第二章软件无线电的体系结构

功
窄带电调
“0”内插上
放
滤波器
变频
A/D
fS / fSm
DSP 软件
D/A
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：M INT[ 2 fmax ] 式中，INT[x]表示取大于f等s 于x的最小整数。
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。
盲区采样频率为： fSm
2m 2 2m 3
f
，式中，m
s
=
0,
1,2,…,M-1对应盲区号。
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。
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。
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。
DSP 软件
滤波器
功放
D/A
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。
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
f0＝(2n+1)fS / 4 f0m＝(2m+3)fSm / 4
信源集
信道集
信源 编译码
服务与 网络支持
信源处理
信息安全
调制解调
中频 处理
信道处理
联合处理
RF/ 信道 接入
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、
应用层 用户对新的服务 或容量的需求
服务层
网络层、服务层、应用 层。
系统控制 网络层
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
软件下载
物理层 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
➢ 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；
§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：
超宽带 滤波器
双工器 fmin ~ fmax
超宽带 放大器
分波段 滤波器
超宽带功 率放大器
超高速超 宽带A/D
fs 2 fmax
超高速超 宽带D/A
超高 速
DSP 软件
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
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。
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(Service Provider) 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。
3.硬件的等价模型
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。
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
高
滤波器
放
f0 ＝(2n+1)fs / 4
一中 放
二中 放
A/D
双工 器
DSP
一本
一本
fs
振
振
(软
件)
功
放
放
滤
D/A
放
大Biblioteka Baidu
大
波
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。
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：
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。
图 软件无线电的拓扑结构
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。
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
双工器
滤波器
放大器
A/D
0.1MHz~30MHz
fs : 75MHz ~ 90MHz
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
§2. 1 软件无线电的系统模型
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。
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
多频段RF转换 宽带A/D/A转换
中频调制 中频调制
调制
解制
比特流处理 比特流处理
高级 控制
射频ASIC
音量
用户
RF
调制解调
图 用射频专用ASIC实现
音量
用户
RF
射频ADC
信道滤波 调制解调
频率转换
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：
➢ 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;
软件无线电原理图的拓扑结构
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，在中信频道选进择 行采样将信号数字 化（ADC），然高频R后F 通过信道滤波器选音量出控制所要的信道， 信道选择可RF以由射 处频 理用户中频控AD制C 。滤信波道器选调出制解所调器要的信道用后户 ，经过 调制解调器得到基带信号，然后通声过码器一个声码变成话 音输出给用户，低频在RF 这里接，口点用户可以控制控函数制输出声音的音 量。用这样一种添加了变变换函换数 和控制空中函接口数怕拓扑结构就 可以很简单地表示一个无线电通信系统。
§2.1.1 通信系统模型
传统的通信系统的概、
发信者
无线电
RF信道
无线电
收信者
念是发信者使用无线电
发射机
接收机
发射机将信息传送给接
收者;接收者使用相应
信源 处理
信道 处理
信道 处理
信源 处理
的无线电接收机接收信 息,中间通过一定的通
图 传统的通信模型
信信道。
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：