《軟件無(wú)線(xiàn)電原理與技術(shù)》課件-第1章_第1頁(yè)
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《軟件無(wú)線(xiàn)電原理與技術(shù)》課件-第1章_第3頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1.1軟件無(wú)線(xiàn)電的定義

1.2軟件無(wú)線(xiàn)電的起源和發(fā)展

1.3軟件無(wú)線(xiàn)電的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)

1.4軟件無(wú)線(xiàn)電的未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信是通信領(lǐng)域中最為活躍的部分,在各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。我們的世界正是由于通信的長(zhǎng)足發(fā)展而變得越來(lái)越小。在20世紀(jì),通信已經(jīng)成功由模擬通信技術(shù)轉(zhuǎn)為了數(shù)字通信技術(shù),現(xiàn)在已經(jīng)很少有人懷疑數(shù)字信號(hào)處理是解決通信問(wèn)題的最佳方法。另外,數(shù)字控制技術(shù)也在同樣地發(fā)展,電臺(tái)工作模式采用數(shù)字進(jìn)行控制是非常方便的。顯然,在理論上,數(shù)字技術(shù)已經(jīng)可以貫穿通信工作的整個(gè)過(guò)程,而且隨著ADC/DAC器件的發(fā)展進(jìn)步,也更易于在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)。1.1軟件無(wú)線(xiàn)電的定義但是,通信技術(shù)在給我們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了很多困擾,我們需要面對(duì)的通信系統(tǒng)也越來(lái)越多。能否想象一種無(wú)線(xiàn)技術(shù),這種技術(shù)配置一個(gè)無(wú)線(xiàn)設(shè)備便可用于任何通信應(yīng)用之中,例如可以用于蜂窩網(wǎng)的手機(jī)、傳呼機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)終端,也可以用于簡(jiǎn)單的收音機(jī),甚至車(chē)庫(kù)遙控器,對(duì)于消費(fèi)者而言,可以用一種無(wú)線(xiàn)設(shè)備面對(duì)多種通信需要,這種技術(shù)的前景是非常誘人的,這種技術(shù)就是軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。從這個(gè)設(shè)想我們會(huì)聯(lián)想到個(gè)人計(jì)算機(jī),即PC,我們可以用PC完成很多完全不同的工作,如觀(guān)看視頻、聽(tīng)音樂(lè)、編輯文檔、打游戲等。軟件無(wú)線(xiàn)電就是無(wú)線(xiàn)通信世界中的個(gè)人計(jì)算機(jī),如圖1-1所示。圖1-1軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)設(shè)想:通信世界的個(gè)人計(jì)算機(jī)

1992年5月在美國(guó)通信系統(tǒng)會(huì)議(NationalTelesystemsConference)上,美國(guó)MITRE公司的JosephMitolaⅢ首次明確提出了“軟件無(wú)線(xiàn)電”的概念。目前,有關(guān)軟件無(wú)線(xiàn)電的定義并不統(tǒng)一,為了更好地理解這個(gè)概念,本書(shū)給出兩種軟件無(wú)線(xiàn)電的定義。

●JosephMitolaⅢ對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電的定義是:

軟件無(wú)線(xiàn)電是多頻帶無(wú)線(xiàn)電,它具有寬帶的天線(xiàn)、射頻轉(zhuǎn)換、模/數(shù)和數(shù)/模變換,能夠支持多個(gè)空中接口和協(xié)議,在理想狀態(tài)下,所有方面(包括物理空中接口)都可以通過(guò)軟件定義。

●軟件無(wú)線(xiàn)電論壇()對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電的定義是:

軟件無(wú)線(xiàn)電是一種新型的無(wú)線(xiàn)體系結(jié)構(gòu),它通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)終端具有可重配置能力。軟件無(wú)線(xiàn)電提供了一種建立多模式、多頻段、多功能無(wú)線(xiàn)設(shè)備的有效而且相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的解決方案,可以通過(guò)軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)功能提高。軟件無(wú)線(xiàn)電可以使整個(gè)系統(tǒng)(包括用戶(hù)終端和網(wǎng)絡(luò))采用動(dòng)態(tài)的軟件編程對(duì)設(shè)備特性進(jìn)行重配置,換句話(huà)說(shuō),相同的硬件可以通過(guò)軟件定義來(lái)完成不同的功能。軟件無(wú)線(xiàn)電具有以下特點(diǎn):

(1)可多頻帶/多模式/多功能(M3,Multiband/Multimode/Multirole)工作。

多頻帶是指軟件無(wú)線(xiàn)電可以工作在很寬的頻帶范圍內(nèi);多模式是指軟件無(wú)線(xiàn)電能夠使用多種類(lèi)型的空中接口,其調(diào)制方式、編碼、幀結(jié)構(gòu)、壓縮算法、協(xié)議等可以選擇;多功能是指采用相同的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備用于不同的應(yīng)用中。

