软件无线电-第三章-软件无线电的结构演示教学
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软件无线电的原理与应用_第三章
发射机信道化的基本概念 ----一部发射机同时发射多个信号
设有待发射的I个基带复信号为mi(t) (i=0,1,…,I-1),信号带 宽为BS,用相同的采样率FS对其进行采样，各自有不同的频谱
多通道并行实现，未简化结构
复信号多相结构最终结果：
' (1) r x (r ) * h (r ), when I is even y (r ) ' when I is odd x (r ) * h (r ),
实信号,频谱共轭对称,半边谱包含所有信息. 2D, 复混频及LPF后的信号为复信号，带宽为pi/D, why? 故可进行2D抽取
实信号的另一种信道分配方案
X(k-)频移Wk，落入低通滤波器内 D=3,k=2 Wk=3pi/2D
Wk
高效实现方法--多相滤波实现
信道化方法的缺点:D值很大时,信道数多,LPF阶数 很大,每一信道都需要一个LPF,实现效率非常低 多相滤波实现推导：第K路输出为
重点讨论内容
单通道软件无线电发射机数学模型
调制方式：先根据调制方式求出同相和正交分量，再 分别与两个正交本振相乘并求和即可得调制信号
AF and FM
S AM (t ) (1 mAm(t )) cos(w0t ) S FM (t ) cos(w0t K f m( )d )
3.1.3 宽带中频带通采样SDR结构
分段 滤波器 双工器
功放
高放 LO 放大
一中放
A/D
LO
滤波 D/A
DSP (软件)
特点:宽带中频结构；超外差体制； A/D前,D/A后的模拟预处理电路比较复杂； A/D采样数字化负担大大减轻； 不需要第一种结构的超高速采样和第二种结构的 高精度、高工作带宽所要求的采样保持放大器
软件无线电的主要原理及技术
软件无线电的主要原理及技术嘉兆科技本文主要介绍了软件无线电的概念、主要原理、关键技术及在生活中的广泛应用。
它是以开放性、标准化、模块化、通用性、可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。
首先介绍了软件无线电的理论基础，即带通采样理论，多速率处理信号技术，高效信号滤波，数字正交变换理论，这些都是软件无线电实现的理论基础，然后是其关键技术，宽带智能天线技术，A/D转换技术，数字上/下变频技术，数字信号处理部分，这些技术是实现软件无线电的关键和核心所在。
最后，对其应用领域也进行了描述，指出其在个人移动通信，军事通信，电子站，雷达和信息加电中的巨大潜力。
软件无线电这个术语最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。
陆，海，空三军简单就工作频段来分，解决了互不干扰问题，但三军联合作战时互通，互联，互操作问题难以解决，于是1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。
进而实现联合战术无线电系统（简称JTRS），它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。
软件无线电以开放性，标准化，模块化，通用性，可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能，选用不同软件可实现不同功能，软件可以升级更新，硬件也可像计算机升级换代，可称为超级计算机。
它是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。
理想软件无线电的结构框图：一、软件无线电的理论基础•采样理论：由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有这么宽的频段才能具有广泛的适应性。
软件无线电技术概述PPT课件
软件无线电技术
整理人：吴玉成
主要内容
一、软件无线电技术概述 二、软件无线电的关键和难点 三、软件无线电研究 四、软件无线电的应用 五、第三代移动通信中的软件无线电技术
一、 软件无线电技术概述
改变未来世界之技术 软件无线电的由来、发展及研究机构
软件无线电的基本概念
软件无线电主要特点 软件无线电优势
改变未来世界之技术
无线漫游的革命
• 无线通信领域是一个标准混乱的世界。手机通信、无线局 域网、军用无线通信、以及公共安全无线网络各自在特定 的频段工作，这一工作频率是相关硬件在工厂生产时就已 经设定的。所以美国的CDMA手机在欧洲不能用，而欧洲 的许多GSM手机在日本也没法用。
• 用软件替代相关硬件，从而能够与不同标准、不同工作频 段的无线通信网络兼容。这种技术称为软件无线电 (softwareradio)。
• 军事应用中，软件无线电技术将使海陆空各级指挥官和士 兵能够在激烈战斗的时候保持无线通信。
• 软件无线电技术进入消费市场还要再过一段时间。不过几 年之内，你就可以买一个能够在各种不同标准无线通信网 络工作的手机，从此无线漫游再无障碍。
• 软件无线电技术的崛起走的是从军用到民用的老路。无线 通信中CDMA(码分多址)本来是军用卫星通信技术，后来 用到民用移动通信，并因此出现了高通这样的企业。所以 就是在今天，军用领域的需求仍然是推动技术发展的动力。
软件无线电的由来
