseph Mitola（约瑟夫米托拉）首次提出了“软件无线电”（Software Radio，SWR）的概念。1995 年 IEEE 通信杂志（C

16、ommunication Magazine）出版了软件无线电 专集。当时，涉及软件无线电的计划有军用的 SPEAKEASY（易通话） ，以及为第三代移动通信（ 3G）开发基于软件的空中接口计划，即灵活可互操作无线电系统与技术（FIRST）。1996 年 3 月发起“模块化多功能信息变换系统 ”（MMITS）论坛，1999 年 6 月改名为“软件定义的无线电 ”（SDR）论坛。1996 年至 1998 年间，国际电信联盟（ ITU）制订第三代移动通信标准的研究组对软件无线电技术进行 讨论，SDR 也将成为 3G 系统实现的技术基础。从 1999 年开始，由理想的 SWR（软件无线电）转向与当前技

17、术发展相适应的软件无线电，即软件定义的无线电（ Software Defined Radio，SDR）。1999 年 4 月IEEE JSAC 杂志出版一期关于软件无线电的选集 。同年，无线电科学家国际联合会在日本举行软件无线电会议 。同年还成立亚洲 SDR 论坛。1999 年以后，集中关注使SDR 基础上的 3G 成为可能的问题。软件无线电是近年来随着计算机及微电子技术高速发展而产生的一种全新的无线电技术。软件无线电技术的核心概念是随着大规模集成电路技术的不断进步，芯片处理速度的迅速提高，从而有可能在通用可编程DSP芯片或通用CPU芯片平台上，利用软件来完成以前必须用专用硬件电路才能实现的多

18、种数字信号处理的功能。由于软件所具有的灵活、廉价等特点，在软件无线电通信系统中可以实现多种通信协议的兼容,便于通信技术升级，同时可以引入多种先进的动态调整技术，从而大大提高无线通信系统的功能和服务质量，有利于各种通信新标准的实施和兼容，使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。 软件无线电的主要内容软件无线电的主要内容 软件无线电的定义软件无线电的定义软件无线电，是在无线通信领域提出的一种新的通信系统体系结构，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，例如工作频段、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，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天

19、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。软件无线电的基本思想有两点：将A/D/A（模/数/模转换）功能尽可能地靠近天线端；用软件完成尽可能多的无线电功能。软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线的方式连接起来构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能（包括不同频段、不同制式）的一种开放式体系结构。这使软件无线电系统具有开放性、模块化、标准化、实现灵活、软件升级、适于大规模制造等诸多优点，它将带来无线通信市场的又一次飞跃,因而软件无线电技术的研究悄然成为各国竞相研究的焦点。 软件无线电的体系结构软件无线电的体系结构软件无线电是一种基于宽带A/D器件、高速DSP芯片，以软

20、件为核心（Software Oriented）全新的体系结构，并在射频（RF）或中频（IF）端对数字信号进行数字化，通过软件编程灵活地实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字上/下变频器、调制解调、差错编码、信道均衡、信令控制、信源编码及加密解密功能。其高度可编程性使新业务新技术的引入十分方便、经济，往往只需在电台中加载新的软件模块即可实现，从而大大降低系统开发成本。软件无线电的另一个重要特点是它特别强调开放性，无论在机械结构还是电气特性等方面都可采用标准化、模块化的结构，保证了通过更新软件版本或个别硬件模块，这样软件无线电就能象个人计算机一样不断地得到升级换代，因而具有较长的生命周期。图

21、1给出了软件无线电的原理框图，它是传统的流水线式结构。由图 l 可见，其主要部分有：（1）宽带、射频模段；（2）高速、高分辨率、高质量的 A/D/A 变换；（3）高速中频处理部分；（4）基带处理 宽带宽带多波多波频天频天线线 射射 频频 部部 分分 A/D D/A 高速高速DSP专用专用可编可编程处程处理器理器 低速低速 DSP P C 机机 话音话音 宽带、宽带、射频段射频段 高速中高速中频模数频模数转换转换 可编程数字处理可编程数字处理 图图1 软件无线电的硬件平台软件无线电的硬件平台 软件无线电的特点软件无线电的特点图 2 给出了传统无线电系统和软件无线电系统的结构图。不难看出，两种体系

