第2章-软件无线电的关键技术汇总课件

第2章 软件无线电的关键技术2.1 射频/微波技术2.2 智能天线技术2.3 多输入多输出技术2.4 采样技术2.5 调制解调技术2.6 数字信号处理技术2.7 软件设计技术2.8 信息安全技术2.9 同步技术2.1 射频/微波技术2.1.1 概述软件无线电可以理解为有射频前端的计算机，它可以使用一个单一的无线电前端实现现在多种无线电终端的功能，如图2-1所示。2.1.2 微波“铁三角”微波技术已有几十年的发展历史，现已成为一门比较成熟的学科。随着科学技术的迅猛发展，微波技术的研究向着更高频段毫米波段和亚毫米波段发展。1.微波微波“铁三角铁三角”的概念的概念在微波技术与工程中，频率、阻抗和功率是三大核心指标，故将其称为微波铁三角。它能够形象地反映微波技术与工程的基本内容。2.微波的特点微波的特点微波，之所以作为一个相对独立的学科来加以研究，是因为它具有下列独特的性质：（1）似光性，微波波长非常小,当微波照射到某些物体上时,将产生显著的反射和折射,就和光线的反射、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。（2）穿透性，微波照射于介质物体时,能深入该物体内部的特性称为穿透性。微波是射频波谱中唯一能穿透电离层的电磁波(光波除外)，因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”。毫米波还能穿透等离子体,是远程导弹和航天器重返大气层时实现无线通信和末端制导的重要手段。（3）信息性 2.1.3 射频前端微波电路的经典用途是通信和雷达系统。近年来发展最为迅猛的当数无线通信与移动通信系统。1.微波传输线微波传输线微波传输线，是用以传输微波信息和能量的各种形式的传输系统的总称,它的作用是引导电磁波沿一定方向传输,因此又称为导波系统,其所导引的电磁波被称为导行波。2.传输线方程传输线方程设均匀传输线始端接信号源，终端接负载，如图2-6所示。3.波导波导波导是微波工程中应用最为广泛的传输系统之一。波导通常分为以下两种：（1）矩形波导。矩形波导通常由金属材料制成，截面为矩形，内部为空气，如图2-7所示。其中，a为矩形波导的宽边，b为窄边。4.微波雷达微波雷达微波雷达是射频前端使用微波技术的典型示例。雷达（RADAR）是英文无线电探测与测距（Radio Detection And Ranging）的缩写。在第二次世界大战期间，为迅速发现敌人的飞机和舰船的踪迹，指引飞机或火炮准确地攻击目标，发明了可以进行探测、导航和定位的装置，这就是雷达。2.2 智能天线技术2.2.1 概述天线是无线电系统发射与接收信号的器件。无线通信与移动通信系统的信息传递过程是：（1）在发射端，信号经发射机，调制成导行波能量，经馈线传输到发射天线，通过发射天线，将其转换为某种极化的电磁波能量，并辐射到预定方向。（2）在无线信道中，电波经过一定方式的传播到达接收点。（3）在接收端，接收天线将接收的电波，转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送至接收机输入端。经接收机解调后取出信号，就完成了信息的传送。2.2.2 智能天线原理智能天线技术是基于波束赋形的一种技术。智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同地址码的用户信号区分开来，可最大限度地利用有限的信道资源。1.智能天线的概念智能天线的概念智能天线的概念来源于雷达和声纳系统所采用的阵列天线。它可以通过某种智能算法来合并信号、自动适应不同的信号环境。对于给定的方向，天线增益是可以调整的。智能天线也就是自适应天线。它由多个天线单元组成，构成一个天线阵列。在每个天线后面接一个复数加权器，最后用相加器进行合并输出。所谓智能或者自适应，就是指这些加权器的系数，可以根据一定的智能或者自适应算法更新调整。2.数字智能天线数字智能天线智能天线采用空分多址(SDMA)技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同地址码的用户信号区分开来，可最大限度地利用有限的信道资源。智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数来实现所需的空间滤波。