软件无线电最初是在军事通信中提出的，软件无线电作 为军用技术已有30年以上的历史，但是由于不同部队用 于不同目的的无线电台在工作频段、调制方式上存在差 异而无法互通。如果需要互通，就需要作进一步的改进， 如美国推出的JTRS(战术合作无线系统)的意向合同，其 目的就是能实现基于软件无线电技术的可以互操作、互 工作的系统。
整理人：吴玉成
主要内容
一、软件无线电技术概述 二、软件无线电的关键和难点 三、软件无线电研究 四、软件无线电的应用 五、第三代移动通信中的软件无线电技术
一、 软件无线电技术概述
改变未来世界之技术 软件无线电的由来、发展及研究机构
软件无线电的基本概念
软件无线电主要特点 软件无线电优势
改变未来世界之技术
无线漫游的革命
• 无线通信领域是一个标准混乱的世界。手机通信、无线局 域网、军用无线通信、以及公共安全无线网络各自在特定 的频段工作，这一工作频率是相关硬件在工厂生产时就已 经设定的。所以美国的CDMA手机在欧洲不能用，而欧洲 的许多GSM手机在日本也没法用。
• 用软件替代相关硬件，从而能够与不同标准、不同工作频 段的无线通信网络兼容。这种技术称为软件无线电 (softwareradio)。
• 军事应用中，软件无线电技术将使海陆空各级指挥官和士 兵能够在激烈战斗的时候保持无线通信。
• 软件无线电技术进入消费市场还要再过一段时间。不过几 年之内，你就可以买一个能够在各种不同标准无线通信网 络工作的手机，从此无线漫游再无障碍。
• 软件无线电技术的崛起走的是从军用到民用的老路。无线 通信中CDMA(码分多址)本来是军用卫星通信技术，后来 用到民用移动通信，并因此出现了高通这样的企业。所以 就是在今天，军用领域的需求仍然是推动技术发展的动力。
软件无线电的由来
软件无线电最初是在军事通信中提出的，软件无线电作 为军用技术已有30年以上的历史，但是由于不同部队用 于不同目的的无线电台在工作频段、调制方式上存在差 异而无法互通。如果需要互通，就需要作进一步的改进， 如美国推出的JTRS(战术合作无线系统)的意向合同，其 目的就是能实现基于软件无线电技术的可以互操作、互 工作的系统。
软件无线电技术ppt
技术文挡及使用说明书编写
2014.01— 论文定稿， 准备答辩
一种GMSK发射设备关键射频指标的无线检测方法
LOGO
开发过程中可能会遇到的问题
设计GMSK载误波码的频率率升、相高位提取模块， 通位过和粗频调 率算，法然无粗后略通法的过跟细解踪调调原算发法射，载尽波量的精相确
的修正本地产生的载波相位，尽量降低本 地载波与原发射载波的相位与频率误差
研究进度计划
一种GMSK发射设备关键射频指标的无线检测方法
2013.01—2013.01
应用-电子战-电子干扰
目前的电子干扰系统往往都是在已知或者在事先假 设的几种信号样式下进行工作的，一旦目标信号特 征或通信方式发生变化，该系统就无能为力
跟踪跳频信号
软件化干扰发射机在一个通用扩展的硬件平台上， 采用软件实现各种干扰样式的形成以及干扰信号的 整个产生过程。开发式的硬件平台只涉及发射信号 的载频(外部)特征，发射信号的内部特征完全由不 同的软件来定义。载频特征一般来讲是相对固定的 ，而由软件定义的内部特征(干扰样式)可以升级换 代，以适应目标信号特征的千变万化。
▪ 工作的频段不同
▪ 调制方式不同
▪ 通信协议不同
▪ 数字信息的编码方式
▪ 加密方式不同等
SpeakEasy
应用-军事通信
❖ 联合战术无线电系统(JTRS)—波音、雷神MSRC
(1) 从波形有限的终端到多频段多模式多信道、可网络互联 的电台 (2)工作频谱为2~2000MHz可传输话音、数据和图象 (3)协同工作，并可与现有电台互连互通 (4)具有开放的体系结构 (5)硬件/软件模块化，便于
灵活性： 通过增加软件模块，实现新的功能，更新成本低
2014.01— 论文定稿， 准备答辩
一种GMSK发射设备关键射频指标的无线检测方法
LOGO
开发过程中可能会遇到的问题
设计GMSK载误波码的频率率升、相高位提取模块， 通位过和粗频调 率算，法然无粗后略通法的过跟细解踪调调原算发法射，载尽波量的精相确
的修正本地产生的载波相位，尽量降低本 地载波与原发射载波的相位与频率误差
研究进度计划
一种GMSK发射设备关键射频指标的无线检测方法
2013.01—2013.01
应用-电子战-电子干扰
目前的电子干扰系统往往都是在已知或者在事先假 设的几种信号样式下进行工作的，一旦目标信号特 征或通信方式发生变化，该系统就无能为力
跟踪跳频信号
软件化干扰发射机在一个通用扩展的硬件平台上， 采用软件实现各种干扰样式的形成以及干扰信号的 整个产生过程。开发式的硬件平台只涉及发射信号 的载频(外部)特征，发射信号的内部特征完全由不 同的软件来定义。载频特征一般来讲是相对固定的 ，而由软件定义的内部特征(干扰样式)可以升级换 代，以适应目标信号特征的千变万化。
▪ 工作的频段不同
▪ 调制方式不同
▪ 通信协议不同
▪ 数字信息的编码方式
▪ 加密方式不同等
SpeakEasy
应用-军事通信
❖ 联合战术无线电系统(JTRS)—波音、雷神MSRC
(1) 从波形有限的终端到多频段多模式多信道、可网络互联 的电台 (2)工作频谱为2~2000MHz可传输话音、数据和图象 (3)协同工作，并可与现有电台互连互通 (4)具有开放的体系结构 (5)硬件/软件模块化，便于
灵活性： 通过增加软件模块，实现新的功能，更新成本低
《软件无线电技术》PPT课件
