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第２章软件无线电的体系结构§2.1软件无线电的系统模型§2.2软件无线电的体系结构软件通信体系结构是根据联合战术无线电系统（JTRS)开发软件，按可配置无线电台的基、本需求而建立的独立于具体应\用的软件无线电体系结构，它包括硬件体系结构、软件体系结构等部分。§2.1软件无线电的系统模型§2.1.1通信系统模型传统的通信系统的概、念是发信者使用无线电发射机将信息传送给接收者;接收者使用相应的无线电接收机接收信息,中间通过一定的通信信道。无线电发射机无线电接收机RF信道信源处理信道处理信道处理信源处理发信者收信者图传统的通信模型信源处理：将原始信号（如语音）转换成适当的电信号；信道处理：将电信号转换成适合无线电射频（RF）信道传输的波形；传统无线电与软件无线电比较：传统通信需人工干预的控制很少，只有像电源开关、音量控制等几个简单的控制功能；软件无线电在此基础上扩展多频带、多模式、多线程以及多个性化的特点；软件无线电信道可扩展成三部份：可编程的RF/信道接入部份,是对多个射频段和其它信道的接入部份进行自动的接入；中频部份主要是进行滤波、频率变换、波束形成等处理；调制解调部份包括了多种可用的调制技术；信源编译码服务与网络支持信息安全调制解调中频处理RF/信道接入信源处理信道处理联合处理信源集信道集信息安全：信息安全中的信息加密技术越来越受到人们的重视,认证技术可以防止欺骗，而传输安全技术可以将信息传输的事实（信息的流向、流量、频度）隐藏起来。函数模块：所有这些函数模块共同实现一个多频段、多模式、多线程以及多个性化的软件无线电节点，它由一个联合控制函数来管理和控制，联合控制保证了系统的稳定性以及系统的自动恢复。联合控制使得系统具有自动选择频带、自动选择数据格式以及自动选择调制方式的功能。软件无线电节点对计算的需求：首先,从信源开始，为了兼容多种信息输入，信源编码要包括所有可能的算法，如话音压缩编码、图像压缩编码、视频信号编号以及多媒体信息编码等算法。其次,对于远程信息输入,在服务和网络支持模块中还要包含与相关网络的互联协议。在信道选择，波束形成算法、频段的选择、调制方式的选择、数据格式的选择等等,都包括了大量的运算需求。最后，一个复杂的联合控制林管理和协调整个系统的正常工作，包括要管理系统的个性化配置以及基本硬件资源（如DSP，FPGA，ASIC等）的支撑软件上，它也需要大量的运算。因此，同样一个多频段、多模式、多个性化的软件无线电节点，当用户选择不同的配置时，系统对运算的需求是有很大的不同的，有可能造成运算资源的冲突。另外，使用过程中某些器件的失效，又会使系统失去一些运算资源，进一步造成运算资源的的短缺。软件无线电节点配置要求：一个软年无线电节点可以进行个性配置，可以改变空间接口的任何方面，如信号是否跳频，是否扩频，当然改变配置后所需要的资源（如运算容量、存储容量，带宽等）不、能超过系统本身所能允许的最大限量。进行了个性化配置的这样一个软件无线电节点，可以将它的新的配置进行上载(Upload)，传给服务供应商(ServiceProvider)或软件无线电基站，而其它需要以这种个性化方式进行通信的节点，就要从空中先进行下载，将配置安装在自身的节点上再进行通信.当然每一个新的个性化配置在使用之前都应先确保其正确性和安全性。软件下载需考虑的问题：软件下载和重新配置对软件无线电的影响是全面的,软件无线电的多层视图可分为物理层、网络层、服务层、应用层。应用层服务层网络层物理层用户对新的服务或容量的需求系统控制软件下载软件无线电为最终用户提供应用的灵活性软件无线电针对不同市场和服务的适应性软件无线电针为新技术的使用提供了适应性软件无线电针为系统的设计提供了适应性图软件无线电的多层视图1.下载的程度根据下载的内容可分为完全下载和非完全下载。前者是完全替换系统代码,这需要较大的系统资源。部分下载只是替换部份代码,下载量较少，但各层之间的接口通常较稳定。2.各系统之间的通信系统各层间均是相互联系的、共同完成任务的，在软件下载过程中必须保持通信,各单元之间必须有力相互发现,这也称之为绑定。3.