软件无线电技术分析
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矛盾的核心:互通性 到底怎么办?
1)军方:设计一种能够使用几种不同协议在多个 不同频段上运作的无线电系统,即多频段多模式无 线电(MBMMR)
在单个机箱内放置支持不同系统的所有硬件,不同系统的 切换通过改变硬件设备的激活状态,实质是一种组合无线 电系统。其庞大的开支,短暂的寿命,使这种设想并没有 发挥多大作用。
3、联合战术无线电系统(JTRS)
JTR系统除2MHz~2GHz工作频率外,具有 以下技术特性: 即插即用通用性; 模块化硬件可现场配置; 波形软件可现场编程; 嵌入式定位:自动向网络输送态势感知; 保密的数据网络功能; 3个或更多个其他网络模式;
3、联合战术无线电系统(JTRS)
4)感知无线电系统(Cognitive Radio)
结合人工智能领域的概念,实现的无线电系统能够 对所处的环境有所“感知”。以软件无线电为扩展平台 的一种新的智能无线通信技术,它可以感知到周围的环 境特征,并自动调整其设备的一些发射和接收参数。具 有感知能力的设备能够在时域、频域和空域多维空间, 对较宽的频段不断地进行频谱侦听,能够侦测到这些频 段内主用户,从而能得知频谱的使用情况。整个过程可 以通过“侦听—感知—自适应”的循环来表示,关键技 术:无线电传输场景分析、信道状态估计、功率控制、 频谱侦测功能、动态频谱分配、抗干扰技术。。。
自动区域或互联网路由选择; 动态网络连接、寻址和带宽分配; 模拟选定的传统无线电台; “动中通”功能; 开放式物理结构和软件结构; · 应未来技术、系统和支援作战结构 (可扩展性)。
联合战术无线电系统(JTRS)
用户接口 网络接口 内部互连总线(红)
天线 接口
射频 前端
调制 解调
第一阶段主要验证软件无线电概念的正确性、 可行性。由美国国防部支持和Hazeltine, TRW, Lockheed-Martin, Motorola, and RockwellCollins等公司赞助,完成: -- 两个可编程信道的电台实现。 – VME bus architecture – Texas Instrument quad-TMS320C40 multichip module for digital signal processing – SUN Sparc 10 工作站作为主机接口。 -- 采用模块设计,19’’标准机箱。
Fra Baidu bibliotek 2、软件无线电的特点
(1)可重构性:改变无线电系统个性化的能力,编程实 现,波形、算法等可重构。 (2)灵活性:不用改变体系结构就能适应可重构的能力 (3)模块化:对每种功能的封装,增加或替换模块即可 改变系统功能。 (4)可扩展性:在系统硬件或软件中增加新模块的能力, 经得起考验的(future-proof)无线电系统。 (5)可复制性和互信道连接性:共享或交换信息的能力 (6)开放性
实质上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。 (3)WITS(无线信息传输系统) MOTOLARA开发,JTRS/SDR论坛的第一个具体 例证,系列产品:6004/5004/3004,体系结构特点:具 有分布式处理环境、分成红边和黑边,由基于CORBA 的SCA促成。 (4)SDR-3000数字收发机子系统 由Spectrum Signal Processing提供,能够同时支 持许多发射和接收信道,每个信道具有独立的空中接口 协议,与2G/3G/JTRS等兼容,包括输入输出模块、基 带处理机和转换模块。
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
2、美国军方开始的Speakeasy(易通话)研发, 代表软件无线电技术的研究全面开展。 易通话电台试图通过全数字、软件可编程、 基带信号处理、多频段、小功率射频收发信机、 大功率放大器和天线分系统来实现各种功能。 目前,易通话已经完成了第一阶段和第二阶段 的研究。
易通话的两个研发阶段
1)易通话工程的第一阶段
(7)其他: 可编程模块化通信系统PMCS Atlantic Paw 计划 美国海军的数字模块化无线电系统 大量具有软件无线电特征的产品和实验系统。。。。。。
§7.2 软件无线电的实例
软件无线电技术的发现
SPEAKeasy Phase1
SPEAKeasy Phase2
MBMMR
序号 时 间 1980 年 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1992 年 1994 年 1995 年 1996 年 1997 年 1998 年 1999 年 2001 年
(5)Spectrum Ware 麻省理工学院启动,考察学术性软件无线电体系结 构,研究通用处理器在实现软件无线电系统方面的适应 性,两个关键创新:用于处理系统输入输出的机制;创 建快捷而简单的实时功能实现所需要的编程环境,其编 程环境支持4个方面的适应性:信号环境、内部算法、 用户需求、资源可用性。由Vanu公司研究成果的商业 化。 (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,美国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 算设备、基于流的处理和硬件分页。
时钟/定时 参考分系统
干扰抑制 分系统
基带转换 分系统
易通话工程功能方框图
2)易通话工程的第二阶段