另外,強(qiáng)調(diào)多頻帶/多模式/多功能同時(shí)通信的能力,比如同時(shí)在兩個(gè)或兩個(gè)以上頻段收/發(fā)信號(hào)。

(2)具有可重配置、可重編程能力??芍嘏渲檬侵赶到y(tǒng)的操作軟件(包括程序、參數(shù)以及處理環(huán)境的軟件方面)或硬件(處理環(huán)境的硬件方面)的改變。

軟件無(wú)線(xiàn)電采用多個(gè)軟件模塊在相同的系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)不同的標(biāo)準(zhǔn),只需要選擇不同的模塊運(yùn)行就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配置。所需要的軟件模塊可以通過(guò)空中或人工下載獲得并升級(jí)。

實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線(xiàn)電的核心思想是采用開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通用硬件平臺(tái)構(gòu)造無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng),使寬帶ADC/DAC盡可能地靠近天線(xiàn),用軟件實(shí)現(xiàn)盡可能多的無(wú)線(xiàn)電功能,并且通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)功能的設(shè)定和升級(jí),使通信系統(tǒng)具有多頻帶、多模式的通信能力。今天,軟件無(wú)線(xiàn)電已被看做是繼模擬通信技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)之后無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中的重大技術(shù)進(jìn)步,并且成為未來(lái)通信或無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展方向。

這里,我們需要深入地理解軟件無(wú)線(xiàn)電的含義。

從字面上看,“軟件無(wú)線(xiàn)電”這個(gè)詞并不深?yuàn)W?!盁o(wú)線(xiàn)電”是指采用電磁波空間傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)信息收/發(fā)的通信技術(shù);“軟件”也是一個(gè)極其常用的詞匯,它的原始定義是控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一系列命令。因此可以認(rèn)為,所謂的軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng),就是專(zhuān)用于通信的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中,軟件就是用于控制通信系統(tǒng)工作的一系列命令。讀者可能會(huì)隱約地看出,軟件無(wú)線(xiàn)電涉及許多不同方面的技術(shù),它的真正含義也許并不像它的字面看上去那么簡(jiǎn)單。既然討論“軟件無(wú)線(xiàn)電”,那么就應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的“硬件無(wú)線(xiàn)電”。硬件無(wú)線(xiàn)電這個(gè)詞匯對(duì)我們而言是相當(dāng)陌生的,但是我們恰恰接觸的最多。當(dāng)然在這里采用這個(gè)名詞只是為了讓我們了解軟件無(wú)線(xiàn)電而已。所謂硬件無(wú)線(xiàn)電,是指無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的功能由硬件結(jié)構(gòu)確定,系統(tǒng)的工作很少或沒(méi)有軟件參與,它們?cè)诠δ苌鲜枪潭ǖ摹?/p>

硬件無(wú)線(xiàn)電早已在我們身邊可靠地工作了很多年,從收音機(jī)、電視機(jī)到移動(dòng)電話(huà),我們已經(jīng)接觸到很多不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備。為了能夠理解軟件無(wú)線(xiàn)電勝于傳統(tǒng)的硬件無(wú)線(xiàn)電的優(yōu)勢(shì)之所在,我們首先看一下傳統(tǒng)的硬件無(wú)線(xiàn)電的結(jié)構(gòu)。圖1-2展示了一種雙中頻的超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu),這一設(shè)計(jì)始于1930年,現(xiàn)在大部分家用無(wú)線(xiàn)接收設(shè)備中都采用了此種結(jié)構(gòu),如收音機(jī)、電視機(jī)等。圖1-2雙中頻的超外差式收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)接收時(shí),從天線(xiàn)接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大,與第一本振信號(hào)相乘完成一混頻,下變?yōu)橐恢蓄l;一中頻信號(hào)與第二本振信號(hào)相乘完成二混頻,通過(guò)濾波得到基帶信號(hào);基帶信號(hào)解調(diào)從而產(chǎn)生基帶模擬接收信號(hào)。在發(fā)射時(shí),其工作過(guò)程基本相反,這里就不多作說(shuō)明了。

