軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用第3版 課件 【ch01】概述

軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用（第三版）概述第一章高等學(xué)校電子信息類精品教材01無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01模擬無(wú)線電第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要目標(biāo)是為在大范圍內(nèi)有限的用戶提供移動(dòng)電話服務(wù)。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是：用戶數(shù)量相對(duì)較少；業(yè)務(wù)密度相對(duì)較低；小區(qū)半徑較大，一般從幾千米到幾十千米；每個(gè)小區(qū)使用一定數(shù)量的無(wú)線信道頻率。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01模擬無(wú)線電無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01模擬無(wú)線電圖1.1所示的接收機(jī)看起來(lái)似乎非常簡(jiǎn)單，它的特點(diǎn)是全部采用模擬技術(shù)來(lái)完成整個(gè)接收解調(diào)過(guò)程。所以，第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)可以稱為模擬無(wú)線電。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01窄帶數(shù)字無(wú)線電第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比于第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要區(qū)別是:第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了數(shù)字調(diào)制技術(shù)，具有更強(qiáng)的抗干擾能力和更大的通信容量(可以通過(guò)語(yǔ)音壓縮增加邏輯信道數(shù));第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)體制，大大提高了頻譜利用率，增加了系統(tǒng)容量；第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)隨著使用頻段的提高，蜂窩小區(qū)半徑可以減小到幾百米，從而可以提高單位面積內(nèi)的業(yè)務(wù)量；第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)由于采用了數(shù)字體制，可以與數(shù)字化固定基礎(chǔ)設(shè)施能更好地兼容，系統(tǒng)對(duì)漫游和切換的管理得到了顯著的改善。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01模擬無(wú)線電第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)以GSM、IS-95、IS-54(D-AMPS)和DCS1800為典型代表，它們的無(wú)線接口概況如表1-2所示。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01模擬無(wú)線電第二代的數(shù)字無(wú)線電相對(duì)于第一代的模擬無(wú)線電雖然在技術(shù)體制上上了很大一個(gè)臺(tái)階，通信服務(wù)性能也隨之大為提高，但它對(duì)不同通信體制(FDMA、TDMA、CDMA)、不同信號(hào)類型(FM、MSK、BPSK、QPSK)的適應(yīng)能力還不是很強(qiáng)。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01寬帶數(shù)字無(wú)線電被ITU認(rèn)可的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)主要有三個(gè)：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。WCDMA是以歐盟為主提出的寬帶CDMA標(biāo)準(zhǔn)；CDMA2000是以美國(guó)為主提出、并與IS-95能夠平滑過(guò)渡的3G標(biāo)準(zhǔn)；TD-SCDMA則是中國(guó)提出、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01寬帶數(shù)字無(wú)線電無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01寬帶數(shù)字無(wú)線電第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是高的數(shù)據(jù)速率，步行環(huán)境最小為384kbps,室內(nèi)環(huán)境可達(dá)2Mbps,車載環(huán)境最高速率可達(dá)144kbps;同時(shí)為提高頻譜利用率，采用了高效的多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)，如QPSK、8PSK、16QAM等；另外，這三大3G標(biāo)準(zhǔn)除了都統(tǒng)一采用CDMA多址方式外，在具體實(shí)現(xiàn)上還是有些差別的，比如TD-SCDMA采用的是TDD(時(shí)分雙工)體制，而WCDMA和CDMA2000采用的是FDD(頻分雙工)體制。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01寬帶數(shù)字無(wú)線電從組成框圖可以看出，除射頻前端的工作頻段更高(為2GHz頻段)、中頻帶寬更寬(為5MHz帶寬)外，與2G系統(tǒng)相比較從組成結(jié)構(gòu)來(lái)看并沒(méi)有多大差別。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01軟件無(wú)線電第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的特點(diǎn)是超高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，目標(biāo)是支持下行1Gbps,上行500Mbps的峰值速率，使無(wú)線上網(wǎng)速度大大加快。