3.2 软件无线电结构数学分析化
•数学分析的必要性
1. 要掌握一个软件模块的数据吞吐量、响应时间及其他 参数，对存储器、缓存空间和可处理资源进行量化，要 求数学分析。 2. 当重用自己软件库（或第三方）的软件时，会引起系 统性能下降，甚至崩溃，要用数学模型来刻画快速涌现 的技术。 3. 用拓扑结构特性研究SDR结构，可提高即插即用结构 的应用和资源的有效重用。
•美国
•SPEAKeasy：研制多频段、多模式电台(MBMMR)，已 完成两个阶段(Ⅰ、Ⅱ) •MMITS论坛(后更名为SDRF论坛) •PMCS(Programmable Modular Communication System)
研究基于SDR技术的3G系统的多频段多模式手机与基 站。
•中国
提出了3G标准TD-SCDMA，SDR技术是其关键技术之一。
1.6主要研究机构及其应用进展
1.1 软件无线电的基本思想
•由来
•基本思想:在尽可能靠近天线的地方使 用宽带A/D和D/A变换，并且尽可能多地 用软件来定义无线功能 •软件无线电台=高速计算机+天线 •无线电通信的一次革命 •模拟无线电（1G）
•数字无线电（2G） •软件无线电（3G）
所有的无线通信系统均可基于一种通用 可编程硬件平台，工作频段、编解码方式、 调制解调方式、加密解密算法、多址方式等 均可编程，通过注入不同的软件，形成不同 标准的软件无线电终端或基站。这样的无线 电台既可以与现有的其他无线电台进行通信， 还能在不同的无线电系统之间起到“无线电 网关”的作用，保证各种无线通信业务的无 缝集成。
• FIRST(Flexible Integrated Radio Systems Technology) 计划用SDR技术设计多频/多模可编程手机
第三章软件无线电的结构--电子科技大学(经典)知识讲解
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。
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:75M H z~90M H z
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”采样数字谱与“盲区”频带信号谱的 对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置，当 其位于偶数(m=0,2,4,6,…)“盲区”时，其对 应关系为：XD XA ,XD XA
软件无线电可分为三大组成部分：
射频处 理前端
A/D D/A
数字处 理软件
3.1 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
《软件无线电的结构》课件
3
系统控制
负责软件无线电系统的整体控制和调度，如频率选择、功率控制和通信协议等。
软件无线电的功大和去噪等 预处理操作，以提高 信号的质量。
调制解调模块
负责将数字信号映射 到无线电频谱中，并 在接收端将接收到的 信号解调回数字形式。
信息处理模块
对解调后的数字信号 进行进一步处理，如 解码、纠错、解密和 压缩等操作。
广播电视
软件无线电在广播电视领域中发挥重要作用， 支持数字电视、无线电广播和流媒体传输等。
科学研究
软件无线电技术被广泛应用于科学研究领域， 如天文学、地球科学和无线传感器网络等。
总结
软件无线电的优点
灵活可配置、易于升级、适应性 强、成本低廉、功能丰富。
软件无线电的发展趋势
集成度提高、性能优化、能耗降 低、智能化发展、通信与计算融 合。
软件无线电的应用前景
广泛应用于物联网、智能交通、 智能城市、工业自动化等领域， 为人们生活带来更多便利。
什么是软件无线电？
软件无线电是一种利用软件定义硬件的无线电通信技术。它将传统硬件电路中的功能分散在软件中实现，通过 灵活的软件配置和处理能力，实现多种通信功能。
软件无线电的基本结构
1
模拟前端
负责信号的模数转换、滤波、放大和采样等任务。
2
数字信号处理
对模数转换的数据进行数字信号处理，包括解调、编码、纠错和调制等。
射频模块
负责频率转换、功率 放大和天线匹配等任 务，将数字信号转换 为电磁波进行无线传 输。
软件无线电的应用领域
军事通讯
软件无线电在军事领域中发 挥重要作用，支持军队指挥、 通信保密和侦查等任务。
航空航天电子
软件无线电技术在航空航天 领域中应用广泛，支持飞行 器导航、通信和成像等任务。
软件无线电技术.正式版PPT文档
构造一个具有开放性、标准化、模块化的通 用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解 调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软 件来完成，并使A/D和D/A转换器尽可能靠近天 线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代 无线通信系统。
❖ 目前，采用开放式系统体系结构（OSA），一种 非专利、层次化的体系结构，每个层次公开且有 明确定义的接口和标准
（6）开放性
3、已开发和正在开发的软件无线电系统
（1）SPEAKeasy