在該系統(tǒng)中,變頻次數(shù)依賴(lài)于射頻工作頻率。從理論上講,若增加變頻次數(shù),則可以使工作頻率更高。這種模擬的外差式收發(fā)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛,除了一些傳統(tǒng)的應(yīng)用外,也應(yīng)用于1G的移動(dòng)電話(huà)終端中。例如美國(guó)的先進(jìn)移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)(AMPS),該系統(tǒng)采用頻分多路體制,在使用頻譜范圍內(nèi)劃分了多個(gè)30kHz信道,可以允許多個(gè)用戶(hù)接入。在未來(lái)很多年內(nèi),這種體系結(jié)構(gòu)仍將適用于低成本的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備中。這種收發(fā)機(jī)最早采用的是完全的模擬技術(shù),系統(tǒng)的功能完全由各種特定功能的固定電路模塊組合而成。這些功能模塊包括濾波器、放大器、調(diào)制解調(diào)器等,其功能不可能發(fā)生任何變化,這也稱(chēng)為模擬無(wú)線(xiàn)電。當(dāng)數(shù)字技術(shù)出現(xiàn)以后,構(gòu)成收/發(fā)通道的這些電路模塊又經(jīng)歷了向數(shù)字化的演變,形成了數(shù)字無(wú)線(xiàn)電。通過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換,許多由硬件完成的功能可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn),但是這種系統(tǒng)的可重編程、可重配置能力不強(qiáng),即雖然我們可以采用軟件方式處理數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng),但是系統(tǒng)的主要功能是不變的。比如,短波電臺(tái)可以由軟件控制改變頻率、速率,但是不可能通過(guò)重新配置轉(zhuǎn)換為超短波電臺(tái)。也就是說(shuō),數(shù)字無(wú)線(xiàn)電也有其特定的硬件平臺(tái),模擬無(wú)線(xiàn)電和數(shù)字無(wú)線(xiàn)電都屬于硬件無(wú)線(xiàn)電。進(jìn)一步,數(shù)字無(wú)線(xiàn)電與可下載軟件技術(shù)相結(jié)合就形成了具有可重配置能力的軟件無(wú)線(xiàn)電,如圖1-3所示。圖1-3由數(shù)字無(wú)線(xiàn)電到軟件無(wú)線(xiàn)電理想的軟件無(wú)線(xiàn)電體系結(jié)構(gòu)如圖1-4所示,它包含一個(gè)數(shù)字子系統(tǒng)和一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬子系統(tǒng)。模擬子系統(tǒng)包括天線(xiàn)、射頻濾波、射頻切換、接收機(jī)前置低噪聲放大、發(fā)射機(jī)功率放大器等,這些部分不可能采用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)。這一結(jié)構(gòu)的核心是使模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的部分盡可能接近天線(xiàn)。在圖1-4中,接收機(jī)部分的ADC緊跟在低噪聲放大器之后,發(fā)射機(jī)部分的DAC在功率放大器之前,載波的分離和上、下變頻到基帶都采用數(shù)字處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。類(lèi)似地,信道編碼、調(diào)制函數(shù)也都在基帶采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。圖1-4理想的軟件無(wú)線(xiàn)電體系結(jié)構(gòu)顯然,由于硬件無(wú)線(xiàn)電功能固定,因此無(wú)論對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)商、運(yùn)營(yíng)商還是用戶(hù)而言,其使用周期都較短,將不可避免地很快被淘汰或替代,而且在面對(duì)多頻段/多模式/多功能應(yīng)用的時(shí)候代價(jià)很高,如圖1-5所示。軟件無(wú)線(xiàn)電采用可編程的數(shù)字器件去實(shí)施信號(hào)處理,無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備可以利用非常有效的軟件方式進(jìn)行升級(jí),因此軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)提供了極大的靈活性,并有效地增長(zhǎng)了產(chǎn)品的生命周期。圖1-5在多頻段/多模式/多功能應(yīng)用中軟件無(wú)線(xiàn)電的優(yōu)勢(shì)根據(jù)軟件在無(wú)線(xiàn)電中的參與程度,可以將軟件無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展細(xì)分為5個(gè)層次,如圖1-6所示。

第0級(jí)為數(shù)字硬件無(wú)線(xiàn)電。系統(tǒng)不能做任何修改,系統(tǒng)操作由開(kāi)關(guān)、撥號(hào)盤(pán)和按鈕等來(lái)完成。