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01軟件無(wú)線電第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的特點(diǎn)是超高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，目標(biāo)是支持下行1Gbps,上行500Mbps的峰值速率，使無(wú)線上網(wǎng)速度大大加快。無(wú)線移動(dòng)通信簡(jiǎn)述01軟件無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的實(shí)質(zhì)是將網(wǎng)絡(luò)功能從專用硬件設(shè)備中分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的解耦，基于通用的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的靈活部署。02軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的定義軟件無(wú)線電概念的發(fā)明者JosephMitolaⅢ博士的定義是：軟件無(wú)線電是多頻段無(wú)線電，它具有寬帶的天線、射頻前端、模數(shù)/數(shù)模變換，能夠支持多個(gè)空中接口和協(xié)議，在理想狀態(tài)下，所有方面(包括物理空中接口)都可以通過(guò)軟件來(lái)定義。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的定義軟件無(wú)線電論壇()對(duì)軟件無(wú)線電的定義為：軟件無(wú)線電是一種新型的無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)，它通過(guò)硬件和軟件的結(jié)合使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和用戶終端具有可重配置能力。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的定義以上定義主要想闡明作者關(guān)于軟件無(wú)線電的幾個(gè)觀點(diǎn)：一是軟件無(wú)線電不僅能應(yīng)用在通信領(lǐng)域，也可應(yīng)用在無(wú)線電工程的其他相關(guān)領(lǐng)域，如雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、廣播電視、測(cè)控等領(lǐng)域；二是軟件無(wú)線電既不是一部無(wú)線電臺(tái)也不是一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)，它是一種設(shè)計(jì)方法、一種設(shè)計(jì)理念；三是軟件無(wú)線電的硬件平臺(tái)越簡(jiǎn)單越好，要與實(shí)現(xiàn)的無(wú)線電功能“脫鉤”,無(wú)線電功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)；四是軟件無(wú)線電的功能軟件要采用構(gòu)件化實(shí)現(xiàn)，而且可重構(gòu)、可升級(jí)，不能是固化的、不可修改的。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的特點(diǎn)(1)天線智能化天線是軟件無(wú)線電的電磁感應(yīng)器，它把發(fā)射機(jī)輸出的電信號(hào)變換為電磁波發(fā)向空間，由遠(yuǎn)處的接收天線接收，再反過(guò)來(lái)把空間電磁信號(hào)變換為電信號(hào)，提供給后面的接收機(jī)進(jìn)行接收處理。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的特點(diǎn)(2)前端寬開(kāi)化軟件無(wú)線電的特點(diǎn)是廣泛的適用性，可擴(kuò)展、可升級(jí)，這就要求軟件無(wú)線電的射頻前端是"寬開(kāi)"的，即能在足夠?qū)挼念l段工作。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的特點(diǎn)(3)中頻寬帶化軟件無(wú)線電的中頻帶寬如果設(shè)計(jì)成與信號(hào)帶寬一樣寬(從1G到2G再到3G都是這樣設(shè)計(jì)的),顯然就談不上對(duì)多體制不同帶寬信號(hào)的適應(yīng)性，或者說(shuō)對(duì)信號(hào)的適應(yīng)能力就會(huì)變得很差，甚至只能適應(yīng)一種體制的信號(hào)(如果中頻帶寬選得很窄，比如在1G和2G中的中頻帶寬就選擇為信道帶寬25kHz和200kHz)。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的特點(diǎn)(4)硬件通用化這里的硬件不僅指的是射頻前端硬件，更指后面的信號(hào)處理平臺(tái)硬件。只有硬件的通用性，使軟件無(wú)線電功能的實(shí)現(xiàn)與硬件“脫鉤”才能為軟件無(wú)線電功能實(shí)現(xiàn)的軟件化奠定基礎(chǔ)，或者說(shuō)硬件平臺(tái)的通用化是軟件無(wú)線電功能軟件化的基礎(chǔ)或前提。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的特點(diǎn)(5)功能軟件化軟件無(wú)線電的最大特點(diǎn)是其功能不是通過(guò)硬件來(lái)定制，而是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的特點(diǎn)(6)軟件構(gòu)件化軟件無(wú)線電的功能軟件是軟件無(wú)線電的核心。軟件無(wú)線電的定義與特點(diǎn)02軟件無(wú)線電的特點(diǎn)(7)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)軟件無(wú)線電的硬件資源可以根據(jù)功能的需求靈活進(jìn)行分配調(diào)度。03軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的提出JosephMitolaⅢ博士最早于1992年5月在美國(guó)電信會(huì)議上提出了軟件無(wú)線電(SoftwareRadio,SR)的概念，當(dāng)時(shí)他提出的軟件無(wú)線電概念是比較理想化的。