水上无线电通信系统和技术发展

总结
• 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平 台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于 硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。 • 功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电 路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽 量靠近天线。 • 软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件 更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准 的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和 扩展。
实时、准实时 处理软件
DSP
数据
传真
宽带 A/D_D/A 转换器
射频前端 模块
软件无线电的分类
短波软件无线电根据实现方式,可分为以下三种结构： 射频全频段数字化采样 中频数字化采样结构 虚拟无线电结构。
基于采样方式的不同，还可以分为： 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
软件无线电的实现
软件无线电（softwareradio）在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的 软件方法实现所需要的无线电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可 软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编 程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。
软件无线电的发展历程
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 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。
宽带射频模块
宽带射频前端要求器件有较宽的频率范围，主要完成低噪声 放大、滤波、混频、自动增益控制（AGC）以及输出功率放大等 功能。
模数转换部分
• 在软件无线电通信系统中，要达到尽 可能多的以数字形式处理无线信号，必须 把A／D转换尽可能地向天线端推移，这样 就对A/D转换器的性能提出了更高的要求。 • 为保证抽样后的信号保持原信号的信 息，A/D转换要满足Nyquist抽样准则，而 在实际应用中，为保证系统更好的性能， 通常抽样率为带宽的2.5倍。由于短波通信 的频率变化范围较大，对采样频率、位数 及动态范围也提出了较高的要求，对此可 采用并行A/D转换技术。高速采样保持电路 的时间精度可达纳秒级，通过串/并转换将 量化速度降低，提高采样分辨率，这样用 多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。
1. 软件无线电并不是不要硬件，而是把硬件作为一个基本平台； 2. 软件无线电与软件控制的数字无线电有本质区别； 3. 软件无线电是一种开放的体系结构。 软件无线电最突出的特点是： （1）软件无线电具有完全可编程特性，包括可编程的无线波段、 信道接入方式、信道调制、数据速率等，通过软件提供信令与 控制、操作和管理以及维护功能。 （2）A/D和D/A尽可能地向RF靠近，以便充分利用DSP器件的 速度和软件资源，尽量通过软件编程完成从信源基带直至射频 的波形变换和相关处理。 • 软件无线电的两大优点是其具有灵活性和集中性。
开放式的模块结构
•
软件无线电的一个重要特点就是其优良的开放性，这主要 体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线结构，只有采用 先进的标准化总线，软件无线电才能发挥其适应性广、升级换 代方便等特点。现有软件无线电研究和试验系统中采用双总线 结构，即：控制总线和高速数据总线。控制总线结构，如VME 总线、PCI总线等。
SWR就是宽带模数及数模转换（A/D及D/A）、大量专用/通用处理器、数字信号 处理器（DigitalSignalProicesser，DSP）构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。 在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组 合成无线电系统。 可实现的软件无线电，称做软件定义的无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。 SDR被认为仅具有中频可编程数字接入能力。 电话 图像 窄带 A/D_D/A 转换器
中频数字化采样结构
• 中频采样是将射频信号预处理后，模拟变频到中频进行A/D采样， 采样后的数据被送入DSP，在DSP中进行数字下变频和数字解 调处理。这种结构的软件无线电与中频数字化接收机的结构是 类似的,均采用了多次混频体制。但是软件无线电的中频带宽较 宽，且一次混频后的变频均在DSP中实现，所有调制解调等功 能均由软件来实现，比普通超外差中频数字化接收机更灵活， 功能更强。尽管和理想的软件无线电有一定差距，这已是短波 软件无线电的最佳选择。
• 无线电信号的四域特性：时、空、频、码 ，认知无线电同时从四 域感知频谱空洞，并动态的和自主的调节自身参数。
Speakeasy（易通话）系统
MBMMR电台的组成
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 路 由 器 GPS
wk.baidu.com
控制
控制 处理器
参考 时钟
蜂窝电话
外部接口
人机 接口
关于软件无线电的认识需要说明的地方
认知无线电CR（Cognitive Radio）技术 • 核心：频谱准入政策允许授权频段在闲置时被其他业务用户接 入——动态频谱分配政策。
认知无线电简介
