软件无线电的原理与应用课件

1软件无线电的原理与应用软件无线电的原理与应用Principles and Applications for Software-Defined Radio(SDR)主讲：主讲：曹运合曹运合 杨明磊杨明磊 单位：单位：雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室办公室：办公室：科技楼科技楼18层层1815室室Tel:88201031-8806Email:cyh_ 1软件无线电的原理与应用软件无线电的原理与应用Principles and Ap2教学目标教学目标：n掌握掌握软件无线电软件无线电的基本概念、基本理论、的基本概念、基本理论、数学模型、工程实现、应用设计方法数学模型、工程实现、应用设计方法n了解了解软件无线电软件无线电发展的新动向发展的新动向2教学目标：掌握软件无线电的基本概念、基本理论、数学模型、工教学目标：掌握软件无线电的基本概念、基本理论、数学模型、工3教学内容教学内容：第一章第一章 绪绪 论论 软件无线电的提出、发展概况软件无线电的提出、发展概况第二章第二章 软件无线电软件无线电的基本理论的基本理论采样定理、多速率信号处理、高效数字滤波、正交变换采样定理、多速率信号处理、高效数字滤波、正交变换第三章第三章软件无线电软件无线电的数学模型的数学模型 第四章第四章软件无线电软件无线电的硬件平台设计的硬件平台设计3教学内容：第一章教学内容：第一章 绪绪 论论4第五章第五章 软件无线电软件无线电的的信号处理算法信号处理算法第六章第六章 基于基于软件无线电软件无线电的智能天线的智能天线第七章第七章 软件无线电软件无线电的应用的应用4第五章第五章 软件无线电的信号处理算法软件无线电的信号处理算法5参考书目参考书目：n软件无线电原理与应用软件无线电原理与应用 杨小牛，楼才义，徐建良杨小牛，楼才义，徐建良 电子工业出版社电子工业出版社nSoftware Radio TechnologiesJoseph Mitola III,Zoran Zvonar5参考书目：软件无线电原理与应用参考书目：软件无线电原理与应用6教学安排与考核方式教学安排与考核方式n教学安排：教学安排：n 主讲主讲1416次（次（46课时）课时）n考核方式考核方式：n 大作业（理论分析大作业（理论分析+仿真）仿真）6教学安排与考核方式教学安排：教学安排与考核方式教学安排：7第一章第一章 绪绪 论论n教学内容：教学内容：软件无线电的软件无线电的基本概念基本概念 发展概况发展概况 关键技术关键技术7第一章第一章 绪绪 论教学内容：论教学内容：81.1 1.1 SDR SDR 概念的由来概念的由来n软件无线电：软件无线电：Software Radio Software Radio 或或 Software-Defined RadioSoftware-Defined Radion所谓软件无线电，是指构造一个具有标准化、模块化、开放所谓软件无线电，是指构造一个具有标准化、模块化、开放性的硬件平台，将各种功能用软件来完成，同时使宽带性的硬件平台，将各种功能用软件来完成，同时使宽带A/DA/D转转换器尽可能靠近天线，以充分实现数字化，提高可编程性。换器尽可能靠近天线，以充分实现数字化，提高可编程性。81.1 SDR 概念的由来软件无线电：概念的由来软件无线电：91.1.SDRSDR提出的背景提出的背景n起源于军事通信起源于军事通信 军用电台面临的问题军用电台面临的问题:各军兵种之间使用不同的通各军兵种之间使用不同的通信体制，互不兼容，功能单一，而且频带拥挤，大量信体制，互不兼容，功能单一，而且频带拥挤，大量“非标准非标准”的标准在同时使用。的标准在同时使用。91.SDR提出的背景起源于军事通信提出的背景起源于军事通信10n为了保证不同设备的互通性，使各军兵种之间实现为了保证不同设备的互通性，使各军兵种之间实现高效、可靠的协同通信美国军方开展了研制三军高效、可靠的协同通信美国军方开展了研制三军通用软件无线电台的工作，其目标是研制一种通用软件无线电台的工作，其目标是研制一种 可以包容很宽的无线频带可以包容很宽的无线频带 可以接收多种信道调制方式可以接收多种信道调制方式 具有很强具有很强“可互操作性可互操作性”的无线电台。的无线电台。10为了保证不同设备的互通性，使各军兵种之间实现高效、可靠的为了保证不同设备的互通性，使各军兵种之间实现高效、可靠的11n19921992年年5 5月，在美国电信系统会议上月，在美国电信系统会议上MITREMITRE公司的公司的Joe Mitola首次明确提出首次明确提出了软件无线电的概念。