第六讲 软件无线电技术,电子科技大学：王 洪,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。,6.1 软件无线电的由来,软件无线电的由来,欧洲第一代模拟网：加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家，分别共使用6种不同的制式。这些模拟通信体系的制式，频率各不相同，不能互通、兼容。那些喜欢到邻国旅游的人们，车一出国门电话就不通了，带来了极大的不便。,矛盾的核心：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。,到底怎么办？ 1992年，MILTRE公司的Joseph Mitola首次明确提出了软件无线电的概念。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。,成功吗？ （1）很强的灵活性 （2）较强的开放性 这使得软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。,6.2 软件无线电的发展概况,1、1991年Joseph Mitola III提出软件无线电概念，并各到广泛认可。,I coined the term Software Radio in 1991 to signal the shift from hardware intensive digital radios of the 1980s to the multiband multimode software-defined radios of the year 2000 and beyond. Last year, I coined the term Cognitive Radio to refer to that class of software radio that employs model-based reasoning and at least a chess-program level of sophistication in using, planning, and creating radio etiquettes. Cognitive radio is an emerging topic within software radio.,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。 2、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。 易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。,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Hazeltine, TRW, Lockheed-Martin, Motorola, and Rockwell-Collins等公司赞助，完成： - 两个可编程信道的电台实现。 VME bus architecture Texas Instrument quad-TMS320C40 multi-chip module for digital signal processing SUN Sparc 10 工作站作为主机接口。 - 采用模块设计，19标准机箱。,易通话电台信号处理流程,易通话工程功能方框图,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-XXI AWE F, Irwin, March 97等电 台互通 - 支持HF, VHF, UHF 多频段,易通话第二阶段的功能模块,MBMMR电台的组成,易通话第二阶段的功能模块,SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL,易通话第二阶段的功能模块,SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL,3、联合战术无线电系统（JTRS）,JTRS是美军为了适应三军联合作战的需要，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）。JTR系列电台与常规电台的最大不同点是具有很强的网络功能和信息安全处理能力。另外，JTR比MBMMR电台支持更加广泛的信号波形，它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）,JTR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）。,联合战术无线电系统（JTRS）,4、JTRS提出的软件通信结构SCA,首先提出SCA的是美军联合战术无线电系统（JTRS），目的是建立独立于设备的结构框架。其目标是确保软件和硬件的可移植性和可配置性，并确保根据SCA开发的产品之间的互通。之后，软件定义无线电（SDR）论坛也接受SCA规范，并正在把SCA发展为商业应用的标准。,JTRS提出的软件通信结构SCA,SCA要达到的八个目标 通用的和开放的结构 支持多种设备系统和设备运行环境 多波段多模式 与现有系统兼容 新技术的引入具有开放性 保密性 网络化软件重用/通用的波形软件,基于SCA的无线通信系统,在SCA 中，根据通信功能的划分，所有的资源通过软件平台分别加载到相应的硬件模块中，从而完成用户通信功能。从OSI（开放系统互连） 模型来看，这些通信功能包括了物理层的数字信号处理、链路层的协议处理、网络层的协议处理、网络间的路由转发、信息的安全传送、外部输入输出访问等。下图是基于SCA 的无线通信系统方框图。,SCA的软件结构,SCA的软件结构定义了一个运行环境（OE：Operating Environment），还包括一系列CF业务和结构化的软件（主板支持软件包、操作系统和服务、CORBA中间件）。 SCA使用的是面向对象的开发方法，其开发过程不仅可以用于框架的定义，还可以用于产品的开发。SCA使用联合建模语言UML对接口进行图示建模，使用接口定义语言CORBA IDL对接口进行定义。,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。,4、军事上成功，是软件无线电技术迅 速在民用上推广,6.3 软件无线电技术的研究内容,1、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：,目前，软件无线电的结构基本上可以分为三种： - 射频低通采样数字化结构； - 射频带通采样数字化结构； - 宽带中频带通采样数字化结构。 说明：关于软件无线电的结构，将在第三章进行详细分析，并从数学模型角度进行讨论。,2、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：,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。,硬件功能的模块化和开放性,3、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CORBA IDL可以描述CORBA中间件接口。,软件的模块化设计和面向对象编程：,软件的模块化设计和面向对象编程：,软件的模块化设计和面向对象编程： 说明： 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、分布计算实现等等，是目前软件无线电技术研究的热点之一，但超出本课程内容。,4、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Joe Mitola 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03 。,5、智能天线技术,我们知道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。,6、软件无线电理论和信号处理算法,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DSP处理成为软件无线电的核心。从采样理论、多速率信号处理，到通信信号理论、波形生成算法和信号处理算法，许多新概念、理论和算法成为软件无线电的根本所在。,软件无线电数学模型,6.4 软件无线电的三种结构形式,软件无线电的宗旨： （1）尽可能地简化射频模拟前端，使A/D转换尽量靠近天线，数字化后的信号尽量多用软件处理。 （2）硬件平台应具有开放性、通用性，软件应具有可升级性，可替换性。 软件无线电可分为三大组成部分：,基于采样方式的不同，软件无线电的组成结构可以分成以下3种： 1）射频全宽带低通采样软件无线电结构 2）射频直接带通采样软件无线电结构 3）宽带中频带通采样软件无线电结构,6.4.1 射频全带宽低通采样软件无线电结构,组成结构如图所示：,这种结构的优缺点,优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电概念的定义。 缺点： （1）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件水平无法实现。 （2）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范围有很高的要求，工程实现极为困难。 所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。,例：短波HF频段低通采样软件无线电结构,对于工作频段处于0.1MHz