（2）JTRS（联合战术无线电系统） 目标： 支持的工作频率范围最初为：2MHz-2GHz； 可以通过波形软件进行重构； 支持话音、视频和数据的应用； 在软件和硬件方面都可扩展； 利用商业现货组件； 能够与不同的波形、传统的装备以及为不同环境而设 计的无线电系统进行互操作。 应用环境：机载、固定/舰载、车载、背负、手持
软件无线电技术
§7.1 软件无线电概述
1、软件无线电的由来
无线通信被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领 域。军方：大量不兼容的协议降低了联合作战的能力。 （固定、机载、车载、背负。。。不同公司的产品）
❖ “沙漠风暴”行动和格林纳冲突，美军各种通信设备的不 兼容性暴露无疑，不得不借助许多额外的无线电台，才能 保障高效的通信联络。
（6）CHARIOT(适于互操作通信的可变高级无线电系统)
弗吉尼亚工学院开发， 国防高级研究计划局的全球 移动信息系统计划的一部分，集中发展3个前沿技术： 自适应天线阵、多用户基站和自适应移动接收机。通过 创建形式化的结构，在运行环境中使用可重构的硬件实 现软件无线电系统，采用3种先进思想：自定义计算是一个无线电系统系列，共享通用的SCA（软 件通信体系结构），SCA强调开放式系统体系结构和 广泛使用的面向对象的方法。
❖ 目前，采用开放式系统体系结构（OSA），一种 非专利、层次化的体系结构，每个层次公开且有 明确定义的接口和标准
（6）开放性
3、已开发和正在开发的软件无线电系统
（1）SPEAKeasy
（2）JTRS（联合战术无线电系统） 目标： 支持的工作频率范围最初为：2MHz-2GHz； 可以通过波形软件进行重构； 支持话音、视频和数据的应用； 在软件和硬件方面都可扩展； 利用商业现货组件； 能够与不同的波形、传统的装备以及为不同环境而设 计的无线电系统进行互操作。 应用环境：机载、固定/舰载、车载、背负、手持
软件无线电技术
§7.1 软件无线电概述
1、软件无线电的由来
无线通信被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领 域。军方：大量不兼容的协议降低了联合作战的能力。 （固定、机载、车载、背负。。。不同公司的产品）
❖ “沙漠风暴”行动和格林纳冲突，美军各种通信设备的不 兼容性暴露无疑，不得不借助许多额外的无线电台，才能 保障高效的通信联络。
（6）CHARIOT(适于互操作通信的可变高级无线电系统)
弗吉尼亚工学院开发， 国防高级研究计划局的全球 移动信息系统计划的一部分，集中发展3个前沿技术： 自适应天线阵、多用户基站和自适应移动接收机。通过 创建形式化的结构，在运行环境中使用可重构的硬件实 现软件无线电系统，采用3种先进思想：自定义计算是一个无线电系统系列，共享通用的SCA（软 件通信体系结构），SCA强调开放式系统体系结构和 广泛使用的面向对象的方法。
从零开始学SDR系列：详解软件无线电架构
从零开始学SDR系列：详解软件无线电架构软件无线电架构软件无线电（SDR）最初的概念是一种通信技术或者体系结构，而现在SDR，确切地说是软件定义无线电，更接近一种设计方法或者设计理念。
软件无线电在理论上有着良好的应用前景，实际应用中却受到软、硬件工艺或者处理能力的限制，但是基于软件无线电概念基础上的软件定义无线电技术却越来越受到人们的重视。
在2001 年10 月份举行的ITU－8F 会议上，软件定义无线电被推荐为未来无线通信极有可能的发展方向。
软件定义无线电的功能需求包括重新编程及重新设定的能力、提供并改变业务的能力、支持多标准的能力以及智能化频谱利用的能力等。
可见，SDR 是可为所有技术使用的公共平台，例如认知无线电。
下面我们将从一个相对完整的SDR 平台角度来阐述SDR 平台的架构，主要包括以软件为中心的SDR 架构和SDR 硬件结构两个方面。
1、以软件为中心SDR 架构软件无线电，其重点在于基于一款通用平台来进行功能的软件化处理。
在SDR 探讨中，开发人员往往注重平台的硬件开发，偏重于搭建平台时使用器件的处理性能，以使得通用平台尽可能的接近理想软件无线电的设计要求。
这使得一部分人忽略了SDR 中软件平台的设计。
这里提出的SDR 软件平台，是指在利用通用硬件平台实现SDR 功能时的一种用户算法处理框架（或简单认为信号处理框架），甚至是一种操作环境（如满足软件通信体系架构规范用户接口环境）。
SDR 软件平台（也称作SDR架构）负责的功能一般包括：·提供用户接口，用户通过该接口添加、删除功能模块。
·算法封装，将算法包装与外界隔离，算法包括通信算法、信号处理算法、C/C++等其他算法。
·互联接口，以完成模块间互联。
·中间信号的测试调试接口。
·调度器或者适配器，用来管理模块。
SDR 架构中，最受欢迎的两类开源平台分别是开源软件定义无线电（GNU Radio）和开源软件通信体系框架嵌入式解决方案（OSSIE）。
3.7软件无线电
• 将A/D和D/A向RF端靠近，由基带到中频对整个系统
•
频带进行采样； 用高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路与低速 DSP/CPU做A/D后的一系列处理。
典型的软件无线电台的工作模块主要包括下面三个部分： • 实时信道处理：实时信道处理包括天线、射频变换、 A/D和D/A变换器、中频处理、基带与比特流处理及信 源编码。 • 环境管理：在准实时环境管理模块中持续地使用频率、 时间和空间特征来表征无线电环境，这些特征包括信 道识别和估计其它参数。 • 在线和离线的软件工具：在线和离线系统分析、信号 处理和变宿主工具允许人们确定增量业务。