在第一阶段成功完成理论验证基础上,研制 演示系统,达到下列目标: -- 正真开放式结构 -- 功能软件可编程 -- 能与TF-XXI AWE F, Irwin, March 97等电 台互通 -- 支持HF, VHF, UHF 多频段
易通话第二阶段的功能模块
射频前端
天线 耦合 器 发射 接收 信道 A/D
信号处理
预处 波形 理器 处理器 D/A (ASIC) (DSP)
信息安全
信息 安全 控制
网络互联
多媒 体接 入
控制
路 控制 由 GPS 处理器 器
参考 时钟
蜂窝电话
外部接口
人机 接口
MBMMR电台的组成
易通话第二阶段的功能模块
第七讲 软件无 线电技术
电子科技大学:王 洪
§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。
SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL
易通话第二阶段的功能模块
SPEAKEASY MULTIBAND, MULTIMODE COMMUNICATIONS TERMINAL
3、联合战术无线电系统(JTRS)
JTRS是美军为了适应三军联合作战的需要, 在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。 系统构成的基础是基于MBMMR的战术无线电台 (JTR)。JTR系列电台与常规电台的最大不同 点是具有很强的网络功能和信息安全处理能力。 另外,JTR比MBMMR电台支持更加广泛的信号 波形,它还能适应技术发展进行快捷高效的波形 升级。
软件无线电的由来
民用:大量现有及新协议的竞争且互不兼容, 无线电系统被割据,受地理范围限制,运营商 为此投入大量费用,升级困难。 欧洲第一代模拟网:加入欧洲邮电会议(CEPT) 的16个国家,分别共使用6种不同的制式。这 些模拟通信体系的制式,频率各不相同,不能 互通、兼容。那些喜欢到邻国旅游的人们,车 一出国门电话就不通了,带来了极大的不便。
2)可编程数字无线电系统(PDR)
对简单参数可编程,允许某种程度的重构,特别 是基带处理过程,但无线电系统的主要功能仍由硬件 定义,特别是发射和接收部分。
3)软件无线电系统(SDR)
将更多的无线电基本功能推延到软件领域,使数 据转换过程更加接近天线,射频硬件获得更大的独立 性。
1992年,MILTRE公司的Joseph Mitola首次明确 提出了软件无线电的概念。其中心思想是: 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 未来,将数字化处理推延到天线端并实现包括天 线在内的所有组件的完全可编程控制。
发 展 历 程 美国作为可编程模块化通信技术开始研究开发 SDR 技术 由 Joe. Mitola 正式提出软件无线电的概念 SPEAKeasy(PHASE I)开发完毕 欧洲电信标准协会(ETSI)举荐 SDR 做通用移动通信系统 (UMTS);IEEE Communications Magazines 出 SR 专辑 美国 FAA 要求研究使用 SDR;组建 SDR 标准化组织模块 化多功能传输系统论坛(MMITS Forum) 由 MMITS 主持第一次 SDR 专题研讨会: 准备策划制定面向 MMITS 的规格;年底更名为软件无线 电论坛(SDRF) 美国完成了 SPEAKeasy(PHASEⅡ)的开发; 开始 IMT-2000 业务。
易通话电台信号处理流程
波形 合成 通信保密 传输 保密 数字信 号处理 高速信号 预处理 频率变换 滤波放大
语音/数 据接口 终端控制 人机接口
天线分系统
时钟分系统
电源分系统
多处理器 分系统
预处理 分系统
波形产生 分系统
终端 控制
IR/FR控制 分系统
高频 分系 统频 率合 成器
信息保密 分系统
1、1991年Joseph Mitola III提出软件无线电概念, 并各到广泛认可。
I coined the term Software Radio in 1991 to signal the shift from hardware intensive digital radios of the 1980's to the multiband multimode software-defined radios of the year 2000 and beyond. Last year, I coined the term Cognitive Radio to refer to that class of software radio that employs model-based reasoning and at least a chess-program level of sophistication in using, planning, and creating radio etiquettes. Cognitive radio is an emerging topic within software radio.
信号 处理
信息 安全
网络 互联
系统 控制
人机 接口
内部互连总线(黑) 用户接口(用于信息安全)
4、JTRS提出的软件通信结构SCA
首先提出SCA的是美军联合战术无线电系统 (JTRS),目的是建立独立于设备的结构框 架。其目标是确保软件和硬件的可移植性和可 配置性,并确保根据SCA开发的产品之间的互 通。之后,软件定义无线电(SDR)论坛也接 受SCA规范,并正在把SCA发展为商业应用的 标准。