軟件無線電資料

1、軟件無線電現(xiàn)有無線電系統(tǒng)的問題o因此，在現(xiàn)有的無線電通信系統(tǒng)中多種體制并存，形成各種體制互聯(lián)困難；由于無線電頻帶越來越擁擠，又造成相鄰頻道間的干擾越來越嚴重，從而也要求通信系統(tǒng)的抗干擾能力增強。o在九十年代初的海灣戰(zhàn)爭期間，這個問題也暴露于美國和多國部隊間的三軍協(xié)同作戰(zhàn)通信的兼容性與互通性上，并因此遇到了相應(yīng)的通信不暢的棘手問題?，F(xiàn)有無線電系統(tǒng)的問題o在民用通信方面o顯然，他也同樣要遇到類似于軍事通信方面由于通信體制與頻段帶不同而引起的互通性與兼容性不佳的麻煩問題。尤其在移動通信方面，由于現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，移動通信發(fā)展迅猛。自70年代模擬蜂窩通信系統(tǒng)問世以來，已經(jīng)發(fā)展到了以數(shù)字化技術(shù)為主要特

2、征的第三代移動通信，并將迅速向前發(fā)展。然而我們也可以看到如前所述的移動通信體制在全球范圍內(nèi)還是三足鼎立之勢，并沒有統(tǒng)一到同一種體制上，而且各種體制又各有其長處與不足，三者尚不能相互替代，因此，移動通信系統(tǒng)中各種體制如何互聯(lián)互通，也是一個重要的問題。最佳的解決方法是能夠?qū)Χ喾N體制綜合兼容。軟件無線電的基本思想及其優(yōu)越性o1992年，美國MITRE公司的JOE.MITOLA在美國國家遠程會議上首次提出了軟件無線電（Software Radio）技術(shù)的概念。他是把硬件系統(tǒng)作為無線電通信的基本平臺，在此硬件平臺上把盡可能多的無線電通信功能與個人通信及其他通信業(yè)務(wù)運行從長期依賴于固定線路特性的方式中解脫

3、出來，將對不同通信系統(tǒng)新產(chǎn)品的開發(fā)更多地轉(zhuǎn)移到相應(yīng)軟件的開發(fā)與設(shè)計上來。因此，在今后對通信系統(tǒng)的改進與升級就將非常方便且代價較??；而且對不同的頻段，不同制式的通信系統(tǒng)可以互聯(lián)、兼容。顯然，這是繼模擬到數(shù)字通信，固定到移動通信之后，在無線電通信領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的又一次重大技術(shù)突破。軟件無線電的基本思想及其優(yōu)越性o以下我們談?wù)勡浖o線電系統(tǒng)的基本思想及其優(yōu)越性，以充分認識軟件無線電產(chǎn)生的必要性與必然性。o完全數(shù)字化o由于軟件無線電的基本思想之一就是力圖從通信系統(tǒng)的基帶信號直至中頻、射頻頻段進行數(shù)字化處理，因此，它是一種比目前任何一個數(shù)組通信系統(tǒng)的數(shù)字化程度都要高得多的全數(shù)字化通信系統(tǒng)。o完全的可編程性o

4、軟件無線電通過一種通用的硬件平臺，將通信的各種功能實現(xiàn)完全由相應(yīng)軟件運行來完成。它包括：款頻段內(nèi)的可編程的信道調(diào)制方式、可編程的射頻與中頻頻段、可編程的信道解調(diào)方式、信源編碼、解碼方式等。軟件無線電的基本思想及其優(yōu)越性o系統(tǒng)升級的便捷性與系統(tǒng)功能的可擴充性o由于軟件無線電通信系統(tǒng)的功能更多體現(xiàn)在軟件上，因此，系統(tǒng)的升級只需改變相宜的軟件，即對軟件的升級即可。顯然，它比以往對硬件電路的設(shè)計與改進更加快捷。通過軟件工具可擴展通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)，分析無線通信環(huán)境、定義所需擴展增強的各項通信業(yè)務(wù)。o系統(tǒng)便于實現(xiàn)模塊化o利用軟件無線電的基本思想，對現(xiàn)行的通信系統(tǒng)均可實行模塊化設(shè)計，模塊的物理及電氣接口性能指標