了软件无线电的概念。111992年年5月，在美国电信系统会议上月，在美国电信系统会议上MITRE公司的公司的Jo122.2.SDRSDR的中心思想的中心思想n将将A AD DA A尽可能靠近天线尽可能靠近天线n用软件来完成尽可能多的无线电功能用软件来完成尽可能多的无线电功能 注意：软件无线电并不是不要硬件，而是把硬件作为注意：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。这个平台具有两个特点：模块化、标一个基本平台。这个平台具有两个特点：模块化、标准化；以总线方式连接。准化；以总线方式连接。122.SDR的中心思想将的中心思想将ADA尽可能靠近天线尽可能靠近天线13n软件无线电的最终软件无线电的最终目的目的就是要使通信系就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚，通过软件统摆脱硬件系统结构的束缚，通过软件实现各种功能。实现各种功能。1314n软件无线电是一种开放的体系结构。这种开软件无线电是一种开放的体系结构。这种开放性包含：对放性包含：对使用使用的开放性、对的开放性、对生产生产的开放的开放性和对性和对研制研制的开放性。的开放性。这三个开放性将同时给用户、厂家和科研部这三个开放性将同时给用户、厂家和科研部门带来好处。门带来好处。14软件无线电是一种开放的体系结构。这种开放性包含：对使用的软件无线电是一种开放的体系结构。这种开放性包含：对使用的153.3.SDRSDR的主要特点的主要特点n具有很强的灵活性具有很强的灵活性 通过增加软件模块实现新的功能通过增加软件模块实现新的功能n具有很强的开放性具有很强的开放性 采用标准化、模块化结构采用标准化、模块化结构 硬件可以扩展或更新硬件可以扩展或更新 软件可以升级软件可以升级153.SDR的主要特点具有很强的灵活性的主要特点具有很强的灵活性164.4.软件无线电的基本思想软件无线电的基本思想 由于软件无线电的基本思想之一就是力图从通由于软件无线电的基本思想之一就是力图从通信系统的基带信号直至中频、射频段进行数字化处信系统的基带信号直至中频、射频段进行数字化处理，因此，它是一种比目前任何一个数字通信系统理，因此，它是一种比目前任何一个数字通信系统的数字化程度都要高得多的全数字化通信系统。的数字化程度都要高得多的全数字化通信系统。1 1完全数字化完全数字化164.软件无线电的基本思想软件无线电的基本思想 由于软件无线电的基本思想之由于软件无线电的基本思想之17 软件无线电通过一种通用的硬件平台，将通信软件无线电通过一种通用的硬件平台，将通信的各种的各种功能功能实现完全由相应软件运行来完成。实现完全由相应软件运行来完成。可编程的射频与中频信号处理；可编程的射频与中频信号处理；宽频段内的可编程的信道调制方式；宽频段内的可编程的信道调制方式；可编程的信道解调方式、信源编码、解码方式等等。可编程的信道解调方式、信源编码、解码方式等等。2 2完全的可编程性完全的可编程性17 软件无线电通过一种通用的硬件平台，将通信的各种功能实软件无线电通过一种通用的硬件平台，将通信的各种功能实183 3系统功能的可扩充性系统功能的可扩充性 由于软件无线电通信系统的功能更多体现在软件上，因此，由于软件无线电通信系统的功能更多体现在软件上，因此，系统的升级只需改变相应的软件系统的升级只需改变相应的软件，即对软件的升级即可。显然，即对软件的升级即可。显然，它比以往对硬件电路的设计与改进更加快捷。通过软件工具可它比以往对硬件电路的设计与改进更加快捷。通过软件工具可扩展通信系统业务、分析无线通信环境、定义所需扩展增强的扩展通信系统业务、分析无线通信环境、定义所需扩展增强的各项通信业务。各项通信业务。183系统功能的可扩充性系统功能的可扩充性194 4系统便于实现模块化系统便于实现模块化 利用软件无线电的基本思想，对现行的通信系统均利用软件无线电的基本思想，对现行的通信系统均可实行模块化设计，模块的物理及电气接口性能指标可实行模块化设计，模块的物理及电气接口性能指标符合统一、开放的标准。通过更换单一模块，可以维符合统一、开放的标准。通过更换单一模块，可以维护或提高系统的性能，也便于系统间复用。护或提高系统的性能，也便于系统间复用。194系统便于实现模块化系统便于实现模块化 利用软件无线电的基本思想，利用软件无线电的基本思想，20 一方面一方面SDRSDR符合军事上三军协同快速通信的需要；另一方符合军事上三军协同快速通信的需要；另一方面在民用领域，由于它可以通过软件编程，保持一种硬件平面在民用领域，由于它可以通过软件编程，保持一种硬件平台结构的通用性，所以在移动通信领域内，可以对不同体制台结构的通用性，所以在移动通信领域内，可以对不同体制进行综合兼容。