第1級(jí)為軟件控制無(wú)線(xiàn)電(SCR,SoftwareControlledRadio)。系統(tǒng)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制功能,但是在不改變硬件的條件下,軟件控制無(wú)線(xiàn)電設(shè)備是不能改變像頻帶或調(diào)制方式這樣的特征參量的。圖1-6軟件無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展第2級(jí)為軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR,SoftwareDefinedRadio)。系統(tǒng)使用軟件對(duì)調(diào)制、寬/窄帶、安全、波形產(chǎn)生和檢測(cè)等方面的具體應(yīng)用技術(shù)和參數(shù)進(jìn)行控制,不需要對(duì)硬件做任何修改,但通常受到頻率的約束,依然存在模擬處理部分,比如還有射頻(RF)或中頻(IF)電路。盡管前端的帶寬是個(gè)限制因素,但由于SDR能夠提供寬帶和窄帶兩種操作中的多種解調(diào)技術(shù),因而利用軟件可以控制相當(dāng)寬的頻率范圍。SDR能夠存儲(chǔ)大量的波形或空間接口,并可以通過(guò)軟件下載來(lái)添加新的內(nèi)容。第3級(jí)為(理想的)軟件無(wú)線(xiàn)電(ISR,IdealSoftwareRadio,或者SR、SWR)。系統(tǒng)完全可編程,在接收端或發(fā)射端無(wú)需任何下變頻或上變頻轉(zhuǎn)換,將天線(xiàn)前端的輸入/輸出直接接入ADC/DAC,消除了大部分模擬部件,從而降低了失真和噪聲,但仍受到一定的頻率約束。

第4級(jí)為終極軟件無(wú)線(xiàn)電(USR,UltimateSoftwareRadio)。這種軟件無(wú)線(xiàn)電沒(méi)有外置天線(xiàn)、運(yùn)行頻率或帶寬的限制,完全可編程,能同時(shí)支持廣泛的頻率和功能(雙路、GPS、視頻、智能卡及衛(wèi)星等),能夠快速實(shí)現(xiàn)空中接口的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。顯然,系統(tǒng)的靈活性是逐步提高的。

現(xiàn)在通常所說(shuō)的軟件無(wú)線(xiàn)電一般是指第2級(jí)和第3級(jí),國(guó)外文獻(xiàn)對(duì)軟件定義無(wú)線(xiàn)電和軟件無(wú)線(xiàn)電作了明確的區(qū)分。SR是指信號(hào)數(shù)字化在天線(xiàn)或緊接著天線(xiàn)后進(jìn)行,并且采用寬帶ADC/DAC,通信所需要的所有處理均在高速運(yùn)行的數(shù)字信號(hào)處理器件中完成。SDR是指能夠配置和定義處理單元,信號(hào)的數(shù)字化不一定是緊接在天線(xiàn)后(一般在中頻以后)完成,即便是緊接著天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,其實(shí)現(xiàn)多頻帶信號(hào)數(shù)字化也是通過(guò)多個(gè)窄帶ADC/DAC實(shí)現(xiàn)的,而不是單片寬帶ADC/DAC。顯然,SR一定是SDR,但SDR不一定是SR,一般可統(tǒng)稱(chēng)為基于軟件的無(wú)線(xiàn)電。國(guó)內(nèi)對(duì)SR和SDR并沒(méi)有做嚴(yán)格的區(qū)分,在本書(shū)中也遵從此例。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)最早是由軍事通信技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。雖然軟件無(wú)線(xiàn)電概念的明確提出是在20世紀(jì)90年代,但是其概念最早起源于20世紀(jì)70年代末美軍對(duì)VHF頻段多模式無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。長(zhǎng)期以來(lái),軍用無(wú)線(xiàn)設(shè)備都是針對(duì)某些特定用途設(shè)計(jì)的,它們的發(fā)送和接收單元雖有許多共同功能,但也有很大差異,如不同的射頻載波頻率、調(diào)制方式和波形結(jié)構(gòu)等,形成了軍事無(wú)線(xiàn)裝備品種雜、系列多、互通差、協(xié)同難的局面,很難適應(yīng)未來(lái)海、陸、空一體化立體作戰(zhàn)的需要。特別是在空軍中,軍用飛機(jī)上電子設(shè)備種類(lèi)繁多,功能各異,有雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。在傳統(tǒng)的作戰(zhàn)飛機(jī)中,這些系統(tǒng)分別由功能獨(dú)立的硬件設(shè)備構(gòu)成。1.2軟件無(wú)線(xiàn)電的起源和發(fā)展任務(wù)的日益復(fù)雜導(dǎo)致對(duì)無(wú)線(xiàn)設(shè)備需求的增加,但是卻受到了機(jī)載平臺(tái)的空間重量等的限制,在這種情況下美國(guó)空軍啟動(dòng)了開(kāi)發(fā)通信、導(dǎo)航和識(shí)別綜合航空電子(ICNIA)系統(tǒng)的計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種工作在30~1600MHz的多功能、多頻帶的航空無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng),以整合原來(lái)的各分離系統(tǒng)的功能。該計(jì)劃的樣機(jī)在1992年成功進(jìn)行了測(cè)試,這是世界上第一種可編程的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)。這個(gè)計(jì)劃也奠定了美國(guó)第四代作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)載電子設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)。在美國(guó)開(kāi)發(fā)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)上采用了高度綜合化的航空電子系統(tǒng),其關(guān)鍵電子設(shè)備就是一個(gè)綜合的核心處理機(jī),其中通信、導(dǎo)航、識(shí)別整合為一個(gè)CNI子系統(tǒng)。該系統(tǒng)為四代戰(zhàn)斗機(jī)提供下述功能:超視距敵我識(shí)別能力(IFF),安全、多通道、多頻段話(huà)音通信能力,內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈(IFDL)交換能力,對(duì)多架編隊(duì)飛行飛機(jī)顯示器進(jìn)行同步的能力。CNI系統(tǒng)具有支持35種不同的通信、導(dǎo)航和識(shí)別的信號(hào)波形的能力,可以提供從VHF到K波段的無(wú)線(xiàn)電通信。這些功能是由一系列不同類(lèi)型的通用模塊支持的,機(jī)載電子設(shè)備中不再出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的通信電臺(tái)、導(dǎo)航接收機(jī)等具體設(shè)備,系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是在通用模塊的支持下通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的。在ICNIA計(jì)劃期間,即20世紀(jì)80年代末,美國(guó)空軍又發(fā)起了戰(zhàn)術(shù)抗干擾可編程信號(hào)處理器(TAJPSP)計(jì)劃。該計(jì)劃的目的是開(kāi)發(fā)采用模塊化方式的具有同時(shí)多波形處理能力的處理器,該計(jì)劃后期就演變?yōu)镾PEAKeasy計(jì)劃。