3.智能天线的原理智能天线的原理图2-13为智能天线的原理框图。2.2.3 常用智能天线智能天线通过调整权系数，可以将天线波束对准来波方向。这个过程称为智能天线的波束赋形。智能天线的优良特性，使得它在现代无线通信与移动通信系统中有着广泛的应用。常用智能天线有：1.波束切换智能天线波束切换智能天线波束切换智能天线由多个固定的预约波束构成，这些波束分别指向不同的方向。天线阵列创建一组叠加的波束，主瓣紧密结合成花瓣形状，覆盖了所有方向。波束切换智能天线系统检测并扫描每个波束的输出，从中间选择具有最强接收信号的波束，并根据需要从一个波束切换到另一个波束。2.自适应波束赋形智能天线自适应波束赋形智能天线自适应波束赋形智能天线也称自适应阵列智能天线。这种智能天线一般采用416个天线阵列单元结构，利用数字信号处理技术识别用户信号的到达方向。2.2.4 智能天线应用智能天线的核心是波束赋形技术。它是通信技术、信号处理技术与天线技术的高度结合。随着第三代移动通信系统的广泛使用，智能天线技术得到了应用。1.TD-SCDMA系统中的智能天线系统中的智能天线时分同步码分多址（TD-SCDMA）是基于时分双工（TDD）模式的第三代移动通信标准之一。第三代移动通信系统都采用码分多址（CDMA）制式。自干扰问题是CDMA系统的固有问题。所以，抗干扰技术是CDMA系统所必需的关键技术。智能天线是一种有效的抗干扰方法。2.广播波束赋形广播波束赋形广播波束是智能天线系统的一个重要问题。任何通信系统，都有一定的覆盖范围。在这个范围内的用户，才能进行正常的通信。广播信道赋形问题是指，有一些信道，需要覆盖小区内所有的用户。对于这种信道，无法采用波束赋形来进行发射。2.3 多输入多输出技术多输入多输出技术是为了提高移动通信系统的抗干扰、抗衰落能力而出现的一种新技术。它已经成为移动通信领域的一个研究热点。为了更好的理解多输入多输出技术，我们首先介绍分集接收技术，然后讨论多天线技术，最后引出空时编码技术。2.3.1 分集接收技术1.分集接收的概念分集接收的概念所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。如图2-17所示的一种合并方式-选择式分集合并。2.分集方式分集方式在移动通信系统中可能用到两类分集方式：（1）宏分集。（2）微分集。3.合并方式合并方式在移动通信系统中常用的合并方式分为：(1)选择式合并。选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。如图2-18所示为二重分集选择式合并。2.3.2 多天线技术无线移动信号的一个重要特征是存在衰落。1.多径衰落多径衰落发送到接收机的信号会受到传播环境中地形、地物的影响而产生绕射、反射或散射，因而形成多径传播。多径传播将使接收端的合成信号在幅度、相位和到达时间上发生随机变化，严重地降低接收信号的传输质量，这就是所谓的多径衰落。2.多天线系统多天线系统在移动通信系统中，为抗击多径衰落，若采用多天线系统代替单天线系统，如图2-19所示，则系统的抗衰落性能会有很大提高。3.多输入多输出系统多输入多输出系统图2-20为多输入多输出系统的概念框图。2.3.3 空时编码技术由上一小节可知，无线移动通信系统采用多输入多输出技术，可以有效提高无线系统的抗衰落能力。为了达到较好的分集效果、接近理想的信道容量，空时编码技术是当前的一个主流技术。1.空时编码的基本思想空时编码的基本思想空时编码技术是一种用于多发射天线的技术。空时编码技术的基本思想是：利用编码，在多个发射天线和多个时间周期的发射信号之间，形成空间域和时间域的相关性。2.空时分组编码空时分组编码空时分组编码是一种基于发射/接收分集技术的编码方式。3.分层空时编码分层空时编码分层空时编码是一种基于空分复用技术的空时编码方法。空分复用技术，也叫空间复用技术。它是指在发射端发射相互独立的信号，在接收端采用干扰抑制的方法进行解码。空分复用技术的主要目的是：提高系统的传输速率。4.合并技术合并技术智能天线技术和多输入多输出技术，都属于多天线阵列技术，又可以归类于通信中的合并技术。它们的差异在于：（1）智能天线技术，要求各个天线阵元的信号是相关的，各个阵元信号之间没有相位差异。（2）多输入多输出技术，要求各个阵元信号相互独立，这样，才可以实现多天线的空间分集。