软件无线电课件

软件无线电的概述及硬件实现大连海事大学什么是软件无线电？软件定义无线电（SDR）是一种无线电通信系统，其中传统上以硬件实现的组件（例如，混频器，滤波器，放大器，调制器/解调器，检测器等）通过个人计算机上的软件实现或嵌入式系统。[1]虽然SDR的概念并不新鲜，但数字电子产品的快速发展能力使得实际的许多过程在理论上都是可能的。基本的SDR系统可以包括配备有声卡的个人计算机，或其他模拟-数字转换器，其前面是某种形式的RF前端。大量的信号处理被移交给通用处理器，而不是在专用硬件（电子电路）中完成。这种设计产生的无线电可以仅基于所使用的软件接收和发送广泛不同的无线电协议（有时称为波形）。软件无线电对于军事和蜂窝电话服务具有重要的实用性，这两者都必须实时地服务于各种变化的无线电协议。从长远来看，软件定义无线电被像SDRForum（现在的支持者预计无线创新论坛）成为主导技术的无线电通信。SDR以及软件定义的天线是认知无线电的推动者大连海事大学大连海事大学软件无线电的历史术语“数字接收器”是由美国国防部实验室的研究人员于1970年创造的。位于加利福尼亚州TRW的一家名为GoldRoom的实验室创建了一个名为Midas的软件基带分析工具，该工具的操作在软件中定义。“软件无线电”一词是由德克萨斯州加兰市的E-Systems公司（现为雷神公司）的一个团队于1984年创造的，用于指代数字基带接收器，并在其E-Team公司新闻通讯中发布。“软件无线电概念证明”实验室由E-Systems团队开发，该团队在各种政府机构中推广软件无线电。1984年的软件无线电是一种数字基带接收器，为宽带信号提供可编程干扰消除和解调，通常具有数千个自适应滤波器抽头，使用多个阵列处理器访问共享存储器。1991年，JoeMitola独立改造软件无线电这一术语，计划建立一个GSM基站，将Ferdensi的数字接收器与E-SystemsMelpar的数字控制通信干扰器结合起来，构建真正的基于软件的收发器。E-SystemsMelpar将软件无线电的想法卖给了美国空军。Melpar在1990-91赛季建立了原型指挥官的战术终端，采用德州仪器TMS320C30处理器和Harris数字接收器芯片组具有数字合成传输。Melpar原型并没有持续多久，因为当E-SystemsECI部门制造出第一批限量生产单元时，他们决定“抛弃那些无用的C30板”，用发射和接收的传统RF滤波代替它们，恢复到数字基带无线电而不是SPEAKeasy，如Mitola原型的IFADC/DAC。空军不会让Mitola公布该原型的技术细节，也不会让DianeWasserman发布相关的软件生命周期课程，因为他们认为这是“美国空军的竞争优势”。因此，在美国空军的许可下，1991年Mitola在一篇论文“软件无线电：调查”中描述了没有实现细节的架构原则。[5]当Mitola在会议上发表论文时，GECMarconi的BobPrill在Mitola之后开始了他的演讲，“Joe对于软件无线电理论是完全正确的，我们正在建立一个。”Prill发表了关于PAVEPILLAR的GECMarconi论文，这是一种SPEAKeasy前体。军事软件无线电SPEAKeasy由罗马航空发展中心的WayneBonser制定（RADC），现在罗马实验室;作者：纽约罗马MITRE的AlanMargulies;然后是原来的DARPASPEAKeasy项目经理LtBethKaspar和罗马的其他人，包括DonUpmal。尽管Mitola的IEEE出版物在软件无线电领域占据了最大的全球影响力，但Mitola私下认为20世纪70年代的DoD实验室与其领导者Carl，Dave和John共同发明了数字接收器技术，一旦有可能将其传输到软件无线电上通过软件。大连海事大学在1992年全国电视系统会议召开几个月后，在E-Systems公司计划审查中，E-SystemsGarland部门副总裁反对Melpar（Mitola）使用“软件无线电”一词，而没有给Garland提供信贷。Melpar当时的营销副总裁AlanJackson向Garland副总裁询问他们的实验室或设备是否包括发射器。Garland副总裁说：“不，当然不是-我们的是软件无线电接收器”。Al回答说“那么它是一个数字接收器，但没有发射器，它不是软件无线电。”公司领导层同意Al的意见，因此出版物就是这样。许多业余无线电运营商和HF无线电工程师已经意识到在RF上数字化HF并使用德州仪器TIC30数字信号处理器对其进行处理的价值（DSPs）及其前身在20世纪80年代和90年代初期。英国RokeManor和德国一家组织的无线电工程师同时认识到ADC在RF上的优势，因此许多父亲都取得了成功。Mitola在IEEE中出版的软件无线电向广泛的无线电工程师社区开放了这一概念。他1995年5月出版的IEEE通讯杂志特刊“软件无线电”被认为是成千上万的学术引用的分水岭事件。1997年，JoaodaSilva在第一届软件无线电国际会议上作为软件无线电的“教父”介绍了Mitola，这在很大程度上是因为他愿意“为了公共利益”分享这样一种有价值的技术。也许第一个基于软件的无线电收发器是由PeterHoeher和HelmuthLang于1988年在德国Oberpfaffenhofen的德国航空研究机构（DLR，前身为DFVLR）设计和实施的。[6]自适应数字卫星的发射器和接收器调制解调器是根据软件无线电的原理实现的，并提出了灵活的硬件外围设备。术语“软件定义无线电”是由StephenBlust在1995年创造的，他在1996年由美国空军和DARPA组织的模块化多功能信息传输系统（MMITS）论坛第一次会议上发布了BellSouthWireless的信息请求。他们的SPEAKeasyII计划的商业化。Mitola反对Blust的任期，但最终接受它作为理想的软件无线电的务实途径。虽然这个概念最早是在20世纪90年代早期用IFADC实现的，但软件定义的无线电起源于20世纪70年代后期的美国和欧洲国防部门（例如，WalterTuttlebee描述了使用ADC和8085的VLF无线电。微处理器）。[7]在布鲁塞尔举行的第一届国际会议后大约一年。最早的公共软件无线电计划之一是美国DARPA-空军军事项目，名为SpeakEasy。所述SPEAKEASY项目的主要目的是利用可编程处理来模拟超过10个现有军用无线电，在操作频率的频带2和2000之间兆赫。[8]另一个SPEAKeasy设计目标是在未来能够轻松地结合新的编码和调制标准，以便军事通信能够跟上编码和调制技术的进步。大连海事大学

