1、软件无线电的概述及硬件实现大连海事大学什么是软件无线电？软件定义无线电（SDR）是一种无线电 通信系统，其中传统上以硬件实现的组件（例如，混频器，滤波器，放大器，调制器/解调器，检测器等）通过个人计算机上的软件实现或嵌入式系统。1虽然SDR的概念并不新鲜，但数字电子产品的快速发展能力使得实际的许多过程在理论上都是可能的。基本的SDR系统可以包括配备有声卡的个人计算机，或其他模拟-数字转换器，其前面是某种形式的RF前端。大量的信号处理被移交给通用处理器，而不是在专用硬件（电子电路）中完成。这种设计产生的无线电可以仅基于所使用的软件接收和发送广泛不同的无线电协议（有时称为波形）。软件无线电对于军事
2、和蜂窝电话服务具有重要的实用性，这两者都必须实时地服务于各种变化的无线电协议。从长远来看，软件定义无线电被像SDRForum（现在的支持者预计无线创新论坛）成为主导技术的无线电通信。SDR以及软件定义的天线是认知无线电的推动者大连海事大学大连海事大学软件无线电的历史 术语“数字接收器”是由美国国防部实验室的研究人员于1970年创造的。位于加利福尼亚州TRW的一家名为Gold Room的实验室创建了一个名为Midas的软件基带分析工具，该工具的操作在软件中定义。“软件无线电”一词是由德克萨斯州加兰市的E-Systems公司（现为雷神公司）的一个团队于1984年创造的，用于指代数字基带接收器，并在
3、其E-Team公司新闻通讯中发布。“软件无线电概念证明”实验室由E-Systems团队开发，该团队在各种政府机构中推广软件无线电。1984年的软件无线电是一种数字基带接收器，为宽带信号提供可编程干扰消除和解调，通常具有数千个自适应滤波器抽头，使用多个阵列处理器访问共享存储器。1991年，Joe Mitola独立改造软件无线电这一术语，计划建立一个GSM基站，将Ferdensi的数字接收器与E-Systems Melpar的数字控制通信干扰器结合起来，构建真正的基于软件的收发器。E-Systems Melpar将软件无线电的想法卖给了美国空军。Melpar在1990-91赛季建立了原型指挥官的战
4、术终端，采用德州仪器TMS320C30处理器和Harris数字接收器芯片组具有数字合成传输。Melpar原型并没有持续多久，因为当E-Systems ECI部门制造出第一批限量生产单元时，他们决定“抛弃那些无用的C30板”，用发射和接收的传统RF滤波代替它们，恢复到数字基带无线电而不是SPEAKeasy，如Mitola原型的IF ADC/DAC。空军不会让Mitola公布该原型的技术细节，也不会让Diane Wasserman发布相关的软件生命周期课程，因为他们认为这是“美国空军的竞争优势”。因此，在美国空军的许可下，1991年Mitola在一篇论文“软件无线电：调查”中描述了没有实现细节的架
5、构原则。5当Mitola在会议上发表论文时，GEC Marconi的Bob Prill在Mitola之后开始了他的演讲，“Joe对于软件无线电理论是完全正确的，我们正在建立一个。”Prill发表了关于 PAVE PILLAR的GEC Marconi论文，这是一种SPEAKeasy前体。军事软件无线电SPEAKeasy由罗马航空发展中心的 Wayne Bonser制定（RADC），现在罗马实验室;作者：纽约罗马MITRE的Alan Margulies;然后是原来的DARPA SPEAKeasy项目经理Lt Beth Kaspar和罗马的其他人，包括Don Upmal。尽管Mitola的IEEE出
6、版物在软件无线电领域占据了最大的全球影响力，但Mitola私下认为20世纪70年代的DoD实验室与其领导者Carl，Dave和John共同发明了数字接收器技术，一旦有可能将其传输到软件无线电上通过软件。大连海事大学 在1992年全国电视系统会议召开几个月后，在E-Systems公司计划审查中，E-Systems Garland部门副总裁反对Melpar（Mitola）使用“软件无线电”一词，而没有给Garland提供信贷。Melpar当时的营销副总裁Alan Jackson向Garland副总裁询问他们的实验室或设备是否包括发射器。Garland副总裁说：“不，当然不是-我们的是软件无线电接收
7、器”。Al回答说“那么它是一个数字接收器，但没有发射器，它不是软件无线电。”公司领导层同意Al的意见，因此出版物就是这样。许多业余无线电运营商和HF无线电工程师已经意识到在RF上数字化HF并使用德州仪器TI C30 数字信号处理器对其进行处理的价值（DSPs）及其前身在20世纪80年代和90年代初期。英国Roke Manor和德国一家组织的无线电工程师同时认识到ADC在RF上的优势，因此许多父亲都取得了成功。Mitola在IEEE中出版的软件无线电向广泛的无线电工程师社区开放了这一概念。他1995年5月出版的IEEE通讯杂志特刊“软件无线电”被认为是成千上万的学术引用的分水岭事件。1997年，