2.4 采样技术2.4.1 概述软件无线电的特点是，将系统尽可能多的部分使用数字软件来实现，以提高系统的多频段、多功能性。软件无线电的实现是以数字软件技术为基础的，模拟/数字转换是软件无线电系统非常重要的环节。2.4.2 低通采样低通采样是最基本的采样方式，也叫做：柰奎斯特采样。1.低通采样定理低通采样定理低通采样应该满足低通采样定理 2.低通采样的实现低通采样的实现3.采样的频谱混叠采样的频谱混叠式(2-22)表明，采样信号的频谱，是原模拟信号的频谱沿频率轴每隔重复一次。或者说，采样信号的频谱，是原模拟信号的频谱以为周期，进行周期延拓而成的。4.理想采样理想采样只要满足柰奎斯特采样条件，就可以避免频谱混叠现象，带限信号就可以用其采样值来代替。但是，在实际应用中，完全带限信号是不存在的。若一个信号的高频分量所引入的误差可以忽略，则该信号就可以当作带限信号使用。2.4.3 带通采样带通采样，所需采样速率可以低于信号最高频率的两倍，也称为欠采样。这样，可以解决低通采样要求采样速率过高的问题。1.带通信号带通信号2.带通采样定理带通采样定理3.带通采样与低通采样比较带通采样与低通采样比较带通采样与低通采样比较具有以下特点：（1）带通采样信号与低通采样信号都是周期信号。（2）带通采样速率远小于低通采样速率。（3）带通采样存在混叠现象，即：时域高频的信号经过带通采样以后，成为了低通信号。2.4.4 正交采样带通采样时，由于信号存在正谱和负谱，要求正、负谱形成的分延拓分量之间不能混叠。着对带通采样的使用带来一些限制。为了降低这些限制，可以采用复采样或正交采样。1.采样的思路采样的思路正交采样的基本思路，是对原信号进行Hilbert变换，产生无负谱的复信号的过程，如图2-27所示。2.采样的实现采样的实现正交采样信号在频域，位于中心频率的频谱样本，与位于零频的样本是一样的，而且，这些相继的频谱样本没有混叠。但是，对信号进行Hilbert变换是困难的。在实际应用中，一般采用正交下变换方法实现两路正交信号，如图2-28所示。2.5 调制解调技术调制解调技术是无线通信系统的基本技术之一。在软件无线电系统中，调制解调功能是通过软件来定义或实现的。本节简要讨论调制解调的原理。2.5.1 调制与解调软件无线电的最大特点之一，就是功能的软件化。也就是说，系统功能是通过软件来定义或实现的。2.5.2 模拟信号调制解调模拟信号调制是调制解调技术的基础。限于篇幅，我们只做简单介绍，详细内容，读者可以参考本章末尾的进一步学习的参考书目。1.幅度调制幅度调制幅度调制，就是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律而变化的过程。幅度调制器的一般模型如图 2-29 所示。2.角度调制角度调制一个正弦载波有幅度、频率和相位三个参量，不仅可以用载波的幅度变化调制信号，还可以用载波的频率或相位变化调制信号。使高频载波的频率或相位按调制信号的规律变化而振幅保持恒定的调制方式，称为频率调制（FM）和相位调制(PM)，分别简称为调频和调相。2.5.3 数字信号调制解调与模拟信号调制一样，数字信号也可以通过幅度、频率、相位来进行调制。通常把数字信号幅度调制称为振幅键控、频率调制称为移频键控、相位调制称为移相键控。1.振幅键控振幅键控振幅键控，是指正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控，如图2-38所示。2.移频键控移频键控在二进制数字调制中，若正弦载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化，则产生二进制移频键控信号（2FSK信号），如图2-40所示。3.移相调制移相调制在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控(2PSK)信号，如图2-42所示。4.其它调制方式其它调制方式上述所讲，只是调制与解调的基本方式。目前，在无线通信系统中使用的调制方式主要有：（1）线性调制技术中的正交移相键控（QPSK）。（2）恒包络调制技术中的高斯最小移频键控（GMSK）。（3）线性与恒包络相结合的调制技术中的正交振幅调制（QAM）。（4）扩频调制技术中的直接序列扩频与跳频。（5）自适应编码调制技术中的可变速率自适应格状编码调制（ATCQAM）。