下载的内容可分为执行代码和数据两大类。可执行代码就是可供系统主动执行功能的代码；数据是被动的，例如系统的一些参数。4.软件下载的安全保障由于下载软件的来源很多，其核心任务是保证恶意的软件代码不被下载和激活。安全性需要可归纳如下：授权：确认用户可以访问数据或使用网络;完整性：采用加密技术和编码技术保证信息的完整性;隐私：采用加密技术实现;认证：简单口令或高级的加密的技术;认可：接收者和传送者都肯定各自的行为,采用数字签名或适当的协议方法实现;RF用户高频RF低频RF射频处理中频ADC信道滤波器调制解调器声码器音量控制信道选择接口点控制函数变换函数空中接口软件无线电原理图的拓扑结构图软件无线电的拓扑结构图中所显示了一个双频带接收机，它可以接收两个射频段（高段或低段）的信号，接收到的射频信号通过射频处理变换到中频，在中频进行采样将信号数字化（ADC），然后通过信道滤波器选出所要的信道，信道选择可以由用户控制。选出所要的信道后，经过调制解调器得到基带信号，然后通过一个声码变成话音输出给用户，在这里，用户可以控制输出声音的音量。用这样一种添加了变换和控制函数怕拓扑结构就可以很简单地表示一个无线电通信系统。拓扑模型的好处：可以明确系统顶层的即插即用接口；可以预测和控制系统的性能；为建立标准定义一个参考模型；为产品的演化提供一个体系；拓补模型的特点：1.节点和有向线段可以带有有关的重要特性,这些重要特性构成拓补空间的维数;2.一个拓补结构包括了很多的空间,在这些空间上可以从不同的角度得到系统的重要特性。§2.1.2深入理解软件无线电本节介绍软件无线电与可编程数字无线电相区别,现在很多数字接收机都是都是编程数字无线电，但并不等同于软件无线电。软件无线电的三种结构形式基于采样方式的不同，软件无线电的组成结构可以分成以下3种：1）射频全宽带低通采样软件无线电结构2）射频直接带通采样软件无线电结构3）宽带中频带通采样软件无线电结构射频全带宽低通采样软件无线电结构组成结构如图所示：双工器超宽带滤波器超宽带放大器超高速超宽带A/D分波段滤波器超宽带功率放大器超高速超宽带D/A超高速DSP软件minmax~ffmax2sff这种结构的优缺点优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电概念的定义。缺点：（1）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件水平无法实现。（2）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范围有很高的要求，工程实现极为困难。所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。例：短波HF频段低通采样软件无线电结构对于工作频段处于0.1MHz到30MHz范围的HF就可能采用上述结构，因为采样频率在100MHz左右精度为14位的AD已基本能满足要求。双工器滤波器放大器A/D滤波器功放D/ADSP软件:75~90sfMHzMHz0.1MHz~30MHz射频直接带通采样软件无线电结构组成结构如图所示：双工器窄带电调滤波器放大器A/D功放“0”内插上变频D/ADSP软件00/4/4SmSmffff＝(2n+1)＝(2m+3)m/SSff窄带电调滤波器本结构说明本结构采用了射频直接带通采样原理。这种带通采样除了需要一个主采样频率fs外，还需要M个“盲区”采样频率fsm(m=0,1,2…M-1)，M值由下式确定：式中，INT[x]表示取大于等于x的最小整数。盲区采样频率为：，式中，m=0,1,2,…,M-1对应盲区号。max2[]sfMINTf2223Smsmffm主采样频率fs的确定主要取决于A/D器件的性能；另外，还要考虑与后续DSP的处理速度相匹配。为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率fmax一定的情况下，fs应尽量选高。本结构对A/D器件的要求是A/D需有足够高的工作带宽。优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有A/D的采样速率不同；最后就是对DSP的处理速度要求不同。