因此，软件无线电思想及技木的提出与实现进行综合兼容。因此，软件无线电思想及技木的提出与实现是非常必要的。是非常必要的。20 一方面一方面SDR符合军事上三军协同快速通信的需要；另符合军事上三军协同快速通信的需要；另211.2 1.2 SDRSDR的发展概况与应用的发展概况与应用 为克服美军常规作战中通信方面存在的问题，为克服美军常规作战中通信方面存在的问题，加速高技术的应用，美国国会于加速高技术的应用，美国国会于19871987年制定了年制定了平衡技术倡议平衡技术倡议(BTI)BTI)。1990 1990年年8 8月美国国防部与月美国国防部与HazeltineHazeltine公司签订公司签订了了430430万美元的合同，开始研制万美元的合同，开始研制SPeakeasySPeakeasy软件软件无线电系统的第一阶段工作。无线电系统的第一阶段工作。211.2 SDR的发展概况与应用的发展概况与应用 为克服美军常规作战中为克服美军常规作战中22 19941994年年8 8月，月，Speakeasy ISpeakeasy I型样机研制成功并进型样机研制成功并进行了技术演示，其演示了以下功能：分别与行了技术演示，其演示了以下功能：分别与4 4种不同的电台通信；同时向两种不同的电台通种不同的电台通信；同时向两种不同的电台通信作为网桥网关，连接两个不同的、相互独立信作为网桥网关，连接两个不同的、相互独立的、具有不同信号形式的无线网，使信号能透的、具有不同信号形式的无线网，使信号能透明地传输明地传输;演示包括传输话音和数据。演示包括传输话音和数据。22 1994年年8月，月，Speakeasy I型样机研制成型样机研制成23 19951995年美军启动年美军启动SpeakeasySpeakeasy二期工程，目标是完成二期工程，目标是完成一个实用系统，能兼容美军的一个实用系统，能兼容美军的1515种电台，并能够同种电台，并能够同时与其中任意时与其中任意4 4种电台通信。系统的目标是实现一种电台通信。系统的目标是实现一个波形可编程、多频段、多模式电台。个波形可编程、多频段、多模式电台。SpeakeasySpeakeasy多频段多模式电台较完整地体现了软件无线电的设多频段多模式电台较完整地体现了软件无线电的设计思想。计思想。23 1995年美军启动年美军启动Speakeasy二期工程，目标是二期工程，目标是24 实现各种军用电台的互联互通的多功能无线网关；实现各种军用电台的互联互通的多功能无线网关；接入各种军用移动通信网的多功能车载电台接入各种军用移动通信网的多功能车载电台;实现各种军用无线系统空中转信的多功能空中平台；实现各种军用无线系统空中转信的多功能空中平台；实现智能化通信侦察与对抗的通信电子对抗系统等等。实现智能化通信侦察与对抗的通信电子对抗系统等等。SDRSDR应用前景（军事）应用前景（军事）24 实现各种军用电台的互联互通的多功能无线网关；实现各种军用电台的互联互通的多功能无线网关；SDR应用应用25民用将成为软件无线电的更为重要的应用领民用将成为软件无线电的更为重要的应用领域，其应用前景可包括：域，其应用前景可包括：多频段多模式移动通用手机；多频段多模式移动通用手机；多频段多模式移动电话通用基站，多频段多模式移动电话通用基站，无线局域网及无线用户环的通用网关等等无线局域网及无线用户环的通用网关等等。SDRSDR应用前景（民用）应用前景（民用）25民用将成为软件无线电的更为重要的应用领民用将成为软件无线电的更为重要的应用领SDR应用前景（民应用前景（民261.3 1.3 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术n1.1.开放式总线结构及实现开放式总线结构及实现 现有的软件无线电实验系统中一般采用双总线结构，现有的软件无线电实验系统中一般采用双总线结构，即：控制总线和高速效据总线。控制总线结构，如即：控制总线和高速效据总线。控制总线结构，如VMEVME总线、总线、PCIPCI总线等，尽可能采用现有的工业标准，以便总线等，尽可能采用现有的工业标准，以便于利用已有的软件及硬件平台，加快开发速度。于利用已有的软件及硬件平台，加快开发速度。261.3 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术1.