軟件無線電論文認(rèn)知無線電論文

1、 軟件無線電課程論文題 目 認(rèn)知無線電 院 系 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專業(yè)班級 目錄摘要3引言41 軟件認(rèn)知無線電的體系結(jié)構(gòu)52 軟件無線電數(shù)字處理的權(quán)衡63 SDR的軟件結(jié)構(gòu)94 結(jié)語105參考文獻(xiàn)10【摘要】軟件無線電設(shè)備是未來十年電信產(chǎn)業(yè)朝著基于IP的網(wǎng)絡(luò)、在一個(gè)混合層次結(jié)構(gòu)的自組網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供全球無縫無線接入的關(guān)鍵。主要介紹了軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)、微處理器的選擇和軟件結(jié)構(gòu)。【關(guān)鍵詞】軟件無線電；可重配置；可重編程【Abstract】 The progress of telecommunications in the next decade will be characterized by

2、the convergence towards an IP-based core network providing ubiquitous seamless access in an hierarchical and hybrid self'-organizing network environment. The key to facilitate this convergence on the access side is the Reconfigurable Software Defined Radio (SDR) equipment. The article outlines a

3、nd describes the SDR Architecture, and focuses on the choice of microprocessors and Software Architecture.【Key words】 Software Defined Radio(SDR); reconfigurability; reprogrammable引言未來十年電信產(chǎn)業(yè)將朝著基于IP的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，在一個(gè)混合層次結(jié)構(gòu)的自組網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供全球無縫無線接入。而軟件無線電(SDR)設(shè)備則是促進(jìn)這種發(fā)展的關(guān)鍵。它是一個(gè)完全可編程的硬件平臺(tái)，基站和移動(dòng)臺(tái)的所有功能均通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，通過注入不同的軟

4、件，形成不同標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)用戶終端和基站，SDR將能保證各種移動(dòng)通信設(shè)備之間的無縫集成。 軟件無線電是實(shí)現(xiàn)無線通信新體系結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)，在經(jīng)過近幾年的發(fā)展之后，其重要性和可行性正逐步被越來越多的人所認(rèn)識(shí)和接受。軟件無線電技術(shù)的重要價(jià)值體現(xiàn)在：硬件只是作為無線通信的基本平臺(tái)，而許多的通信功能則是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，這就打破了長期以來設(shè)備的通信功能實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件的發(fā)展格局。所以有人稱，軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)是通信領(lǐng)域繼固定到移動(dòng)，模擬到數(shù)字之后的第三次革命。軟件無線電(Software Radio) 這個(gè)術(shù)語,最早是美軍為了解決海灣戰(zhàn)爭中,多國部隊(duì)各軍兵種進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí),所遇到的互聯(lián)互通互操作(簡稱“

5、三互”) 問題,而提出來的。軍用電臺(tái)一般是根據(jù)某種特定用途設(shè)計(jì)的，功能單一。雖然有些電臺(tái)基本結(jié)構(gòu)相似，但其信號特點(diǎn)差異很大，例如工作頻段、調(diào)制方式、波形結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、編碼方式或加密方式不同。這些差異極大地限制了不同電臺(tái)之間的互通性，給協(xié)同作戰(zhàn)帶來困難。同樣，民用通信也存在互通性問題，如現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的制式、頻率各不相同，不能互通和兼容，給人們從事跨國經(jīng)商、旅游等活動(dòng)帶來極大不便。為解決無線通信的互通性問題，各國軍方進(jìn)行了積極探索。1992年5月，在美國通信體系會(huì)議上，MITRE公司的JoeMitola首次明確提出軟件無線電的概念。 軟件無線電在20世紀(jì)70年代后期被首次提出，當(dāng)時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器

6、(ADC)由8085微處理器提供，電臺(tái)工作于低頻段(VLF)。有關(guān)軍事技術(shù)的應(yīng)用于1992年首次提出，美國國防遠(yuǎn)景規(guī)劃局的易通話第一期發(fā)起者于1995年對軟件無線電的軍事應(yīng)用進(jìn)行更全面的介紹。通話第二期有力地促進(jìn)了創(chuàng)立于1996年3月的模塊化多功能信息傳輸系統(tǒng)(MMITS)論壇的發(fā)展。MMITS論壇致力于支持開發(fā)和使用先進(jìn)的無線系統(tǒng)開放結(jié)構(gòu)，最近MMITS論壇重新命名為SDR（軟件定義無線電），標(biāo)志著軟件無線電開放結(jié)構(gòu)從側(cè)重軍用向側(cè)重商用的轉(zhuǎn)變。另外，歐洲委員會(huì)也在SDR的硬件和軟件技術(shù)上取得了重要的進(jìn)展，其先進(jìn)通信技術(shù)與業(yè)務(wù)(ACTS)和歐洲信息技術(shù)計(jì)劃(ESPRIT)實(shí)行的項(xiàng)目包括：FIR

