软件无线电概述及仿真

谢大钊软件无线电系统概述及仿真谢大钊谢大钊数字无线电技术人类文明的继承和发展从来就是与信息技术领域的进步和突破密不可分的。自马可尼于１９０１年第一次实现横跨大西洋的无线通信开始，无线通信作为一种实用的通信方式已有近一个世纪的发展历程。谢大钊习惯上我们根据信源信息描述形式的不同，将通信系统划分为模拟和数字两大类。最初，信息是以模拟形式被描述和传递的，譬如语音和图像信息等直接以调幅或调角的方式进行调制解调，这被称作模拟通信系统。模拟通信技术的发展造就了今天广播和电视的普及。谢大钊１９４８年，Ｓｈａｎｎｏｎ发表了其著名的信道编码理论，指出只要满足信道的容量约束和信噪比约束，数字信号在理论上就能够以任意低的误码率传输。这揭示了信息数字化描述的巨大好处，它允许人们将多年来在数学领域取得的丰硕成果应用到信息的编码、纠错、判别等处理领域，为数字通信技术的迅猛发展提供了充足的理论工具；同时，信息的数字化描述为拓展通信系统的业务范围，实现多种媒体的通信提供了广阔前景。谢大钊从概念上说，数字通信技术从一开始就具备了″数字无线电″的一定特征，因为至少接收机中基带信号的后处理以及发射机中基带信号的预处理是数字化的。但是，现在″数字无线电″一词更多地被用来描述那些将数字信号处理技术应用于基带信号处理、调制和解调、中频甚至射频信号处理的无线通信系统。谢大钊从数字无线电到软件无线电″数字无线电″侧重描述无线通信系统的实现方法，是一种技术手段；而″软件无线电″侧重形容一种崭新的实现无线通信系统的概念，是数字无线电技术的高级形式和抽象化。数字无线电技术是软件无线电实现的前提和基础，软件无线电是数字无线电技术发展的必然趋势。谢大钊理论上说，具备软件无线电特点的无线通信系统并不一定是完全数字化的系统，只要系统的功能是可由软件定制的，亦即构成该系统的各个模块可编程，即使模块内部的某些结构暂时未数字化，我们也可以认为这是一个符合软件无线电概念的通信系统。但显而易见的是，通信系统数字化程度越高，系统的开放性和可编程控制能力就越强，就越是真正意义的″软件无线电″。谢大钊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，大家是否知道它存在的问题呢？n“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。软件无线电的由来谢大钊n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。软件无线电的由来谢大钊n存在的问题：互通性互通性n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。谢大钊n问题怎么样解决呢？1992年，MILTRE公司的JosephMitola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。谢大钊n解决办法可行吗？n这种办法有什么特点呢?（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。谢大钊美国军方开始的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。现代许多技术发展总是来源于军事需求的推动，软件无线电技术更是典型代表谢大钊谢大钊软件无线电最初起源于军事研究。希望用这种新技术来解决三军无线电台多工作频段、多工作方式的互通问题，从此，对软件无线电的研究在国际范围内迅速展开，并且现在已经在民用上得到了迅速的推广。谢大钊在民用方面，软件无线电也取得了很大的发展。如：高速通信系统、遥测系统、高速导航系统、图像传输系统、移动数据终端产品等等，又比如大家熟知的3G/4G。利用软件无线电技术,不但降低了成本，还提高了系统的灵活性。软件无线电技术在民用上推广谢大钊个人与家庭市场与营销学校与教育金融与理财政府与管理固定电话网移动电话网互联网IPTVHDTV医疗卫生软件无线电在学校教育、个人与家庭、政府管理、医疗、企业、商贸、娱乐等无处不在！谢大钊TheInternetBillingVHESignallingGatewayWAPAccountingUMTSBroadcastNetworks(DAB,DVB-T)SatelliteFESGSM/GPRSContext-awareinformationCentreIP-basedmicro-mobilityWirelessLANsISPSIPProxyServer通信网络四通八达谢大钊个人通信：5WqWhenever无论何时qWherever无论何地qWhoever无论是谁qWhatever无论什么内容qWhomever能找到对方多媒体：语音、数字、视频、音乐从有线到无线，正走向随时随地，上网无线！谢大钊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、通信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：窄带A/D_D/A转换器实时、准实时处理软件FPGA/DSP宽带A/D_D/A转换器射频前端模块手机图像数据传真谢大钊现代通信系统的发展趋势是通信频段越来越高，那么自然对信号处理速度的要求也越来越高，这就需要一种处理速度很高，处理数据量很大的处理平台，而FPGA正是一个合适的选择，所以说FPGA对软件无线电系统的发展有着很重要的作用。