SPEAKeasy計(jì)劃是美軍的軍用軟件無(wú)線(xiàn)電通信電臺(tái)開(kāi)發(fā)計(jì)劃,主要開(kāi)發(fā)面向未來(lái)軍事需求,具備多媒體網(wǎng)絡(luò)操作的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù),以解決多兵種之間的互通問(wèn)題。這個(gè)計(jì)劃首次試圖將美軍已有的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)整合為一個(gè)系統(tǒng)。

SPEAKeasy分兩個(gè)階段實(shí)施:第一階段主要完成基于軟件無(wú)線(xiàn)電概念構(gòu)建MBMMR電臺(tái)的可行性研究和適用性的驗(yàn)證;第二階段著手創(chuàng)建一個(gè)可行的軟件無(wú)線(xiàn)電結(jié)構(gòu)。

SPEAKeasy電臺(tái)的工作頻段為2MHz~2GHz,利用可編程處理技術(shù),計(jì)劃與15種在役或在研電臺(tái)兼容,具備AM、FM、PM以及各種數(shù)字調(diào)制解調(diào)方式,含有許多無(wú)線(xiàn)電臺(tái)特定的調(diào)制和專(zhuān)用的軟件模塊,還可以作為各種不同模式電臺(tái)之間通信的中繼轉(zhuǎn)發(fā)電臺(tái)。SPEAKeasy電臺(tái)的硬件和軟件均采用模塊化、開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)形式,模塊之間通過(guò)高速控制和數(shù)據(jù)總線(xiàn)互聯(lián)以提高靈活性和可靠性。每個(gè)模塊的物理接口或電氣接口的技術(shù)規(guī)范都符合開(kāi)放性的標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,還可以通過(guò)更新某些模塊使電臺(tái)升級(jí)。

SPEAKeasy項(xiàng)目順利完成后,從中積累的相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用到可編程模塊化通信系統(tǒng)(PMCS)的研制過(guò)程中。PMCS項(xiàng)目的進(jìn)一步發(fā)展,特別是它的實(shí)體參考模型,又被美國(guó)軍方作為正在發(fā)展的軟件無(wú)線(xiàn)電計(jì)劃JTRS電臺(tái)的基礎(chǔ)。JTRS系列電臺(tái)以通用、開(kāi)放的硬件結(jié)構(gòu)為平臺(tái),通過(guò)不同的軟件配置可以在所有環(huán)境領(lǐng)域(如機(jī)載、地面、移動(dòng)、固定站、海上、個(gè)人通信等)中使用。JTRS的工作頻段也為2MHz~2GHz,且結(jié)構(gòu)也與MBMMR電臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)完全類(lèi)似。JTRS電臺(tái)與常規(guī)電臺(tái)的最大不同點(diǎn)是具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能和信息安全處理能力。JTRS電臺(tái)與MBMMR電臺(tái)相比所需支持的信號(hào)波形更多、更廣泛,還能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展,進(jìn)行快捷、高效的波形升級(jí)。這些特點(diǎn)都充分顯示了JTRS電臺(tái)是基于軟件無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)思想的。