5、符合統(tǒng)一、開放的標準。通過更換單一模塊，可以維護或提高系統(tǒng)的性能，也便于系統(tǒng)間復用。軟件無線電的研究現(xiàn)狀o軟件無線電自90年代初問世以來，就被作為一種全新的通信理念在通信領(lǐng)域內(nèi)受到極大重視，它被稱為繼模擬到數(shù)字通信、從固定到移動通信之后的第三次通信技術(shù)革命。之后，它成為軍用、民用通信領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)熱點。因此，軟件無線電技術(shù)的研究發(fā)展及應(yīng)用也正蓬勃向前。o目前，國外在軟件無線電技術(shù)研究及應(yīng)用方面已走在前面，如美國在其軍用無線電通信方面已著手將對軟件無線電技術(shù)的研究成果進行開發(fā)及應(yīng)用。一種稱為（speakeasy）的系統(tǒng)是美國國防部為其陸?？杖娫O(shè)立的一種共用通信系統(tǒng)，其多頻段、多方式工作的無線電臺

6、計劃是該系統(tǒng)的主要組成部分 。軟件無線電的應(yīng)用前景 o在民用領(lǐng)域，軟件無線電技術(shù)已成功地在800MHZ商用蜂窩移動通信、衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)等領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用。1995年，美國在DAMPS系統(tǒng)上進行了“智能天線”實驗，并成功地運用了軟件無線電技術(shù)。該實驗關(guān)鍵是利用不同軟件的運行來完成“智能天線”的各種功能。在系統(tǒng)中的基站采用軟件無線電結(jié)構(gòu)，大部分通信與系統(tǒng)控制功能由軟件在一種通用硬件平臺上完成。中頻處理部分由專用硬件模塊來實現(xiàn)。實驗表明，這種智能天線可使系統(tǒng)的頻率復用率由1/7提高至1/3，從而可用于大大增強現(xiàn)有通信系統(tǒng)的容量，也可相應(yīng)提高系統(tǒng)的可靠性。o綜上所述，與傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬無線通信系

7、統(tǒng)相比，由于軟件無線電有著前述的特殊優(yōu)越性，因此無論是在軍事上還是在民用領(lǐng)域，它都有廣泛的應(yīng)用前景。 二、軟件無線電結(jié)構(gòu)及其功能概述 理想的軟件無線電o理想的軟件無線電臺包括：電源、天線、多頻段射頻轉(zhuǎn)換器，寬帶ADA轉(zhuǎn)換器，可編程處理高速Dsp及通用處理器和存儲器的專用芯片。該芯片可完成無線電臺的各種功能。o標準的移動軟件無線電終端通過話音、圖像、傳真等直接與用戶接口，標準的基站直接與公用交換電話網(wǎng)絡(luò)（PSTN）接口。o在該系統(tǒng)中，還可通過業(yè)務(wù)擴展工作站來對系統(tǒng)外圍已配置的各基站進行操作控制與管理。 理想的軟件無線電理想的軟件無線電o由圖可知，理想軟件無線電系統(tǒng)的A/D/A轉(zhuǎn)換器已相當接近天線

