软件无线电.期末考试

1.什么是软件无线电？软件无线电的特点是什么？定义：软件无线电是多频带无线电，它具有宽带的天线、射频转换、模/数转和数/模变换，能支持多个空中接口和协议，在理想状态下，所有方面（包括物理空中接口）都可以通过软件定义。软件无线提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效并且相当经济的解决方案，可以通过软件升级实现功能提高特点：多频带/多模式/多功能（M3）工作：多频带是指软件无线电可以工作在很宽的频带范围内；多模式是指软件无线电能够使用多种类型的空中接口，其调制方式、编码、帧结构、压缩算法、协议等可以选择；多功能是指采用相同的无线电设备用于不同的应用中。具有可重配、重编程能力：可重配置是指系统的操作软件（包括程序、参数以及处理环境的软件方面）或硬件（处理环境的硬件方面）的改变。软件无线电采用多个软件模块在相同的系统上可实现不同的标准，只需要选择不同的模块运行就可实现系统的动态配置。所需要的模块可以通过空中接口或人工下载获得并升级。功能的灵活性：软件无线电的功能由软件决定的，软件模块可以通过空中接口或人工下载的方式获得，以增加或改变其无线电功能，因此其功能的使用和配置非常方便、灵活。结构的开放性：软件无线电的结构分为硬件和软件两大部分。这两大部分都具有模块化和标准化的特点，是一种开放式的体系结构，使得研制、生产和使用各环节可以共享已有成果，共同推进软件无线电技术的发展。2.无线电技术经历了或正在经历哪几个阶段？各有什么特征？第0级：数字硬件无线电。系统不能做任何修改，系统操作由开关、拨号盘和按钮等来完成。第1级：软件控制无线电。系统通过软件实现控制功能，但是在不改变硬件的条件下，软件控制无线电设备是不能改变像频带或调制方式这样的特征参量的。第2级：软件定义无线电。系统使用软件对调制、宽/窄带、安全、波形产生和检测等方面的具体应用技术和参数进行控制，不需要对硬件做任何修改，但通常收到频带的约束，依然存在模拟部分，比如还有射频或中频电路。尽管前端的带宽是个限制因素，但由于SDR能够提供宽带和窄带两种操作中的多种调制技术，因为利用软件可以控制相当宽的频带范围。SDR能够存储大量的波形或空间接口，并可以通过软件下载来添加新的内容。第3级：（理想的）软件无线电。系统完全可以编程，在接收端或发射端无需任何下变频或上变频转换，将天线前段的输入/输出直接接入ADC/DAC，消除了大部分模拟部件，从而降低了失真和噪声，但仍然受到一定的频率约束。第4级：终极软件无线电。这种软件无线电没有外置天线、运行频率或带宽的限制，完全可编程，同时支持广泛的频率和功能，能够快速实现空中接口的检测和转换。3.为什么软件无线电一定要采用“硬件通用化”的设计准则？在软件无线电中是如何体现“硬件通用化”这一设计思路的？体系结构：为了让软件和硬件下的用户独立，是系统功能软件化的前提。设备生产商：满足设计指标，使生产专业化、批量化，提高生茶效率，降低生产成本。运营商：降低维护成本，维护难度，建设成本。硬件开发商：继承性，重用性更好。从而减少重复劳动提高研发效率消费者：减少重复投资4.你是如何理解软件无线电“功能软件化”这一本质特征的？为什么软件无线电的功能可以采用软件来实现？功能软件化：软件无线电的功能由软件决定，软件模块可以通过空中接口或人工下载的方式获得，从而增加或改变其无线电功能。软件无线电提出的设想是构造一种无线设备，来满足多种无线通信需求，当然这一实现的原则为硬件通用化。在数字无线电技术出现后，构成通道的很多电路模块数字化，而且引入数字信号处理，使得原来模拟无线电通信系统的一些功能可以通过软件实现，具有一定的可重配能力。5.理想软件无线电和软件定义无线电的主要区别是什么？JosephMitola提出的理想软件无线电的重要意义是什么？