现代许多技术发展总是从军事需求的推动，软件无线电技术更是典型代表。美国军方开始的Speakeasy（易通话）研发，代表软件无线电技术的研究全面开展。通话电台试图通过全数字、软件可编程、基带信号处理、多频段、小功率射频收发信机、大功率放大器和天线分系统来实现各种功能。目前，易通话已经完成了第一阶段和第二阶段的研究。大连海事大学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Hazeltine,TRW,Lockheed-Martin,Motorola,andRockwell-Collins等公司赞助，完成：

--两个可编程信道的电台实现。

–VMEbusarchitecture

–TexasInstrumentquad-TMS320C40multi-chipmodulefordigitalsignalprocessing

–SUNSparc10工作站作为主机接口。

--采用模块设计，19’’标准机箱。大连海事大学易通话电台信号处理流程语音/数据接口通信保密波形合成传输保密数字信号处理高速信号预处理频率变换滤波放大天线分系统终端控制人机接口电源分系统时钟分系统大连海事大学易通话工程功能方框图

终端控制多处理器分系统预处理分系统波形产生分系统高频分系统频率合成器IR/FR控制分系统基带转换分系统干扰抑制分系统时钟/定时参考分系统信息保密分系统大连海事大学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：

--正真开放式结构

--功能软件可编程

--能与TF-XXIAWEF,Irwin,March97等电台互通

--支持HF,VHF,UHF

多频段大连海事大学易通话第二阶段的功能模块天线耦合器发射接收信道A/DD/A预处理器(ASIC)波形处理器(DSP)信息安全控制多媒体接入路由器GPS控制处理器参考时钟蜂窝电话射频前端信号处理信息安全网络互联控制外部接口人机接口MBMMR电台的组成大连海事大学易通话第二阶段的功能模块大连海事大学军事上成功，是软件无线电技术迅速在民用上推广在民用方面，软件无线电也取得了很大的发展。如：已经研制成功的220MHz地震遥测系统，采用16QAM的调制方式，信道带宽为20kHz，频带利用率为3b/(s*Hz)。利用这种设备,不但降低了成本，还提高了系统的灵活性。又比如3G/4G中的应用。大连海事大学软件无线电基本平台设计一般说来，软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和数字信号处理以及各种软件组成，理想的软件无线电的组成结构如下图：窄带A/D_D/A转换器实时、准实时处理软件DSP宽带A/D_D/A转换器射频前端模块电话图像数据传真大连海事大学硬件功能的模块化设计

