軟件無線電的主要原理及技術(shù)(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上軟件無線電的主要原理及技術(shù)嘉兆科技本文主要介紹了軟件無線電的概念、主要原理、關(guān)鍵技術(shù)及在生活中的廣泛應(yīng)用。它是以開放性、標準化、模塊化、通用性、可擴展的硬件為平臺，通過加載各種應(yīng)用軟件來實現(xiàn)不同用戶，不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級形式。首先介紹了軟件無線電的理論基礎(chǔ)，即帶通采樣理論，多速率處理信號技術(shù)，高效信號濾波，數(shù)字正交變換理論，這些都是軟件無線電實現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，然后是其關(guān)鍵技術(shù)，寬帶智能天線技術(shù)，A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)字上/下變頻技術(shù)，數(shù)字信號處理部分，這些技術(shù)是實

2、現(xiàn)軟件無線電的關(guān)鍵和核心所在。最后，對其應(yīng)用領(lǐng)域也進行了描述，指出其在個人移動通信，軍事通信，電子站，雷達和信息加電中的巨大潛力。軟件無線電這個術(shù)語最早是美軍為了解決海灣戰(zhàn)爭中多國部隊各軍種進行聯(lián)合作戰(zhàn)時遇到的互通互操作問題而提出的新概念。陸，海，空三軍簡單就工作頻段來分，解決了互不干擾問題，但三軍聯(lián)合作戰(zhàn)時互通，互聯(lián)，互操作問題難以解決，于是1992年提出了軟件無線電的最初設(shè)想，并于1995年美國國防高級研究計劃局提出了SPEAKEASY計劃，稱之為易通話計劃，其最終目的是開發(fā)一種能適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn)要求的三軍統(tǒng)一的多頻段，多模式電臺，即MBMMR電臺。進而實現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（簡稱JTRS），

3、它是在MBMMR的基礎(chǔ)上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。軟件無線電以開放性，標準化，模塊化，通用性，可擴展的硬件為平臺，通過加載各種應(yīng)用軟件來實現(xiàn)不同用戶，不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，實現(xiàn)各種無線電功能，選用不同軟件可實現(xiàn)不同功能，軟件可以升級更新，硬件也可像計算機升級換代，可稱為超級計算機。它是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字無線電的高級形式。理想軟件無線電的結(jié)構(gòu)框圖：一、軟件無線電的理論基礎(chǔ)  采樣理論：由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，例如從0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有這么寬的頻段才能具有廣泛的適應(yīng)性。對于

4、如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不實際。所以無法使用Nyquist采樣定理，而必須采用帶通采樣。一種接近理想化的軟件無線電設(shè)計方案稱為射頻直接帶通采樣軟件無線電體制，在天線與A/D間只存在跟蹤濾波器和放大器，與軟件無線電所要求的A/D盡可能靠近天線的設(shè)計宗旨完全一致。  多速率信號處理：帶通采樣定理大大降低了所需的射頻采樣速率，但從軟件無線電的要求來看，帶通采樣帶寬應(yīng)越寬越好，對信號有更寬的適應(yīng)性，這樣就應(yīng)當使采樣速率盡可能地寬。然而又會導(dǎo)致后續(xù)的信號處理速度跟不上，因此要對A/D后的數(shù)據(jù)流進行降速處理。抽取和內(nèi)插是最基本最重要的基

5、本理論，對于軟件無線電的研究及數(shù)字下/上變頻器的實現(xiàn)有重大作用。整數(shù)倍抽取是把原始采樣速序列x(n)每隔（D-1）個數(shù)據(jù)抽取一個，形成一個新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，這樣經(jīng)過抽取的數(shù)據(jù)流速率只有后者的D分之一，顯然大大降低了對后處理速度的要求，也提高了頻域分辨率。這是軟件無線電接收機的理論基礎(chǔ)。整數(shù)倍內(nèi)插是在兩個原始抽樣點之間插入（I-1）個零值，也形成一個新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),經(jīng)過內(nèi)插大大提高了時域分辨率，也可以用來提高輸出信號的頻率。顯然內(nèi)插器起到了上變頻作用。它是軟件無線電發(fā)射機的理論基礎(chǔ)。整數(shù)倍抽取和內(nèi)插都只是頻率變換的一種特殊情況，實際中往往用

6、到分數(shù)倍變換，它可通過先進行I倍內(nèi)插，再進行D倍抽取來實現(xiàn)。（注意必須內(nèi)插在前，以免引起信號失真）。  高效數(shù)字濾波：實現(xiàn)取樣速率變換的主要問題是如何實現(xiàn)抽取前或內(nèi)插后的數(shù)字濾波。FIR濾波器相對與IIR濾波器有許多獨特優(yōu)越性，線性相位，穩(wěn)定性等。可采用窗函數(shù)法來設(shè)計，簡單，直觀，但濾波性能不是最佳。也可采用最佳濾波器的設(shè)計。半帶濾波器適合于實現(xiàn)D=2的M冪次方倍的抽取或內(nèi)插，計算效率也高實時性高。而在實際的抽取系統(tǒng)中抽取因子D往往不是2的M冪次方，此時可以積分梳狀濾波器和半帶濾波器結(jié)合起來使用。  數(shù)字正交變換理論：對一個實信號進行正交變換而用一個復(fù)解析信號來表示是因為從