区别：ISR是指信号数字化在天线或紧接着天线后进行，并且采用宽带ADC/DAC，通信所需要的所有处理均在高速运行的数字信号处理器件中完成。SDR是指能够配置和定义处理单元，信号的数字化不一定是紧接在天线后（一般在中频以后）完成，即便是紧接着天线实现数字化，其实现多频带信号数字化也是通过多个窄带ADC/DAC实现的，而不是单片ADC/DAC。显然ISR一定是SDR，但SDR不一定是ISR。意义：为技术和产品研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台，大大降低开发成本和周期；为设备制造商降低投资风险，提高经济效益；为运营商降低投资风险；为最终用户提供一个通用的终端设备平台，实现不同制式，不同标准的移动设备之间的兼容、互联、互通和资源共享。6.设某无线发射台发射的射频信号功率为𝟏𝟔𝒅𝑩𝒎，频率为𝟐.𝟒𝑮𝑯𝒛，用于接收该射频信号的无线电终端的接收灵敏度为－𝟕𝟓𝒅𝑩𝒎。为了保证无线电终端能够正确处理接收信号，要求接收信号功率≥接收灵敏度。（假设电磁波在空气中的传播可以当成是自由空间传播）a)试求该无线电终端到发射台之间的最大通信距离。自由空间传播损耗：𝐿𝑓𝑠=32.44+20log(𝑑)+20log(𝑓)，𝑑为距离(𝑘𝑚)，𝑓为工作频率(𝑀ℎ𝑧)𝑃𝑟=𝑃𝑡−𝐿𝑓𝑠=𝑃𝑡−32.44−20log(𝑑)−20log(𝑓)≥−75b)如果该无线电终端与发射台之间隔了一堵承重墙（一堵承重墙将对𝟐.𝟒𝑮𝑯𝒛的射频信号产生约𝟐𝟔𝒅𝑩的衰减），试求此情况下的最大通信距离。𝑃𝑟=𝑃𝑡−32.44−20log(𝑑)−20log(𝑓)−26≥−757.软件无线电的实现技术有哪些？其发展的技术瓶颈有哪些？开放式总线结构：软件无线电的硬件结构具有开放性，其硬件必将采用总线结构。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。软件的模块化设计：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或人工下载的方式来获得，使用起来快捷方便。同时，应根据API来进行区分、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访问、协同工作提供了一个一致的服务平台。宽带/多频段天线、智能天线：射频频率与传播条件的不同使各频段对天线的要求存在巨大差异。智能天线（自适应天线阵）的研究和发展高速宽带ADC、DAC：ADC和DAC在软件无线电系统所处的位置是非常关键的，它直接反映了软件无线电台的软件化程度。对于理想软件无线电而言，ADC的动态范围必须在100~120dB或者16~20位，最大输入信号频率要在1GHz和5GHz之间。数字下变频技术：数字下变频技术是软件无线电的核心技术之一。其作用是提高或降低数据流速率，并实现频谱的搬移。数字下变频（DDC）是ADC后首先要完成的处理工作，包括数字下变频，滤波和二次采样，使系统数字处理运算量最大的部分，也是最难完成的部分。灵活的射频前端设计：由于射频带宽较宽，而且会处于多载波工作状态，混合信号中信号的包络幅度相差很大，因此对放大器的非线性特别敏感，需要解决互调分量的抑制问题。高速数字信号处理：由于现在设计与制造的技术限制，数字信号处理器的性能是一个瓶颈；软件无线电台的覆盖频段为2MHz~2000MHz，就目前水平而言，制造一种全频段天线是不可能的。一般情况下，大多数系统能够只要覆盖不同频段的几个窗口，不必覆盖全部频段。8.无线电系统各级滤波器的品质因数的计算方法。前置放大功率放大话筒发射机调制滤波载波混频滤波本振设调制信号为单频正弦信号，其频率为𝑭=𝟖𝑲𝑯𝒛，调制方式为DSB，载波频率𝒇𝒄=𝟖𝟎𝑲𝑯𝒛，设混频器本振频率为𝒇𝑳𝟏=𝟐𝑴𝑯𝒛。调制和混频均采用非线性器件实现。试求出各级滤波器的品质因数（Q值）的最大值和最小值。