7、ST f靈活的綜合無線電系統(tǒng)和技術(shù)）、SORT（軟件無線電技術(shù)）和SLATS（先進(jìn)終端解決方案軟件庫）。 由于軟件無線電技術(shù)的復(fù)雜性，盡管目前在全世界有著大范圍的研究，但在可重配置和軟件無線電技術(shù)的各方面的基礎(chǔ)研究還有未涉及的領(lǐng)域。成功開發(fā)軟件無線電謾備將需要510年的時(shí)間。1軟件/認(rèn)知無線電的體系結(jié)構(gòu)所謂軟件無線電，就是說其通路的調(diào)制波形是由軟件確定的，即軟件無線電是一種用軟件實(shí)現(xiàn)物理層連接的無線通信設(shè)計(jì)。軟件無線電的核心是將寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線，用軟件實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線電功能；其中心思想是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)上，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)一種具有多通路、多層次和多模式無線

8、通信功能的開放式體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，一個(gè)移動(dòng)終端可以在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間暢通無阻地使用。軟件無線電的基本結(jié)構(gòu) 體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)基本框架，在這種框架中，一組特定的功能可以根據(jù)特定的設(shè)計(jì)規(guī)則，通過幾類特定的組件來實(shí)現(xiàn)。軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的分析是從硬件組織開始的，以便充分地發(fā)揮軟件的靈活性。硬件組織包括有寬帶天線和射頻中頻處理器、寬帶ADC和DAC、控制參數(shù)的ASIC，F(xiàn)PGADSP和通用處理器。軟件組織包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和組織在軟件對象中的過程。 SDR體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有即插即用的特性。SDR終端的重配置包括所有的功能性方面，從無線物理層到協(xié)議棧、服務(wù)或服務(wù)執(zhí)行平臺(tái)的可重配置。另外設(shè)備之間和設(shè)備

9、各層之間的應(yīng)用編程接口(API)的開放性決定了終端的可編程和可重配置的能力。一般認(rèn)為未來的開放可編程平臺(tái)，可重配置移動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)像PC機(jī)正如軟件無線電的最初定義一樣“無線世界的PC”。這種定義準(zhǔn)確地勾畫出可重配置通信平臺(tái)終端所須的開放性和可編程能力。但值得注意的是軟件無線電的可重配置性應(yīng)比PC更可靠。SDR論壇在1997年7月出版了其最早的技術(shù)報(bào)告，報(bào)告為體系結(jié)構(gòu)開放的、即插即用的SDR確定了一個(gè)體系結(jié)構(gòu)框架，它把IT線程元件合并到實(shí)體中，即對象母體中，它們促進(jìn)了模塊間接口的定義。輔助接口(AUX)是專用的接口，用于輸入、輸出、天線多樣性控制、減弱同址干擾和密鑰注入（還將確定其它一些項(xiàng)目）。在這些

10、SDR模塊之間的接口都大致對應(yīng)于規(guī)范的軟件無線電的段間接口，SDR論壇預(yù)期的射頻接口RF是一個(gè)介于天線和射頻變換模塊間的模擬接口。這個(gè)接口可能是將來的數(shù)字射頻，或是現(xiàn)在這樣的模擬射頻。 2 軟件無線電數(shù)字處理的權(quán)衡 作為各種高級無線接入系統(tǒng)的可行硬件平臺(tái)SDR設(shè)備（終端、基站）的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的成功在于模擬和數(shù)字電路技術(shù)的高速發(fā)展。目前純可編程數(shù)字電路組成的軟仵無線電結(jié)構(gòu)是不可行的。但由于技術(shù)的進(jìn)步，微電子處理器的處理速度幾乎每3年翻一番且集成度也呈指數(shù)增長。如圖2所示，因此模擬電路將逐步被數(shù)字電路取代并最終被運(yùn)行在數(shù)字信號處理器和嵌入式控制器上的軟件代替。隨著數(shù)字處理器的處理的能力的增強(qiáng)，軟硬件

