第三章软件无线电的结构--电子科技大学(经典)知识讲解
软件无线电复习资料
1、软件无线电的关键思想：构建一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将工作频段调制/解调方式、数据格式、加密模式以及通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带A/D 转换器和D/A 转换器尽量靠近天线，以实现高度灵活性和开放性的新一代无线电系统。
2、软件无线电与软件控制的数字无线电的区别：软件无线电摆脱了硬件的束缚，在结构通用和稳定的情况下具有多功能，便于改进升级、互联和兼容。
而软件控制的数字无线电对硬件是一种依赖关系。
3、软件无线电的基本结构：4、软件无线电定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线电功能的一种开放式体系结构。
5、采样频率(fs)、信号中心频率(fo)、处理带宽(B)及信号的最低频率(f L )、最高频率(f H )之间的关系，最低采样频率满足的条件：答：带通采样解决信号为（f L ~f H ）上带限信号时，当f H 远远大于信号带宽B 时，若按奈奎斯特采样定理，其采样频率会很高，而采用带通信号则可以解决这一问题，其采样频率12n 4f 12n )f f (2f 0H L s +=++=，n 取能满足2B f S ≥的最大正整数，B 212n f 0+=。
6、低通采样定理：设有一个频率带限信号x(t),其频带限制在(0,f H )中，若以不小于fs=2f H 的采样速率对x(t)进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号x(n)=x(nTs ),其中Ts =1/fs 称为采样间隔，则信号x(t)将被所得的采样值x(n)完全地确定。
7、带通采样定理：设一个频率带限信号x(t),其频带限制在(f L ,f H )内，如果其采样速率fs 满足12n )f f (2f H L s ++=,n 取满足fs ≥2(f H -f L )的最大正整数(0,1,2...)，则用fs 进行等间隔采样所得信号采样值x(nfs)能准确确定原信号。
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。
软件无线电重点
1、软件无线电的核心思想：可重配置性。
采用开放的、标准化的通用平台构造无线电系统，使宽带ADC/DAC尽可能的靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能，并通过软件实现功能的设定和升级，使通信系统具有多频带、多模式的通信能力。
2、软件无线电的定义：（1）、软件无线电是多频带无线电，它具有宽带的天线、射频转换、模/数和数/模转换，能够支持多个空中接口和协议，在理想状态下，所有方面（包括物理空中接口）都可以通过软件定义。
（2）软件无线电是一种新型的无线体系结构，它通过硬件与软件的结合使无线网络和用户终端具有可重配置能力。
软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案，可以通过软件的升级实现功能提高。
软件无线电可以使整个系统（包括用户终端和网络）采用动态的软件编程对设备特性进行重配置。
3、软件无线电的特点：（1）、可多频带/多模式/多功能工作。
（2）、具有可重配置、可重编程能力。
4、硬件体系结构的分类：1按照物理介质划分：第一种是以通用处理器GPP为基础的结构。
第二种是以DSP为基础进行数字信号处理的体系结构。
第三种是以FPGA为基础进行数字信号处理的体系结构。
2按照系统中各功能模块的连接方式划分的硬件体系结构：1流水式结构2总线式结构3交换式结构4基于计算机和网络式结构5、比较DSP和FPGA的性能：1硬件结构，DSP采用哈佛结构 FPGA器件由大量的逻辑宏单元组成 2 灵活性 DSP处理器软件更易改变，而硬件个管脚是固定的.FPGA则需通过改变FPGA中构成DSO系统的硬件结构来改变硬件功能。
3 适用场合 DSP适用于状态复杂的操作 FPGA适用于简单重复的操作和需要并行处理的操作。
4处理能力 DSP处理速度慢 FPGA 处理速度快 5开发流程 DSP的仿真必须有合适的硬件平台 FPGA有多个层次的仿真测试和硬件调试环节 6开发技术标准化不同的DSP处理器结构有较大区别，需选择不同的汇编语言机仿真开发工具和编码软件 FPGA则采用开发技术的标准化和规范化。
第3章 经典无线电导航系统(1-3)
刘磊
电子科技大学 航空航天学院
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第三章 经典无线电导航系统
