軟件無線電_第一章_軟件無線電的概述.ppt

1、軟件無線電技術(shù),主講人：李玉柏 ,第一章 概述,1.1 無線電技術(shù)的發(fā)展 通信是伴隨人類進步的推動力 200多年以前現(xiàn)代文明還未啟動，人類已經(jīng)進行做大量遠距離通信的探索，看看遠古的烽火臺吧！,電的發(fā)明推動現(xiàn)代通信誕生,電磁場電磁波理論推動無線通信,電磁場電磁波理論推動無線通信,On December 1901, Marconi proved to the world that it was possible to send messages across continents when he sent the letter S in Morse from Cornwall, England t

2、o St. Johns, Newfoundland in Canada.,無線通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,軍事上：電臺，雷達等 民用上：廣播/電視/無限通信/衛(wèi)星通信等,無線通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,Early RADAR from the UK,無線通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無線通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無線通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無線通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無線通信在現(xiàn)代通信中占據(jù)著極其重要的位置，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)、氣象、軍事、民用等領(lǐng)域。然而，大家可曾知道 “沙漠風(fēng)暴”行動和格林納沖突，美軍各種通信設(shè)備的不兼容性暴露無疑，不得不借助許多額外的無線電臺，才能保障高效的通信聯(lián)絡(luò)

3、。,1.2 軟件無線電的由來,軟件無線電的由來,歐洲第一代模擬網(wǎng)：加入歐洲郵電會議(CEPT)的16個國家，分別共使用6種不同的制式。這些模擬通信體系的制式，頻率各不相同，不能互通、兼容。那些喜歡到鄰國旅游的人們，車一出國門電話就不通了，帶來了極大的不便。,矛盾的核心：互通性 為了解決互通性的問題，各國軍方積極探索，提出一種研制多頻段、多功能電臺，用一個系列的電臺來解決互通問題的方案。 但是，其龐大的開支，短暫的壽命，使這種設(shè)想并沒有發(fā)揮多大作用。,到底怎么辦？ 1992年，MILTRE公司的Joseph Mitola首次明確提出了軟件無線電的概念。其中心思想是： 構(gòu)造一個具有開放性、標準化、

4、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。,成功嗎？ （1）很強的靈活性 （2）較強的開放性 這使得軟件無線電這一概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無線電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。,1.3 軟件無線電的發(fā)展概況,1、1991年Joseph Mitola III提出軟件無線電概念，并各到廣泛認可。,I coined the term Software Radio in 1991 to signal the shift from hardware intensi

5、ve digital radios of the 1980s to the multiband multimode software-defined radios of the year 2000 and beyond. Last year, I coined the term Cognitive Radio to refer to that class of software radio that employs model-based reasoning and at least a chess-program level of sophistication in using, plann

6、ing, and creating radio etiquettes. Cognitive radio is an emerging topic within software radio.,現(xiàn)代許多技術(shù)發(fā)展總是從軍事需求的推動，軟件無線電技術(shù)更是典型代表。 2、美國軍方開始的Speakeasy（易通話）研發(fā)，代表軟件無線電技術(shù)的研究全面開展。 易通話電臺試圖通過全數(shù)字、軟件可編程、基帶信號處理、多頻段、小功率射頻收發(fā)信機、大功率放大器和天線分系統(tǒng)來實現(xiàn)各種功能。目前，易通話已經(jīng)完成了第一階段和第二階段的研究。,易通話的兩個研發(fā)階段,1）易通話工程的第一階段,第一階段主要驗證軟件無線電概念的正

7、確性、可行性。由美國國防部支持和Hazeltine, TRW, Lockheed-Martin, Motorola, and Rockwell-Collins等公司贊助，完成： - 兩個可編程信道的電臺實現(xiàn)。 VME bus architecture Texas Instrument quad-TMS320C40 multi-chip module for digital signal processing SUN Sparc 10 工作站作為主機接口。 - 采用模塊設(shè)計，19標準機箱。,易通話電臺信號處理流程,易通話工程功能方框圖,2）易通話工程的第二階段,在第一階段成功完成理論驗證基礎(chǔ)上，