• 模数转换部分：
在无线接收机中，A/D转换器是一关键部件，它常用 于射频或中频的宽带数字化。目前在通用移动通信系统 窝移动通信系统中，均用一个高速A/D转换器使整个频 带数字化。对A/D的要求主要是采样速率和位数。现有 的A/D转换器还不能同时满足速率与采样位数的要求。 解决方法：一方面考虑用多个高速的采样保持电路和模 数转换器ADC，然后通过并串转换将量化速度降低，以 提高采样分辨率；另外也可考虑研究适合于低分辨率、 高采样率的A/D编码调制方案。
3.7.1 软件无线电的基本结构
软件无线电是多频段、多模式、开放式体系结构， 其无线功能通过加载软件来实现，从而提供多种无线电 通信业务。软件无线电的基本平台包括：天线、多频段 射频（RF）转换器、宽带A/D（D/A ）转换器和DSP处 理器等，如图3-38所示。
图3-38
软件无线电基本平台
其关键思想和与传统结构的主要区别在于：
由于软件无线电通信中数字信号处理采用并行和顺序 分割算法来获得所要求的处理能力，要求数字处理速度 更快，就必须利用多重处理来分担工作。最近的发展趋 势是将一个CPU和一个专用DSP集成在同一芯片上。当 系统处于实时操作时，数据必须从DSP输出和输入，这 就要求有高速存储器，但这很昂贵，如果同时使用几个 处理器，必须有连接和协调多个处理器工作的有效方法 。图3-39为满足该条件的DSP多重处理的结构。我们可 以看到，快速处理器之间的链路加快了数据流的速度， 同时统一的地址空间和专门的控制操作简化了存储器存 取和多重处理。
第3章 软件无线电的系统组成分解
• 1. 按照系统的物理介质 • 按照组成软件无线电系统的物理介质，软件无线电的 硬件体系结构，可以划分为以下三种： • （1）以通用处理器（GPP：服务器或者桌面计算用的 CPU芯片）为基础、直接采用个人计算机（PC）和工 作站进行数字信号处理的体系结构。 • （2）以数字信号处理器（DSP：专门为快速实现各种 数字信号处理算法所设计的、具有特殊结构的微处理 器）为基础进行数字信号处理的体系结构。 • （3）以现场可编程门阵列（FPGA：为专门集成电路 的一种半定制电路，综合了定制电路、与可编程期间 的优点）为基础进行数字信号处理的体系结构。
• 2. 软件无线电的系统模型 • 数字无线电与可下载软件技术结合，就形成了 具有可重编程、可重配置能力的软件无线电技 术。软件无线电的系统模型如图3-4所示。 • 软件无线电系统包括以下几部分： • （1）天线子系统。 • （2）射频部分。 • （3）模拟/数字转换器、数字/模拟转换器。 • （4）数字信号处理部分。
• 2. 按照系统中各功能模块的连接方式 • 在软件无线电系统中，各个功能模块通 过一定的连接方式，组成一个硬件平台。 这个平台具有以下特点： • （1）开放性。 • （2）可扩展性。 • （3）标准性。 • （4）高数据吞吐率。
• 3.3 软件无线电系统接收机 • 软件无线电系统是实现软件无线电思想的具体设备。 软件无线电系统的核心是接收机与发射机。 • 本节简要介绍软件无线电系统接收机的概念、原理、 技术和实现。 • 3.3.1 概述 • 为了实现软件无线电的设想，对软件无线电系统的功 能有以下要求： • （1）高度集成的软件无线电收发机结构。 • （2）高度的灵活性。 • （3）多模式通信的能力。
信 道 译 码
解 密
信 源 译 码
数学软件无线电软件无线电理论基础PPT学习教案
数学软件无线电软件无线电理论基础
2.1 信号采样理论
➢ 目的：对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直 接进行数字化，将其变换成适合数字信号处理器 （DSP）或计算机处理的数据流，然后通过软件 （算法）来完成各种功能，使其具有更好的可扩 展性和应用环境适应性；
➢ 面临的问题
如何对对工作频带（如0.1MHz ~2GHz)内的信号进行 数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样？
第3页/共154页
4
2.1.1 模拟信号的抽样
其数学表达式为：
式中k=0、1、 2…，Ts=1/2Fm 为抽样时间间隔，f(k Ts）为k Ts时刻 的抽样值。
第4页/共154页
5
2.1.1 模拟信号的抽样
2、证明：
模拟信号的抽样，可看成是模拟信号f(t) 与周期为Ts的单位冲激函数δTs（t）的乘 积。如下图所示：
天线 射频前端 高速A/D-D/A转换器 通用和专用数字信号处理器 低速A/D-D/A转换器 各种接口 软件第42页/共154页来自43软件无线电的基本结构
➢ 软件无线电的天线
要覆盖比较宽的频段，比如 1MHz-2000MHz，
要求每个频段的特性均匀，以满足 各种业务的需求。
为便于实现，可在全频段甚至每个 频段使用几付天线，并采用智能天 线技术 。 第43页/共154页
nfs＝2nB＋2（fH－nB）＝2fH
即
第29页/共154页
30
fH/B为非整数倍时的抽样频谱
第30页/共154页
31
• 若要求各组频率分量之间的间隔都相等， 并等于2Δf则可令
• 满足上述要求的抽样频率为 • 各频率之间的间隔为
第31页/共154页
32
2.1 信号采样理论