8、Joao da Silva在第一届软件无线电国际会议上作为软件无线电的“教父”介绍了Mitola，这在很大程度上是因为他愿意“为了公共利益”分享这样一种有价值的技术。也许第一个基于软件的无线电收发器是由Peter Hoeher和Helmuth Lang 于1988年在德国Oberpfaffenhofen的德国航空研究机构（DLR，前身为DFVLR）设计和实施的。6自适应数字卫星的发射器和接收器调制解调器是根据软件无线电的原理实现的，并提出了灵活的硬件外围设备。术语“软件定义无线电”是由Stephen Blust在1995年创造的，他在1996年由美国空军和DARPA组织的模块化多功能信息传输系
9、统（MMITS）论坛第一次会议上发布了Bell South Wireless的信息请求。他们的SPEAKeasy II计划的商业化。Mitola反对Blust的任期，但最终接受它作为理想的软件无线电的务实途径。虽然这个概念最早是在20世纪90年代早期用IF ADC实现的，但软件定义的无线电起源于20世纪70年代后期的美国和欧洲国防部门（例如，Walter Tuttlebee描述了使用ADC和8085的VLF无线电。微处理器）。7在布鲁塞尔举行的第一届国际会议后大约一年。最早的公共软件无线电计划之一是美国DARPA-空军军事项目，名为SpeakEasy。所述SPEAKEASY项目的主要目的是利用
10、可编程处理来模拟超过10个现有军用无线电，在操作频率 的频带 2和2000之间兆赫。8另一个SPEAKeasy设计目标是在未来能够轻松地结合新的编码和调制标准，以便军事通信能够跟上编码和调制技术的进步。大连海事大学 现代许多技术发展总是从军事需求的现代许多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推动，软件无线电技术更是典型代表。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。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。目前，易通话已经完成了第一阶段和第二阶段的研究。大连海
11、事大学1）易通话工程的第一阶段 第一阶段主要验证软件无线电概念的正确性、可行性。由美国国防部支持和Hazeltine,TRW,Lockheed-Martin,Motorola,and Rockwell-Collins等公司赞助，完成：-两个可编程信道的电台实现。VME bus architecture Texas Instrument quad-TMS320C40 multi-chip module for digital signal processing SUN Sparc 10 工作站作为主机接口。-采用模块设计，19标准机箱。大连海事大学易通话电台信号处理流程语音语音/数数据接口据接口
12、通信保密通信保密波形波形合成合成传输传输保密保密数字信数字信号处理号处理高速信号高速信号预处理预处理频率变换频率变换滤波放大滤波放大天线分系统天线分系统终端控制终端控制人机接口人机接口电源分系统电源分系统时钟分系统时钟分系统大连海事大学易通话工程功能方框图终端终端控制控制多处理器多处理器分系统分系统预处理预处理分系统分系统波形产生波形产生分系统分系统高频高频分系分系统频统频率合率合成器成器IR/FR控制控制分系统分系统基带转换基带转换分系统分系统干扰抑制干扰抑制分系统分系统时钟时钟/定时定时参考分系统参考分系统信息保密信息保密分系统分系统大连海事大学2）易通话工程的第二阶段 在第一阶段成功完成
13、理论验证基础上，研制演示系统，达到下列目标：-正真开放式结构 -功能软件可编程 -能与TF-XXI AWE F,Irwin,March 97等电 台互通 -支持HF,VHF,UHF 多频段大连海事大学易通话第二阶段的功能模块天线天线耦合耦合器器发射发射接收接收信道信道A/DD/A预处预处理器理器(ASIC)波形波形处理器处理器(DSP)信息信息安全安全控制控制多媒多媒体接体接入入路路由由器器GPS控制控制处理器处理器参考参考时钟时钟蜂窝电话蜂窝电话射频前端射频前端信号处理信号处理信息安全信息安全网络互联网络互联控制控制外部接口外部接口人机人机接口接口MBMMR电台的组成电台的组成大连海事大学易
14、通话第二阶段的功能模块大连海事大学军事上成功，是软件无线电技术迅速在民用上推广 在民用方面，软件无线电也取得了很大的发展。如：已经研制成功的220MHz地震遥测系统，采用16QAM的调制方式，信道带宽为20kHz，频带利用率为3b/(s*Hz)。利用这种设备,不但降低了成本，还提高了系统的灵活性。又比如3G/4G中的应用。大连海事大学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、通用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：窄带窄带A/D_D/A转换器转换器实时、准实时实时、准实时处理软件处理软件DSP宽带宽带A/D_D/A