8、，從而可對高頻信號進行數(shù)字化處理，這也是它與常用的數(shù)字通信系統(tǒng)的根本區(qū)別所在。顯然，它的硬件平臺相對簡單而且通用，且可用不同軟件來定義無線電系統(tǒng)的各種功能。這些就是軟件無線電臺的主要特征。o此外，軟件無線電臺的可編程性較寬，它包括可編程的RF頻段、信道訪問模式及信道調(diào)制解調(diào)方式等。目前要求該系統(tǒng)覆蓋2M2GHZ分人頻帶寬。理想的軟件無線電o然而上述理想的軟件無線電臺在現(xiàn)有的實際工程設(shè)計中還難以實現(xiàn)。這是由于目前的高速DSP芯片、A/D/A轉(zhuǎn)換芯片的處理能力還未達到理想軟件無線電要求從系統(tǒng)的射頻段數(shù)字化的處理能力，因此在目前的實用軟件無線電結(jié)構(gòu)中，采取了一種折中的方案，即實用的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、。 圖三。過渡型的軟件無線電實際的軟件無線電結(jié)構(gòu)o以下簡要地介紹一種目前較為通用的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即中頻數(shù)字化的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。o如圖所示，實際的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：電源、天線、多頻段射頻變換器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的芯片，以及片上通用處理器及存儲器。該系統(tǒng)也能實現(xiàn)各種常用無線電系統(tǒng)功能和一些相應(yīng)的接口功能。實際的軟件無線電結(jié)構(gòu)在這種實用的結(jié)構(gòu)中，為了滿足現(xiàn)有DSP處理器的功能，系統(tǒng)的A/D、D/A只是盡可能地向RF端靠近，由基帶移到中頻，對整個中頻系統(tǒng)頻帶進行采樣。這樣也可以盡可能造地將接收到的模擬信號數(shù)字化，從而使信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼、等功能均可以通過通用可編程D

10、SP等器件完成。這也是這種使用軟件無線電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)的重大區(qū)別所在。前者可以通過運行不同的算法，使這種軟件無線電系統(tǒng)實現(xiàn)不同的通信業(yè)務(wù)功能。軟件無線電系統(tǒng)信道流程模塊劃分 o理想的軟件無線電可將傳統(tǒng)的信道編解碼劃分成如下模塊：分別是天線、RF轉(zhuǎn)化、IF處理、基帶處理和比特流處理模塊等。 天線模塊o軟件無線電需跨越多個頻段，它既有多倍頻程的頻段又有統(tǒng)一的形式和低損耗以提供可用的業(yè)務(wù)頻段。例如，在軍事運用中，移動終端要求用VHF/UHF系列，UHF的衛(wèi)星通信及HF作為支撐模式。多波段的開關(guān)式接入需要倍頻帶寬天線或頻段多天線及一個RF模塊的靈活的頻率參考。多路天線單元也是波束形成網(wǎng)絡(luò)的一

11、部分，用以降低干擾及實現(xiàn)空分多路接入方式。RF轉(zhuǎn)換模塊oRF轉(zhuǎn)換包括功率輸出、預放大、運用于寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換的RF信號與標準中頻信號的相互轉(zhuǎn)換等于部分。在大多數(shù)無線電頻段，RF轉(zhuǎn)換是對模擬信號進行轉(zhuǎn)換的。在軟件無線電中，某些RF轉(zhuǎn)換問題更加突出，其中包括對放大器的線性及接入頻段的效率需求。為避免將處理器時鐘調(diào)諧引入系統(tǒng)中的模擬RF/IF電路，需對其處理器進行屏蔽。多個發(fā)射機同時存在還將產(chǎn)生電磁干擾問題，這對軟件無線電系統(tǒng)來說，它將經(jīng)歷與多個硬件無線電臺放在一起而出現(xiàn)的類似干擾問題。A/D/A轉(zhuǎn)換模塊o在實用的軟件無線電系統(tǒng)中，需要進行數(shù)字化的中頻信號帶寬決定了所需采用的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。根據(jù)奈

12、奎斯特定理對帶限信號的抽樣，A/D轉(zhuǎn)換器的取樣速率Fs必須是Ws的二倍，實際的系統(tǒng)中往往是Fs2.5Wa，其中Wa表示中頻信號的帶寬。因此，寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器訪問頻譜的連續(xù)頻段一般是1050MHZ。o顯然，在使用的軟件無線電結(jié)構(gòu)中，在IF末端與信道隔離濾波器前放A/D/A轉(zhuǎn)換器部分，主要有三個優(yōu)點：（一）在檢測及解調(diào)前進行數(shù)字信號處理；（二）通過將IF及基帶處理引入可變成硬件，降低混合信道訪問模式的成本；（三）將系統(tǒng)元素的使用集中于一點，即為每個結(jié)構(gòu)要素提供計算資源系統(tǒng)（I/O帶寬、存儲器及處理能力），這些元素主要是實用系統(tǒng)尺寸、重量、功率及使用成本費用等。中頻處理模塊o中頻IF處理模塊將在

