软件无线电

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什么是软件无线电

  软件无线电是JoeMitola于1991年提出的一种无线通信新概念,指的是一种可重新编程或者可重构的无线电系统,也就是说,无线电在其系统硬件不需变更的情况下,可根据不同的需要通过软件加载来完成不同的功能。软件无线电概念的提出立马得到了通信雷达、电子战、导航、测控、卫星载荷及民用广播电视等整个无线电工程领域的广泛关注,成为无线电工程领域具有广泛适用性的现代方法。

软件无线电的关键技术

  1.多频段、多波束无线与宽带RF信号处理

  软件无线电的工作频率范围应尽可能地覆盖2—2000MHz。天线应该能覆盖1O倍频程,实现起来有两种方法可供选择:对于每个系统和波段使用单独的天线;采用多模式天线。此外,要求能高质量、低成本地接收到大范围的射频信号,需要在射频进行数字化处理。就目前的硬件性能而言,在射频实行数字化处理还无法实现,故将数字化处理设在中频。射频放大器的线性的实现也是需要解决的问题。

  2.宽带A/D变换

  软件无线电结构的基本特征之一就是使A/D变换尽量靠近射频端,目前的方案是在中频对模拟信号进行数字化,中频信号的带宽通常在十几兆赫到几十兆赫,这种数字化有别于一般工程中的模数变换,要求具有相当高的抽样频率、位数和一定的动态范围。依据抽样定理,A/D变换器的抽样频率应大于2倍被抽样信号的带宽。在实际中,由于A/D变换器件的非线性、量化噪声、失真及接收机噪声等因素的影响,一般选取2.5倍。位数的选取需要满足一定的动态范围及数字部分处理精度的要求。就目前器件水平而言,要实现几十兆赫的带宽,必须采取多个A和D/A器件并联使用。

  如前所述,软件无线电需要宽带、高频、高精度、高抽样频率、高动态范围的模数变换。由于芯片技术所限,目前还不能实现RF数字化,而把数字化点放在中频未端。一般情况下,精度较高的A/D变换器,其抽样频率最大值相对较低。像ANALOG设备公司生产的AD9042产品,其l2位抽样频率最高可达到50MHz,如输入一个20MHz的信号,则寄生自由动态范围(SFDR)最高达到80dB。

  3.高速数字信号处理

  高速数字信号处理(DSP)部分主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编码解码等工作。如有跳频或扩频,还需要完成解扩和部分解跳处理。考虑到扩频信号的扩频,解扩是相对独立的部分,采用可编程的专用芯片来完成,同时电能保持软件无线电系统的结构通用性和良好的适应性。

  由于DSP技术发展非常快,因此,上述各项功能目前均可由DSP模块来完成,经宽带A/I)变换后的数据流速率高达几十至上百兆比每秒,对数字中频信号进行滤波、变频等处理需要几百甚至上千兆次运算每秒的运算资源和几十至几百兆比每秒的I/O速度。目前必须采用高速并行的DSP多处理器模块或专用集成电路,才能达到要求。

  可编程DSP模块主要由DSP、FPGA、FIR专用芯片、存储器、哟接口组成,按照不同的数据处理流程可将DSP模块的功能划分为:与终端的数据交换、自适应调制解调、信道环境分析和管理、自适应频率估计选择和校正、SSB调制解调、频率交换等。可编程DSP模块的关键是DSP芯片的选择。

软件无线电的体系结构

  软件无线电在设计理念和结构体系上和传统的无线电系统有着明显的不同。软件无线电则采用了硬件平台与软件平台结合的全新体系结构,通过硬件平台来对软件进行编程和管理以实现通信功能。

  (1)功能模型与功能接口。软件无线根据不同的功能模型可分为多个不同的部分,主要包括信道集、信道编,译码、信息安全、服务与网络支持、信源编译和信源集。信道集包括RF信道、多波段传播、有线互操作性及为了控制服务质量自动采用多信道模式。

  软线无线电的接口示于各个功能模型之间,主要包括:RF波形接口,与之相对的是IF接口,信号被滤波及变换为IF波形进行处理。保护比特就是加密比特,明比特就是非加密比特。网络比特要符合网络协议要求,源比特适用于解码器。这些接口组成了软件无线电的接口系统,形成了信源到信道之间的信号的传输和控制。