➢ 目的：对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直 接进行数字化，将其变换成适合数字信号处理器 （DSP）或计算机处理的数据流，然后通过软件 （算法）来完成各种功能，使其具有更好的可扩 展性和应用环境适应性；
➢ 面临的问题
如何对对工作频带（如0.1MHz ~2GHz)内的信号进行 数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样？
第3页/共154页
4
2.1.1 模拟信号的抽样
其数学表达式为：
式中k=0、1、 2…，Ts=1/2Fm 为抽样时间间隔，f(k Ts）为k Ts时刻 的抽样值。
第4页/共154页
5
2.1.1 模拟信号的抽样
2、证明：
模拟信号的抽样，可看成是模拟信号f(t) 与周期为Ts的单位冲激函数δTs（t）的乘 积。如下图所示：
天线 射频前端 高速A/D-D/A转换器 通用和专用数字信号处理器 低速A/D-D/A转换器 各种接口 软件第42页/共154页来自43软件无线电的基本结构
➢ 软件无线电的天线
要覆盖比较宽的频段，比如 1MHz-2000MHz，
要求每个频段的特性均匀，以满足 各种业务的需求。
为便于实现，可在全频段甚至每个 频段使用几付天线，并采用智能天 线技术 。 第43页/共154页
nfs＝2nB＋2（fH－nB）＝2fH
即
第29页/共154页
30
fH/B为非整数倍时的抽样频谱
第30页/共154页
31
• 若要求各组频率分量之间的间隔都相等， 并等于2Δf则可令
• 满足上述要求的抽样频率为 • 各频率之间的间隔为
第31页/共154页
32
11第三章软件无线电的结构PPT课件
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
4
3.1.1 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
XA
X D( f )
图1
B0
X
D
X
D
f
fS / 4
fs / 2
15
X D( f )
B0
图2
X
A
f0 fS / 4
X
A
f0
f f0 fs / 4
当上式中n为偶数时，数字谱和模拟谱的对应
关系为
X
D
X
A
,
X
D
X
A
；当n为奇数时对应关
系
X
D
X
A
,
X
D
X
A
。所以，无论 n 取确定的何
精选ppt29并行多通道处理理论精选ppt30并行多通道处理ciccicfirfirciccichbfhbffirfir特征特征提取提取识别识别解调解调分析分析hbfhbf信息输出信息输出cosciccicfirfirciccichbfhbffirfir特征特征提取提取识别识别解调解调分析分析hbfhbfsin信息输出信息输出adadciccicfirfirciccichbfhbffirfir特征特征提取提取识别识别解调解调分析分析hbfhbf信息输出信息输出精选ppt3133上一节介绍的两种结构模型只能对单个信号或有限几个信号进行解调接收必须首先确知在哪个信道上有信号
4
3.1.1 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
XA
X D( f )
图1
B0
X
D
X
D
f
fS / 4
fs / 2
15
X D( f )
B0
图2
X
A
f0 fS / 4
X
A
f0
f f0 fs / 4
当上式中n为偶数时，数字谱和模拟谱的对应
关系为
X
D
X
A
,
X
D
X
A
；当n为奇数时对应关
系
X
D
X
A
,
X
D
X
A
。所以，无论 n 取确定的何
精选ppt29并行多通道处理理论精选ppt30并行多通道处理ciccicfirfirciccichbfhbffirfir特征特征提取提取识别识别解调解调分析分析hbfhbf信息输出信息输出cosciccicfirfirciccichbfhbffirfir特征特征提取提取识别识别解调解调分析分析hbfhbfsin信息输出信息输出adadciccicfirfirciccichbfhbffirfir特征特征提取提取识别识别解调解调分析分析hbfhbf信息输出信息输出精选ppt3133上一节介绍的两种结构模型只能对单个信号或有限几个信号进行解调接收必须首先确知在哪个信道上有信号
软件无线电发射机 PPT课件
S1(n)
sin(1n)
I2(m) 基带正交
I
信号产生
I
Q2(m)
…
IL(m)
基带正交
I
信号产生
QL(m) I
cos(2n)
S2(n)
sin( 2n) cos(Ln)
SL(n)
DA
零点
sin(Ln)
镜频滤 S(t)
波器
17
本结构其实就是多个单通道发射机构成的并行发 射机。
本结构可以同时发射的多个信号只能位于某个单 通道发射机的频段内，即：
超宽带滤波 双工器
分波段滤波
超宽带放大 超宽带功率放大
超高速超宽带 超高速超宽带
超高速
DSP （软件）
6
2.2 射频带通采样软件无线电结构
射频带通采样软件无线电结构在A/D前采用了窄带电 调滤波器，根据所需的处理带宽进行带通采样，从而降低 了对A/D采样速率和后续DSP处理速度的要求。此结构将 会成为未来软件无线电发展的主流。
邵保华.软件无线电在扩频通信发射中的应用研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2004.