3.1 无线电罗盘(ADF) 3.2 甚高频全向信标系统（VOR） 3.3 无线电高度表 3.4 测距器(DME) 3.5 塔康系统（TACAN） 3.6 多普勒导航系统(Doppler) 3.7 罗兰-C系统
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发展历程
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1936年由德国SEL公司研制成功； 1947年国际民航组织将其定为标准近 程导航设备； 1952年英国马尼克公司开始生产； 1958年美国开始使用； 1965年DVOR出现，并得到迅速发展；
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3.1.3 基本工作原理
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1、方向性图的转动
无线电罗盘在测向过程中，需要随时转动环 状天线的8字形方向性图，使其最小值(零值 点)对准被测的地面导航台。 为使方向性图能够旋转，一种方法是用电机 直接拖动环状天线转动，另一种方法是天线 固定不动，通过测角器实现方向性图转动。 前者已少用，目前多采用后者，现将其原理 加以介绍。
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早在1912年，人们就开始研制世界上第一个无线电 导航系统 无线电信标台一般安装在机场附近，使飞机能够沿 精确的航线向信标台飞行，然后执行向跑道的非精 密进场。 在第一次世界大战期间，开始使用该系统引导船只 的出航与归航，后来很快发展到航空导航。 无线电罗盘有半自动和全自动之分，采用前者测向 时，必须人工旋转环状天线或搜索线，采用后者时， 无论是测向还是归航，都完全有罗盘本身自动完成。
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测角器中形成一个合成磁场,测角器的活动线圈(亦 称搜索线圈)，在合成磁场作用下所产生的感应电 势为：
软件无线电的接收机和发射机
模拟中频结构
外差式发射机(2)
数字中频结构
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
零中频接收机(1)
思考：可否不使用中频，将射频信号经 一次变频直接变换到基带？ 可得到的好处：
占用发射机功率，降低发射效率 造成零中频接收机的直流失调
本振泄漏的来源
本振与射频端口之间隔离度不好 在混频器中由于本振自混频产生直流分量，该分 量与本振相乘后输出 在混频器输入端出现直流偏移
零中频发射机的本振泄漏问题(2)
注意：零中频接收机中也存在本振泄漏 问题，但该问题最直接影响的对象是零 中频接收机本身 对零中频发射机中的本振泄漏问题，最 主要的解决方法也是直流补偿，除此之 外，增加本振与射频端口的隔离度也是 一种重要手段
零中频发射机的本振牵引问题(1)
本振牵引是指由于本振和功放之间的隔离度不 好，造成功放输出的功率较大的信号回馈到本 振，导致本振频率受其影响而发生漂移的现象 本振牵引的严重程度与本振与功放之间的隔离 度及本振与功放输出频率之间的差异有关
零中频发射机的本振牵引问题(2)
解决方案：分频、倍频或和频
第4章 软件无线电的接收机和发射机
信道化发射机—多载波上变频(2)
多载波上变频信道化发射机的特点
中频很宽 合路后系统总带宽增长了M倍，各支路必须 通过内插来实现速率适配 工作过程可概述为：内插 + 低通滤波 + 上 变频 各支路输出的数字信号进行数字叠加后， 会出现峰均比较高的问题，设计时必须充 分考虑到
信道化发射机—多相FFT滤波器组
软件无线电技.doc
软件无线电技术软件无线电简介现代通信系统中最具代表性的是软件无线电和认知无线电。
软件无线电是指其通路的调制波形是由软件确定的，它是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。
采用软件无线电技术的通信系统一般是可以进行重新配置的系统，同时还需要一套相应的硬件设施。
因此，软件无线电是一种灵活的无线电体系结构，能够实时改变无线系统的特性。
软件无线电的典型结构如下图在这样一个平台上，包括工作频段、调制解调方式、信道多址方式等均可通过注入不同的软件编程实现传统电路的各种功能，形成不同标准的通信系统，保证各通信系统的无缝集成。
软件无线电的特点1.具有完全的可编程性软件无线电是通过安装不同的软件来实现电路功能的，通信的工作模式是通过可编程软件来改变的，系统的功能由软件来定义。
2.软件无线电基于DSP技术DSP及其相应软件是软件无线电的关键模块。
通信所需要的各种功能均由DSP对数据流的实时或近实时处理来实现。
