卫星通信导论上课课件-软件无线电的现在和未来

软件无线电的现在和未来一、软件无线电的来由美军统一其战术通信系统的动机及实践，开发出了美国陆军的战术通信系统JTRS（JointTacticalRadioSystem）及空军的SPEAKeasy。并由此发展出了软件无线电的概念：一部无线通信机，其通信功能由软件来实现。同样的硬件，输入不同的软件，就具有不同的通信功能，这样就可以使不同单位的不同制式的通信机可以互通。九十年代软件无线电开始进入民用通信系统,例如Vanu的软件无线电基站。软件无线电论坛（SDRForum）--一个非盈利的推动软件无线电技术发展的国际组织，给出的软件无线电的定义：“一个无线电系统中，天线以后就数字化，对信号的所有的必要的处理都由存放在高速数字信号处理器中的软件来完成”。图1理想的软件无线电图2传统的无线通信机。图3过度型的软件无线电图1所示为理想的软件无线电的方框图。通信载频信号由天线接收后，经低噪声放大器放大后即进行A/D转换，以后的所有信号处理都是数字式的，由软件处理。图2所示为传统的无线通信系统的方框图。整个系统为模拟式的。图3所示为过渡型软件无线电系统的方框图。由于当前前置放大器及A/D转换器尚达不到理想软件无线电的要求，故采用过渡型。A/D转换器在中频以后采样，以降低对A/D转换器的要求。二、采用软件无线电的好处对用户：1）一机多功能，可以与各种制式的通信系统通信。2）可以做到真正的环球漫游。对于通信营运商：可以减少营运开销。当无线终端需要升级或改进时，无须召回，只要让用户下载新的软件就可以了。对通信设备制造商：增加了通信系统的服务功能，可以开拓更多的商机。对于专用通信系统，各种不同功能的专用系统用户数有限，因此价格很高。采用软件无线电后，不仅得到各系统可以互通的好处，而且由于统一了硬件，扩大了市场，价格也会下降。对于军队，由于军内各不同单位采用不同的通信设备，互通很难。有时一部通信指挥车上要有几部不同的通信系统的通信机，造成电子兼容问题。一部软件无线电可以和各种不同制式的通信机通信，可以方便各军事单位的联系。如果全军都采用软件无线电，所有通信机采用同一硬件，用软件实现不同功能，从而降低通信系统的采购成本。三、实现软件无线电的关键技术软件无线电能够普及使用在技术上要做到三点:(1)A/D转换器尽量的靠近天线。(2)用软件处理取代硬件处理。(3)数字信号处理要尽量用通用微处理器替代专用集成电路，以降低成本。满足上面第一，第二条要求，1）要有频带又宽，尺寸又小，效率又高，价格又便宜的天线，这样的天线目前尚不存在。2）要有宽频带，低噪声，线性性能好，价格便宜的前置放大器。3）要有工作频率高，采样速度快，分辨率高，功耗低，价格又便宜的A/D转换器。满足第三条要求，要求有速度快，功耗低，价格便宜的通用DSP或CPU。这些技术都没有达到理想软件无线电所要求的性能，所以目前不存在理想型的软件无线电系统，只有过渡型的软件无线电系统。即使是过渡型的，民用产品也只有基站，没有手机，因为功耗及价格问题都还没有解决。四、实现理想软件无线电系统的关键技术的现状和进展。天线和射频前置放大器：目前尚没有工作频段覆盖整个软件无线电所需覆盖频段的器件，预测不久就会有合适的器件问世。微电子机械系统(Microelectromechanicalsystem),简称MEMS可以帮助实现宽带天线和前置放大器的要求。MEMS是采用生产集成电路的同样技术生产的微型机械部件。因此一致性很好。MEMS可以做成各种微型机械部件，应用非常广泛。MEMS可以做成微型开关，和微型谐振腔滤波器，和微型天线。MEMS组成的天线库，开关库，滤波器库可以组成体积不大的，可以覆盖很宽频带的天线和前置放大器。图4所示为一MEMS开关。图4MEMS开关，（a）开关开，（b）开关俯视图，（c）开关闭合。图5用MEMS开关组成的天线和前置放大级AdjustableMEMSAntennaMEMSSwitchesMEMSSwitchableImpedanceMatchingCircuitHigh-QMEMSFilterforBand1High-QMEMSFilterforBand2High-QMEMSFilterforBandNSoftwareControlLOADCToBasebandProcessing图5是一个用MEMS组成宽带天线和宽带前置级的方案的示意图。MEMS是目前实现软件无线电的前置和天线的一个可行的方案。ADC：ADC一直是实现软件无线电的瓶颈，现有ADC大多都不超过100兆。这是为什么现有的软件无线电系统都是过渡型的。最近ADC的技术进展有不同方向，一个方向仍然从半导体技术着手。最新的ADC的性能如表所示。从表中可以看出速度达到要求了，但是功耗仍然偏高，不能用于手机。参数GaAsSiGe最高钟频〉5GHz〉15GHz信号噪声失真比〉70dB〉110dB2.5GHz时的分辨率14比特18比特RF输入电压范围-1.5V—1.5V-0.5V—0.5V功率消耗5瓦1瓦另一种开发中的新型的ADC是超导ADC。这种ADC的名字叫做RSFQ（rapidsingle-fluxquantum）。这种ADC具有功耗低，速度快，灵敏度高的特点。采样率可达20G次/秒。现在仍在实验室阶段，相信很快就会开发出产品。数字处理部件：数字信号处理器有三种：ASIC，FPGA和DSP。ASIC速度最快，灵活性最差；FPGA居中；DSP灵活性最高，速度最慢。三种器件选择哪种，要根据实际设计要求斟酌决定。现在的DSP的速度可以满足软件无线电的要求，但是速度越高，功耗越大，价格也越高。选择一般速度的DSP加加速器（accelerator）是一种可行方案。图6是这一方案的示意图。五、软件无线电的未来软件无线电的未来发展是智能无线电（CognitiveRadio），简称CR。CR是一种高度智能化的通信技术，它可以自己学习周围的环境，自己取得适当的软件，自己选择最佳频段，适合通信环境的制式进行通信。1）什么是智能无线电（CognitiveRadio）？FCC:一个无线电系统的各种参数是由关于系统所在的周围的环境的信息来决定。NTIA：一个无线电系统，能够感知它周围的电磁环境，能够动态地，自动地，调整它的工作参数来修改它本身的工作状态。科技界的广义定义：自适应，多维探查，自治的无线电系统，它可以从它的经历中学习，可以推理，作计划，并决定它的未来行动，以满足用户的需要。2）智能无线电（CR）的特性自适应：调整传播参数以满足各种需要，达到各种目标。感觉（觉察）：获取并保存关于自身功能的知识，内部网络的状态，外部数据（例如应用频谱，规则），和用户的需要。推理：应用推理（案例为基础，模型为基础），基于本体及观察来调整自适应目标和对新的情况作出反应。学习：结合过去的表现去重新认知各种状态并且在任何时候都为达到目标作出快速反应。计划：基于过去和现在的状况，预测未来所要采取的行动。网络：联系自己经验和其他更多的经验以达到正确的决定。图8是CR的主要组成功能。