軟件無(wú)線(xiàn)電的概述電子科技大學(xué)經(jīng)典

1、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù),主講人：李玉柏 ,第一章 概述,1.1 無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展 通信是伴隨人類(lèi)進(jìn)步的推動(dòng)力 200多年以前現(xiàn)代文明還未啟動(dòng)，人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)行做大量遠(yuǎn)距離通信的探索，看看遠(yuǎn)古的烽火臺(tái)吧！,電的發(fā)明推動(dòng)現(xiàn)代通信誕生,電磁場(chǎng)電磁波理論推動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信,電磁場(chǎng)電磁波理論推動(dòng)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,軍事上：電臺(tái)，雷達(dá)等 民用上：廣播/電視/無(wú)限通信/衛(wèi)星通信等,無(wú)線(xiàn)通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,Early RADAR from the UK,無(wú)線(xiàn)通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無(wú)線(xiàn)通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無(wú)線(xiàn)通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無(wú)線(xiàn)通信在軍事和民用上迅速發(fā)展,無(wú)線(xiàn)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(dòng)和格林納沖突，美軍各種通信設(shè)備的不兼容性暴露無(wú)疑，不得不借助許多額外的無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，才能保障高效的通信聯(lián)絡(luò)

3、。,1.2 軟件無(wú)線(xiàn)電的由來(lái),軟件無(wú)線(xiàn)電的由來(lái),歐洲第一代模擬網(wǎng)：加入歐洲郵電會(huì)議(CEPT)的16個(gè)國(guó)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(guó)旅游的人們，車(chē)一出國(guó)門(mén)電話(huà)就不通了，帶來(lái)了極大的不便。,矛盾的核心：互通性 為了解決互通性的問(wèn)題，各國(guó)軍方積極探索，提出一種研制多頻段、多功能電臺(tái)，用一個(gè)系列的電臺(tái)來(lái)解決互通問(wèn)題的方案。 但是，其龐大的開(kāi)支，短暫的壽命，使這種設(shè)想并沒(méi)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(wú)線(xiàn)電的概念。其中心思想是： 構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、

4、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類(lèi)型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來(lái)完成，并使A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線(xiàn)，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。,成功嗎？ （1）很強(qiáng)的靈活性 （2）較強(qiáng)的開(kāi)放性 這使得軟件無(wú)線(xiàn)電這一概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。,1.3 軟件無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展概況,1、1991年Joseph Mitola III提出軟件無(wú)線(xiàn)電概念，并各到廣泛認(rèn)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(dòng)，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)更是典型代表。 2、美國(guó)軍方開(kāi)始的Speakeasy（易通話(huà)）研發(fā)，代表軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的研究全面開(kāi)展。 易通話(huà)電臺(tái)試圖通過(guò)全數(shù)字、軟件可編程、基帶信號(hào)處理、多頻段、小功率射頻收發(fā)信機(jī)、大功率放大器和天線(xiàn)分系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。目前，易通話(huà)已經(jīng)完成了第一階段和第二階段的研究。,易通話(huà)的兩個(gè)研發(fā)階段,1）易通話(huà)工程的第一階段,第一階段主要驗(yàn)證軟件無(wú)線(xiàn)電概念的正

7、確性、可行性。由美國(guó)國(guó)防部支持和Hazeltine, TRW, Lockheed-Martin, Motorola, and Rockwell-Collins等公司贊助，完成： - 兩個(gè)可編程信道的電臺(tái)實(shí)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(jī)接口。 - 采用模塊設(shè)計(jì)，19標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。,易通話(huà)電臺(tái)信號(hào)處理流程,易通話(huà)工程功能方框圖,2）易通話(huà)工程的第二階段,在第一階段成功完成理論驗(yàn)證基礎(chǔ)上，

8、研制演示系統(tǒng)，達(dá)到下列目標(biāo)： - 正真開(kāi)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(tái)互通 - 支持HF, VHF, UHF 多頻段,易通話(huà)第二階段的功能模塊,MBMMR電臺(tái)的組成,易通話(huà)第二階段的功能模塊,SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL,易通話(huà)第二階段的功能模塊,SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL,3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電臺(tái)（JTR）。JTR系列電臺(tái)與常規(guī)電臺(tái)的最大不同點(diǎn)是具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能和信息安全處理能力。另外，JTR比MBMMR電臺(tái)支持更加廣泛的信號(hào)波形，它還能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行快捷高效的波形升級(jí)。,3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)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(chǎng)配置； 波形軟件可現(xiàn)場(chǎng)編程； 嵌入式定位：自動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)輸送態(tài)勢(shì)感知； 保密的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能； 3個(gè)或更多個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)模式；,3、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)（JTRS）,自動(dòng)區(qū)域或互聯(lián)網(wǎng)路由選擇； 動(dòng)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(wú)線(xiàn)電臺(tái)； “動(dòng)中通”功能； 開(kāi)放式物理結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)； 應(yīng)未來(lái)技術(shù)、系統(tǒng)和支援作戰(zhàn)結(jié)構(gòu)（可擴(kuò)展性）。,聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)（JTRS），目的是建立獨(dú)立于設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架。其目標(biāo)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(kāi)發(fā)的產(chǎn)品之間的互通。之后，軟件定義無(wú)線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)。,JTRS提出的軟件通信結(jié)構(gòu)SCA,SCA要達(dá)到的八個(gè)目標(biāo) 通用的和開(kāi)放的結(jié)構(gòu) 支持多種設(shè)備系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)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(kāi)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(wú)線(xiàn)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(guò)軟件平臺(tái)分別加載到相應(yīng)的硬件模塊中，從而完成用戶(hù)通信功能。從OSI（開(kāi)放系統(tǒng)互連） 模型來(lái)看，這些通信功能包括了物理層的數(shù)字信號(hào)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(fǎng)問(wèn)等。下圖是基于SCA 的無(wú)線(xiàn)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(gè)運(yùn)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_(kāi)發(fā)方法，其開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅可以用于框架的定義，還可以用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。SCA使用聯(lián)合建模語(yǔ)言UML對(duì)接口進(jìn)行圖示建模，使用接口定義語(yǔ)言CORBA IDL對(duì)接口進(jìn)行定義。,在民用方面，軟件無(wú)線(xiàn)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(cè)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)迅 速在民用上推廣,1.4 軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的研究?jī)?nèi)容,1、軟件無(wú)線(xiàn)電基本平臺(tái)設(shè)計(jì) 一般說(shuō)來(lái)，軟件無(wú)線(xiàn)電主要由天線(xiàn)、射頻前端、寬帶A/D-D/