  (2)软件分层结构。在软件无线电的分层结构中,通过层可把无线电的功能实体分为接口层、配置层和处理层三层。这三层结构都建立在流处理的机制上。接口层主要控制各种信息资源的输入与输出,是无线电平台硬件与外部信息资源的接口。配置层主要负责存储硬件平台的二进制存储信息,并接收接口层输入的各种信息包,在信息报内加上配制信息,然后发送给处理层。处理层主要负责对配置层信息的接收,并对其中的数据信息进行分析处理,由处理模块的可重构模块组成。

  (3)硬件平台。平台模块化是软件无线电的重要特征之一,它是由多种功能各异的硬件模块和软模块按照一定的结构构成的。软件无线电的多功能硬件模块主要有:1)宽带较大的多频段天线模块;2)射频信号(RF)处理模块;3)模拟信号、数字信号转换模块;4)数字信号处理模块;5)平台控制模块与接口。在对软件无线电的硬件平台构建时必须遵循开放性、扩展性、即插即用性等原则,并且要具有对信号的并行处理机制。软件无线电的主要硬件平台结构包括:流水式结构、总线式结构、交换式结构等。

软件无线电的应用

  (1)在现在通信系统中的应用3G通信是当今通讯系统中最为准确的通讯系统,它的完善性和规范性使之成为现今最常用的通讯系统,有着浓重的商业化。但是3G通信依然存在很大漏洞。全球化信息化的现代通信,存在非常大的局限性,各国并没有消除相互之间的差异性,缺乏通讯系统之间统一的综合标准。因此要使3G通讯完全达到全覆盖全地区使用还需技术的进一步发展。技术的进一步发展可以分为两类:宽带连接,分布网络。它的作用是在多个无线接收频道中可以随意实现信递、接收、定位以及跟踪,为通讯系统的发展、未来信息覆盖提供便利。特点具有高效性、安全性及灵活多变性。

  软件无线电的另一大特点就是它强大的适应多变性,可以运用于不同系统软件的需要,可以与任意接收器为基础做出相应适用性变化。不仅方便于今后系统开发,更为其提供了良好平台,减少不必要的麻烦作为现在信息通讯系统的核心存在,软件无线电技术必将在今后被广泛运用。

  (2)用于卫星控制平台。软件无线电技术正日益广泛地应用于现代通信的各个领域。随着A/D/A器件与DsP处理器的迅速发展,使得软件无线电技术广泛地应用于陆上移动通信、卫星移动通信与全球定位系统等。用软件无线电技术实现卫星控制平台包括软件无线电通用平台的DsP技术和DSP实现信号调制和解调。其中软件无线电通用平台的DSP技术又包括TMS320C6701DSP芯片,DSP技术在软件平台中的应用,调制器与解调器。DSP实现信号调制和解调又包括信号调制,信号解调。

  软件无线电通用测控平台是卫星测控平台发展的方向,可以很好地解决原来平台开发成本高、周期长、通用性差的问题。以新一代DsP芯片TMs32oc6oo为软件无线电平台的核心,可以很好地满足需要,且有较大的冗余度,利用升级。

软件无线电在通信系统中的优势

  理想的软件无线电系统可以有效减少模拟处理的环节,接收端的天线在接受信号之后,通过调制和变频程序即可进行编码,整个通信过程使用与无线电工程中的任何领域,具有广泛的应用优势,相比于其他类型的无线电通信技术,应用于通信系统中的软件无线电具有以下显著的优势:

  (一)实现通信系统的功能模块化

  功能模块化是软件无线电技术的设计理念,对通信系统的各个功能进行系统化的模块设计,可以方便对整个通信系统进行管理,应用软件无线电技术的整个通信系统硬件平台实行统一标准,并且遵循开放性的设计原则,在需要对系统进行维护或者性能提升时,可以通过单独模块的更换实现,减轻了通信人员的工作压力,也降低了通信系统建设的投资。

  (二)有利于通信系统的灵活重构

  软件无线电技术是全面数字化的系统,整个系统的工作重点是以数字化的处理方式对天线周围多频段的信息进行处理,软件化的功能增强了通信系统的灵活性。在通信技术曰新月异的当今时代,通信技术和通信设备在不断更新,软件无线电系统的宽频处理方式依托于原有的硬件设备,具有极强的兼容性,以功能性的软件实现对信息的编程,有助于通信系统的灵活重构。

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