11、的分界點(diǎn)不斷地向天線端移動(dòng)。傳統(tǒng)的無線基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)可采用ASIC，DSP和FPGA器件的組合加以實(shí)現(xiàn)數(shù)字功能。ASIC和FPGA通常負(fù)責(zé)處理高級編碼機(jī)制，如Reed Solomon編碼、Viterbi編碼及Rake接收機(jī)，而DSP則負(fù)責(zé)語音編碼及其它語音處理任務(wù)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線通信需要經(jīng)過信號的發(fā)射，信號的信道傳輸與信號的接收3個(gè)過程。由于現(xiàn)在這種新型的軟件無線電通信系統(tǒng)的信道接入、信道調(diào)制方式和信道的選址分配方式均可由系統(tǒng)終端的可編程軟件功能來定義和實(shí)現(xiàn)，從而可使軟件無線電通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)縮減為發(fā)射和接收兩個(gè)過程。此外，在軟件無線電系統(tǒng)中承擔(dān)發(fā)射過程的軟件相當(dāng)豐富。它不僅能發(fā)射信號，而且能預(yù)先

12、分析傳輸信道與相鄰信道的干擾特性，從而探測確定信號的最佳傳輸途徑。它能自行選擇確定適應(yīng)信道傳輸?shù)淖罴呀庹{(diào)方式與編碼方法；也能決策調(diào)整寬帶天線的位置，以使發(fā)射波束獲得最佳方向；并能自動(dòng)調(diào)整合適的發(fā)射功率，以避免不必要的功率損失。軟件無線電通信系統(tǒng)接收過程的軟件功能是：它不僅能夠接收信號，而且能夠分析接收信號功率在本傳輸信道和相鄰信道上的分布特性并能自動(dòng)調(diào)整接收天線的方向；能識(shí)別接收信號的調(diào)制方式和編碼方式；能自適應(yīng)的抑制干擾，評估所需信號多徑傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)特性，并對其總體值進(jìn)行相關(guān)的自適應(yīng)均衡處理；能采用交織編碼方式對信道解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào)，并能運(yùn)用前向糾錯(cuò)控制方式（FEC）對漏檢差錯(cuò)編碼糾錯(cuò)以及更正

13、駐留誤碼，從而使接收信號的差錯(cuò)比特率（BER）最??；同時(shí)，它還能對不同系統(tǒng)通信的相關(guān)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。更重要的是，軟件無線電系統(tǒng)還可以通過廣泛的軟件功能來支持該系統(tǒng)業(yè)務(wù)的廣泛可擴(kuò)充性。顯然這些功能都是以往或現(xiàn)有數(shù)字無線電通信系統(tǒng)所不能比擬的。在由傳統(tǒng)的無線架構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向軟件無線電設(shè)計(jì)的過程中，DSPFPGA和ASIC之間的功能劃分也在變化。DSP和FPGA可輕易地進(jìn)行重配置，以實(shí)現(xiàn)軟件無線電設(shè)計(jì)的各種功能，而現(xiàn)有的通信ASIC雖然可以較低的成本提供更好的性能，但可編程能力非常有限。但如果要求這些器件在將來支持升級到尚未定義4G無線結(jié)構(gòu)，由于4G標(biāo)準(zhǔn)尚未定義，而且在該結(jié)構(gòu)中任何ASIC信號處理器件的使

14、用都將給未來的升級帶來無法預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)，因此中頻處理也必須使用FPGA或DSP器件。ASIC器件在軟件無線電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的另一劣勢是集成度。隨著ASIC，DSP和FPGA開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在單個(gè)器件中集成的功能也急劇增加。但對于ASIC，靈活性將隨集成度的增加而降低。ASIC器件的靈活性在軟件無線電產(chǎn)品的開發(fā)中也具有其優(yōu)勢：現(xiàn)有的ASIC算法開發(fā)已經(jīng)相當(dāng)完善，這有助于縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。硬件設(shè)計(jì)是基于ASIC功能的關(guān)鍵開發(fā)進(jìn)程，而軟件開發(fā)則受制于接入器件可編程特性的鏈接庫生成?；贒SP或FPGA的設(shè)計(jì)開發(fā)周期則要復(fù)雜得多，因?yàn)檐浖_發(fā)需要的資源通常比相應(yīng)的硬件開發(fā)多得多。現(xiàn)有的經(jīng)優(yōu)化通用算法鏈

