第一章 软件无线电概述

1软件无线电技术主讲人：赵利[e-mail]桂林电子科技大学信息与通信学院2软件无线电的基本概念™传统的电子设备：™电脑的多媒体应用：3软件无线电的基本概念（续1）™传统的无线电设备：™软件无线电应用：4软件无线电的基本概念（续2）™软件无线电的主要特征：¾通用的软硬件统一平台；¾开放性体系结构；¾可重配置的灵活加载机制；¾以数字信号处理技术为核心；¾RF-end+ADC+FPGA+DSP组织结构。5软件无线电的基本概念（续3）™无线电技术的发展阶段：¾模拟无线电：采用模拟电子技术（硬件）¾数字无线电：采用数字电子技术（硬件+控制软件）¾软件无线电：通用的统一无线平台（硬件+信号处理软件）¾认知无线电：感知+认知+决策（智能性）6™课程体系（概述性）：¾（建立）软件无线电基本概念，¾（理解）软件无线电体系结构，¾（了解）软件无线电理论基础，¾（掌握）软件无线电工程实现。™参考书目：¾杨小牛等编著.软件无线电原理与应用.北京：电子工业出版社，2002年¾粟欣等.编著.软件无线电原理与技术.北京：人民邮电出版社，2010年¾C.RichardJohnsonJr.等著，潘译.软件无线电.北京：机械工业出版社，2007年7第一章软件无线电概述™™无线电技术的发展历程无线电技术的发展历程™™软件无线电的由来软件无线电的由来™™软件无线电的研究内容软件无线电的研究内容™™软件无线电的发展概况软件无线电的发展概况8§§1.11.1无线电技术的发展历程无线电技术的发展历程™通信是伴随人类进步的推动力♦200多年以前古代文明，人类已经进行做大量远距离通信的探索，例如：远古的烽火台9™电的发明推动现代通信诞生电的发现与现代通信BenjaminFranklin(1706-1790)MichaelFaraday(1791-1867）SamuelMorse(1791-1872)AlexanderGrahamBellThomasEdison'sTelephone10™电磁场电磁波理论推动无线通信无线通信发展JamesClerkMaxwell(1831-1879)HeinrichHertz(1857-1894)madethefirstradiotransmitteranddemonstratedtheexistenceofradiowavesin1887.11™电磁场电磁波理论推动无线通信OnDecember1901,MarconiprovedtotheworldthatitwaspossibletosendmessagesacrosscontinentswhenhesenttheletterSinMorsefromCornwall,EnglandtoSt.John's,NewfoundlandinCanada.12无线通信在军事和民用上迅速发展™军事上：电台，雷达等™民用上：广播/电视/无线通信/卫星通信等13无线通信在军事和民用上迅速发展EarlyRADARfromtheUK14无线通信在军事和民用上迅速发展Telegraph15无线通信在军事和民用上迅速发展16无线通信在军事和民用上迅速发展17无线通信在军事和民用上迅速发展18™无线电通信面临的问题：现代通信技术发展总是从军事需求的推动，软件无线电技术更是典型代表。“沙漠风暴”行动和格林纳冲突，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。核心问题：互通性和兼容性互通性和兼容性§§1.21.2软件无线电的由来软件无线电的由来19™™传统的解决方案：传统的解决方案：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。20™软件无线电提出：1992年5月，美国MILTER公司的JoeMitola在美国国家电信系统会议上首次明确提出了完整的软件定义无线电SDR（Software-DefinedRadio）概念和结构体系。™软件无线电思想：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（诸如：工作频段、调制解调方式、数据格式、加密模式、通信协议等），尽可能用可重新编程的软件来完成，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。21™软件无线电发展的背景：（1）现实需求：1）军事需求：多兵/军种通信设备的互通；2）民用需求：多制式通信系统的兼容和融合；3）技术需求：多频段/多模前端+可编程的基带信号处理+可重构的网络结构；（2）技术进步：1）微电子技术：FPGA+DSP+SOC+MEMS；2）数字信号处理理论：信息论+信号检测+小波变换；3）新型软件工程方法：面向对象+基于模型例如：Simulink+SystemGenerator/DSPBuilder22™软件无线电关键技术：（1）射频技术：高增益宽带天线技术；（2）前端技术：宽带RF-end的技术；（3）基带技术：多速率信号处理技术；（4）软件技术：软件开发和“软件总线”；（5）安全技术：软件安全+数据安全™软件无线电技术特点：（1）开放性系统结构，易于新技术应用；（2）关键功能模块化，系统升级方便；（3）控制与处理软件化，系统生命周期延长；（4）功能部件通用化，利于设备互操作和维护。23™软件无线电应用特点：软件无线电台不仅可与现有的其它电台进行通信，还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关”的作用，不同系统之间很容易实现互连与兼容，从而使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，延长了设备的使用寿命，同时使系统的改进和升级都更方便，而且代价更小。™软件无线电实现的关键：（1）灵活性（2）开放性（3）可重配24™传统无线电接收机™软件无线电接收机RF处理OSCOSCIF滤波基带处理用户接口宽带射频前端高速A/D和D/A高速DSP用户接口25™理想的软件无线电结构26§§1.21.2软件无线电的研究内容软件无线电的研究内容1、软件无线电组成结构理想软件无线电组成框图：一般地，软件无线电主要由天线、射频模块、高速A/D-D/A转换器、通用数字信号处理器以及各种功能软件组成。