1、软件无线电技术软件无线电技术李文元李文元2000.12.12000.12.1软件无线电技术(Software Defined Radio，SDR)1、基本概念2、SDR的关键技术3、SDR的新进展4、SDR的算法设计1、软件无线电的基本概念1.1软件无线电的基本思想1.2发展历史1.3标准软件无线电台的结构1.4软件无线电的特点1.5软件化程度的评价方法1.6主要研究机构及其应用进展基本思想:在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换，并且尽可能多地用软件来定义无线功能1.1 软件无线电的基本思想软件无线电台=高速计算机+天线无线电通信的一次革命模拟无线电（模拟无线电（1G）数字无线电（
2、数字无线电（2G）软件无线电（软件无线电（3G）由来 所有的无线通信系统均可基于一种通用可编程硬件平台，工作频段、编解码方式、调制解调方式、加密解密算法、多址方式等均可编程，通过注入不同的软件，形成不同标准的软件无线电终端或基站。这样的无线电台既可以与现有的其他无线电台进行通信，还能在不同的无线电系统之间起到“无线电网关”的作用，保证各种无线通信业务的无缝集成。传统的硬件无线电接收机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用户接口软件无线电接收机1.2软件无线电的发展历史序号 时 间 发 展 历 程 11980年 美国作做为可编程模块化通信技术开始
3、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(PHASE I)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)；IEEE Communications Magazines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(MMITS Forum)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SPEAKea
4、sy(PHASE)的开发；92001年 开始IMT-2000业务。基站 窄带A/D-D/A(可编程信源编码)实时/准实时软件可编程处理器宽带A/DD/ARF转换高集成度硬件电话视频传真数据移动终端实时/准实时软件可编程处理器宽带A/DD/ARF转换实时系统 在线软件可编程处理器模块化、开放式结构硬件业务开发工作站脱机软件PSTN无线接口1.3 标准软件无线电台的结构1.4软件无线电的特点可编程性模块化结构可重构性分层性开放性软件无线电的开放式结构 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
5、线1.5软件化程度的评价方法1997年Joe Mitola 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03参量 意 义 取值及其含义N空中接口所能支持的通道数0-单通道 1-双通道 2-多通道3-RF 中所有通道PDA可编程数字化接入0-无可编程性 1-基带可编程2-中频可编程 3-射频可编程HM硬件的模块化程度0-无可编程性 1-可编程专用模块2-用 DSP 3-用 FPGA、CPLD 等SFA软件模块化程度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-加载多个厂商软件，硬件平台一个 3-多个软件可加载到不同的硬件平台上1.6软件无线电的主要研
6、究机构及其应用 FIRST(Flexible Integrated Radio Systems Technology)计划用SDR技术设计多频/多模可编程手机FRAMS(Future Radio Wideband Multiple Access Systems)计划目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足UMTS要求，技术方法之一是采用SDR技术SORT(Software Radio Technology)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合UMTS的标准欧洲 ACTS（Advanced Communications Technologies and
7、 Services)计划中有三项是将SDR应用在3G(UMTS)美国 SPEAKeasy：研制多频段、多模式电台(MBMMR)，已完成两个阶段(、)MMITS论坛(后更名为SDRF论坛)PMCS(Programmable Modular Communication System)研究基于SDR技术的3G系统的多频段多模式手机与基站。中国 提出了3G标准TD-SCDMA，SDR技术是其关键技术之一。(1)提供一个开放的模块化的系统结构；(2)智能天线的实现；(3)同步检测、建立和保持；(4)用户终端D-QPSK解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪；(5)每码道功率的测得和发射功率控制的实现；(6)
8、接收通道的电平检测和接收增益控制；(7)扩频调制和解调，包括Walsh码和PN码的产生；(8)语音编译码；(9)DTMF、MFC及各种信号的产生和检测；(10)信道编码、复接和分接；(11)发射脉冲成形滤波；(12)SWAP信令的差错检测；(13)接收信令的差错检测；(14)发射通道的数字预失真；(15)基站收发信机的校准。SDR将在SCDMA中实现的功能SDR在3G中的应用移动台和基站 为3G的多模式、多频段、多功能手机与基站提供一个开放的模块化的结构智能天线 空间特征矢量（如DOA）的获得、每个射频通道权重的计算和天线波束赋形等各种信号处理软件算法的实现 包括各类无线信令规则与处理、信号流
9、变换、调制解调、加密解密、信道编码、信源编码等软件算法软件无线电手机的概念化方案PDC模块 IMT-2000模块 cdma-one模块 GSM模块数字无线信号 处理器宽带射频前端专用软件语言应用程序驱 动 模 块操作系 统 D/A A/D无线函数库A/D D/ADSP FPGALNA PAMIX3G手机设计中的难题低功耗、小型化技术 电源管理技术、低功耗技术高速A/D和DSP 满足2GHz频段采样的A/D器件缺乏时，从信号分析角度研究采样方法(如欠采样技术)；开发DSP的信号处理软件是SDR手机的主要方向时钟信号的选取和分配 多模式意味着多标准，主时钟频率选各模式时钟的最小公倍数（LCM）接收