22、的主要区别在于 A/D/A 的位置不同。理想的软件无线电体系是要利用多波段天线和宽带 A/D、D/A 转换技术，尽量将模数变换向天线端推移，在尽可能宽的频带上将模拟信号数字化，之后利用软件在通用可编程处理器上对中频及基带数字信号进行处理。而传统的无线电系统则是使用专用的硬件设备解调之后，进行 A/D 转换，作基带数字信号处理，还原用户数据的，这在很大程度上限制了不同无线通信体制之间的互通性。由于在软件无线电系统中，将 A/D 转换从基带和中频信号处理之间提到了中频处理之前，中频部分的信号处理也可以通过软件实现，从而给系统带来了巨大的灵活性，这是以往用专用硬件完成特定功能的方式所无法比拟的。因而

23、，与传统的无线电相比，软件无线电具有下述特点：放大放大 RF 带通滤波器带通滤波器 频率合成器频率合成器 放大放大 混频混频 解调解调 A/D转换转换 DSP FPGAAISC 带通滤波器带通滤波器 （a）传统基于硬件的无线电系统）传统基于硬件的无线电系统 多波段多波段 RF 放大放大 宽带宽带 ADC DSP 解调解调 语音数据语音数据 （b）理想的软件无线电系统）理想的软件无线电系统 图图 2 理想的软件无线电与传统线电接收机理想的软件无线电与传统线电接收机 （1）具有可重配置性，实现灵活。RF 频段和带宽、信道接入方式、传输速率、接口类型、业务种类及加密方式均可由软件编程方式来改变，而软

24、件本身就具有高度的可编程性和可重配置性；（2）开放性、模块化和标准化；（3）可实现无缝连接、全球漫游；（4）具有集中性，节省基站费用，每个基站使用一部收发信机而不是每个信道使用一部收发信机，即多个信道共享射频前端与宽带 A/D 或 D/A 转换器；（5）软件升级，而硬件无需改动。产品投入市场的时间和升级将会更快速；（6）稳定性好。由于采用数字电路，适于大规模制造；（7）运营商拓展业务更快捷、廉价，并可以自行开发业务软件；（8）软、硬件间的联系减弱，对产品制造商的依赖程度降低；（9）系统配置灵活多变，也更安全。一个理想的软件无线电系统肯定是一个多频段、多模式的无线通信系统，它在网络协议各层次上的

25、功能都能通过软件定义来“动态”实现，更重要的是，这种特有的灵活性同样也支持物理层上功能的实现。图 3 给出了软件无线电通信系统的体系模型。图 3 所示的软件无线电系统的体系模型充分体现了软件无线电同传统无线电技术的区别，突出了前者的主要特点。不同波段、不同模式的无线电功能可以灵活地通过个性化无线电节点来实现。首先，软件无线电支持多频带技术，它将传统无线电系统中的 RF信道部分扩展为 RF 信道集，从而能够同时接通多个频段，并且，此信道集不单单包含RF 频段，还包含所有可能的信道方式，如光纤或电缆。同样，在软件无线电中信道处理信源信源集集 信道集信道集 信源编信源编码码/译码译码 服务与服务与网

26、络支网络支持持 信息安信息安全全 调制调制解调解调 中频中频处理处理 RF/信信道接道接入入 联合控制联合控制 个性化无线电接个性化无线电接点点 图图 3 软件无线电通信系统的体系模型软件无线电通信系统的体系模型 部分也扩展为 3 部分：可编程的 RF/信道接入部分、中频 IF 处理部分和调制解调部分。其中可编程的射频及信道接入部分是对多个射频段和其他可能的信道接入方式进行自动的接入；中频处理部分是进行滤波、频率变换、波束形成等处理；调制解调部分包含了多种可用的调制技术，它是为实现多模式无线电所要求的多种调制方式而存在的。传统通信系统只能完成话音信号的传输，而软件无线电要完成多种信息的传输，包