谢大钊2、软件无线电的核心技术n带通采样（欠采样）n数字上下变频n调制解调n同步技术n多速率信号处理n数字滤波等谢大钊软件无线电的三种结构形式n射频全宽开低通采样软件无线电结构n射频直接带通采样软件无线电结构n宽带中频带通采样软件无线电结构谢大钊射频全带宽低通采样软件无线电结构射频全带宽低通采样软件无线电结构n组成结构如图所示：双工器超宽带滤波器超宽带放大器超高速超宽带A/D分波段滤波器超宽带功率放大器超高速超宽带D/AFPGAminmax~ffmax2sff谢大钊这种结构的优缺点n优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电概念的定义。n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。谢大钊射频直接带通采样软件无线电结构n组成结构如图所示：双工器窄带电调滤波器放大器A/D功放“0”内插上变频D/AFPGA0fSf窄带电调滤波器谢大钊n本结构采用了射频直接带通采样原理。。n本结构对A/D器件的要求是A/D需有足够高的工作带宽。n优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有A/D的采样速率不同；最后就是对FPGA的处理速度要求不同。实现可行性较强。谢大钊n缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的A/D（高性能采样保持放大器）实现起来还是有相当的难度。因此，我们将介绍下面一种目前应用最广的软件无线电结构－－宽带中频带通采样软件无线电结构。谢大钊宽带中频带通采样软件无线电结构n组成结构如图所示：分波段滤波器功放高放双工器一本振一中放滤波A/DD/AFPGAfs放大放大一本振二中放谢大钊本结构说明n本结构类似于超外差无线通信设备，但常规无线通信设备的中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结构。n本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽适应性以及可扩展性。n本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射频信号转换为适合于A/D采样的宽带中频或把D/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。谢大钊数字信号处理系统的分类n非实时系统：信号处理的工作是可以事后进行。n实时系统：信号处理的工作必须在规定的很短的时间内完成。谢大钊软件无线电接收机数学模型软件无线电接收机相对发射机而言要复杂得多，实现起来难度也大得多，这里先介绍两种接收机数学模型。1）单通道软件无线电接收机数学模型2）并行多通道软件无线电接收机数学模型谢大钊单通道软件无线电接收机数学模型n在同一时刻只能接收所选择的一个信道的信号进行接收解调分析。n射频信号经过不同形式的AD采样数字化后，形成了统一的基带数字谱，对基带数字谱处理的目的就是如何从中提取出有效带宽内载频为的信号S(n)。n任何一种调制形式的信号都可以分解出同相分量和正交分量，用它们完全可以描述该给定信号的特征，而对信号进行接收解调的目的实际就是提取这两个正交分量。0w谢大钊数字混频法的实现如图所示：()jLPHew()jLPHew0cos()nw0sin()nwS(n)I(n)Q(n)图中的低通滤波器主要用来滤除I(n)和Q(n)频谱分量以外的不需要的信号。低通滤波器的通带截止频率应为I(n)和Q(n)频谱分量中对应的最高频率，而滤波器的阻带截止频率应小于信道间隔的一半，以消除邻道干扰的影响。()jLPHewPfAf谢大钊经过分析可知，通过低通滤波后得到的基带正交信号I(n)、Q(n)不再是带宽为的信号，而是带宽为的信号，而且，所以可以对I(n)、Q(n)进行D倍抽取，抽取因子D由下式确定：如下图所示：()jLPHew()jLPHew0cos()nw0sin()nwS(n)I(m)Q(m)DD2SfAf2SAfDf=2/sAff谢大钊传统并行多通道软件无线电接收机数学模型n传统的并行多通道接收机数字模型是通过多个并联的单通道接收机来实现的。n在每个信道处理时通过先乘上载波搬移到零中频，然后滤波进行抽取得到各信道的数据流。谢大钊并行多通道处理)(wXw)(fAf宽带采样w)(wX各个信道谢大钊并行多通道处理1cos()nwCICCICFIRFIRCICCICHBFHBFFIRFIR信号信号特征特征提取提取解调解调同步同步处理处理HBFHBF1sin()nw码流输出码流输出cos()LnwCICCICFIRFIRCICCICHBFHBFFIRFIR信号信号特征特征提取提取解调解调同步同步处理处理HBFHBFsin()Lnw码流输出码流输出ADAD…………CICCICFIRFIRCICCICHBFHBFFIRFIR信号信号特征特征提取提取解调解调同步同步处理处理HBFHBF2sin()nw码流输出码流输出2cos()nw谢大钊下面我们介绍两种发射机的数学模型：¨单通道发射机数学模型¨多通道发射机数学模型软件无线电发射机数学模型谢大钊单通道软件无线电发射机模型n任何一个无线电信号均可表示为：式中，分别表示该信号的幅度调制信息和相位调制信息，为信号载频。n对上式进行数字化，可得：式中，为采样间隔，上式可简化为：0()()cos[2()]SSSSSnTanTfnTnTpj=+0()()cos[2()]Statfttpj=+(),()attj0f1/SSTf=0()()cos[()]Snannnwj=+谢大钊n为便于进行信息调制，通常进行正交分解：式中:n也就是说，给定任何一种调制方式，就可以计算出相应的两个正交分量I(n),Q(n)，然后分别与两个正交本振相乘并求和，即可得到调制信号S(n)。00()()cos()()sin()SnInnQnnww=+()()cos(),()()sin()InannQnannjj==-00cos()sin()nnww、正交调制信号产生I(n)Q(n)0cos()nw0sin()nwS(n