（6）多载波调制技术中的正交频分复用调制（OFDM）。2.6 数字信号处理技术2.6.1 概述数字信号处理是软件无线电系统的主要组成部分，数字信号处理由可编程的数字信号处理器件组成，主要包括以下三种：（1）通用处理器（GPP）。（2）数字信号处理器（DSP）。（3）现场可编程门阵列（FPGA）等。2.6.2 模拟/数字变换若要利用数字系统处理模拟信号，需要经过以下三步：（1）把模拟信号数字化，即进行模数转换（ADC）；（2）进行数字方式处理；（3）把数字信号还原为模拟信号，即进行数模转换（DAC）。1.模拟信号数字化方法模拟信号数字化方法模拟信号数字化的方法大致可划分为以下两类：（1）波形编码。（2）参量编码。2.波形编码方法波形编码方法波形编码的主要过程为：（1）抽样。（2）量化。（3）编码。3.脉冲编码调制脉冲编码调制脉冲编码调制是一种最典型的语音信号数字化的波形编码方式，其系统原理框图如图 2-47 所示。2.6.3 多速率信号处理带通采样定理是模拟/数字变换的基本理论。带通采样定理的应用，大大降低了所需的射频采样速率。1.背景原因背景原因在窄带滤波器的配合下，使用几个有限的采样频率，就可以实现对整个工作频带内的射频信号的直接采样数字化。然后，就可以使用信号处理算法完成对各种类型、各种调制方式信号的解调、处理功能。2.实现方法实现方法多速率信号处理技术为这种降速处理的实现提供了理论依据。多速率信号处理的主要方法有：（1）整数倍抽取。（2）整数倍内插。（3）分数倍变换。2.6.4 高效数字滤波数字滤波器是信号处理的关键部件。常用数字滤波器分为以下两种：（1）无限冲激响应滤波器IIR。（2）有限冲激响应滤波器FIR。1.窗函数设计窗函数设计对于FIR滤波器来说，设计方法的关键要求之一就是保证线性相位条件。窗函数设计法，就是利用窗函数从序列截取出窗口看到的一部分。2.时频信号分析时频信号分析对于统计量不随时间变化的平稳信号，通常信号分析要么在时域，要么在频域展开。软件无线电涉及的许多信号是非平稳信号，可以采用时频信号分析-同时使用时间和频率描述信号。典型的信号时频表示：（1）短时Fourier变换。（2）Wigner-Ville时频分布。（3）小波变换。（4）Gabor变换。（5）Hilbert变换。2.6.5 数字信号正交变换1.定义定义对数字信号的正交变换，即正交多分辨分析是这样一种多分辨分析：2.6.6 自适应数字滤波自适应滤波器，是一类结构和参数可以改变、或者调整的递推估计器。1.概念概念自适应滤波器在输入信号的统计特性未知时，或者输入信号的统计特性发生变换时，可以自动调整自己的参数，以满足某种最佳准则的要求。2.6.7 盲信号处理盲信号处理，是目前信号处理中最热门的新兴学科之一。1.盲信号处理的概念盲信号处理的概念简单的说，盲信号处理问题可以表述为：当传输信道特性未知时，从一个传感器阵列、或者转换器的输出信号中，分离或者估计源信号波形的信号处理过程。盲的含义在于以下方面：（1）源信号波形未知。（2）源信号混合方式未知。2.7 软件设计技术2.7.1 概述软件无线电，就是无线通信世界中的个人计算机。软件无线电系统，就是专门用于通信的计算机系统。软件无线电采用可编程的数字器件，去实现信号处理，无线通信设备可以利用有效的软件方式进行升级。因此，软件设计技术是软件无线电的灵魂。2.7.2 软件设计原理为了有效设计性能优良的软件，需要采用工程的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件，把经过时间考验证明正确的管理技术和当前最好的技术方法结合起来，着就是软件工程。问题定义可行性研究需求分析总体设计详细设计综合测试2.7.3 软件设计算法在软件无线电中，软件设计思想分别面向过程和面向对象。1.面向过程的软件设计方法面向过程的软件设计方法面向过程的软件设计方法，就是传统的结构化程序设计方法：（1）模块化。（2）自顶向下。（3）逐步细化。2.面向对象的软件设计方法面向对象的软件设计方法面向对象的软家设计方法，编程的基本单元是对象：类。面向对象的设计方法步骤如下：（1）设计一个类。（2）由这个类产生一个对象。（3）对这个对象进行相关操作。2.7.4 软件设计语言在软件无线电中，实现软件功能的变成语言主要有：（1）汇编语言。（2）高级软件语言。（3）硬件描述语言。