这极大的改善和提高了无线通信系统的性能。
3.软件无线电具有很强的灵活性由于用软件实现，通信设备可以任意转换接入方式，改变调制和解调的方式或者接受不同系统的信号。
4.软件无线电具有集中性软件无线电具有集中统一的平台，因此多个信道可以享有共同的射频前端和宽带A/D—D/A转换器，从而可以获得每一个信道相对低廉的信号处理性能。
软件无线电的应用1.在军事通信中的应用软件无线电的概念最早提出是在海湾战争中多国部队各军种联合作战时遇到的互通、互联、互操作问题。
特别是在海湾战争中，美军暴露出军事通信互通性差、反应速度慢、带宽窄、速度低等一系列影响作战的问题。
针对这些问题，有人于1992年提出了软件无线电的最初想法。
1995年美国国防部开发了一种多频段多模式的电台，即MBMMR电台。
在此电台的基础上，美军研制出联合战术无线电系统。
2.民用通信中的应用对于软件无线电基站发射系统，如图所示。
其中利用数字信号处理技术对信号进行数字调制，由于信号工作频率很高，对A/D 转换器的速率要求很高，难以实现。
软件无线电技术
软件无线电技术集成技术和计算机技术的发展，使信号处理设备呈现了由模拟到数字、由专用硬件到软件替换的变革趋势。
通信设发备的发展也经历了这一过程：从模拟器件到对基带信号进行采样的数字接收机，再到对中频(射频)信号进行采样的“全数字接收机”。
软件无线电(Software Radio)是无线电通信方面的一种新的变革。
软件无线电技术是在通用的开放式无线电智能平台上，通过安装不同的软件来完成各种通信功能，系统的功能级是通过软件的升级来实现的。
软件无线电系统适用于多个频段，可灵活地改变运作模式，能与不同体制和标准的各种设备联瓦通和兼容，一、软件无线电的体系结构软件无线电的体系由天线、宽带射频转换器、A／D、D／A变换器与DSP(数字信号处理器)几部分组成。
软件无线电的关键部件是以编程能力强的DSP处理器来代替专用的数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立。
DSP处理器用来完成中频(射频)、基带与比特流处理等功能。
软件无线电的硬件平台采用模块化没计，是一个开放的通信平台．通过加载不同的软件(需要时更换插卡)来实现不同的硬件功能。
但软件无线电的硬件平台要求较高，它需要有宽带射频前端、宽带A／D、D／A转换器和高速DSP，工作频率可高达几百兆赫兹。
因信号干扰很严重，所以，它必须多个CPU并行操作才能满足系统处理速度的要求。
另外，DSP处理数据要求高速转换，系统总线必须具有极高的I／O传输速率。
二、软件无线电技术的主要特点1．软件化软件无线电将A／D变换尽量向射频端椎拢，将中频以后全部进行数字化处理，工作模式由软件编程改变，包括可编程的射频段宽带信号接人方式和可编程调制方式等。
这样，就可以任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号。
同样，可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试，使通信功能由软件来控制。
因而．系统的更新换代变成软件版本的升级，开发周期与费用大为降低。
2．模块化软件无线电采用模块化设计，不同的模块实现不同的功能，同类模块通用性好，通过更换或升级某种模块就可实现新的通信功能。
软件无线电(个人整理)
1. 软件无线电是什么无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置， 几乎任何领域都使用无线通信， 包括有 商业、气象、金融、军事、工业、民用等。
我们可从通信系统、调制方式、多址方式等几方 面可看到无线通信系统种类的繁多。
类 别 通信系统 调制方式 多址方式 种 类卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、 微波通信系统等 AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM 等 时分多址（TDMA） 、频分多址（ FDMA）和码分多址（CDMA）等各种通信系统由于自身的特点而适用于各种特定的场合，例如： 短波电台适合远距离，其所需的发射功率不大，传输的“中继系统” —电离层不会被 摧毁；卫星通信能传播高质量的信息，所能提供的频带很宽 微波通信抗干扰能力强，适合大量的数据传输，但只能在点与点之间传输，传输距离 又有一定的限制 由于无线通信的设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在军事和民用通信领域 中都是不可缺的重要通信手段。
然而， 电台往往是根据某种特定的用途而设计的， 功能单一， 有些电台的基本结构相似，而信号特征差异很大。