27、括话音、数据、 、视频以及多媒体信息，因此软件无线电的信源处理部分要能够处理所有可能的信源信息。另外，有些信源在物理位置上可能是远离无线电收发信机的，因此这些信源可能需要通过服务和网络支持连接到局域网或其它网络上。所有的这些函数模块共同实现一个多频段、多模式、多线程以及多个性化的软件无线电节点，由一个联合控制函数来管理和控制，保证了系统的稳定性以及系统的自动恢复。联合控制使得系统具有自动选择频带、自动选择数据格式以及自动选择调制方式的功能。无线电系统越先进，联合控制就越复杂。软件无线电以其特有的方法赋予了无线电更多的个性。它以软件定义空间接口，其最重要的特征就是使数模转换尽可能地靠近天线，从而

28、以软件控制的形式完成从中频到基带的数字信号处理。第第 2 2 章章 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术一个典型的软件无线电系统，可以引用数字移动通信中的移动台和基站来分析和说明其实现的关键技术。无论是移动台还是基站，它们都含有宽带天线、多波段射频转换器、宽带ADA转换器以及通用可编程处理器、存储器、电源以及总线结构等，图4是一个典型的软件无线电系统设备框图。由图 4 可见，软件无线电系统单按照功能划分可以分为三大部分：射频处理部分、中频及基带处理部分以及控制管理和支持部分。实时处理实时处理 可可 编编程程 处处理理器器 宽宽带带A/D/A 射射 频频转转 换换器器 联机软件联机软件 服务

29、服务开发开发工作工作站站 基站基站 多媒多媒体企体企业业 宽带宽带 A/D/A (各种新源编各种新源编码方式码方式) 可编程可编程处理器处理器 宽带宽带A/D/A 射频射频转换转换器器 移动台移动台 图图 4 软件无线电设备框图软件无线电设备框图联机软件联机软件宽带宽带A/D/A (各种新各种新源编码源编码方式方式) 典型的软件无线电系统根据功能及自身特点的不同，还可以将其划分为如下几个关键技术模块：多波束智能天线、射频转换、模数转换、数字中频处理和基带和比特流处理，图 5 给出了软件无线电系统中关键模块的框图。软件无线电系统的每一部分都有其特点和技术要求，下面就逐一进行介绍。2.12.1 多

30、波束智能天线多波束智能天线软件无线电的天线具有接入多个频段的功能，理想的软件无线电系统的天线部分则应该能够覆盖全部无线通信频段，这对天线技术提出了较高的要求。对于第三代移动通信，一般认为其频带宽度为 180230MHz，利用组合式多频段天线是可以实现全覆盖的。高级控制高级控制 比特流处理比特流处理 调制调制 中频处理中频处理 宽带宽带 A/D/A 转换转换 多频段多频段 RF 转换转换 多波束天线阵多波束天线阵 比特流处理比特流处理 解调解调 中频处理中频处理 网网 络络 图图 5 软件无线电系统的关键模块软件无线电系统的关键模块 通常来说，无线电台的射频前端、机发射天线和接收天线部分都是由固

31、定硬件实现的，但是软件无线电具有智能的、可编程的数字信号处理核心，可以充分利用此优势对固定天线接收下来的信号进行优化组合，达到提高信噪比、抑制同信道干扰、增大系统容量的目的。这种可以动态配置的天线系统就是目前软件无线电系统中的关键热门技术之一智能天线技术。移动通信系统中的智能天线技术，简单地说，就是在基站端使用自适应的天线阵，并运用可靠的自适应算法来抑制同信道干扰，达到提高信噪比、增大系统容量的目的。把智能天线技术运用到软件无线电系统中，同样可以得到系统的增益。理想的使用智能天线技 术的软件无线电系统使用的是由 M 个全向天线阵元组成的天线阵。对应于每一个天线阵元，都有一套下变频器和宽带 A/

32、D/A 采样器。接收信号通过下变频器将射频信号搬移至中频，再通过宽带 A/D 采样形成数字信号。此时，每一个天线阵元接收到的信号已变换为中频数字信号，此信号经过信道分离，分别得到 L 个信道的信号。也就是说，对应于每一个用户信道都有 M 个天线阵元的接收信号，这样就可以利用自适应波束形成算法对接收信号进行处理。每一个信道独立使用一个波束形成模块，比如信道 1 的波束形成器，它所处理的信号包括第一个天线阵元接收到的信道 1 的信号、第二个天线阵元接收到的信道 1 的信号、第 M 个天线阵元接收到的信道 1 的信号。通过自适应的调整波束形成算法中的加权矢量，所有的这些信号分量可以合并，得到一个最佳