A/D-D/A转换器或数字接口实时数字信号处理器DSP高速A/D_D/A转换器射频模块电话图像数据传真27™软件无线电采样数字化结构：/SWLNA/LBFRFPAADCDACIF/BBDSPUSER/SWLNARFPAADCDACIF/BBDSPUSERBPF//SWLNARFPAADCDACIF/BBDSPUSERIF/OSC28™典型软件无线电收/发机结构：/SWRFRFPAADCDACBBDSPUSERDDCDUCIFBBRF292、硬件功能的模块化设计‡总线化结构软件无线电的硬件具有开放性，其硬件必将采用总线结构。采用标准的、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。工业控制总线的总线标准很多，例如ISA、PCI、VME等。其中，针对多处理系统而设计的VME总线被广泛的应用于工业控制之中。也是软件无线电选择的总线之一。30宽带射频板存储器板并行DSP板高速A/DD/A板VME主机板用户接口板音频视频传真数据VME总线多路耦合器高速数据总线基于VME总线的软件无线电硬件结构图：31‡硬件功能的模块化和开放性：软件无线电硬件的模块化结构可以采样SDR设备的抽象层次结构功能模型。¾第一层：表示为一个信息传输线程。左边接口代表空中接口，右边接口代表人机接口。信息传输线程RFModem可选的连接处理器通讯安全编码信号协议InternetworkingI/OETE安全前端处理信息安全信息处理和I/O控制控制L1L2L332¾第二层：通过四个重要的功能领域表示一个基本顺序的功能流：1）前端处理：物理的空中接口，前端无线电频率处理，变频处理，还有调制、解调制处理；2）信息安全：提供用户私有，特权，和信息保护；3）信号处理：负责解析处理信息中的数据、控制、和时间信息；4）控制：负责系统的配置和管理。硬件功能的模块化和开放性（续）信息传输线程RFModem可选的连接处理器通讯安全编码信号协议InternetworkingI/OETE安全前端处理信息安全信息处理和I/O控制控制L1L2L333¾第三层：显示了系统的主要功能模块。硬件功能的模块化和开放性（续）信息传输线程RFModem可选的连接处理器通讯安全编码信号协议InternetworkingI/OETE安全前端处理信息安全信息处理和I/O控制控制L1L2L3343、软件的模块化设计和面向对象编程：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实现，使用起来快捷方便。同时，应根据API来进行区分，进行模块化。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互相访问、协同工作提供了一个一致的服务平台。CORBA能够无缝的共享应用数据，它提供了一种软总线。{CORBA}是一种规范，用于解决面向对象的异构应用之间的互操作问题，提供分布式计算所需要的一些其他服务。使用CORBAIDL可以描述CORBA中间件接口。35‡软件的模块化设计和面向对象编程：软件模块1软件模块2软件模块4软件模块3层间通信垂直接口¾传统软件层次结构36¾软件的模块化设计和面向对象编程：软件模块1软件模块2软件模块3软件模块4CORBA软总线基于CORBA的软件结构3744、软件化及软件化程度评价、软件化及软件化程度评价™软件无线电是要在通用的硬件平台上，靠软件来完成各式各样的功能。软件化的程度是一个很重要的指标。™1997年JoeMitola提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA)表示软件化程度，每个参量的取值均为0~3。0-无定义空中接口的软件，1-硬件只能运行一个厂商的软件，2-一个硬件平台可加载多个厂商软件，3-多个软件可加载到不同的硬件平台上软件模块化程度SFA0-无可编程性，1-可编程专用模块，2-用DSP，3-用FPGA、CPLD等硬件的模块化程度HM1.无可编程性，1-基带可编程2-中频可编程，3-射频可编程可编程数字化接入PDA0-单通道，1-双通道，2-多通道，3-RF中所有通道空中接口所能支持的通道数N取值及其含义意义参量3855、智能天线技术、智能天线技术™软件无线电是要实现多波段、多制式电台的互通互连，必然要引入多天线技术。软件无线电技术与数字多波束形成（DBF）相结合的完美产物就是智能天线技术。3966、软件无线电理论和信号处理算法、软件无线电理论和信号处理算法™软件无线电是建立在一个具有高速处理能力的通用平台上，因此DSP处理成为软件无线电的核心。从采样理论、多速率信号处理，到通信信号理论、波形生成算法和信号处理算法，许多新概念、理论和算法成为软件无线电的根本所在。77、软件无线电网络化及相关技术、软件无线电网络化及相关技术™为实现“2010联合构想”的JTR系列电台与常规电台的最大不同点是具有很强的网络功能和信息安全处理能力。40§§1.41.4软件无线电的发展概况软件无线电的发展概况软件无线电技术的发展MBMMRSPEAKeasyPhase1SPEAKeasyPhase241序号时间发展历程11980年美国作为可编程模块化通信技术开始研究开发SDR技术21992年由Joe.Mitola正式提出软件无线电的概念31994年SPEAKeasy(PHASEI)开发完毕41995年欧洲电信标准协会(ETSI)举荐SDR做通用移动通信系统(UMTS)；IEEECommunicationsMagazines出SR专辑51996年美国FAA要求研究使用SDR；组建SDR标准化组织模块化多功能传输系统论坛(MMITSForum)61997年由MMITS主持第一次SDR专题研讨会：71998年准备策划制定面向MMITS的规格；年底更名为软件无线电论坛（SDRF）81999年美国完成了SPEAKeasy(PHASE)Ⅱ的开发；92001年开始IMT