8、研制演示系統(tǒng)，達到下列目標： - 正真開放式結(jié)構(gòu) - 功能軟件可編程 - 能與TF-XXI AWE F, Irwin, March 97等電 臺互通 - 支持HF, VHF, UHF 多頻段,易通話第二階段的功能模塊,MBMMR電臺的組成,易通話第二階段的功能模塊,SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL,易通話第二階段的功能模塊,SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL,3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）,JTRS是美軍為了適應(yīng)三軍聯(lián)合作戰(zhàn)的需要，在MBMM

9、R的基礎(chǔ)上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)是基于MBMMR的戰(zhàn)術(shù)無線電臺（JTR）。JTR系列電臺與常規(guī)電臺的最大不同點是具有很強的網(wǎng)絡(luò)功能和信息安全處理能力。另外，JTR比MBMMR電臺支持更加廣泛的信號波形，它還能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展進行快捷高效的波形升級。,3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）,JTR系統(tǒng)除2MHz2GHz工作頻率外，具有以下技術(shù)特性： 即插即用通用性； 模塊化硬件可現(xiàn)場配置； 波形軟件可現(xiàn)場編程； 嵌入式定位：自動向網(wǎng)絡(luò)輸送態(tài)勢感知； 保密的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能； 3個或更多個其他網(wǎng)絡(luò)模式；,3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）,自動區(qū)域或互聯(lián)網(wǎng)路由選擇； 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接、尋址和帶寬分

10、配； 模擬選定的傳統(tǒng)無線電臺； “動中通”功能； 開放式物理結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)； 應(yīng)未來技術(shù)、系統(tǒng)和支援作戰(zhàn)結(jié)構(gòu)（可擴展性）。,聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）,4、JTRS提出的軟件通信結(jié)構(gòu)SCA,首先提出SCA的是美軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS），目的是建立獨立于設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架。其目標是確保軟件和硬件的可移植性和可配置性，并確保根據(jù)SCA開發(fā)的產(chǎn)品之間的互通。之后，軟件定義無線電（SDR）論壇也接受SCA規(guī)范，并正在把SCA發(fā)展為商業(yè)應(yīng)用的標準。,JTRS提出的軟件通信結(jié)構(gòu)SCA,SCA要達到的八個目標 通用的和開放的結(jié)構(gòu) 支持多種設(shè)備系統(tǒng)和設(shè)備運行環(huán)境 多波段多模式 與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容 新技術(shù)的

11、引入具有開放性 保密性 網(wǎng)絡(luò)化軟件重用/通用的波形軟件,基于SCA的無線通信系統(tǒng),在SCA 中，根據(jù)通信功能的劃分，所有的資源通過軟件平臺分別加載到相應(yīng)的硬件模塊中，從而完成用戶通信功能。從OSI（開放系統(tǒng)互連） 模型來看，這些通信功能包括了物理層的數(shù)字信號處理、鏈路層的協(xié)議處理、網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議處理、網(wǎng)絡(luò)間的路由轉(zhuǎn)發(fā)、信息的安全傳送、外部輸入輸出訪問等。下圖是基于SCA 的無線通信系統(tǒng)方框圖。,SCA的軟件結(jié)構(gòu),SCA的軟件結(jié)構(gòu)定義了一個運行環(huán)境（OE：Operating Environment），還包括一系列CF業(yè)務(wù)和結(jié)構(gòu)化的軟件（主板支持軟件包、操作系統(tǒng)和服務(wù)、CORBA中間件）。 SCA使

12、用的是面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，其開發(fā)過程不僅可以用于框架的定義，還可以用于產(chǎn)品的開發(fā)。SCA使用聯(lián)合建模語言UML對接口進行圖示建模，使用接口定義語言CORBA IDL對接口進行定義。,在民用方面，軟件無線電也取得了很大的發(fā)展。如：已經(jīng)研制成功的220MHz地震遙測系統(tǒng)，采用16QAM的調(diào)制方式，信道帶寬為20kHz，頻帶利用率為3b/(s*Hz)。利用這種設(shè)備,不但降低了成本，還提高了系統(tǒng)的靈活性。又比如3G/4G中的應(yīng)用。,4、軍事上成功，是軟件無線電技術(shù)迅 速在民用上推廣,1.4 軟件無線電技術(shù)的研究內(nèi)容,1、軟件無線電基本平臺設(shè)計 一般說來，軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/