33、的接收信号，从而可以提高接收信号的质量，有效抑制干扰，增加系统容量。目前，我们已经可以采用更为先进的波束形成与信道分配算法来替代简单的波束形成算法，使软件无线电中的智能天线技术得到更大的增益。2.22.2 RF 转换技术转换技术RF（射频）转换部分包括产生输出功率、接收信号的预放大、射频信号和中频信号的转换等。射频段应具有接人多个波段甚至覆盖全波段功能。它具有频率高、带宽宽两大特点，比如对于GSM，应工作于900MHz的高频段，占有带宽25MHz。显然在这样高频率和如此宽的带宽下直接进行数字化处理，目前器件还不具备条件，只能靠传统的高频模拟器件的硬件设备来完成射频段的主要功能。因此现阶段RF变

34、换采用模拟方式。射频段主要包括模块化通用化收发双工技术、多倍频程宽带低噪声接收放大器技术、线性高功率放大器技术、宽带上下变频器技术。此外，软件无线电对天线设备提出了严格的要求，包括放大器的线性要求、对邻道的隔离要求以及避免基带处理器的时钟频率调谐进入射频的模拟电路中去。在商用的移动通信系统中，天线应该在超高频（Ultra High Frequency UHF）波段内具有相同的方向图形状和极低的损耗。2.32.3 A/D/A 模数转换技术模数转换技术信号在中频甚至射频的数字化是用软件对信号进行处理，也是实现软件无线电的关键之一，宽带 A/D/A 转换器实现的正是这一功能。宽带 A/D/A 通常设

35、置在中频处理部分和 RF 转换部分之间，完成对中频信号的数模转换，这给中频的数字处理带来了很高的灵活性，但同时对 A/D 、D/A 的性能提出了很高的要求。一般来说，根据被采样信号的频率和带宽来决定采用何种 A/D 采样技术。根据Nyquist 抽样定理，对带限信号的采样率必须大于信号带宽的两倍。实际系统中通常采用过采样来抗频谱混叠，一般要求 A/D/A 的采样率 fsWa，其中 Wa 表示中频数字化带宽(数十兆甚至上百兆)。除采样率外，A/D 采样的参数指标还包括采样精度和采样信号的动态范围，采样信号动态范围取 80dB，采样精度不低于 l2 位。同时 A/D/A 要具有较高的信噪比和无寄生

36、动态范围。对于一个给定的 A/D 芯片，由于受处理速度的限制，它能够达到的采样频率和动态范围及采样精度是成反比的。当前流行的 A/D/A 采样率最高可达每秒数百兆抽样点，但仍不能满足宽带射频信号的要求。因此，在实用系统中，通常使用数字化带宽更窄的并行 A/D/A，而不是单一高速的 A/D/A 数字化整个频带。由于动态范围与采样率的乘积基本上是常数，所以这种方法既降低了对 A/D/A 高抽样率的要求又可以保证 A/D/A 具有较宽的动态范围。最近 AD 公司推出了第一片可用于第三代移动通信系统软件无线电的 14bit 65MSPS 的 A/D 转换器（AD6644）。2.42.4 数字中频处理数

37、字中频处理在一个软件无线电系统中，数字中频部分是连接射频和基带信号的纽带，它接收到的是从宽带A/D/A送来的一个含有多路信道的宽带数字信号。数字中频的任务就是将其中的某种特定信道提取出来，并经过抗混叠中频（IF）数字滤波和数字下变频的处理，将这个信号转换到基带，然后进行基带的数字信号处理。数字下变频的任务是将A/D输出的含有多路信道的高速数字信号进行信道划分和提取，包括变频、滤波和降采样等处理。数字上变频是其逆过程。实现上下变频所要求的运算量很大，是系统实现中最困难的部分。数字中频部分的复杂性和大运算量主要在于频率转换（即数字下变频）和中频数字滤波。这部分实现了已调基带信号与中频信号之间的变换