15、转换器转换器射频前端射频前端模块模块电话电话图像图像数据数据传真传真大连海事大学硬件功能的模块化设计 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。下面给出一个基于VME总线的简单的软件无线电硬件结构图示：大连海事大学 宽宽 带带 射射 频板频板 存存 储储 器器 板板并并行行DSP板板高高速速A/DD/A板板 VME 主主机机板板 用用 户户 接接 口口 板板音频音频视频
16、视频传真传真数据数据VME总线总线 多路耦合器多路耦合器 高速数据总线高速数据总线大连海事大学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参看SDR论坛，对SDR设备的抽象层次结构功能模型，通过三个不同层面的视图表示。最上一层是最抽象的表示为一个信息传输线程。左边接口代表空气接口，右边接口代表人机接口。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）前端处理包括物理的空气接口，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。第三层显示了系统
17、的主要功能模块。大连海事大学硬件功能的模块化和开放性信息传输线程信息传输线程RFModem可选的连可选的连接处理器接处理器通讯通讯安全安全编码编码信号协议信号协议InternetworkingI/OETE安全安全前端处理前端处理信息安全信息安全信息处理和信息处理和I/O 控制控制 控制控制123大连海事大学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
18、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。概念说明 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CORBA IDL可以描述CORBA中间件接口。大连海事大学软件的模块化设计和面向对象编程软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块软件模块层间通信层间通信垂直接口垂直接口 传统软件层次结构传统软件层次结构1234大连海事大学软件的模块化设计和面向对象编程软件模块软件模块1软件模块软件模块2软件模块软件模块3软件模块软件模块4CORBA软总线软总线基于基于CORBA的软件结构的软件结构大连海事大学软
19、件化及软件化程度的评价 我们知道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。因此，软件化的程度是一个很重要的指标。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。大连海事大学大连海事大学软件无线电硬件平台的基本结构 模拟前端 宽带A/D和D/A 数字上下变频器 高速数字信号处理器大连海事大学模拟前端模拟前端宽带宽带A/D数字下变频数字下变频器器DSP处处理器理器数字上变频数字上变频器器宽带宽带D/A软件无线电前端电路 主要任务：（1）把接收到的信号变换至适合A/D转换器处理的信号频率和电平范围内。（2）把宽带D
20、/A转换器的输出信号转换至能被其他电台接收的频率和电平范围。根据软件无线电的结构不同，前端电路的结构不同。大连海事大学传统模拟接收机的前端电路 特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频率和带宽通常固定；接收通道中使用较多的窄带滤波器，使得信号幅相畸变较大。大连海事大学带通带通滤波滤波低噪声低噪声放大放大窄带窄带滤波滤波中放中放（窄带）（窄带）窄带窄带滤波滤波中放中放（窄带）（窄带）一本振一本振（小步进）（小步进）AGC二本振二本振中频数字化接收机前端 较前一种结构有较大改善，带通滤波器和放大器都是宽带的，而且一本振的频率是大步进的，实现较方便。大连海事大学带通带通滤波滤波低噪声低噪声放大放大宽带宽
21、带滤波滤波一中放一中放(宽带宽带)宽带宽带滤波滤波二中放二中放(宽带宽带)一本振一本振（大步进）（大步进）AGC二本振二本振射频数字化结构 本结构简洁明了，随着A/D器件的发展，这种结构性能将不断提高。射频前端的接收部分主要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、AGC控制等组成。大连海事大学收收/发发电调滤波电调滤波放大放大A/DA/DDSPDSP放大放大A/DA/D射频前端的典型器件介绍 滤波器 放大器 镜像抑制 中频信号的线性化 AGC设计大连海事大学软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的主要技术指标：频段:1.5-4MHz；4-10MHz；10-30MHz；30-90MHz；90-200MH