陈道锦.通信系统中中频发射模块的软件无线电仿 真及实现[D].南京：南京航空航天大学,2008.
39
任何一个无线电信号均可表示为：
S (t) a (t)c o s [2f0 t(t)]
式中，a(t),(t) 分别表示该信号的幅度调制信息 和相位调制信息， f 0 为信号载频。 对上式进行数字化，可得：
S ( n T S ) a ( n T S ) c o s [ 2 f 0 n T S ( n T S ) ]
本结构核心与信道化接收机相同，都是基于多相滤 波器，通过内插的方式来实现的。
sin(1n)
I2(m) 基带正交
I
信号产生
I
Q2(m)
…
IL(m)
基带正交
I
信号产生
QL(m) I
cos(2n)
S2(n)
sin( 2n) cos(Ln)
SL(n)
DA
零点
sin(Ln)
镜频滤 S(t)
波器
17
本结构其实就是多个单通道发射机构成的并行发 射机。
本结构可以同时发射的多个信号只能位于某个单 通道发射机的频段内，即：
超宽带滤波 双工器
分波段滤波
超宽带放大 超宽带功率放大
超高速超宽带 超高速超宽带
超高速
DSP （软件）
6
2.2 射频带通采样软件无线电结构
射频带通采样软件无线电结构在A/D前采用了窄带电 调滤波器，根据所需的处理带宽进行带通采样，从而降低 了对A/D采样速率和后续DSP处理速度的要求。此结构将 会成为未来软件无线电发展的主流。
邵保华.软件无线电在扩频通信发射中的应用研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2004.
陈道锦.通信系统中中频发射模块的软件无线电仿 真及实现[D].南京：南京航空航天大学,2008.
39
任何一个无线电信号均可表示为：
S (t) a (t)c o s [2f0 t(t)]
式中，a(t),(t) 分别表示该信号的幅度调制信息 和相位调制信息， f 0 为信号载频。 对上式进行数字化，可得：
S ( n T S ) a ( n T S ) c o s [ 2 f 0 n T S ( n T S ) ]
本结构核心与信道化接收机相同，都是基于多相滤 波器，通过内插的方式来实现的。
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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。
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:75M H z~90M H z
射频直接带通采样技术
为消除因前置跟踪滤波器和不理想而产生的 采样“盲区”，需要多个采样频率，其中包括一 个主采样频率 fS和M个“盲区”采样频率 fSm。 主采样时的数字谱和射频信号谱分别如下二图。
X D( f )
B0
X
D
X
D
fS / 4
图1
f fs / 2
X A ( f ) 跟踪滤
B0
图2
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 2fmax
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
波器
X
A
X
A
f
f f c e n t
0
f cent
这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取决 于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器
（其中心频率设为 fcent）位于偶数频段，满足：
[(2 n 1 )f 4 S B 2 0 ] fc e n t [(2 n 1 )f 4 S B 2 0 ]
射频直接带通采样还存在“盲区”采样频带。
第3章 软件无线电数学模型
软件无线电的基本结构 常见的几种软件无线电接收机数学模型 常见的几种软件无线电发射机数学模型
3.1 软件无线电的三种结构形式
软件无线电的宗旨：
（1）尽可能地简化射频模拟前端，使A/D转换 尽量靠近天线，数字化后的信号尽量多用软 件处理。
（2）硬件平台应具有开放性、通用性，软件应 具有可升级性，可替换性。
号模拟频谱 ： X D
XA
X D( f )
图1
B0
X
D
X
D
fS / 4
f fs / 2
X D( f )
B0
图2
X
A
f0 fS / 4
X
A
f0
f
f0 fs / 4
当上式中n为偶数时，数字谱和模拟谱的对应 关系为 XD XA ,XD XA ；当n为奇数时对应关 系 XD XA ,XD XA 。所以，无论 n 取确定的何 值，带通采样的数字谱与原始模拟带通信号谱也 是一一对应，只是根据不同的中频选取不同的数 字模拟对应关系而已。
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。
3.1.4 三种软件无线电结构的等效数字谱
低通采样的软件无线电结构的数字谱：
X D( f )
B f
f m in
fm ax
fs / 2
图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画了 正半频率。
宽带中频带通采样的数字谱：
由带通采样定理，采样速率 与f 中S 频 满足f 0 条件：
其AD采样数f0 字谱(2n如下1)图f41S所示，图2为中频信
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。
3.1.3 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
一中 放
f0 ＝(2n+1)fs/4
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
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。
软件无线电可分为三大组成部分：
射频处 理前端
A/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
3.1.1 射频全带宽低通采样软件无线电结构