38、，这种变换是通过离散时间点运算 实现的。在发送信道中，离散的基带波形乘以离散的参考载波形成离散的数字中频信号。在接收信道中，该部分能够以宽带滤波的方式从宽带信号中恢复出所需的信道（如 200kHz 的 GSM MHz 的 IS95 CDMA 信道），并将信号转换成基带信号。频率变换和滤波的复杂度是该部分处理需求的决定性因素。天线端接收到的射频信号经过一次或两次混频，将信号搬移到几十兆频的中频频段，然后用宽带 A/D 进行 ADC 采样。数字中频处理部分则对这个含有多路信道的宽带数字信号进行大数据量的处理，包括用于信道选择的中频数字滤波和将频率降低到基带的数字下变频，功能框图如图 6 所示。如此

39、大量的数据处理，对 DSP 芯片的技术要求就会很高，随着宽带移动通信系统的日益成熟，人们开始结合使用 ASIC、DSP、FPGA 以及一些专用的 CPU 来完成这部分功能。在实际应用中，由于可使用的 DSP 芯片性能的限制以及为保证系统工作的稳定性而增加的冗余度，在目前使用软件无线电技术的基站系统中，往往采用多处理器的硬件结构。 2 2 基带和比特流数字信号处理基带和比特流数字信号处理基带和比特流处理主要完成单一信道信号基带可编程处理。比特流处理部分完成将多个信源比特进行复合，对比特流进行前向纠错（FEC）处理，包括交织、卷积编码算法以及自动重发请求（ARQ）的检测和响应等，此外还应支持比特填

40、充、比特加密，通常射频射频混频混频 宽带宽带ADC IF 数字滤波器数字滤波器 数字下变频数字下变频（信道选择）（信道选择） IF 数字滤波器数字滤波器 数字下变频数字下变频（信道选择）（信道选择） 中频中频 多路宽带数字信号多路宽带数字信号 去基带去基带 信道信道 1 信道信道 r 图图 6 数字中频处理部分功能图数字中频处理部分功能图通信安全处理（加密和解密）也在其中完成。这部分的复杂度与比特的复合、帧排列、FEC 编码方式、复用操作、加密以及相应的一些控制操作算法有关。此外，该部分还完成抗衰落、抗干扰的各种算法，如 GSM 的自适应均衡算法、CDMA 的 RAKE 接收算法和功率控制算法

41、。这部分运算的复杂度与基带的带宽、调制方式及调制波形的复杂度以及算法的复杂度都有关系。这部分要求具有高度的可编程、可重新配置等特点，我们可以将 DSP、FPGA 和通用 CPU 结合使用来进行基带和比特流处理。第第 3 章章 软件无线电在第三代移动通信系统中的应用软件无线电在第三代移动通信系统中的应用3.13.1 第三代移动通信系统的特点第三代移动通信系统的特点第三代移动通信系统是指国际电信联盟（ITU）正在组织进行研究的，未来公用陆地移动通信系统即FPLMTS（Future Public Land Mobile Telecommunication SystemFPLMTS），1996年更名为

42、IMT2000。第三代移动通信系统的主要目标是要将包括卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统。它能提供宽带业务并实现全球无缝覆盖。该系统具有以下特点：（1）提供全球无缝覆盖和漫游；（2）提供第二代系统不能提供的多媒体业务（速率可高达2Mb/s）；（3）适应多种业务环境：蜂窝、无绳、卫星移动、PSTN（公共交换 网）、数据网、IP等；（4）具有单一的通信号码；（5）保证高的服务质量、按需分配带宽；（6）有多频多模通用手机；（7）频谱利用率高，容量大；（8）网络结构能适用无线、有线多种业务要求；（9）系统起始配置能充分利用第二代设备和设施，随后可平滑升级。3.23.2 第三代移动通

43、信对软件无线电技术的需求第三代移动通信对软件无线电技术的需求在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中，最核心的问题是提供不同环境下的多媒体业务及实现包含水、陆、空的全球覆盖。因而它要求实现多种网络的综合：无线网与无线网的综合；移动网与固定网的综合；陆地网与卫星网的综合；同时又要适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，便于平滑升级。对于通信终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端（手机）。第三代移动通信系统可支持的速率为室内静止21Mb/s；步行移动384kb/s；车速移动144kb/s；卫星移动9.6kb/s，所以手机要适应宽带多业务的要求。软件无线电为