JTRS旨在為海、陸、空各種環(huán)境下的指戰(zhàn)員提供橫向和縱向跨頻段的網(wǎng)絡(luò)連接,它是數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中作戰(zhàn)人員通信聯(lián)絡(luò)的主要手段,支持美軍未來(lái)的“2010聯(lián)合構(gòu)想”。美國(guó)國(guó)防部擬用JTRS取代美軍現(xiàn)用的25~30個(gè)系列共75萬(wàn)部電臺(tái)。JTRS計(jì)劃還推出了后來(lái)作為國(guó)際軟件無(wú)線(xiàn)電商用標(biāo)準(zhǔn)的軟件通信結(jié)構(gòu)(SCA)。該計(jì)劃要求從2003年開(kāi)始,完成符合軟件通信結(jié)構(gòu)(SCA)且滿(mǎn)足美國(guó)國(guó)防部各用戶(hù)要求的系統(tǒng)和波形軟件,為這些系統(tǒng)和軟件的采購(gòu)及集成提供服務(wù),同時(shí)將繼續(xù)根據(jù)作戰(zhàn)人員新的或變化的要求,改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),嵌入最新技術(shù)。美國(guó)各軍種的大量戰(zhàn)術(shù)通信計(jì)劃有可能被JTRS所代替,這樣,大量軍用無(wú)線(xiàn)電研究活動(dòng)將合并成單一計(jì)劃。

圖1-7所示為美軍JTRS系統(tǒng)的使用簡(jiǎn)圖。圖1-7美軍JTRS系統(tǒng)的使用簡(jiǎn)圖(在三軍所有環(huán)境領(lǐng)域中使用JTRS)在軍用無(wú)線(xiàn)電中采用軟件無(wú)線(xiàn)電的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。理想的軍用通信系統(tǒng)應(yīng)該不僅可以改變保密編碼,而且可以改變其調(diào)制模式、信道帶寬、數(shù)據(jù)速率、語(yǔ)音編碼類(lèi)型等,還可以重新配置以適應(yīng)工作環(huán)境的變化(例如傳輸信道的特性)。這樣的系統(tǒng)能夠有效地阻止敵方的截獲,在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下具有潛在優(yōu)勢(shì)。在民用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信領(lǐng)域,對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)同樣產(chǎn)生了巨大的需求?,F(xiàn)在民用通信系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,任何可以為用戶(hù)或服務(wù)提供商提供更好性能或服務(wù)的系統(tǒng)都可能在競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)。我們可以從親身的經(jīng)歷看到這短短二十年間移動(dòng)電話(huà)的快速發(fā)展情況,如圖1-8所示。20世紀(jì)80年代,我國(guó)引入模擬制TACS系統(tǒng)(1G),到20世紀(jì)90年代初,引進(jìn)了數(shù)字制的GSM和CDMA系統(tǒng)(2G),現(xiàn)在馬上進(jìn)入3G時(shí)代,系統(tǒng)的性能和服務(wù)在日益提高,4G的技術(shù)研究也已經(jīng)開(kāi)始。系統(tǒng)的升級(jí)換代速度是相當(dāng)快的,然而如果采用硬件替換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的升級(jí)換代將意味著巨大的成本付出。舉個(gè)例子,在歐洲建設(shè)全新3G網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用高達(dá)2000億美元。如果現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件建立在軟件無(wú)線(xiàn)電原理之上,而且其具有足夠的處理能力,那么3G的建設(shè)費(fèi)用將大大降低。圖1-8民用移動(dòng)通信的發(fā)展另外,民用通信中同樣存在互通性差的問(wèn)題?,F(xiàn)在全世界移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè),如圖1-9所示。圖1-9移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于2G,歐洲各國(guó)、中國(guó)采用GSM,美國(guó)采用CDMA;對(duì)于正在發(fā)展的3G,現(xiàn)有三個(gè)可能的標(biāo)準(zhǔn),即歐洲的WCDMA、美國(guó)的CDMA2000和中國(guó)的TDS-CDMA。對(duì)用戶(hù)而言,使用一部手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)全世界的漫游是具有相當(dāng)吸引力的。為了適應(yīng)不同的通信標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在提出了“多標(biāo)準(zhǔn)通信終端”的概念。所謂多標(biāo)準(zhǔn)通信終端,就是可以工作在不同通信標(biāo)準(zhǔn)下的用戶(hù)單元。顯然,軟件無(wú)線(xiàn)電是最佳的選擇。當(dāng)然,實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)通信終端并不一定必須采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù),但是,采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是最經(jīng)濟(jì)的,如圖1-5所示。對(duì)于各種不同的通信標(biāo)準(zhǔn),全世界均可以生產(chǎn)具有相同結(jié)構(gòu)和器件的硬件平臺(tái),生產(chǎn)成本可以相當(dāng)?shù)?,而且,軟件無(wú)線(xiàn)電終端可以通過(guò)軟件下載方式獲得新的服務(wù)?,F(xiàn)在很多服務(wù)的升級(jí)需要用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)新的終端,例如在GSM手機(jī)中增加GPRS數(shù)據(jù)服務(wù),這會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。大部分專(zhuān)家認(rèn)為,軟件無(wú)線(xiàn)電是一個(gè)解決全球無(wú)線(xiàn)通信需求的方案,它將成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備設(shè)計(jì)的核心所在。在其他專(zhuān)業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,同樣出現(xiàn)了系統(tǒng)性能改善與升級(jí)的問(wèn)題。專(zhuān)業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用很廣,如美國(guó)的SMR系統(tǒng)已廣泛用于出租車(chē)等行業(yè)。對(duì)其進(jìn)行升級(jí)的傳統(tǒng)方法一般有以下兩種:

(1)在已有的站點(diǎn)和頻段內(nèi)采用全新的網(wǎng)絡(luò),并更換新的移動(dòng)臺(tái)或手持機(jī),在一個(gè)特定的時(shí)刻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換。

這樣做有相當(dāng)明顯的缺點(diǎn):對(duì)于用戶(hù)而言,采用這種方法在原有移動(dòng)臺(tái)邊上安裝新的系統(tǒng)是較為困難的,而且用戶(hù)也難以接受;從經(jīng)濟(jì)的角度看,采用這種方法在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)完全更新網(wǎng)絡(luò)需要相當(dāng)大的投資,最好能夠逐步更新網(wǎng)絡(luò),這樣當(dāng)新網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),可將對(duì)用戶(hù)造成的影響減少到最低。

(2)采用新的頻段來(lái)配置新的系統(tǒng),并逐步將用戶(hù)由老系統(tǒng)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)。

這種方法似乎比較完美,但是在頻譜資源非常緊張的今天要獲得新的頻段是相當(dāng)困難的。另外,兩個(gè)頻段均服務(wù)于一個(gè)共同的用戶(hù)群,對(duì)用戶(hù)和服務(wù)提供商造成了較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

如果采用軟件無(wú)線(xiàn)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),則系統(tǒng)允許逐步的升級(jí)。在典型的SMR系統(tǒng)中,共有5個(gè)SMR信道,可以先將其中一個(gè)用于新的系統(tǒng),一段時(shí)間以后,再增加一個(gè)信道,直到所有信道更新完畢。當(dāng)然,采用雙模式接收機(jī)也可以使用上述過(guò)程,但是,總體而言,采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在面臨無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)升級(jí)時(shí)所付出的成本是最低的。

20世紀(jì)90年代初,隨著SPEAKeasy計(jì)劃對(duì)公眾的公開(kāi),軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的民用領(lǐng)域應(yīng)用開(kāi)始展開(kāi),例如,現(xiàn)在3G移動(dòng)通信系統(tǒng)就是基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的。1996年,模塊化多功能信息傳輸系統(tǒng)(MMITS)論壇成立,這是一個(gè)國(guó)際性的非營(yíng)利組織,論壇成員包括研究機(jī)構(gòu)、軍隊(duì)、設(shè)備提供商、無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)提供商等,遍及美國(guó)、歐洲各國(guó)和亞洲各國(guó),其主要目的是以工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的方式促進(jìn)軟件無(wú)線(xiàn)電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立,并促使工業(yè)界接受這些標(biāo)準(zhǔn),以促進(jìn)軟件無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,使其具有類(lèi)似個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的特性。另外,論壇也對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究,比如軟件下載、硬件和軟件模塊接口以及協(xié)議等。到1998年,MMITS論壇改為軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)論壇,這是國(guó)際上唯一致力于軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)研究的工業(yè)論壇。SDR論壇與JTRS項(xiàng)目緊密合作,將JTRS開(kāi)發(fā)的軟件通信結(jié)構(gòu)(SCA)引入,并與OMG(對(duì)象管理組織)合作,致力于將SCA作為軟件無(wú)線(xiàn)電標(biāo)準(zhǔn)。軟件無(wú)線(xiàn)電從此進(jìn)入了快速、規(guī)范發(fā)展的時(shí)期。

雖然軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì),但是,總體來(lái)說(shuō),由于受到處理芯片速度及器件性能的限制,軟件無(wú)線(xiàn)電這項(xiàng)新技術(shù)還不能得到完全意義上的實(shí)現(xiàn),目前都采用某種折中方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。最終實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線(xiàn)電還需要在很多方面進(jìn)行深入研究和探索。

1.3軟件無(wú)線(xiàn)電的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)現(xiàn)在軟件無(wú)線(xiàn)電研究的主要熱點(diǎn)和難點(diǎn)涉及通信系統(tǒng)的各個(gè)方面,主要包括:

1.寬帶/多頻段天線(xiàn)、智能天線(xiàn)

軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)要求能夠在相當(dāng)寬的頻段(從短波到微波)內(nèi)工作,因此要求天線(xiàn)必須覆蓋多個(gè)頻段,并且滿(mǎn)足多信道不同方式同時(shí)通信的要求。射頻頻率和傳播條件的不同使各頻段對(duì)天線(xiàn)的要求存在巨大的差異。由于全頻段寬帶天線(xiàn)并不現(xiàn)實(shí),因此,目前的可行性方案是采取組合式多頻段天線(xiàn)。另外,智能天線(xiàn)(自適應(yīng)天線(xiàn)陣)的研究和發(fā)展為實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線(xiàn)電的寬帶天線(xiàn)提供了可行的途徑,可以根據(jù)實(shí)際需要用軟件智能地構(gòu)造其工作頻段和輻射特性。

2.靈活的射頻前端設(shè)計(jì)

射頻部分包括預(yù)放大和功率輸出兩部分。通常的要求是工作頻帶足夠?qū)?,采用?shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)置,能夠適應(yīng)多載波工作。由于軟件無(wú)線(xiàn)電的射頻帶寬較寬,而且會(huì)處于多載波工作狀態(tài),混合信號(hào)中信號(hào)的包絡(luò)幅度相差很大,因此對(duì)放大器的非線(xiàn)性特別敏感,需要解決互調(diào)分量的抑制問(wèn)題,特別是在發(fā)射機(jī)的功率輸出部分尤其需要注意。

3.高速ADC、DAC

軟件無(wú)線(xiàn)電體系結(jié)構(gòu)的基本特征之一是使A/D和D/A變換盡可能地靠近射頻天線(xiàn)。理想的軟件無(wú)線(xiàn)電臺(tái)是直接在射頻進(jìn)行A/D和D/A變換,以獲得對(duì)通信電臺(tái)設(shè)計(jì)的最大限度的可編程性,并且要求必須具有足夠的采樣速率,同時(shí)要保持一定的采樣精度。但目前受ADC/DAC性能指標(biāo)的約束,還難以真正做到這一點(diǎn),這限制了所能處理的已調(diào)信號(hào)頻率。另外,在應(yīng)用ADC/DAC時(shí),還必須考慮幾個(gè)重要的因素,包括采樣方法的選擇、抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)、量化噪聲和接收機(jī)噪聲及失真的影響等。所以,選用合適的ADC/DAC變換器是實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)優(yōu)良性能的關(guān)鍵因素之一。

4.高速信號(hào)處理器

如果軟件無(wú)線(xiàn)電在中頻進(jìn)行采樣,則用寬帶ADC將整個(gè)頻段數(shù)字化,然后用軟件完成中頻處理。中頻處理對(duì)速度的要求大約在500~10000MIPS/MFLOPS數(shù)量級(jí);基帶處理要求大約在10~100MIPS/MFLOPS數(shù)量級(jí);另外還要加上實(shí)現(xiàn)比特流、管理和控制部分的要求。要處理經(jīng)A/D變換后輸出的中頻高速數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)處理芯片必須通過(guò)軟件程序完成中頻數(shù)字變頻、濾波、二次抽樣、基帶處理、信道調(diào)制、無(wú)線(xiàn)資源管理等過(guò)程,這就要求數(shù)字信號(hào)處理芯片的處理速度至少要在1000MIPS/MFLOPS以上,實(shí)際需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)數(shù)字,因此,必須具有強(qiáng)大處理能力的數(shù)字信號(hào)處理器才能完成軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的需求。在目前的軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)方案中,數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字控制的解決方案主要基于GPP、DSP、FPGA處理器,其性能的高低決定了軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的理想程度。

5.軟件無(wú)線(xiàn)電的算法

軟件無(wú)線(xiàn)電算法的構(gòu)造過(guò)程是:首先對(duì)設(shè)備的各種功能進(jìn)行物理描述并建立數(shù)學(xué)模型,再用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言描述算法,最后轉(zhuǎn)換成用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編制的程序。雖然大體上與一般數(shù)字信號(hào)處理算法一樣,但是軟件無(wú)線(xiàn)電的算法對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理要求很高,而且具有高度的自由化(便于升級(jí))和開(kāi)放性(模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化)。

6.軟件下載以及軟件可重配置技術(shù)

軟件下載以及軟件可重配置技術(shù)是軟件無(wú)線(xiàn)電的重要特性,它能夠使通信系統(tǒng)快速、有效地配置成不同的通信標(biāo)準(zhǔn),可以更快速、更容易地適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展

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