解：a)调制前信号的频谱示意图如下：f(kHz)4-4调制方式为DSB，所以调制后的频谱中没有载波分量；又由于调制采用非线性器件，因此调制后的频谱中除有用信号外，还会包含谐波分量。调制后的频谱示意图如下（其中红粗线表示有用信号的谱线，黑细线表示谐波分量）：f(kHz)68727680848892……调制后，用滤波器将有用信号频谱滤出来，谐波分量均被滤除，得频谱示意图如下：f(kHz)768084混频后的频谱示意图如下：f(kHz)1836184419162076208421562164……20001924b)调制滤波器的最小带宽为𝐵𝑚𝑖𝑛=84−76=8𝐾𝐻𝑧带宽为𝐵𝑚𝑎𝑥=88−72=16𝐾𝐻𝑧（注：当采用理想带通滤波器时，可以得到最小带宽；但实际滤波器做不到理想性能，为保证滤波效果，可以取最大带宽，即最靠近红线谱线的两根谐波谱线的距离）。因此其品质因数的最大值和最小值分别为：𝑄𝑚𝑥=𝑓𝑐𝐵𝑚𝑖𝑛=80𝐾𝐻𝑧8𝐾𝐻𝑧=10𝑄𝑚𝑖𝑛=𝑓𝑐𝐵𝑚𝑎𝑥=80𝐾𝐻𝑧16𝐾𝐻𝑧=5混频滤波器的最小带宽为𝐵𝑚𝑖𝑛=2084−1916=168𝐾𝐻𝑧带宽为𝐵𝑚𝑎𝑥=2156−1844=312𝐾𝐻𝑧其品质因数的最大值和最小值分别为：𝑄𝑚𝑥=𝑓𝑐𝐵𝑚𝑖𝑛=2000𝐾𝐻𝑧168𝐾𝐻𝑧=11.9𝑄𝑚𝑖𝑛=𝑓𝑐𝐵𝑚𝑎𝑥=2000𝐾𝐻𝑧312𝐾𝐻𝑧=6.419.带通采样定理及带通采样频谱图的画法。什么是Nyquist区？设某带通模拟信号的频谱如下图所示：fS(f)fLfH-fL-fH设𝒇𝑳=𝟔𝑴𝑯𝒛，𝒇𝑯=𝟗𝑴𝑯𝒛。（假设不关心频谱的高度）a)如果采用Nyquist低通采样技术对其进行采样，试画出采样后的频谱示意图。b)如果采用Nyquist带通采样技术对其进行采样，试求其最小采样频率，并画出采样后的频谱示意图。c)出现频谱反转后，可以采用什么方法解决？解：Nyquist区：原始频谱如下：f(MHz)|S(f)|369-3-6-9a)低通采样频率为𝑓𝑠=2𝑓𝐻=18𝑀𝐻𝑧，低通采样后的频谱如下：f(MHz)|SS(f)|369-18-21-24-27-15-12-9-6-3121518212427……b)该带通信号带宽为𝐵=𝑓𝐻−𝑓𝐿=3𝑀𝐻𝑧，且𝑓𝐿是𝐵的整数倍，所以最小带通采样频率为𝑓𝑠=2𝐵=6𝑀𝐻𝑧，带通采样的频谱如下：f(MHz)369-18-21-24-27-15-12-9-6-3121518212427……c)出现频谱反转后，只要把采样的数字序列进行隔位取反，即可解决频谱反转问题10.什么是抽取？什么是内插？它们的作用是什么？抽取：减小信号采样率以减少冗余的过程，即用很窄的脉冲按一定周期读取模拟信号的瞬时值。内插：增大信号采样率以增大冗余的过程，即在函数值之间插入一些零点。作用：抽取提高了频域分辨率，内插提高了时域的分辨率；一般是，内插→滤波→抽取，如果先进行抽取会造成频谱失真。11.软件无线电有哪三种结构？它们各自采用什么样的采样体制？各有什么特点？基于射频低通采样结构的软件无线电：是一种理想的软件无线电系统，这种系统的输入、输出都是在射频上基于低通采样定理进行采样，因而具有最大的灵活性和全部的可编程性。基于射频带通采样结构的软件无线电：射频输入是基于带通采样的，射频输出依然是基于低通采样的，只能同时处理一定频段的射频信号，系统对宽频段射频信号的覆盖需要通过模拟点调谐带通滤波器分时来完成，从而降低了系统的灵活性和可编程性，其并行处理通道数也相对较少，但是这种功能结构所需的ADC的转换速率较低，更容易获得实际的器件；输出数字信号的数据率也随之减少因而也降低了对实时数字信号处理速度的要求基于中频带通采样结构的软件无线电：本结构为宽带中频结构；射频前端复杂，足以将射频信号转换为合适于A/D采样的宽带中频或把D/A输出的宽带中频转换为射频信号，而且这些都是有软件完成12.软件无线电三种结构的应用场合各有什么不同？哪种结构目前应用最多？为什么？第一种结构适用于较低的波