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：大连海事大学

宽带射频板

存储器板并行DSP板高速A/DD/A板VME主机板

用户接口板音频视频传真数据VME总线

多路耦合器

高速数据总线大连海事大学硬件功能的模块化和开放性

软件无线电硬件的模块化结构可以参看SDR论坛，对SDR设备的抽象层次结构功能模型，通过三个不同层面的视图表示。最上一层是最抽象的表示为一个信息传输线程。左边接口代表空气接口，右边接口代表人机接口。第二层通过四个重要的功能领域表示一个基本顺序的功能流：1）前端处理包括物理的空气接口，前端无线电频率处理，变频处理，还有调制、解调制处理；2）信息安全提供用户私有，特权，和信息保护；3）信号处理负责解析处理信息中的数据、控制、和时间信息；4）控制负责系统的配置和管理。第三层显示了系统的主要功能模块。大连海事大学硬件功能的模块化和开放性

信息传输线程RFModem可选的连接处理器通讯安全编码信号协议InternetworkingI/OETE安全前端处理信息安全信息处理和I/O

控制

控制123大连海事大学软件的模块化设计和面向对象编程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。CORBA能够无缝的共享应用数据，它提供了一种软总线。{概念说明}CORBA--是一种规范，用于解决面向对象的异构应用之间的互操作问题，提供分布式计算所需要的一些其他服务。使用CORBAIDL可以描述CORBA中间件接口。大连海事大学软件的模块化设计和面向对象编程

软件模块软件模块软件模块软件模块层间通信垂直接口

传统软件层次结构1234大连海事大学软件的模块化设计和面向对象编程软件模块1软件模块2软件模块3软件模块4CORBA软总线基于CORBA的软件结构大连海事大学软件化及软件化程度的评价我们知道软件无线电是要在通用的硬件平台上，靠软件来完成各式各样的功能。因此，软件化的程度是一个很重要的指标。1997年JoeMitola提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA)表示软件化程度，每个参量的取值均为0~3。大连海事大学大连海事大学软件无线电硬件平台的基本结构模拟前端宽带A/D和D/A数字上下变频器高速数字信号处理器大连海事大学模拟前端宽带A/D数字下变频器DSP处理器数字上变频器宽带D/A软件无线电前端电路主要任务：（1）把接收到的信号变换至适合A/D转换器处理的信号频率和电平范围内。（2）把宽带D/A转换器的输出信号转换至能被其他电台接收的频率和电平范围。根据软件无线电的结构不同，前端电路的结构不同。大连海事大学传统模拟接收机的前端电路特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频率和带宽通常固定；接收通道中使用较多的窄带滤波器，使得信号幅相畸变较大。大连海事大学带通滤波低噪声放大窄带滤波中放（窄带）窄带滤波中放（窄带）一本振（小步进）AGC二本振中频数字化接收机前端较前一种结构有较大改善，带通滤波器和放大器都是宽带的，而且一本振的频率是大步进的，实现较方便。大连海事大学带通滤波低噪声放大宽带滤波一中放(宽带)宽带滤波二中放(宽带)一本振（大步进）AGC二本振射频数字化结构本结构简洁明了，随着A/D器件的发展，这种结构性能将不断提高。射频前端的接收部分主要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、AGC控制等组成。大连海事大学收/发电调滤波放大A/DDSP放大A/D射频前端的典型器件介绍滤波器放大器镜像抑制中频信号的线性化AGC设计大连海事大学软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的主要技术指标：频段:1.5-4MHz；4-10MHz；