13、A轉(zhuǎn)換器、通用和數(shù)字信號(hào)處理以及各種軟件組成，理想的軟件無(wú)線(xiàn)電的組成結(jié)構(gòu)如下圖：,目前，軟件無(wú)線(xiàn)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(shuō)明：關(guān)于軟件無(wú)線(xiàn)電的結(jié)構(gòu)，將在第三章進(jìn)行詳細(xì)分析，并從數(shù)學(xué)模型角度進(jìn)行討論。,2、硬件功能的模塊化設(shè)計(jì) 軟件無(wú)線(xiàn)電的硬件具有開(kāi)放性，其硬件必將采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開(kāi)放式總線(xiàn)結(jié)構(gòu)便于硬件模塊的不斷升級(jí)和擴(kuò)展。工業(yè)控制總線(xiàn)的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)很多，例如ISA、PCI、VME等。其中，針對(duì)多處理系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的VME總線(xiàn)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制之中。也是軟件無(wú)線(xiàn)電選擇的總線(xiàn)之一。 下

14、面給出一個(gè)基于VME總線(xiàn)的簡(jiǎn)單的軟件無(wú)線(xiàn)電硬件結(jié)構(gòu)圖示：,硬件功能的模塊化和開(kāi)放性 軟件無(wú)線(xiàn)電硬件的模塊化結(jié)構(gòu)可以參看SDR論壇，對(duì)SDR設(shè)備的抽象層次結(jié)構(gòu)功能模型，通過(guò)三個(gè)不同層面的視圖表示。最上一層是最抽象的表示為一個(gè)信息傳輸線(xiàn)程。左邊接口代表空氣接口，右邊接口代表人機(jī)接口。第二層通過(guò)四個(gè)重要的功能領(lǐng)域表示一個(gè)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(wú)線(xiàn)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(hù)私有，特權(quán)，和信息保護(hù)；3）信號(hào)處理負(fù)責(zé)解析處理信息中的數(shù)據(jù)、控制、和時(shí)間信息；4）控制負(fù)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(kāi)放性,說(shuō)明：具體模塊設(shè)計(jì)超出本書(shū)內(nèi)容。,3、軟件的模塊化設(shè)計(jì)和面向?qū)ο缶幊蹋?軟件無(wú)線(xiàn)電的軟件應(yīng)具有開(kāi)放性，可以不斷更新或者升級(jí)，而軟件的加載可以通過(guò)空中接口實(shí)現(xiàn)，使用起來(lái)快捷方便。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)API來(lái)進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)行模塊化。采用通用對(duì)象請(qǐng)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(lèi)網(wǎng)絡(luò)互相訪(fǎng)問(wèn)、協(xié)同工作提供了一個(gè)一致的服務(wù)平臺(tái)。 CORBA能夠無(wú)縫的共享應(yīng)用數(shù)據(jù)，它提供了一種軟總線(xiàn)。 概念說(shuō)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(wèn)題，提供分布式計(jì)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(jì)和

16、面向?qū)ο缶幊蹋?軟件的模塊化設(shè)計(jì)和面向?qū)ο缶幊蹋?軟件的模塊化設(shè)計(jì)和面向?qū)ο缶幊蹋?說(shuō)明： 基于軟件通信結(jié)構(gòu)的工具開(kāi)發(fā)、軟件模塊設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、分布計(jì)算實(shí)現(xiàn)等等，是目前軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，但超出本課程內(nèi)容。,4、軟件化及軟件化程度的評(píng)價(jià),我們知道軟件無(wú)線(xiàn)電是要在通用的硬 件平臺(tái)上，靠軟件來(lái)完成各式各樣的功能。因此，軟件化的程度是一個(gè)很重要的指標(biāo)。 1997年Joe Mitola 提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA)表示軟件化程度，每個(gè)參量的取值均為03 。,5、智能天線(xiàn)技術(shù),我們知道軟件無(wú)線(xiàn)電是要實(shí)現(xiàn)多波段、多制式電臺(tái)的互通互連，必然要引入多天線(xiàn)技術(shù)。軟件無(wú)線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)。 實(shí)際上智能天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 說(shuō)明：智能天線(xiàn)技術(shù)在第六章進(jìn)行概念和算法介紹，但鑒于本課課時(shí)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(wú)線(xiàn)電理論和信號(hào)處理算法,軟件無(wú)線(xiàn)電是建立在一個(gè)具有高速處理能力的通用平