• 认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置 为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境 中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波 频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统 计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异 构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。 • 认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing） 和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。
软件无线电简介
完整的软件无线电概念和结构体系是由美国MILTR 公司的Jeo Mitola于1992年5月首次明确提出的。其 基本思想是：将宽带A/D变换尽可能地靠近射频天线， 即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，最大程度 地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的 算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能 够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算 法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的 其它电台通信，还能在两种不同的电台系统间充当 “无线电网关”，使两者能够互通互连。这样就解决 了由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的 困难。
软件无线电技术研究
软件无线电研究的6个关键技术： (1)宽带/多频段天线 (2)宽带射频模块 (3)模数转换部分 (4)高速并行DSP技术 (5)开放式模块结构 (6)软件协议和标准
宽带/多频带天线 • 研究最佳多频段天线的主要障碍是当两个频率的频谱十分 靠近时，不能设计出同时在两个频率上工作的多频段天线。 软件无线电台的一个商业应用是移动通信中基站采用 的“智能天线”。 智能天线也叫自适应阵列天线它由天线阵、波束形成 网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的 算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位。从而调节天线 阵列的方向图形状，达到增强所需信号抑制干扰信号的目 的。
认知无线电
认知无线电（CR）：认知无线电的核心思想就是使无线通信设
备具有发现“频谱空洞”并合理利用所发现的“空洞”的能力。
频谱感知（无线电监测） “获取周围的工作和地理环境信息已建立的通信策略及其内部状态” 动态频谱管理
分配和选择合适的工作参数和协议
软件无线电（SDR） “动态的和自主的调整工作参数和协议来实现预定的目标”
高速并行DSP技术
可编程DSP模块主要由DSP、FPGA(现场可编程门阵列)、FIR 专用芯片组、存储器、I/O接口组成。按照不同的数据处理流程 可将DSP模块的功能分为：与终端的数据交换、自适应调制解调、 信道环境分析和管理、SSB调制解调、频率变换等。DSP是软件 无线电的核心部件，但单个DSP的处理速度也是现阶段一个主要 的瓶颈。当单个DSP处理能力不足时，可采用多个DSP芯片的并 行来提高运算能力，如Quad－40CMCM处理器包括4片TMS320C40 处理器、5MB内存，已用于多频段多模式军用电台。
认知无线电
• 我国的频谱分配政策 • 固定频谱管理方式：即国家将频谱资源分配给不同的无线电部 门和相应的无线接入技术。
优点：有利于网络规划、运营、维护、管理，并且能够避免系统间 的干扰
缺点：频谱资源的利用呈现出高度的不均衡性。那些利用率较低的 频谱资源存在着动态、大小不一、零散等特征
认知无线电
• 1999年Joseph Mitola 提出了
国际电联会议的议程和参考文件中我们值得关注的部分
• h) 没有补充手段可能无法发现仅供接收的用量； • i) 一些研究表明，拥有帮助确定本地频谱用量（如无线或有线 数据或有线要求其它网络的接入）是有用的； • j) 某些研究表明，可能需要带宽低于50 kHz的全球统一认知支 持导频信道；而其它一些研究表明，可用的数据库可以支持接 入和连接，因此也支持这些系统的使用， • 做出决议，请ITU-R • 1 研究是否需要采取与认知无线电系统技术应用相关的规则措 施； • 2 研究是否需要采取与软件无线电应用相关的规则措施；进一 步做出决议 • 由2011年世界无线电通信大会（WRC-11）考虑这些研究成果并 采取适当的行动。
海上无线电通信
系统和技术发展
国际电联
• 国际电信联盟 （International Telecommunications Union） 国际电信联盟是联合国的一个专门机构，也是联合国机构 中历史最长的一个国际组织。简称“国际电联”，“电联”或 “ITU”。国际电联是主管信息通信技术事务的联合国机构。作 为世界范围内联系各国政府和私营部门的纽带，国际电联通过 其麾下的无线电通信、标准化和电信发展展览活动，而且是信 息社会世界高峰会议的主办机构。国际电联总部设于瑞士日内 瓦，其成员包括191个成员国和700多个部门成员及部门准成员。 每年的5月17日是世界电信日(World Telecommunication Day)。
国际电联会议的议程和参考文件中我们值得关注的部分
• 第956号决议： 有利于引入软件无线电和认知无线电 系统的规则措施及其相关性（WRC-07）
• a) 预计认知无线电和自我配置网络将总体提高频谱使用的灵活性和效率； • b) ITU-R已开始研究此类先进的无线电技术及其功能、关键技术特性、要求、 性能和益处（ITU-R第241/8号课题）； • c) 研究表明，使用认知控制机制的软件无线电是一种改善频谱使用、对频谱 进行动态管理和灵活使用频谱的方法（ITU-R M.2064报告）； • d) 目前正在就认知无线电系统及相关的网络配置（如自我配置网）进行大量 研发工作； • e) 认知无线电系统可以涵盖无线电接入技术（RAT）； • f) 认知无线电系统包括不同网络拓扑的自我配置网，它们能够根据本地可用 频谱设定自身的频谱用量； • g) 在移动终端可达的频率覆盖范围内没有任何有关其它RAT位置和特性的信 息，因此有必要扫描整个调谐范围以发现本地频谱用量，而这是极其耗能费 时的工作；