44、通信系统提供一种新型的结构，那就是利用统一的硬件平台，不同的软件来实现不同的功能。3.33.3 软件无线电在第三代移动通信中的应用软件无线电在第三代移动通信中的应用 由于第三代移动通信的标准的统一是非常困难的，IMT2000的发展策略已经改变过去“一统”的概念，而注意到以各地区现有第二代系统网络基础为参考来制定比较现实的过渡方法，并在1997年3月的会议上一致通过了“IMT2000家旅”的概念。它放弃了在空中接口、网络技术方面等一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案，因此，也存在多频多模多业务基站问题。软件无线电是解决基站问题的利器。3.3.13.3.1 软件无线电技术与第三代移动

45、通信系统的融合软件无线电技术与第三代移动通信系统的融合第三代移动通信系统要求实现多种网络的综合，为用户提供全球无缝覆盖，以及在无线与有线环境下统一的业务使用方式和多种业务环境，且要与第二代移动通信系统兼容。对于通信终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端（手机）。软件无线电正是解决这一矛盾的关键技术，也只有软件无线电技术才能解决多频多模式多业务终端问题。该技术在第三代移动通信系统中的应用体现在以下几个方面：（1）为第三代移动通信手机与基站提供了一个开放的、模块化的系统结构；（2）智能天线与多用户检测的软件无线电实现，其中包括DOA（来波方向）的估计，每射频信道权重因子

46、的计算和天线的波束赋形。当前的软件无线电多用户检测器研究尚处于功能实现阶段，通常采用全DSP结构或DSP加FPGA的混合结构来实现。在采用DSP和FPGA混合结构实现的软件无线电多用户检测器中，用FPGA来实现软件中计算量大、实时性要求高的部分，而DSP则实现算法中结构复杂的部分，如矩阵求逆。（3）各种信号处理软件的实现，其中包括信源的编码译码（如语音编译码MPEG-4的压缩编码译码）、信道的编码译码（如卷积编码维特比译码、Turbo编译码）、调制解调（如TDSCDMA 中的QPSK调制解调）、各类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。

47、软件无线电可以充分利用数字化射频信号中的大量信息，评估传输质量，分析信道特点，实施采用最佳接入模式，灵活分配无限资源，实现移动通信系统的动态管理和优化。多种 3G 移动通信标准（主要是 CDMA 2000，WCDMA 和 TDSCDMA）使得已经十分庞大的移动通信标准族变得更加的繁杂。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全球漫游提供方便； 从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可以根据无线电环境的变化而自适应的配置收发信机的数据速率，调制解调方式，信道编译码方式，调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化，从而更加充分的利用频谱资源，在满足用户 QoS 要求的基础

48、上使系统容量最大。软件无线电技术为第三代移动通信系统提供了通用的系统结构，功能实现灵活，系统改进与升级很方便。软件的生存周期决定了通信系统的生存期，这样系统就能更快地跟踪市场的变化，降低更新换代的成本。3 3 软件无线电在软件无线电在 SCDMASCDMA 中的应用中的应用软件无线电在第三代移动通信中的碰用越来越受到世界各国重视，已成为研究的热点。国际电信联盟（ITU）提出的第三代移动通信系统IMT-2000。目前提交了多种技术候选方案，而其中最有影响的三种技术方案为WCDMA(包括日本的WCDMA和欧洲的UTRA)、美国的SCDMA2000以及中国的TDSCDMA。IMT-2000计划将软件

49、无线电技术应用到由中国提出的TDSCDMA方案中，实现多频多模的可编程，该方案融合了当今国际领先技术智能天线、同步CDMA和软件无线电技术。由于这些技术的引入，使该方案具有较高的频谱效率、较低的成本和较大的灵活性。软件无线电在第三代移动通信中的应用已列入我国高新技术计划研究项目，成为我国第三代移动通信的朝阳技术。TDSCDMA作为目前主流3G标准中唯一由我国自行提出并具有知识产权的国际标准，随着3G产业的发展日益引起通信行业的重视。TDSCDMA通信系统所具有的3S特点，即智能天线（Smart Antenna）、软件无线电技术（Software Radio）、同步CDMA（Uplink Syn