13、調(diào)制的基帶和中平IF信號間傳送和接收信號，并對信號進行相應(yīng)處理。IF接收處理模塊包括寬帶數(shù)字濾波部分，其作用是從可用頻帶中選擇所需業(yè)務(wù)頻帶。此外，IF濾波還可恢復中間頻段的信道（如GSM中200KHZ的TDMA信道）和寬帶用戶信道（如2MHZ的CDMA信道），并將信號變換至基帶。決定IF模塊處理要求的主要因素是頻率轉(zhuǎn)換及信號濾波的復雜性。基帶處理模塊 o基帶處理模塊主要用于對信號進行第一級信道調(diào)制。而且對非線性信道的預矯正處理也需要在基帶處理中進行?；鶐幚聿考€包括交織編碼和軟定義參數(shù)的估計。因此，基帶處理模塊的復雜性取決于基帶帶寬，以及依賴于信道波形的復雜性和相關(guān)處理的復雜性。比特流模塊o

14、系統(tǒng)中比特流模塊主要用于對來自多用戶的源代碼比特流進行數(shù)字復接。比特流模塊也可對比特流進行前向誤碼控制功能操作，它包括比特插入分塊及旋轉(zhuǎn)編碼，自動重發(fā)請求檢測及系統(tǒng)響應(yīng)。再如幀調(diào)整、比特流填充及無線鏈路加密等功能也均在比特流模塊中進行。常用的加密要求是將加密的比特從清零比特中分離出來。因此，它又相應(yīng)地需要劃分和分離比特流硬件。比特流模塊還需負責做出最后交織編碼調(diào)制的決定，而最終對TCM的轉(zhuǎn)換將由基帶模塊的軟延遲決定參數(shù)轉(zhuǎn)換到最終比特定義。因此，該模塊的復雜性取決于復接、幀構(gòu)成、前向誤碼控制、加密及相應(yīng)的比特控制操作。源模塊o在軟件無線電終端和基站的源模塊是不同的。例如，在移動終端，源模塊由用戶

15、和源編解碼器組成。而在基站中，源模塊則由用于包含遠端原編碼的PSTN接口組成，并由PSTN操作進行所需的協(xié)議轉(zhuǎn)換，需要在基站的源模塊中進行處理。端至端的定時預算功能 o由于在這種軟件無線電中，需要在有限組隨即長短的時間里進行清除并填滿緩沖區(qū)這種固定的I/O及資源處理，因此在IF、基帶、比特流和源模塊中會引入時延。在每個模塊與模塊接口處，要求這些延遲的端至端集合必須保持在同步范圍之內(nèi)。該范圍取決于信號類型及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比如端至端IF延遲應(yīng)小于150ms，但外部網(wǎng)絡(luò)定時預算需要100ms，這樣軟件在無線電電臺中運行時間僅剩50ms。顯然，在軟件無線電中這種預算由于處理器內(nèi)部及處理器之間的排列時延與現(xiàn)

16、有的數(shù)字無線電系統(tǒng)相比則顯得比較復雜 三、實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的幾項關(guān)鍵技術(shù)o軟件無線電系統(tǒng)的基本思想是在盡可能靠近天線處使用寬帶A/D,D/A轉(zhuǎn)換器，盡可能多地利用軟件在同一硬件平臺上來實現(xiàn)及兼容不同的無線電系統(tǒng)并完成它們的各種功能，從而達到軟件無線電系統(tǒng)的多波段、多模式、多功能的通信。o因此，實現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要有：寬頻帶智能天線技術(shù)；寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)；通用可編程高速DSP技術(shù)；適用于軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的VME總線技術(shù)標準；實用軟件無線電系統(tǒng)中的數(shù)字上、下變頻(DUC、DDC)以及直接數(shù)字頻率合成（DDS）等技術(shù)。 寬帶智能天線的基本概念o寬帶智能天線在軟件無線電通信中具