比如，工作的频段不同，调制方式不同， 波形结构不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同等等。
电台之间的这些 差异极大地限制了不同电台之间的互通互连。
经过几十年的发展， 无线通信已有很大的发展， 通信系统由模拟体制不断向数字化体制过渡， 因此是否可能在数字化体制础上一个电台能满足多调制方式和多址方式， 从而根椐需要构成 多种通信系统呢。
我们先看一下一个数字蜂窝网接收站, 显示在图 1 中。
（注意： 为了说明软件无线电的概念， 这里给出了无线电的接收装置部分） 。
图 1：窄带无线接收装置在窄带接收装置中所有的功能模块：滤波、放大、向下变频，直到调制，都是使用模拟 技术 ( 除了频率合成的部分 ) 实现的 。
信号解调出来以后，使用一个可编程的数字信号 处理 ( DSP ) 器件进行处理。
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）。
浅析软件无线电的体系结构及应用
浅析软件无线电的体系结构及应用【摘要】本文通过浅析软件无线电的体系结构及应用，旨在探讨其在通信和军事领域的重要性及发展趋势。
在研究背景介绍了软件无线电的起源和发展历程，研究意义强调了其在现代通讯技术中的重要作用，研究目的明确了对软件无线电的深入探讨。
在从软件无线电的基本概念入手，详细解释了其体系结构及应用前景，特别关注了其在通讯和军事领域的具体应用案例。
在总结了软件无线电的发展趋势，强调了其在社会中的应用推广和影响。
通过本文的分析，可以更好地了解软件无线电的现状和未来发展方向，为相关领域的研究和实践提供参考。
【关键词】软件无线电、体系结构、应用前景、通信领域、军事领域、发展趋势、应用推广、社会影响1. 引言1.1 研究背景软件无线电技术是一种将无线电功能实现在软件中的新兴技术，它的出现为无线通信领域带来了革命性的变化。
软件无线电技术不仅可以通过软件定义的方式实现传统无线电设备的功能，还可以通过灵活的软件编程实现更多功能和性能的提升。
在数字化、网络化、智能化的时代背景下，软件无线电技术的发展对于推动通信领域的进步具有十分重要的意义。
随着移动互联网、物联网、5G等技术的快速发展，对无线通信技术的需求也日益增加。
传统的硬件无线电设备往往存在功能单一、调试困难、更新维护成本高等问题，而软件无线电技术的出现可以很大程度上解决这些问题，提高无线通信设备的灵活性和可控性。
对软件无线电技术进行深入研究和探索，不仅可以推动通信领域的技术进步，还可以促进无线通信设备的创新和发展，为人类社会的信息化建设提供更加强大的支持。
在这样的背景下，对软件无线电技术的研究具有重要的现实意义和深远的影响。
1.2 研究意义软件无线电是无线电通信技术的一种新形式，它利用软件定义的方式实现无线电通信设备的功能。
软件无线电技术的出现，极大地拓展了无线电通信领域的发展空间，为通信系统的搭建和优化提供了新的思路和方法。
研究软件无线电的意义主要体现在以下几个方面：软件无线电技术具有很高的灵活性和可编程性，能够适应不同的通信需求和环境变化。
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。
《软件无线电技术》课件
边缘计算技术可以将计算和数据处理能力从中心服务 器转移至设备边缘，降低延迟和提高响应速度。
物联网的广泛应用
随着物联网的广泛应用，软件无线电将在智能家 居、智能交通、智能工业等领域发挥重要作用。
软件无线电可以通过物联网技术实现各种设备的 互联互通，提高设备的智能化程度和用户体验。
软件无线电还可以通过物联网技术实现设备的远 程监控和维护，提高设备的可靠性和安全性。
谢谢聆听
信号处理复杂性
总结词
信号处理复杂性是软件无线电技术的另一个挑战。
详细描述
软件无线电需要处理各种不同的信号，包括模拟信号和数字信号，而且需要能够 快速、准确地转换和处理这些信号。这需要高效的算法和强大的计算能力，增加 了软件无线电的复杂性。
安全与隐私保护
总结词
安全与隐私保护是软件无线电技术必须考虑的重要问题。
详细描述
在无线通信中，安全和隐私保护至关重要。软件无线电需要 采取有效的措施来保护用户的隐私和通信安全，防止数据被 窃取或篡改。这需要在设计和实现软件无线电时充分考虑安 全和隐私保护的需求。
标准化与互操作性
总结词
标准化与互操作性是软件无线电技术的另一个挑战。
详细描述
为了实现不同厂商和不同系统之间的互操作性，软件无线电需要遵循统一的标准化协议和规范。这需要软件无线 电技术和相关标准不断发展和完善，以确保不同系统之间的兼容性和互操作性。同时，标准化也有助于推动软件 无线电技术的普及和应用。
的信号接收和发送，支持多种移动通信标准。
02பைடு நூலகம்
软件无线电技术可以提高移动通信系统的灵活性和可
