软件无线电技术

第六讲软件无线电技术电子科技大学：王洪无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。然而，大家可曾知道……“沙漠风暴”行动和格林纳冲突，美军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。§6.1软件无线电的由来软件无线电的由来欧洲第一代模拟网：加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家，分别共使用6种不同的制式。这些模拟通信体系的制式，频率各不相同，不能互通、兼容。那些喜欢到邻国旅游的人们，车一出国门电话就不通了，带来了极大的不便。矛盾的核心：互通性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。到底怎么办？1992年，MILTRE公司的JosephMitola首次明确提出了软件无线电的概念。其中心思想是：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，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，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。成功吗？（1）很强的灵活性（2）较强的开放性这使得软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。§6.2软件无线电的发展概况软件无线电技术的发现MBMMRSPEAKeasyPhase1SPEAKeasyPhase2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(PHASEⅡ)的开发；92001年开始IMT-2000业务。1、1991年JosephMitolaIII提出软件无线电概念，并各到广泛认可。IcoinedthetermSoftwareRadioin1991tosignaltheshiftfromhardwareintensivedigitalradiosofthe1980'stothemultibandmultimodesoftware-definedradiosoftheyear2000andbeyond.Lastyear,IcoinedthetermCognitiveRadiotorefertothatclassofsoftwareradiothatemploysmodel-basedreasoningandatleastachess-programlevelofsophisticationinusing,planning,andcreatingradioetiquettes.Cognitiveradioisanemergingtopicwithinsoftwareradio.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。2、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。易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。易通话的两个研发阶段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,andRockwell-Collins等公司赞助，完成：--两个可编程信道的电台实现。–VMEbusarchitecture–TexasInstrumentquad-TMS320C40multi-chipmodulefordigitalsignalprocessing–SUNSparc10工作站作为主机接口。--采用模块设计，19’’标准机箱。语音/数据接口通信保密波形合成传输保密数字信号处理高速信号预处理频率变换滤波放大天线分系统终端控制人机接口电源分系统时钟分系统易通话电台信号处理流程终端控制多处理器分系统预处理分系统波形产生分系统高频分系统频率合成器IR/FR控制分系统基带转换分系统干扰抑制分系统时钟/定时参考分系统信息保密分系统易通话工程功能方框图2）易通话工程的第二阶段在第一阶段成功完成理论验证基础上，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-XXIAWEF,Irwin,March97等电台互通--支持HF,VHF,UHF多频段易通话第二阶段的功能模块天线耦合器发射接收信道A/DD/A预处理器(ASIC)波形处理器(DSP)信息安全控制多媒体接入路由器GPS控制处理器参考时钟蜂窝电话射频前端信号处理信息安全网络互联控制外部接口人机接口MBMMR电台的组成易通话第二阶段的功能模块SPEAKEASYMULTIBAND,MULTIMODECOMMUNICATIONSTERMINAL易通话第二阶段的功能模块SPEAKEASYMULTIBAND,MULTIMODECOMMUNICATIONSTERMINAL3、联合战术无线电系统（JTRS）JTRS是美军为了适应三军联合作战的需要，在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。系统构成的基础是基于MBMMR的战术无线电台（JTR）。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。另外，JTR比MBMMR电台支持更加广泛的信号波形，它还能适应技术发展进行快捷高效的波形升级。3、联合战术无线电系统（JTRS）JTR系统除2MHz~2GHz工作频率外，具有以下技术特性：即插即用通用性；模块化硬件可现场配置；波形软件可现场编程；嵌入式定位：自动向网络输送态势感知；保密的数据网络功能；3个或更多个其他网络模式；3、联合战术无线电系统（JTRS）自动区域或互联网路由选择；动态网络连接、寻址和带宽分配；模拟选定的传统无线电台；“动中通”功能；开放式物理结构和软件结构；·应未来技术、系统和支援作战结构（可扩展性）。联合战术无线电系统（JTRS）射频前端调制解调信号处理信息安全网络互联系统控制人机接口内部互连总线(黑)用户接口(用于信息安全)天线接口内部互连总线(红)用户接口网络接口4、JTRS提出的软件通信结构SCA首先提出SCA的是美军联合战术无线电系统（JTRS），目的是建立独立于设备的结构框架。其目标是确保软件和硬件的可移植性和可配置性，并确保根据SCA开发的产品之间的互通。之后，软件定义无线电（SDR）论坛也接受SCA规范，并正在把SCA发展为商业应用的标准。JTRS提出的软件通信结构SCASCA要达到的八个目标通用的和开放的结构支持多种设备系统和设备运行环境多波段多模式与现有系统兼容新技术的引入—具有开放性保密性网络化软件重用/通用的波形软件基于SCA的无线通信系统在SCA中，根据通信功能的划分，所有的资源通过软件平台分别加载到相应的硬件模块中，从而完成用户通信功能。从OSI（开放系统互连）模型来看，这些通信功能包括了物理层的数字信号处理、链路层的协议处理、网络层的协议处理、网络间的路由转发、信息的安全传送、外部输入输出访问等。下图是基于SCA的无线通信系统方框图。信息源加密器编码器调制器信道解调器译码器解密器受信者信息信息噪声源HW：射频/调制解调模块SW：调制解调资源/数据链路资源黑边子系统HW：黑边处理模块SW：调制解调资源/网络信息资源SW：网络信息资源/数据链路资源HW：信息安全模块（通信保密模块）加密子系统HW：红边处理模块HW：输入输出模块SW：输入输出资源SW：信息安全资源红边子系统红边子系统基于SCA的无线通信系统方框图SCA的软件结构SCA的软件结构定义了一个运行环境（OE：OperatingEnvironment），还包括一系列CF业务和结构化的软件（主板支持软件包、操作系统和服务、CORBA中间件）。SCA使用的是面向对象的开发方法，其开发过程不仅可以用于框架的定义，还可以用于产品的开发。SCA使用联合建模语言UML对接口进行图示建模，使用接口定义语言CORBAIDL对接口进行定义。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。4、军事上成功，是软件无线电技术迅速在民用上推广§6.3软件无线电技术的研究内容1、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A/D_D/A转换器实时、准实时处理软件DSP宽带A/D_D/A转换器射频前端模块电话图像数据传真目前，软件无线电的结构基本上可以分为三种：--射频低通采样数字化结构；--射频带通采样数字化结构；--宽带中频带通采样数字化结构。说明：关于软件无线电的结构，将在第三章进行详细分析，并从数学模型角度进行讨论。2、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：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。第三层显示了系统的主要功能模块。硬件功能的模块化和开放性信息传输线程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1233、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。{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CORBAIDL可以描述CORBA中间件接口。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层间通信垂直接口传统软件层次结构1234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