22、z；200-700MHz；400-700MHz；700-1000MHz;输入输出阻抗：50 滤波器通带带觉：中心频率的2一5；大连海事大学软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的主要技术指标：插入损耗：6dB；调谐码：8 bits：调谐速度：10 us(30MHz以上）30dB带宽)(fH大连海事大学软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的应用：调谐码：Cd=250*（fd-f1）/（fh-f1）电调滤波器连接：电调滤波器电调滤波器电调滤波器电调滤波器电调滤波器电调滤波器电电子子开开关关控制控制大连海事大学软件无线电中的放大器 电放大器的工作模式：由于软件无线电的接收通道是宽带的，有时甚至是宽开的
23、，通带内的信号可能有很多，因此，在软什无线电中不能用非线性放大器、而只能用线性放大器。否则就会引起许多非线性产物。宽带放大器中常用前馈(Feedforward)和反馈(Feedback)两种技术。前者主要用于提高放大器的杂波等指标，而反馈用于提高放大器的稳定性和带宽指标。大连海事大学软件无线电中的放大器 电放大器的主要技术指标：工作频率范围：指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。功率增益：指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用“dB”。增益平坦度：指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。增益平坦度由下式表示:G=（Gm
24、ax-Gmin）/2 dB大连海事大学软件无线电中的放大器 放大器增益窗：宽带放大器的增益定义采用增益窗的定义方法（不含窄带功率放大器），是根据放大器允许的最大增益Gmax，放大器允许的最小增益Gmin，放大器的增益波动G等三个增益指标对放大器的增益允许的波动和变化范围作明确定义。大连海事大学软件无线电中的放大器 噪声系数：噪声系数是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值，单位常用“dB”。噪声系数由下式表示：NF=10 lg 输入端信噪比/输出端信噪比 在放大器的噪声系数比较低（例如NF1）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（T）来表示。噪声系数与噪声温度的关系为：T=（NF-1）T
25、0 或 NF=T/T0+1大连海事大学软件无线电中的放大器 输入/输出驻波比：微波放大器通常设计或用于50阻抗的微波系统中，输入/输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗(50)的匹配程度。VSWR=(1+|)/(1-|)；其中反射系数=(Z-Z0)/(Z+Z0)；Z为放大器输入或输出端的实际阻抗；ZO为需要的系统阻抗。大连海事大学软件无线电中的放大器 1分贝压缩点输出功率（P1dB）：放大器有一个线性动态范围，在这个范围内放大器的输出功率随输入功率线性增加，这两个功率之比就是功率增益G。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是
26、说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。大连海事大学软件无线电中的放大器大连海事大学软件无线电中的放大器 典型情况下，当功率超过P1dB时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比P1dB大3-4dB。软件无线电中的放大器 三阶截点（IP3）：测量放大器的非线性特性的一个颇为流行的方法，是利用两个相距5到10MHz的f1、f2信号加到一个放大器上，此时放大器的输出不仅包含了这两个信号，而且也包含了频率为 mf1+nf2 的互调分量（IM）。这里称m+n为互调分量的阶数。在中等饱和电平