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。
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第三章软件无线电的结构--电子科技大学(经典)知识讲解
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。
这种结构模型必须首先确知在哪个信道上有信号。 其潜在问题是需要一个搜索或监视接收机的专用 设备对全频段进行搜索监视，如果搜索速度不够 快，就会遗漏或丢失信号。
通常，软件无线电采用宽带带通采样，采样的数 据包含多个信道的信息，如何同时处理这些信息？
引入并行多通道处理理论和软件无线电信道化结 构模型。
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
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
当其为于奇数 (m=1,3,5,7,…)“盲区”时，其 对应关系为： XD XA ,XD XA
所以，无论主采样还是“盲区”采样都可以用 一个等效的基带数字谱来唯一地表示射频信号， 只要确知前置滤波器在射频频带上所处的位置。
功
窄带电调
“0”内插上
3.3.1 软件无线电的分层_软件无线电原理与技术_[共2页]
![3.3.1 软件无线电的分层_软件无线电原理与技术_[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/0e4df0b148d7c1c709a14505.png)
软件无线电原理与技术– 152 –图3.13 基带资源模块的结构[11]在DSP 或通用信号处理器的指令集结构中，应用组件的工作存储和使用的端口都是在系统可提供范围内自由分配的。
系统的配置变量作为附加组件参数得到保存，使得实时可重构和组件的调整与置换成为可能。
相关模块之间的数据传递与通信经由提供的输入和输出端口进行，分为两种方式：一种方式是固定的，模块间直接连接，没有为将来的可重构提供可能；另一种方式是可重构的，模块间采用总线或网络方式连接。
后面这种系统的基带控制和可重构促使了一种特制和分层可重构的基础结构的产生，如图3.14所示。
图3.14中，可重构的基础结构的最高层通过配置管理模块形成，负责系统所有配置任务的管理，包括与网络支持实体对话、选择合适的功能配置或配置文件的下载。
初始配置过程的控制由配置控制模块进行，其目的是面向配置管理模块，提供配置过程所需的数据，将来自配置管理模块的配置需求解释给硬件做实际实现，并协调最终的硬件重构。
硬件抽象层为配置控制模块提供统一和标准化的接口，用于配置执行模块的配置和控制。
可重构模块在可重构硬件上运行，用最底层的基础结构表示。
3.3 软件无线电的分层结构3.3.1 软件无线电的分层在软件无线电的可重构设计中，通常采用硬件分页调度设计可重构无线电的方法。
硬件分页调度是指硬件模块调入调出系统的方式，与利用虚拟存储进行的软件分页调度类似。
软件无线电的分层是基于流处理发挥作用的，数据和编程信息可采用通用总线。
总线为帧头保留几个比特，用于指示流数据包的特征。
使用基于流的处理简化了模块之间的接口，使得模块替换或添加变得容易[12]。
软件无线电的分层结合了软件无线电的所有特征，使系统复杂度降到最低，可为系统改造和更新提供途径。
系统的功能分层后，每层附加或改变帧头并把信息传递到下一层。
一旦 图3.14 可重构的基础结构的层次[11]。
8.4 软件无线电电路拓扑结构
分利用了智能天线可以调节权矢量，任意放置方向图 主瓣方向和零点位置的特点，将简单的波束形成算法 改为波束形成与信道分配算法，可以在同一个信道中，
调节方向图主瓣分别对准K个方向，这样就可以在同一 个信道中同时接收K个用户的信号。在图8.4.5中， “信道11”至“信道1K”代表在信道1中扩充的K个信道， 这K个信道分别由信道分配算法形成不同方向的主瓣来 构成，如果在信道1中同时有K个用户在通话，而每个
但是用户分别在不同的方向，因此基站可以利用智能天线 分别将主波束对准每一个用户，对每一个用户来讲，相当 于独占一个信道，但是对系统来讲，用户的容量就增大了
K倍。
在一个具有智能天线的软件无线电系统中，宽带采样之后 的处理都是由软件完成的，可以在固定的硬件平台上进行 软件的升级，提高波束的个数和用户的个数。实现智能天 线所需要的计算资源取决于蜂窝站的结构，对于一个中频 采样的软件无线电结构，智能天线处理占用DSP资源的一
模数转换部分根据被采样信号的频率和带宽决定采用 何种A/D采样技术。根据Nyquist采样定律，对带限信 号的采样率必须大于信号最高频率的两倍。实际系统 通常采用过采样，即大于2.5倍。对于A/D采样的参数 指标，除了采样率外，还有采样精度和采样信号的动 态范围。