7、解析信號很容易獲得三個特征參數(shù)：瞬時幅度，瞬時相位和瞬時頻率，它們是信號分析，參數(shù)測量或識別解調(diào)的基礎(chǔ)。窄帶信號可用解析信號和基帶信號表示，對于要滿足高虛假抑制的要求，可采用數(shù)字正交混頻的方法實現(xiàn)，即先對模擬信號x(t)通過A/D采樣數(shù)字化形成數(shù)字序列x(n),然后與兩個正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通過數(shù)字低通濾波器來實現(xiàn)。在采樣速率很高時，對后續(xù)的數(shù)字低通濾波實現(xiàn)較困難。還可以采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換，需用到抽取和內(nèi)插理論。二、軟件無線電中的關(guān)鍵技術(shù)  寬頻段智能天線技術(shù)軟件無線電要求接收機從天線接收的應(yīng)該是寬頻帶信號，同時，由于射頻信號的高頻率，使

8、得信號干擾成為嚴重問題，為獲取寬帶信號和減少干擾，使用寬帶智能天線成為最好的選擇。由于頻譜資源的缺乏，提出了從空域來提高頻譜利用率的想法，對位于不同空域的用戶分配相同的時間，頻率和偽碼，通過電磁信號的空間隔離來消除用戶之間的干擾。智能天線就是在這種想法下提出的一種新型天線系統(tǒng)通過對多個天線陣元輸出的信號進行幅相加權(quán)獲得所需的天線波束指向來實現(xiàn)空間分離?；谲浖o線電的智能天線包括單信道智能天線，多信道智能天線和信道化智能天線。它們的核心和理論基礎(chǔ)是波束形成法。  A/D技術(shù)軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個重要特點是將A/D和D/A盡量靠近射頻前端，為減少模擬環(huán)節(jié)，在較高的中頻乃至射頻信號進行

9、數(shù)字化，要求A/D具有適中的采樣速率和很高的工作帶寬。A/D的工作過程大致可以分為采樣，保持，量化，編碼，輸出等幾個環(huán)節(jié)。在模數(shù)轉(zhuǎn)換中，衡量A/D轉(zhuǎn)換性能的指標有：A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，位數(shù)越高，靈敏度越高；信噪比（SNR），提高采樣頻率或降低模擬信號帶寬都可以提高A/D信噪比；無雜散動態(tài)（SFDR），反映的是在A/D輸入端存在大信號時，能檢測出小信號的能力；有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB），信號越大，信號頻率越低，所得到的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多；孔徑誤差，是由于模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時間來完成采樣，量化，編碼等工作而引起的，可在其前加一個采樣保持放大器，從而減少孔徑誤差。在軟件無線電的設(shè)計中，A/D器件的

10、選擇應(yīng)保證軟件無線電功能和性能的實現(xiàn)，應(yīng)遵循以下選取原則：1、采樣速率選擇：若A/D之前的帶通濾波器的矩形系數(shù)為r,為防止帶外信號影響有用信號，應(yīng)取采樣速率fs2B=2rB,允許過渡帶混疊時，fs(r+1)B2、采用分辨率好的A/D器件。分辨率主要取決于器件的轉(zhuǎn)換位數(shù)和器件的信號輸入范圍，轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，信號輸入范圍越小，A/D的轉(zhuǎn)換性能越好。3、一般來說A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高越好。因為其轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，其動態(tài)范圍越高。4、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的環(huán)境參數(shù)，其功耗盡可能的低。5、根據(jù)接口特征考慮選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)。  數(shù)字下/上變頻器數(shù)字下/上變頻器主要是基于前面所述的抽

11、取和內(nèi)插理論。數(shù)字下變頻（DDC）和模擬下變頻是一樣的，就是輸入信號與一個本地震蕩信號的乘法運算。與模擬下變頻相比，數(shù)字下變頻的運算速度受DSP處理速度的限制，同時其運算速度決定了其輸入信號數(shù)據(jù)流可達到的最高速率，相應(yīng)也限定了ADC的最高采樣率。數(shù)字下變頻器的組成包括數(shù)字混頻器，數(shù)字控制振蕩器（NCO）和低通濾波器。NCO產(chǎn)生的本振信號輸入到數(shù)字混頻器與輸入的信號進行混頻。數(shù)字混頻器 就是一個乘法器，信號經(jīng)混頻后，輸出到低通濾波器以濾除倍頻分量和帶外信號，然后進行抽取處理。由于下變頻器工作原理較簡單，可以很方便地利用FPGA或ASIC技術(shù)來設(shè)計實現(xiàn)。典型的數(shù)字下變頻有功能強大的單信道DDC產(chǎn)品