27、时，通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶分量。三阶截点（IP3）来表征互调畸变很严重是的输入电平。三阶截点功率的典型值比P1dB高10-12dB。大连海事大学软件无线电中的放大器 三阶截点（IP3）：IP3可以通过测量IM3得到，计算公式为：IP3=PSCL+IM3/2；其中PSCL 单载波功率；如三阶互调点已知，则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式估计：基波与三阶互调抑制比 =2 IP3-(PIN+G)三阶互调杂散电平=3（PIN+G）-2IP3大连海事大学前馈放大器 前馈放大器原理可用下图来描述。该放大器由环路1 和环路2 组成。对于双频信号通过非线性放大器时所产生的失真
28、，可以通过前馈对消。大连海事大学软件无线电中的A/D/A技术 软件无线电的基本思想就是让模拟电路尽量简单，将A/D和D/A尽量靠近射频前端。要求A/D器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽。本部分主要讨论如何A/D、D/A转换器实现软件无线电中的模/数和数/模变换。大连海事大学A/D转换器原理 A/D转换器功能:将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量0 5V0000000011111111分辨分辨率率:5V/255=0.0196V/每每1个最低有效位个最低有效位大连海事大学A/D转换器原理 ADC工作过程与结构A/D电电路路模拟模拟输入输入
29、三态门三态门数字数字输出输出寄存器寄存器精密稳精密稳压电源压电源电源电源主机读取命主机读取命令令时序控制时序控制电路电路A/D转换命令转换命令（来自主机）（来自主机）转换完成信号转换完成信号由主机检测由主机检测或申请中断或申请中断A/D转换器转换器大连海事大学A/D转化器的性能指标 转换灵敏度 信噪比（SNR）有效转换位数（ENOB）孔径误差 无杂散动态（SFDR）非线性误差 互调失真（Intermodulation Distortion）总谐波失真（Total Harmonic Distortion）大连海事大学A/D转换器的选择 A/D转换器分类基于变换原理 1）逐次比较式 2）并行式A/
30、D转换器 3）ADC转换器 4）采样ADC 5）电子雪堆技术ADC 典型的A/D转换器 参见书P112115 常见的AD转换器件的结构。大连海事大学数据采集模块的设计（略）A/D转换器转换器转换完成信号转换完成信号采样采样/保持器保持器模拟模拟输入输入读取数据命令读取数据命令计算机计算机接口接口A/D板板A/D转换命令转换命令大连海事大学DA转换器的基本原理 D/A功能:将数字量成正比地转换成模拟量 D/An=4位位8位位10位位12位位16位位n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010V大连海事大学输入输入4位二进制数位二进制数输出模输出模拟电压拟电压S0S3:模拟电子开关模拟电子开关D
31、=0,S倒向地倒向地D=1,S倒向倒向VREF电阻网络电阻网络求和运算放大器求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参考电精密参考电压压D0D1D2D33R3R/2UO大连海事大学软件无线电中的数字下/上变频器 在超外差式软件无线电接收机中，数字下变频 DDC 技术是核心技术之一。数字下变频器的组成结构：数字混频器，数字控制振荡器NCO和低通滤波器。高抽取高抽取滤波器滤波器高抽取高抽取滤波器滤波器FIR格格式式转转换换NCOx(n)FIR大连海事大学软件无线电中的数字下/上变频器 由NCO产生两路正交信号做混频用，NCO可以通过直接数字合成技术 DDS 实现。其
32、基本原理框图见下。Nbit相位累加器ROM正弦查询表时钟信号时钟信号fc频率控制码频率控制码NbitMbit大连海事大学软件无线电中的数字下/上变频器 从原理上讲，DDC与模拟下变频实现相同的功能，不过其实现是通过数字运算来进行的。影响数字下变频性能的主要因素：（1）表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差。（2）数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。大连海事大学软件无线电中的数字下/上变频器 DDC的组成部分：数字控制振荡器的原理，参见书P123126。典型的数字下变频器，参见书P125137。软件无线电中的数字下变频器的应用ADCDDC1DDC2DDC3DDCn大连海事大学高速数字信号处理器 概述 典型DSP器件 DSP器件的软件开发流程（略）应用举例（略）大连海事大学高速数字信号处理器 典型DSP器件 目前主要DSP生产商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大市场份额。作为第一片DSP产品TMS32010的生产商和DSP行业的领头者，TI公司的产品包括从低端的低成本低速度DSP到高端大运算量的DSP产品。大连海事大学