中频处理部分接收的信号是一个含有多路信道的宽带 信号，中频处理要将其中的某一特定信道提取出来， 并且将这个信号转换到基带。中频处理部分的复杂性 和大运算量就在于频率转换和滤波，使用通用的DSP 芯片是无法完成的，通常是采用专用芯片实现。
信源部分在移动终端和基地台是不相同的。移动终端 的信源部分包括用户和信源编译码器，通常，窄带的 语音和传真的模/数转换器位于手机、掌上电脑或工作 站中。而对于基地台，它的信源部分包括与公用电话 交换网（PSTN）或其他通信网络的接口，例如实现 GSM系统与PSTN网络的互通，就需要将GSM中的话音 编码方式RPE－LTP与64kb/s的PCM编码方式互相转换。
3.3.2 物理层结构_软件无线电原理与技术_[共2页]
![3.3.2 物理层结构_软件无线电原理与技术_[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/e0d4ce5aa0116c175f0e48e0.png)
软件无线电原理与技术– 154 – 后面加上本层的报头，然后传送给处理层。
同样，来自处理层的信息包，经过类似的处理也会被传送到接口层。
3．处理层处理层由一系列称为处理模块的可重配置模块构成，对数据进行实际操作，以实现系统功能。
每个处理模块都有静态和可重配置部分，基于配置层的编程数据包，静态部分配置可重构部分。
一旦系统被配置好，数据就由接口层打包并用编程数据包使用的同一总线送往下一层。
这一过程完成后，数据通过配置层送回接口层，然后数据解包并输出到主计算机。
处理层是软件无线电的核心，是真正进行数据处理的层面。
该层由一套线性相关的处理模块组成，对来自配置层的数据进行处理，并将处理后的数据返回到配置层。
其中，每一个处理模块都能通过重新配置来完成指定的功能，而且不需要打断与主流水线的同步。
实际上，软件无线电的上述几层的功能是建立在一定的硬件基础上的，统一在高层协议软件的控制下，通过协调上下层关系的中间层，利用具有可配置能力的硬件模块所构成的物理层，实现分层软件无线电的各项通信功能。
因此，软件无线电的分层结构应该包含3个方面：物理层结构、中间层结构和应用层结构。
下面分别对这些结构进行介绍。
3.3.2 物理层结构为了满足软件无线电的高计算量的需要，物理层可以采用多处理器结构。
该结构由多个处理单元（PE ）、可调控制处理器和全局中间结果暂存器所构成，通过共享总线进行连接。
每个PE 由一个可调单元和一个宽SIMD 单元构成，宽SIMD 单元负责完成绝大多数密集计算，而可调单元则用于支持DSP 的许多特征调节和不能并行处理的算法。
该架构中没有缓存结构，局部和全局存储器由软件通过每个PE 的DMA 控制器进行管理，局部和全局存储器都是DMA 可见的[13]，如图3.16所示。
图3.16 多核DSP 结构[13]。
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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
3.1.1 射频全带宽低通采样软件无线电结构
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。
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
“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
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
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。
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
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。
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Leabharlann 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。
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
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
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。