15、接庫有利于加速DSP和FPGA的軟件開發(fā)，但這些算法必須集成在一起實(shí)現(xiàn)期望的數(shù)字無線功能，因此需要完整的軟件開發(fā)周期。ASIC器件的設(shè)計(jì)通常經(jīng)過優(yōu)化以提供卓越的功率性能。但大多數(shù)可編程器件的功率將隨器件利用率和時(shí)鐘頻率的增加而急劇增長，因此在衡量整體設(shè)計(jì)的功率分配時(shí)，必須考慮這一因素，表1為各種通信標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)字處理能力的要求。3 SDR的軟件結(jié)構(gòu) 一個(gè)高效的處理平臺(tái)和一個(gè)能滿足系統(tǒng)需求并實(shí)現(xiàn)各種無線接入的軟件結(jié)構(gòu)是可重配置設(shè)備的基礎(chǔ)。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的豐要目的是綜合各種不同的技術(shù)和硬件平臺(tái)，利用這些平臺(tái)的可編程性來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重配置。一個(gè)可行的辦法就是應(yīng)用可配置無線電的上層網(wǎng)絡(luò)與多媒體。（如協(xié)議層）

16、并在操作系統(tǒng)的頂層運(yùn)行而不是把它們當(dāng)作系統(tǒng)層的一部分，然后研究可重配置終端下載重配置軟件的必須機(jī)制，最后重配置無線子系統(tǒng)、協(xié)議、服務(wù)和應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境。因此需要發(fā)展一種考慮到應(yīng)用層和底層的開放編程接口的結(jié)構(gòu)框架，如圖3所示的可重配置通信設(shè)備的頂層軟件結(jié)構(gòu)。4 結(jié)語隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，通用或?qū)Ｓ梦⑻幚砥鞯倪\(yùn)算能力越來越強(qiáng)，軟件無線電最終將由純軟件來實(shí)現(xiàn)。未來的軟件無線電將可以根據(jù)無線電環(huán)境的變化而自適應(yīng)的配置終端的數(shù)據(jù)速率，調(diào)制解調(diào)方式，信道編譯碼方式，調(diào)整信道頻率、帶寬以及無線接入方式的智能化，從而更加充分的利用頻譜資源，在滿足用戶QoS要求的基礎(chǔ)上使系統(tǒng)容量最大。近年來移動(dòng)通信發(fā)展迅猛，自70

17、年代末期模擬蜂窩系統(tǒng)問世以來，不到20年，已經(jīng)發(fā)展到了以數(shù)字化技術(shù)為主要特征的第二代移動(dòng)通信，自進(jìn)入90年代以來，世界各國著手努力探尋第三代移動(dòng)通信，即未來個(gè)人通信的實(shí)現(xiàn)途徑。對于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，爭論最多的還是無線傳輸體制問題。對于傳輸體制，目前具有代表性的主要有兩個(gè)：以歐洲為代表的W-CDMA系統(tǒng)，以北美為代表的基于IS-95標(biāo)準(zhǔn)的CDMA2000系統(tǒng)。根據(jù)目前的發(fā)展，由于商用利益和應(yīng)用場合等條件的限制，要在世界范圍內(nèi)將無線移動(dòng)個(gè)人通信統(tǒng)一到一個(gè)體制上還是有一定困難，多種體制并存很可能是未來無線移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。在不同應(yīng)用場合，不同體制有固有的優(yōu)越性，而這是其它體制所不能代替的，因

18、此，不同體制間的互聯(lián)互通便成為一個(gè)重要的討論課題。軟件無線電通過對模擬和數(shù)字硬件功能的軟件化，達(dá)到了提高業(yè)務(wù)質(zhì)量和信道接入的靈活性的目的，軟件無線電標(biāo)準(zhǔn)的兼容性、技術(shù)接入和經(jīng)濟(jì)性之間能夠取得良好的折中，它已成為實(shí)現(xiàn)不同的多址接入方式之間兼容的最佳方案。通過軟件無線電技術(shù)對多種體制進(jìn)行綜合，開發(fā)出新一代的多模式移動(dòng)手機(jī)，使人們擺脫終端的束縛，一機(jī)在手漫游天下的思想已成為第三代移動(dòng)通信的發(fā)展方向。如今，軟件無線電的應(yīng)用越來越廣泛，在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中軟件無線電的應(yīng)用也是一個(gè)發(fā)展趨勢。如我國的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)TD-SCDMA中就結(jié)合了軟件無線電、智能天線、全質(zhì)量話音壓縮編碼技術(shù)與聯(lián)合檢測技術(shù)等新通信技術(shù)。蜂窩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以合適的軟件無線電為基礎(chǔ)，它可以利用安裝新軟件進(jìn)行升級，這與配置新硬件相比更廉價(jià)、更迅速，同時(shí)也使得數(shù)字通信更迅速地進(jìn)入市場，提高頻譜的利用率。在4G通信中的應(yīng)用:隨著3G技術(shù)的日益發(fā)展與成熟，目前已經(jīng)在市場運(yùn)營中取得一定的成績。當(dāng)