50、chronization）成为通信领域的研究热点。开放的、模块化的系统结构是软件无线电技术的核心，对于第三代移动通信系统是非常重要的它为第三代移动通信系统提供了通用的系统结构。功能实现灵活，系统改进与升级很方便；利用统一的硬件平台，不同的软件来满足“IMT2000” 家庭概念的要求，实现不同标准之间的互操作；系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好的实现，且这些模块具有很大的通用性，能在不同的系统及升级时很容易地复用；由于系统结构功能的实现主要是由软件来实现的，软件的生存周期决定了通信系统的生存期，这样就能更快地跟踪市场变化，降低更新换代的成本。智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一

51、，利用软件无线电来实现智能天线，可以提高智能天线的性能。各种信号处理软件是软件无线电的关键，应积极探索新的算法，为更好的解决多频多模问题铺平道路。软件无线电技术是当今计算机技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通信中应用的产物。它在我国提出的第三代移动通信系统SCDMA中，应用就更广泛了，SCDMA系统的基站和终端都采用了高速数字处理器和高速A/D变换器，处理速度高于5000万次/秒，全部基带信号处理和变换都用软件来完成。在SCDMA中软件无线电将实现如下功能：（1）提供一个开放的模块化的系统结构；（2）智能天线的实现；（3）同步检测、建立和保持；（4）用户终端DQPSK解调器中的载

52、波恢复、频率校准和跟踪；（5）每码道功率的测得和发射功率控制的实现；（6）接收通道的电平检测和接收增益控制；（7）扩频调制和解调，包括WALSH码和PN码的产生；（8）语音编译码；（9）DTMF（双音多频）、MFC（Microsoft Foundation Classes）及各种信号的产生和检测；（10）信道编码、复接和分接；（11）发射脉冲成形滤波；（12）SWAP信令的差错检测；（13）接收信令的差错检测；（14）发射通道的数字预失真；（15）基站收发信机的校准。以上可以看出软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用是非常广泛的，而且只有软件无线电技术才能解决第三代移动通信系统中的多频多模

53、手机与基站问题。第第 4 4 章章 第三代移动通信中的软件无线电技术的新进展第三代移动通信中的软件无线电技术的新进展 第三代移动通信系统是二十世纪极富挑战性与创造性的未来标准的构想，而软件无线电技术是第三代移动通信系统的关键技术之一，故世界各国都投入巨大的力量研究软件无线电技术在第三代移动通信系统中的应用，推动了软件无线电的发展。特别是近几年来，软件无线电出现了一些新的发展趋势，主要表现在体系结构分层化、软件模块化、结构数学分析化、面向对象化、认知化、计算机化、网络化、信息安全化。4.14.1 体系结构分层化与软件模块化体系结构分层化与软件模块化软件无线电采用开放式的、模块化的即插即用的系统结

54、构，大大增强了第三代移动通信系统的灵活性、重用性。这与以往的无线电台有本质的区别，但仅是采用此结构还是远远不够的。第三代移动通信系统的软件设计是非常复杂的，为了减小软件设计的复杂性，软件无线电需要按层或级的方式来组织。Joseph Mitola在数学分析的基础上提出了一个软件无线电分层虚拟机参考模型，如图7。通信服务虚拟机通信服务虚拟机 服务服务 个性描述个性描述 信道对象信道对象 无线应用虚拟机无线应用虚拟机 代理代理 信道状态机信道状态机 信息流信息流 无限基础结构虚拟机无限基础结构虚拟机 基础结构状态机基础结构状态机 线程建立与控制线程建立与控制 硬件平台虚拟机硬件平台虚拟机 指令集结构

55、指令集结构 操作系统操作系统 图图 7 7 软软件件无无线线电电分分层层虚虚拟拟参参考考模模型型 分层虚拟机模型定义了关键的接口。最底层是由普通处理器与具有指令集的ASIC与FPGA组成。它包括了设备驱动、中断子程序、任务控制、资源分配与相关的操作系统服务。它提供了一个统一的硬件平台。基础结构虚拟机是建立与控制信息传输线程的，这包括话音通道、数据路径、无线控制信息线程、定时分配、频率校准与本地服务。基础结构状态机是为每一个用户信道提出请求与分配内部资源的。信道状态机控制静音、同步、保密功能和多媒体数据与话音的传输。通信服务如连接一个蜂窝用户与一个SINCGARS用户是通过建立连接与插入代理来实