2.8 信息安全技术2.8.1 概述信息是与物质、能源同样重要的战略资源，是衡量一个国家综合国力的重要参数。信息安全与国家安全息息相关。信息的地位随着通信技术的快速发展而急剧上升，信息安全问题也因此日益突出。现代战争首先是信息战，如图2-52所示。信息安全是赢得战争胜利的基础。2.8.2 信息加密原理信息安全定义为：一个国家的社会信息化状态不受外来威胁或侵害，一个国家的信息技术体系不受外来威胁与侵害。1.信息安全的属性信息安全的属性信息安全具有以下五个基本属性：2.信息加密信息加密在数字通信系统中，描述系统性能的三个主要指标是：（1）有效性。（2）可靠性。（3）安全性。为了提高系统性能，采用的三种编码方法是：（1）信源编码。（2）纠错编码。（3）加密编码。2.加密原理加密原理密码学的基本原理是信息变换，使未授权的用户不能获得或理解信息的真实含义。所谓信息变换，就是对数据或信息进行一组数学函数运算。图2-53为密钥加/解密系统模型示意图。原始数据称为明文，经过变换的数据称为密文，变换过程称为加密，实施与加密变换相反的变换称为解密。加密和解密分别在加密密钥和解密密钥控制下进行。2.8.3 信息加密算法一个密码系统，通常简称为密码体制，由五元组构成密码体制模型，如图2-54所示。2.9 同步技术2.9.1 概述所谓同步，就是指收发双方在时间上步调一致，故又称定时。在数字通信系统中，按照同步的功用分为：（1）载波同步。（2）位同步。（3）群同步。（4）网同步。2.9.2 载波同步技术载波同步是指在相干解调时，在接收端，需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取，称为载波提取或载波同步。要想实现相干解调，必须有相干载波。因此，载波同步是实现相干解调的先决条件。2.9.3 位同步技术位同步，又称码元同步。在数字通信系统中，任何消息都是通过一连串码元序列传送的，所以，在接收时需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻进行取样判决。2.9.4 帧同步技术群同步包含字同步、句同步、分路同步，它有时也称帧同步。在数字通信中，信息流是用若干码元组成一个“字”，又用若干个“字”组成“句”。在接收这些数字信息时，必须知道这些“字”、“句”的起止时刻，否则，接收端无法正确恢复信息。2.9.5 同步算法在获得了以上讨论的载波同步、位同步、群同步之后，两点间的数字通信就可以有序、准确、可靠地进行了。然而，随着数字通信的发展，尤其是计算机通信的发展，多个用户之间的通信和数据交换，构成了数字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之间可靠地通信和数据交换，全网必须有一个统一的时间标准时钟，这就是网同步的问题。2.10 本章小结软件无线电是一种新型的无线电体系结构，它通过硬件与软件的结合使无线电网络和用户终端具有可重配置能力。软件无线电涉及许多专门技术和相关技术。如：软件设计技术、宽频带天线技术、多频段射频技术、电磁兼容技术、材料技术、保密技术等等。2.11 为进一步深入学习推荐的参考书目为了进一步深入学习本章有关内容，向读者推荐以下参考书目：1、张贤达，现代信号处理（第二版），北京：清华大学出版社，2002。2、V.Prasad Kodali，工程电磁兼容 原理、测试、技术工艺及计算机模型，北京：人民邮电出版社，2006。3、吴兴国等，高等数字信号处理，北京：机械工业出版社，2009。4、蔡跃明等，现代移动通信，北京：机械工业出版社，2010。5、Hamid Hammati，深空光通信，北京：清华大学出版社，2009。6、李建东等，移动通信（第四版），西安：西安电子科技大学出版社，2006。7、王华奎等，移动通信原理与技术，北京：清华大学出版社，2009。8、魏崇毓等，无线通信基础及应用，西安：西安电子科技大学出版社，2009。习题二1、什么是射频与微波？2、智能天线的特点是什么？3、多输入多输出系统如何工作的？4、移动通信中使用的主要调制方式有哪些？5、常用的同步方式有哪些？6、简述常用采样方式的特点。7、简述现代数字信号处理技术的主要特点。8、常用的信息安全技术有哪些？9、软件无线电系统设计中使用的主要软件设计语言有哪些？10、上网查阅最新的软件无线电的进展。11、上网查阅最新的软件无线电系统中使用的新技术。