开放式总线结构及实现开放式总线结构及实现27n2 2宽带多波段天线宽带多波段天线 这是软件无线电不可替代的硬件出入口，只能靠硬件本身这是软件无线电不可替代的硬件出入口，只能靠硬件本身来完成，不能用软件加载实现其全部功能。软件无线电对这部来完成，不能用软件加载实现其全部功能。软件无线电对这部分的要求包括：天线能覆盖所有的工作频段能用程序控制的方分的要求包括：天线能覆盖所有的工作频段能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。实现的技术包括：组合式多频段天法对功能及参数进行设置。实现的技术包括：组合式多频段天线及智能化天线技术，模块化、通用化收发双工技术；多倍频线及智能化天线技术，模块化、通用化收发双工技术；多倍频程宽带低噪音放大器方案等。程宽带低噪音放大器方案等。272宽带多波段天线宽带多波段天线28n3 3模数转换部分模数转换部分 软件无线电对模数软件无线电对模数(A AD)D)和数模和数模(D DA)A)转换器的要求很转换器的要求很高。主要包括采样速率和采样精度。采样速率主要由信号带宽高。主要包括采样速率和采样精度。采样速率主要由信号带宽决定，因为软件无线电系统的接收信号带宽较宽，而采样速率决定，因为软件无线电系统的接收信号带宽较宽，而采样速率一般要求大于信号带宽的一般要求大于信号带宽的2 2倍，因此采样速率较高，采样精度倍，因此采样速率较高，采样精度在在8080dBdB的动态范围要求下不能低于的动态范围要求下不能低于1212位。除了进一步提高器件位。除了进一步提高器件性能外，还可采取多个性能外，还可采取多个A AD D并联使用的方法。并联使用的方法。283模数转换部分模数转换部分294 4.数字下变频部分数字下变频部分 数字下变频数字下变频(DDCDDCDigital Down Converter)Digital Down Converter)是是A AD D变变换后首先要完成的处理工作，包括数字下变频、滤波和二次换后首先要完成的处理工作，包括数字下变频、滤波和二次采样，是系统中数字处理运算量最大的部分。一般认为，要采样，是系统中数字处理运算量最大的部分。一般认为，要进行较好的滤波等处理，带要对每个采样点进行进行较好的滤波等处理，带要对每个采样点进行100100次操作。次操作。294.数字下变频部分数字下变频部分305 5高速信号处理部分高速信号处理部分 主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码等工主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码等工作。这部分工作用高速数字信号处理器作。这部分工作用高速数字信号处理器(DSP)DSP)完成这是软完成这是软件无线电的一个核心部件，但也是一个主要瓶颈。单路数字件无线电的一个核心部件，但也是一个主要瓶颈。单路数字话音编译码、调制解调能用单个话音编译码、调制解调能用单个DSPDSP芯片实现。当单个芯片实现。当单个DSPDSP处处理能力不足时，可采用多个理能力不足时，可采用多个DSPDSP芯片的并行处理提高运算能芯片的并行处理提高运算能力力305高速信号处理部分高速信号处理部分311.1.4 4软件无线电的基本结构软件无线电的基本结构1 1射频低通采样数字化射频低通采样数字化2 2射频带通采样射频带通采样3 3.中频数字化采样中频数字化采样311.4软件无线电的基本结构软件无线电的基本结构1射频低通采样数字化射频低通采样数字化32射频低通采样数字化射频低通采样数字化对对A/DA/D的转换速率、工作带宽、动态范围要求很高，对后续的转换速率、工作带宽、动态范围要求很高，对后续DSPDSP处理速度要求也很高（采样率要大于最高频率两倍）处理速度要求也很高（采样率要大于最高频率两倍）32射频低通采样数字化对射频低通采样数字化对A/D的转换速率、工作带宽、动态范围的转换速率、工作带宽、动态范围33射频带通采样射频带通采样在在A/DA/D前采用带宽较窄的电调滤波器，根据需要的处理带宽进前采用带宽较窄的电调滤波器，根据需要的处理带宽进行带通采样，对行带通采样，对A/DA/D工作带宽和滤波器要求较高工作带宽和滤波器要求较高33射频带通采样在射频带通采样在A/D前采用带宽较窄的电调滤波器，根据需要前采用带宽较窄的电调滤波器，根据需要34中频数字化采样中频数字化采样超外差体制，容易实现，但离理想超外差体制，容易实现，但离理想SDRSDR要求最远，模拟器件太要求最远，模拟器件太多，可扩展性、灵活性差多，可扩展性、灵活性差34中频数字化采样超外差体制，容易实现，但离理想中频数字化采样超外差体制，容易实现，但离理想SDR要求最要求最