“盲区”采样数字谱与“盲区”频带信号谱的 对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置，当 其位于偶数(m=0,2,4,6,…)“盲区”时，其对 应关系为：XD XA ,XD XA
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。
3.1.2 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
“盲区”频带的中心频率 f0m由下式定：
f0m
m 1 2
fS
式中，fS 为主采样频率，m为“盲区”频带号(m =
0,1,… M-1)，其数字谱和射频信号谱如下图所示
X D( f )
B0
X A ( f ) 跟踪滤 波器
B0
图2
X
A
X
A
f
图1
f cent
f0
f cent
X
D
X
D
fSm / 4
f
f sm / 2
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。
盲区采样频率为：
fSm
2m 2 2m3
fs，式中，m
=
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。
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。
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:75M H z~90M H z
射频直接带通采样技术
为消除因前置跟踪滤波器和不理想而产生的 采样“盲区”，需要多个采样频率，其中包括一 个主采样频率 fS和M个“盲区”采样频率 fSm。 主采样时的数字谱和射频信号谱分别如下二图。
X D( f )
B0
X
D
X
D
fS / 4
图1
f fs / 2
X A ( f ) 跟踪滤
B0
图2
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 2fmax
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
波器
X
A
X
A
f
f f c e n t
0
f cent
这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取决 于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器
（其中心频率设为 fcent）位于偶数频段，满足：
[(2 n 1 )f 4 S B 2 0 ] fc e n t [(2 n 1 )f 4 S B 2 0 ]
射频直接带通采样还存在“盲区”采样频带。
第3章 软件无线电数学模型
软件无线电的基本结构 常见的几种软件无线电接收机数学模型 常见的几种软件无线电发射机数学模型
3.1 软件无线电的三种结构形式
软件无线电的宗旨：
（1）尽可能地简化射频模拟前端，使A/D转换 尽量靠近天线，数字化后的信号尽量多用软 件处理。
（2）硬件平台应具有开放性、通用性，软件应 具有可升级性，可替换性。
号模拟频谱 ： X D
XA
X D( f )
图1
B0
X
D
X
D
fS / 4
f fs / 2
X D( f )
B0
图2
X
A
f0 fS / 4
X
A
f0
f
f0 fs / 4
当上式中n为偶数时，数字谱和模拟谱的对应 关系为 XD XA ,XD XA ；当n为奇数时对应关 系 XD XA ,XD XA 。所以，无论 n 取确定的何 值，带通采样的数字谱与原始模拟带通信号谱也 是一一对应，只是根据不同的中频选取不同的数 字模拟对应关系而已。
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。
3.1.4 三种软件无线电结构的等效数字谱
低通采样的软件无线电结构的数字谱：
X D( f )
B f
f m in
fm ax
fs / 2
图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画了 正半频率。
宽带中频带通采样的数字谱：
由带通采样定理，采样速率 与f 中S 频 满足f 0 条件：
其AD采样数f0 字谱(2n如下1)图f41S所示，图2为中频信
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。
3.1.3 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
一中 放
f0 ＝(2n+1)fs/4
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
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。
软件无线电可分为三大组成部分：
射频处 理前端
A/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
3.1.1 射频全带宽低通采样软件无线电结构
“盲区”采样数字谱与“盲区”频带信号谱的 对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置，当 其位于偶数(m=0,2,4,6,…)“盲区”时，其对 应关系为：XD XA ,XD XA
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。
3.1.2 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
“盲区”频带的中心频率 f0m由下式定：
f0m
m 1 2
fS
式中，fS 为主采样频率，m为“盲区”频带号(m =
0,1,… M-1)，其数字谱和射频信号谱如下图所示
X D( f )
B0
X A ( f ) 跟踪滤 波器
B0
图2
X
A
X
A
f
图1
f cent
f0
f cent
X
D
X
D
fSm / 4
f
f sm / 2
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。
盲区采样频率为：
fSm
2m 2 2m3
fs，式中，m
=
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。