他在那篇具有里程碑意義的文章中給出的一種理想的軟件無(wú)線電組成框圖如圖1.5所示。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的提出軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的提出相比于SDR,SR則可以認(rèn)為是一種理想的軟件無(wú)線電,它要求數(shù)字化接口盡可能地去靠近天線根部。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電(SDR)論壇SDR論壇是一個(gè)獨(dú)立的組織，其成員包括在軟件無(wú)線電方面有經(jīng)念和有興趣的公司和協(xié)會(huì)。SDR論壇不從事具體軟件無(wú)線電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，而是試圖扮演軟件無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)化組織的角色，通過(guò)為軟件無(wú)線電制定一個(gè)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，并造就一個(gè)類似“無(wú)線個(gè)人計(jì)算機(jī)”的無(wú)線市場(chǎng)。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的先行者：SPEAKeasy第一階段的研究:第一階段研究從1992年到1995年，主要與Hazeltine、TRW、Lockheed-Martin、Motorola和RockwellCollins等公司簽訂了合同。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的定義第二階段的研究：●實(shí)現(xiàn)一個(gè)可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)；●實(shí)現(xiàn)一個(gè)開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)；●采用更多的商用現(xiàn)貨(COST)組件；●減小體積，使其適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境；●采用可重構(gòu)的硬件。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的推動(dòng)者：JTRS與SCAJTRS計(jì)劃將實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):支持的工作頻率范圍為2MHz～2GHz;可以通過(guò)波形軟件進(jìn)行重構(gòu)；支持語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)應(yīng)用；在軟件和硬件方面都是可擴(kuò)展的；利用商用現(xiàn)貨以節(jié)省開(kāi)支；能夠與不同的波形、傳統(tǒng)的裝備以及為不同環(huán)境而設(shè)計(jì)的無(wú)線電系統(tǒng)進(jìn)行互操作。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的推動(dòng)者：JTRS與SCA(6)軟件構(gòu)件化為便于JTRS在統(tǒng)一的框架下進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，體現(xiàn)軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性。20世紀(jì)90年代末，JPO(JTRS聯(lián)合計(jì)劃辦公室)在Raytheon、BAE、RockwellCollins、ITT等公司的支持下，開(kāi)始制定SCA(軟件通信體系結(jié)構(gòu))規(guī)范。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的推動(dòng)者：JTRS與SCA(6)軟件構(gòu)件化JTRS計(jì)劃在其實(shí)施過(guò)程中由于遇到了很多技術(shù)問(wèn)題，可以說(shuō)是一波三折。2006年3月，JTRS聯(lián)合計(jì)劃執(zhí)行辦公室對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了重組，重新開(kāi)始執(zhí)行新的角色、任務(wù)、職能以及計(jì)劃需求。軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程03軟件無(wú)線電的發(fā)展目前全球在軟件無(wú)線電方面取得的大量研究成果不僅已在軍事通信領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，而且也極大地推動(dòng)了軟件無(wú)線電在其他軍事領(lǐng)域，如第四/五代戰(zhàn)機(jī)的綜合航空電子系統(tǒng)、艦載綜合一體化電子系統(tǒng)等武器平臺(tái)中的應(yīng)用，并將大力提升裝備性能；與此同時(shí)，軟件無(wú)線電在民用移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究也正在如火如荼地開(kāi)展，在第三/四代移動(dòng)通信中已初露鋒芒，在未來(lái)移動(dòng)通信中將會(huì)獲得廣泛應(yīng)用，其硬件通用化、功能軟件化、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)為特征的軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)，將大放異彩，展現(xiàn)強(qiáng)大的可重構(gòu)、可升級(jí)、可演進(jìn)能力，把移動(dòng)通信技術(shù)及其業(yè)務(wù)推向一個(gè)新高度。04軟件無(wú)線電體系框架與本書結(jié)構(gòu)軟件無(wú)線電體系框架與本書結(jié)構(gòu)04軟件無(wú)線電的概念雖然早在1992年就已提出，但軟件無(wú)線電的理論框架并沒(méi)有很快形成。軟件無(wú)線電體系框架與本書結(jié)構(gòu)04基于此，