10-30MHz；30-90MHz；

90-200MHz；200-700MHz；

400-700MHz；700-1000MHz;输入输出阻抗：50Ω滤波器通带带觉：中心频率的2％一5％；大连海事大学软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的主要技术指标：插入损耗：＜6dB；调谐码：8bits：调谐速度：10us(30MHz以上）30dB带宽大连海事大学软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的应用：调谐码：Cd=250*（fd-f1）/（fh-f1）电调滤波器连接：电调滤波器电调滤波器电调滤波器电子开关控制大连海事大学软件无线电中的放大器电放大器的工作模式：由于软件无线电的接收通道是宽带的，有时甚至是宽开的，通带内的信号可能有很多，因此，在软什无线电中不能用非线性放大器、而只能用线性放大器。否则就会引起许多非线性产物。宽带放大器中常用前馈(Feedforward)和反馈(Feedback)两种技术。前者主要用于提高放大器的杂波等指标，而反馈用于提高放大器的稳定性和带宽指标。大连海事大学软件无线电中的放大器电放大器的主要技术指标：工作频率范围：指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。功率增益：指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用“dB”。增益平坦度：指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。增益平坦度由下式表示:ΔG=±（Gmax-Gmin）/2dB大连海事大学软件无线电中的放大器放大器增益窗：宽带放大器的增益定义采用增益窗的定义方法（不含窄带功率放大器），是根据放大器允许的最大增益Gmax，放大器允许的最小增益Gmin，放大器的增益波动ΔG等三个增益指标对放大器的增益允许的波动和变化范围作明确定义。大连海事大学软件无线电中的放大器噪声系数：噪声系数是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值，单位常用“dB”。噪声系数由下式表示：

NF=10lg输入端信噪比/输出端信噪比在放大器的噪声系数比较低（例如NF<1）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（T）来表示。噪声系数与噪声温度的关系为：T=（NF-1）T0或NF=T/T0+1大连海事大学软件无线电中的放大器输入/输出驻波比：微波放大器通常设计或用于50Ω阻抗的微波系统中，输入/输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗(50Ω)的匹配程度。

VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Г|)；其中反射系数Γ=(Z-Z0)/(Z+Z0)；Z为放大器输入或输出端的实际阻抗；ZO为需要的系统阻抗。大连海事大学软件无线电中的放大器1分贝压缩点输出功率（P1dB）：放大器有一个线性动态范围，在这个范围内放大器的输出功率随输入功率线性增加，这两个功率之比就是功率增益G。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。大连海事大学软件无线电中的放大器大连海事大学软件无线电中的放大器典型情况下，当功率超过P1dB时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比P1dB大3-4dB。软件无线电中的放大器三阶截点（IP3）：测量放大器的非线性特性的一个颇为流行的方法，是利用两个相距5到10MHz的f1、f2信号加到一个放大器上，此时放大器的输出不仅包含了这两个信号，而且也包含了频率为mf1+nf2的互调分量（IM）。这里称m+n为互调分量的阶数。在中等饱和电平时，通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶分量。三阶截点（IP3）来表征互调畸变很严重是的输入电平。三阶截点功率的典型值比P1dB高10-12dB。大连海事大学软件无线电中的放大器三阶截点（IP3）：IP3可以通过测量IM3得到，计算公式为：IP3=PSCL+IM3/2；其中PSCL单载波功率；如三阶互调点已知，则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式估计：基波与三阶互调抑制比=2[IP3-(PIN+G)]

三阶互调杂散电平=3（PIN+G）-2IP3大连海事大学前馈放大器前馈放大器原理可用下图来描述。该放大器由环路1和环路2组成。对于双频信号通过非线性放大器时所产生的失真，可以通过前馈对消。大连海事大学软件无线电中的A/D/A技术软件无线电的基本思想就是让模拟电路尽量简单，将A/D和D/A尽量靠近射频前端。要求A/D器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽。本部分主要讨论如何A/D、D/A转换器实现软件无线电中的模/数和数/模变换。大连海事大学A/D转换器原理A/D转换器功能:将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位大连海事大学A/D转换器原理ADC工作过程与结构A/D电路模拟输入三态门数字输出寄存器精密稳压电源电源主机读取命令时序控制电路A/D转换命令（来自主机）转换完成信号由主机检测或申请中断A/D转换器大连海事大学A/D转化器的性能指标转换灵敏度信噪比（SNR）有效转换位数（ENOB）孔径误差无杂散动态（SFDR）非线性误差互调失真（IntermodulationDistortion）总谐波失真（TotalHarmonicDistortion）大连海事大学A/D转换器的选择A/D转换器分类－－基于变换原理1）逐次比较式2）并行式A/D转换器3）∑–∆

ADC转换器4）采样ADC5）电子雪堆技术ADC典型的A/D转换器参见书P112－115常见的AD转换器件的结构。大连海事大学数据采集模块的设计（略）A/D转换器转换完成信号采样/保持器模拟输入读取数据命令计算机接口A/D板A/D转换命令大连海事大学DA转换器的基本原