10、机结构 直接变频式，成本低且兼容多标准2、软件无线电的关键技术宽带射频前端和模块化技术高速A/D、D/A技术高速数字信号处理技术多信道数据交换技术系统软件设计技术嵌入式开放系统控制技术AGC中放输出总线 DDC带通滤波窄宽带ADC窄宽带ADC DDCDSPDACDACDACLPFLPFLPF 宽带ADC DAC（a）数据采集模块结构图（b）可编程数字下变频器（DDC）原理图 IF输入可编程抽取器 FIR(LPF)FIR(LPF)逻 辑电路 正弦/余弦滤波系数取样时钟-输出射频前端信号预处理射频前端信号预处理宽带A/D和D/A性能参数信噪比(SNR)、无寄生动态范围(SFDR)、互调失真(IMD
11、)、采样速率和采样精度等采样方法正交采样、带通采样、欠采样并行A/D、D/A技术软件电台需要解决的关键技术 课 题 研 究 内 容 目 标 RF 处理射频领域的数字化技术有关采样的信号处理技术特性可灵活改变的接收滤波器接收视前端软件化 软件下载受制于各种媒体的软件下载技术通信协议/空间接口的研究保密技术对更改功能/性能的要求做出迅速反应 软件天线智能天线技术(自适应天线)射频波束形成技术各种算法的实现提高推断电波到来方向 的精度确保最佳收发特性 环境适应技术按接收电波环境使接收特性达到最佳状态的技术接收电波的自动识别和分析技术软件自动下载技术实现无缝无线电台 器件技术A/D、D/A 变换器高速
12、/高分辨率 DSP提高信号处理能力研究最佳结构小型轻量化多功能化 标准化标准化技术硬件组成 OS 软件下载协议确保软件无线电台的灵活性3、软件无线电的新进展3.1体系结构分层化与软件模块化3.2软件无线电结构数学分析化3.3面向对象化3.4认知化、智能化3.5计算机化3.6网络化、信息安全化3.1体系结构分层化与软件模块化Joseph Mitola 提出了SDR分层虚拟机参考模型通信服务虚拟机无线应用虚拟机无线基础结构虚拟机硬件平台虚拟机服 务个性描述信道对象代 理信道状态机信 息 流基础结构状态机 线程建立与控制指令集结构操作系统高层高层API低层低层API软件模块化软件无线电论坛是根据AP
13、I(Application Programming Interface)来进行区分，采用CORBA技术。CORBA基本概念：通用对象请求代理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。3.2软件无线电结构数学分析化数学分析的必要性1.要掌握一个软件模块的数据吞吐量、响应时间及其他参数，对存储器、缓存空间和可处理资源进行量化，要求数学分析。2.当重用自己软件库（或第三方）的软件时，会引起系统性能下降，甚至崩溃，要用数学模型来刻画快速涌现的技术。3.用拓扑结构特性研究SDR结构，可提高即插即用结构的应用
14、和资源的有效重用。数学分析的好处提高了系统的稳定性、可重用性结构设计的原则有界递归模块 消耗可预测的资源，且软件错误不会引起系统崩溃可扩展的接口拓扑 用拓扑空间的基来定义软件无线电接口，并使用可扩展语言如UML、SDL、IDL、ASN.1等分布式分层虚拟机结构3.3面向对象化SDR要面向对象设计3G面向个人服务信源编解码服务与网络支持调制解调信息安全IF处理RF信道接入信道集信号源集开发支持信道编码解码联合控制外部环境支持外部环境支持面向对象的软件无线电系统结构面向对象的软件无线电系统结构3.4认知化、智能化Joesph Mitola近期提出认知软件无线电是指无线电的内部工作状态是可知的，通过
15、无线电知识描述语言(Radio Knowledge Representation Language，RKRL)与网络，针对无线规则进行智能交流，并采用支持关于用户需要的自动推理的方式，更好地为个人通信服务。无线规则是指一系列适合无线频谱使用的射频带宽、空中接口、通信协议和空间时间模式。认知无线电使软件无线电从预置程序的盲目执行者转变成为无线电领域的智能代理，它具备通过各种方式来满足用户需求的能力，甚至用户都不知道是如何得到它的。SDR为认知无线电的实现提供了一个理想的平台。认 知 无 线 电硬件基带MODEM后端控制均衡算法软件无线电软 件 模 块天线MODEMINFOSEC用户接口基 带RA
16、M均 衡RKRL 构架基于模式的推理软件认知天线射频MODEMINFOSEC基带处理用户接口3.5计算机化计算机化是指SDR与计算机技术相结合，使其具有更好的灵活性、网络性与联合的人机界面。结合的两个方面：1.友好的人机对话界面(MMI)2.利用计算机进行3G系统的基带处理虚拟无线电(Visual Radio)虚拟无线电（Virtual Radio)多频段射 频 前 端 A/D GuPPI操作系统软件无线电应用Spectrum Ware OS扩展I/O子 系统 GuPPI:General Purpose PCI I/O3.6网络化、信息安全化Internet 发展迅速，提供信息服务无线用户需要
17、网络服务 SDR要增加网络模块信息安全重要军用和民用用户鉴权、数据流加密4、软件无线电的算法设计1.设计流程相关模块的功能(物理描述)建立数学模型(数学描述)可用计算机语言描述的算法编程仿真或实现2.设计方法数值法递推法归纳法各种算法的组合3.设计要求高度的开放性 能形成标准程序模块和程序库兼容性容易升级 参考文献1.Software Special Issue,IEEE Conmmunications Magzine，May,1995 2.J.Mitola,“Cognitive Radio:Making Software Radio More Personal”，IEEE Personal communications,Vol.6 No.43.Software Special Issue,IEEE Conmmunications Magzine，February 19994.王际兵，赵明，姚彦.软件无线电发展动态清华大学学报（自然科学版），1999第39卷第9期5.张冠华，陆余良，邓晓鹏，周世龙软件无线电的兴起对未来移动通信的影响计算机与通信，1999年第10期谢谢大家谢谢大家！