17、有非常重要的功能。它既有一個較寬的頻率范圍（如通常要求22000MHZ寬），又具有自動增強所需信號的能力，并可兼容各種無線電通信制式。它比傳統(tǒng)的天線（如采用擴頻技術(shù)或強定向天線等手段）具有更前的抗干擾能力。o智能天線是在常用自適應(yīng)天線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代天線系統(tǒng)，它的基本思想是在發(fā)射信號時，智能天線可以分別發(fā)射多個高增益的動態(tài)窄波束以跟蹤多個期望用戶；在接收信號時，來自目標方向窄波束以外的信號即被抑制。此外，發(fā)射信號時，即使所需用戶接受的信號功率最大，也可使窄波束照射范圍意外的非期望用戶收到的干擾最小。因此，實現(xiàn)智能天線的關(guān)鍵技術(shù)主要是智能化接收和智能化發(fā)射這兩方面技術(shù)的實現(xiàn)。 軟件無線電

18、系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換o我們已知軟件無線電結(jié)構(gòu)的基本特征之一是將A/D轉(zhuǎn)換部分盡可能地靠近射頻天線，以在系統(tǒng)中盡早將模擬線號數(shù)字化，這樣后級就可采用DSP等通用硬件來進行處理。因此，高速A/D/A轉(zhuǎn)換在軟件無線電系統(tǒng)中實際作為一個標準接口，將RF/IF部分和通用數(shù)字/軟件部分聯(lián)接起來。o對軟件無線電系統(tǒng)匯總A/D/A轉(zhuǎn)換接口的要求是：高速A/D/A轉(zhuǎn)換盒數(shù)字、軟件部分必須滿足系統(tǒng)帶寬；相應(yīng)處理能力的要求；并具有良好的通用性。 軟件無線電系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換o常用A/D轉(zhuǎn)換器的類型n閃爍式A/D轉(zhuǎn)換器 應(yīng)用于分辨率不高而對速度要求較高的場合n逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器 適用于中低速率而分辨率要求較高的場合

19、nA/D轉(zhuǎn)換器 可獲得較好的線性及高分辨率軟件無線電系統(tǒng)中的DSP技術(shù)o軟件無線系統(tǒng)性能很大程度上依賴于其DSP的處理速度，限制其發(fā)展的一個較大障礙就是DSP硬件處理的速度?，F(xiàn)有的A/D轉(zhuǎn)換器的抽樣率、分辨率、轉(zhuǎn)換精度已基本達到使用軟件無線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可應(yīng)用的程度，在由軟件控制的專用數(shù)字信號處理器件的應(yīng)用中，尤其是軟件無線電系統(tǒng)對DSP器件的處理速度要求更高。軟件無線電系統(tǒng)中的總線標準o軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺是將不同的功能模塊互聯(lián)起來，組成一個開放的、可擴展的硬件平臺。因此，它應(yīng)具有較其他任何傳統(tǒng)無線電通信系統(tǒng)高的輸入輸出數(shù)據(jù)量，即數(shù)據(jù)吞吐率。同時，它也對總線結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)較高的要求。o人們從PC機的發(fā)展中得到啟示，由此基于總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)便應(yīng)運而生，即VME總線標準。VME總線標準為軟件無線電的可開放，可擴展硬件平臺奠定了堅實的基礎(chǔ)。oVME總線是由MOTOROLA公司最初提出基于微處理器系統(tǒng)的16或32為的總線，其前身稱為VERSA總線。其傳輸速率40Mbytes/s.帶寬也由32位過渡為目前的64位。 軟件無線電系統(tǒng)中的總線標準數(shù)據(jù)傳輸總線32位數(shù)據(jù)線，32地址線，6地址修改線主要用于主從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與控制。優(yōu)先中斷總線7中斷請示線，1中斷應(yīng)答線，1中斷應(yīng)答菊花鏈線（用于相應(yīng)優(yōu)先級最高的中斷請求）DT