实现可行性较强。缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的A/D（高性能采样保持放大器）实现起来还是有相当的难度。另外，本结构需要多个采样频率，增加了系统实现复杂度。因此，我们将介绍下面一种软件无线电结构－－宽带中频带通采样软件无线电结构。宽带中频带通采样软件无线电结构组成结构如图所示：分波段滤波器功放高放双工器一本振一中放滤波A/DD/ADSP(软件)fsf0/4s＝(2n+1)f放大放大一本振二中放本结构说明本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结构。本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽适应性以及可扩展性。本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射频信号转换为适合于A/D采样的宽带中频或把D/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。１.可编程数字无线电可编程数字无线电的编程性体现在基带使用DSP,包括可以用软件改变信源的编码方式。但是对于基带以上的部份，它是通过使用多种硬件模块或不同芯片使得无线电接入多外模式,并且选择多种空间接口方式；当需要转换射频或改变空中接口的方式时，则需要对硬件模块进行更换才能实现系统的个性化配置。典型的可编程数字无线电，如双模手机GSM/CDMA双模手机。2.软件无线电软件无线电以其特有的方法给予无线电更多的个性化,它以软件定义空间接口（包括接入多外射频段及多外调制波形等）。多波束天线阵高级控制多频段RF转换宽带A/D/A转换中频调制调制比特流处理中频调制解制比特流处理网络图软件无线电的关键模块软件无线的射频端是一个多波束天线和一个多频段的射频转换器,它可以接收多个方向，多个频段的射频信号，并且将射频信号转换成中频信号。宽带的ADC对中频信号采样,中频处理部份包括：隔离用户信号滤波器,波束形成以及数字下变频。它从采样的中频多用户信道提出所需的用户信道,抑制相邻用户的干扰,并且将提取出的单用户窄带信号进行抽样,进一步降低采样率,完成数字下变频。解调后的信号为一个比特流序列,比特流处理部份需要完成信息的加密解密、编码译码等。在现在的移动终端中,更多的采用一些固化的定制芯片（ASIC),尽管ASIC可以设计成具有多个控制参数,但是在移动终端的使用过程中是无法改变个性化设置。要改变一个移动终端空中接口的个性化设置,必须更换相应的ASIC芯片。ASIC芯片与DSP芯片相比具有低功耗,尺寸小、重量轻、成本低等优点,但是它的灵活性受到限制。3.硬件的等价模型音量RF用户射频ASIC调制解调音量RF用户射频ADC调制解调频率转换信道滤波图用射频专用ASIC实现图用等价软件模型实现4.对编程程度的量化可编程性是指系统的灵活性,即是不是可以很容易个性化配置。现化的无线电使用不同的处理器的混合,因此对灵活性的度量要适用于各种处理器。软件无线电可编程的度量：软件无线电的拓补结构是由单一弧线和源点、汇点组成，弧线可以一层层分解到最基本的组成部份。硬件的最基本组成是离散的器件,而软件的最基本组成部份是处理器的单条指令。对于分解对最底层的拓补结构,计算出所有能通过软件重新定义的弧线，它与总的弧线之比就是可编程的度量。DSP与FPGA可编程性比较：FPGA从理论上讲是完全可以编程的,在实际中它们比ASIC的可编程性要高。由于FPGA受限于门数和连线的多少。FPGA的设计在一定程度取决于设计者的经验,而用DSP通过软件来实现功能的,软件是保存在存储器中的,所以通过软件来替换某些电路对DSP来说是轻而易举的。因而DSP的可编程度比FPGA要高。处理器处理能力的度量1.时钟速率时钟速率越快，运算速度就越快。2.指令执行速度指令执行是以一条指令所需的执行时间或每秒种执行的指令数目来度量，互为倒数，单位分别为ns（纳秒）和MIPS(百万条指令每秒）。3.操作速度操作执