12、HSP50214B及四通道的HSP50216。數(shù)字上變頻（DUC）的主要功能是對輸入數(shù)據(jù)進行各種調(diào)制和頻率變換，即在數(shù)字域內(nèi)實現(xiàn)調(diào)制和混頻。典型的代表是只能進行單路數(shù)據(jù)調(diào)制的HSP50215和可進行四路數(shù)據(jù)調(diào)制的GC4114  數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理器（DSP）是整個軟件無線電方案的靈魂和核心所在。軟件無線電的靈活性，開放性，兼容性等特點是通過以數(shù)字信號處理器為中心的通用硬件平臺及DSP軟件來實現(xiàn)的，從前端接收來的信號或?qū)墓Ψ虐l(fā)射出去的信號都要經(jīng)過數(shù)字信號處理器的處理：或進行頻譜分析，信號解調(diào)，信號類型識別，或進行信號的數(shù)字上下變頻，或進行各種式樣的數(shù)字調(diào)制，數(shù)字濾波，比特流的編

13、碼，譯碼，同步信號的獲取等。軟件無線電中的數(shù)字信號處理器除了能適應(yīng)運算的高速度，高精度，大動態(tài)范圍，大運算量外，還應(yīng)具有高效率的結(jié)構(gòu)和指令集，較大的內(nèi)存容量，較低的功耗等特點。DSP的重要特點是其處理速度遠遠大于一般的微處理器，功能是快速實現(xiàn)各種運算，尤其在卷積，相關(guān)，濾波，F(xiàn)FT等應(yīng)用要用到的乘法累加運算中更能發(fā)揮其作用。DSP的編程既可以用匯編語言又可以用C語言，極大地方便了其開發(fā)人員。目前的DSP在功能和性能上都還不能滿足軟件無線電的要求，可以采用多率信號處理技術(shù)對采樣信號進行預(yù)處理后（即所謂的數(shù)字下變頻器）然后再用DSP來完成各種功能，也可以用多個DSP芯片并行處理的方法來提高DSP的

14、數(shù)據(jù)處理能力。三、軟件無線電的應(yīng)用  個人移動通信軟件無線電把硬件作為通信平臺，使其盡可能脫離通信體制，信號波形以及通信功能，盡可能多地用軟件來實現(xiàn)，可擴展性強，成為第三代移動通信的基石。把軟件無線電技術(shù)應(yīng)用到基站設(shè)計即軟件無線電基站，它是一種多頻段，多模式，多功能可擴展的“智能”基站，它根據(jù)不同時間，不同用戶，選擇最佳的工作頻段，工作模式和與用戶相適配的功能與用戶進行信息交換，以極大地提高通信質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量。除此之外，它還可用于多頻多模手機，這一技術(shù)具有極大地挑戰(zhàn)性。  軍事通信軟件無線電最初是為了解決海灣戰(zhàn)爭中多國部隊各軍種進行聯(lián)合作戰(zhàn)時遇到的互通互操作問題而

15、提出的新概念。1992年提出了軟件無線電的最初設(shè)想，并于1995年美國國防高級研究計劃局提出了SPEAKEASY計劃，稱之為易通話計劃，其最終目的是開發(fā)一種能適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn)要求的三軍統(tǒng)一的多頻段，多模式電臺，即MBMMR電臺。進而實現(xiàn)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（簡稱JTRS），它是在MBMMR的基礎(chǔ)上提出的一種戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。  電子戰(zhàn)電子戰(zhàn)的主要特點是頻段寬，待處理的信號種類多，而目前的電子戰(zhàn)系統(tǒng)往往是在已知或事先假設(shè)的幾種信號樣式下工作，一旦目標信號特征或通信方式發(fā)生變化，往往誤失戰(zhàn)機，所以研究一種工作頻段寬，波形適應(yīng)能力強，可擴展性好，既能適應(yīng)通信信號，也能適應(yīng)導(dǎo)航和敵我識別信號

16、的綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)是現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭的必然要求，軟件無線電恰好是解決這一問題的最佳技術(shù)途徑。軟件化電子偵察接收機是基于軟件無線電原理而實現(xiàn)的用于對目標信號進行分析識別，特征提取和參數(shù)測量，對通信信號還能解調(diào)信息的電子戰(zhàn)偵察分析接收機，不僅能對各種通信信號偵察分析，也能對雷達信號，導(dǎo)航信號或是敵我識別信號進行偵察分析，是一種多頻段，多模式，多功能的電子戰(zhàn)接收機。  雷達和信息加電目前設(shè)計研究的雷達往往功能單一，體制單一，無法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對不同屬性的目標進行智能化跟蹤探測的需要。如果能把軟件無線電的設(shè)計思想應(yīng)用于雷達的設(shè)計研制，那么就能比較圓滿地解決目前雷達設(shè)計所存在的問題。進入20世紀90年代，以高清晰度電視