56、现。此分层虚拟机模型是初步的，还需要研究与细化。软件无线电不仅需要硬件模块化，软件也需要模拟化。由于缺乏标准的应用级的软件到软件的API与缺乏对存储器、缓存空间与处理资源的量化软件重用度低，花费大，研制周期长，因而需要把软件实用地分成模块并有清楚定义与广泛应用的接口。软件无线电论坛是根据API（Appjieation Programming Interface）来进行区分，采用CORBA技术。CORBA技术能够无缝的共享应用数据，它提供了一种软总线。利用接口定义语言（JAVA语言是一个子集），每一个软件包被提供一个信息传输接口到ORB，被确定数量的对象用CORBA接口来实现插拔。CORBA技术

57、在软件无线电中的应用还需要进一步研究。4.24.2 软件无线电结构数学分析化软件无线电结构数学分析化当软件无线电经历从研究到实用的转变时，建立软件无线电结构的可证明特性越来越重要。如：虽然用CORBA技术可以实现软件的模块化，大大提高了软件的可重用性，但是由于缺乏数学分析对存储器、缓存空间与处理资源的量化，很难讲出一个软件模块的数据吞吐、响应时间及其它关键要求。当重用自己软件库中或第三方的软件时，可能存在系统性能下降，甚至系统崩溃，需要用数学模型来刻划快速涌现的技术。利用拓扑学来研究软件无线电结构，提高了即插即用结构的应用和有效重用。分析拓扑结构特性产生了分层分布虚拟机参考模型（如图7）与一系

58、列的设计原则，结构设计原则是：（1）有界递归模块：这样的模块将消耗可预测的资源，且软件错误不大可能引起系统崩溃。（2）清楚的可扩展的接口拓扑：用拓扑空间的基来定义软件无线接口，并使用可扩展语言，如UML、SDL、IDL和ASN.1。（3）分布分层虚拟机结构：这样可以最大的使用高一层或低一层的组件，为软件无线电结构建立数学模型，并进行数学分析，可以提高系统的稳定性与可重用性等。4.34.3 面向对象化面向对象化第三代移动通信系统面向的是个人服务，因而第三移动通信系统中的软件无线电技术需要面向对象设计。面向对象设计是一种很有效的设计方法。软件无线电具有很强的灵活性，使对象具有很强的选择性，因此其功

59、能的设计应面向对象。面向对象的软件无线电系统结构如图8。信源集信源集 信道信道集集 信源信源编码编码/译码译码 服务与服务与网络支网络支持持 信息信息安全安全 调制调制解调解调 中频中频 处理处理 RF/信信道接入道接入 联合控制联合控制 个性化无线电接个性化无线电接点点 图图 8 面向对象的软件无线电结构型面向对象的软件无线电结构型开发支持开发支持 外部环境支持外部环境支持 信道编码与解码信道编码与解码 技术的进步已经宣告了一个电台具有一个灵活的新的物理层，多频带技术能够接入不只一种通信信道。对于一个无线接点如个人通信基站，可能需要与光纤、电缆相连，因此这些也包括在信道集中。信道编码功能包括

60、可编程的射频信道接人、中频处理与调制解调。多模式无线电具有多种空中接口波形。这些波形可能在不同的频带内，还可能扩展到几个频带内工作。由于具有不同的信源编码与信道编码，因而变成了多个性。一个个性包括了频带、信道（控制与通信信道）、空中接口波形、协议与相关的功能。信息安全可以减小无线通信网络中的欺骗行为与使通信保密。有些信源可能远离无线电节点，可通过服务与网络功能经SDH（同步数字体系）与局域网或其它网络来实现连接。这些功能都是通过一个联合控制功能用多进程多处理器软件来混合完成的，每一个在图中的功能盒对应一种库，任何一种功能在特定应用可能是空的。从开放结构来看，系统集成者、网络操作者和服务提供者从