13、A轉(zhuǎn)換器、通用和數(shù)字信號處理以及各種軟件組成，理想的軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如下圖：,目前，軟件無線電的結(jié)構(gòu)基本上可以分為三種： - 射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)； - 射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)； - 寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。 說明：關(guān)于軟件無線電的結(jié)構(gòu)，將在第三章進行詳細分析，并從數(shù)學(xué)模型角度進行討論。,2、硬件功能的模塊化設(shè)計 軟件無線電的硬件具有開放性，其硬件必將采用總線結(jié)構(gòu)。采用標準的、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)便于硬件模塊的不斷升級和擴展。工業(yè)控制總線的總線標準很多，例如ISA、PCI、VME等。其中，針對多處理系統(tǒng)而設(shè)計的VME總線被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制之中。也是軟件無線電選擇的總線之一。 下

14、面給出一個基于VME總線的簡單的軟件無線電硬件結(jié)構(gòu)圖示：,硬件功能的模塊化和開放性 軟件無線電硬件的模塊化結(jié)構(gòu)可以參看SDR論壇，對SDR設(shè)備的抽象層次結(jié)構(gòu)功能模型，通過三個不同層面的視圖表示。最上一層是最抽象的表示為一個信息傳輸線程。左邊接口代表空氣接口，右邊接口代表人機接口。第二層通過四個重要的功能領(lǐng)域表示一個基本順序的功能流：1）前端處理包括物理的空氣接口，前端無線電頻率處理，變頻處理，還有調(diào)制、解調(diào)制處理；2）信息安全提供用戶私有，特權(quán)，和信息保護；3）信號處理負責(zé)解析處理信息中的數(shù)據(jù)、控制、和時間信息；4）控制負責(zé)系統(tǒng)的配置和管理。第三層顯示了系統(tǒng)的主要功能模塊。,硬件功能的模塊化和

15、開放性,說明：具體模塊設(shè)計超出本書內(nèi)容。,3、軟件的模塊化設(shè)計和面向?qū)ο缶幊蹋?軟件無線電的軟件應(yīng)具有開放性，可以不斷更新或者升級，而軟件的加載可以通過空中接口實現(xiàn)，使用起來快捷方便。同時，應(yīng)根據(jù)API來進行區(qū)分，進行模塊化。采用通用對象請求代理（CORBA）技術(shù)，以面向?qū)ο蠓椒榛A(chǔ)，為分布環(huán)境中各類網(wǎng)絡(luò)互相訪問、協(xié)同工作提供了一個一致的服務(wù)平臺。 CORBA能夠無縫的共享應(yīng)用數(shù)據(jù)，它提供了一種軟總線。 概念說明 CORBA - 是一種規(guī)范，用于解決面向?qū)ο蟮漠悩?gòu)應(yīng)用之間的互操作問題，提供分布式計算所需要的一些其他服務(wù)。使用CORBA IDL可以描述CORBA中間件接口。,軟件的模塊化設(shè)計和

16、面向?qū)ο缶幊蹋?軟件的模塊化設(shè)計和面向?qū)ο缶幊蹋?軟件的模塊化設(shè)計和面向?qū)ο缶幊蹋?說明： 基于軟件通信結(jié)構(gòu)的工具開發(fā)、軟件模塊設(shè)計、操作系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開發(fā)、分布計算實現(xiàn)等等，是目前軟件無線電技術(shù)研究的熱點之一，但超出本課程內(nèi)容。,4、軟件化及軟件化程度的評價,我們知道軟件無線電是要在通用的硬 件平臺上，靠軟件來完成各式各樣的功能。因此，軟件化的程度是一個很重要的指標。 1997年Joe Mitola 提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA)表示軟件化程度，每個參量的取值均為03 。,5、智能天線技術(shù),我們知道軟件無線電是要實現(xiàn)多波段、多制式電臺的互通互連，必然要引入多天線技術(shù)。軟件無線電技術(shù)與數(shù)字多波束形成（DBF）相結(jié)合的完美產(chǎn)物就是智能天線技術(shù)。 實際上智能天線技術(shù)已經(jīng)成為下一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 說明：智能天線技術(shù)在第六章進行概念和算法介紹，但鑒于本課課時太少，此內(nèi)容將不課堂講授，有興趣的同學(xué)可以自學(xué)。,6、軟件無線電理論和信號處理算法,軟件無線電是建立在一個具有高速處理能力的通用平