軟件無線電的原理與應用課件

1軟件無線電的原理與應用

PrinciplesandApplicationsforSoftware-DefinedRadio(SDR)

主講：曹運合楊明磊

單位：雷達信號處理重點實驗室辦公室：科技樓18層1815室Tel:88201031--8806Email:cyh_xidian@163.com

1軟件無線電的原理與應用

PrinciplesandAp2教學目標：掌握軟件無線電的基本概念、基本理論、數(shù)學模型、工程實現(xiàn)、應用設計方法了解軟件無線電發(fā)展的新動向2教學目標：掌握軟件無線電的基本概念、基本理論、數(shù)學模型、工3教學內(nèi)容：第一章緒論軟件無線電的提出、發(fā)展概況第二章軟件無線電的基本理論采樣定理、多速率信號處理、高效數(shù)字濾波、正交變換第三章

軟件無線電的數(shù)學模型

第四章

軟件無線電的硬件平臺設計3教學內(nèi)容：第一章緒論4第五章軟件無線電的信號處理算法第六章基于軟件無線電的智能天線第七章軟件無線電的應用4第五章軟件無線電的信號處理算法5參考書目：《軟件無線電原理與應用》楊小牛，樓才義，徐建良電子工業(yè)出版社《SoftwareRadioTechnologies》JosephMitolaIII,ZoranZvonar5參考書目：《軟件無線電原理與應用》6教學安排與考核方式教學安排：主講14~16次（46課時）考核方式：大作業(yè)（理論分析+仿真）6教學安排與考核方式教學安排：7第一章緒論教學內(nèi)容：軟件無線電的基本概念發(fā)展概況關(guān)鍵技術(shù)7第一章緒論教學內(nèi)容：81.1SDR概念的由來軟件無線電：

SoftwareRadio或Software-DefinedRadio所謂軟件無線電，是指構(gòu)造一個具有標準化、模塊化、開放性的硬件平臺，將各種功能用軟件來完成，同時使寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以充分實現(xiàn)數(shù)字化，提高可編程性。

81.1SDR概念的由來軟件無線電：91.SDR提出的背景起源于軍事通信

軍用電臺面臨的問題:各軍兵種之間使用不同的通信體制，互不兼容，功能單一，而且頻帶擁擠，大量“非標準”的標準在同時使用。91.SDR提出的背景起源于軍事通信10為了保證不同設備的互通性，使各軍兵種之間實現(xiàn)高效、可靠的協(xié)同通信．美國軍方開展了研制三軍通用軟件無線電臺的工作，其目標是研制一種可以包容很寬的無線頻帶可以接收多種信道調(diào)制方式具有很強“可互操作性”的無線電臺。10為了保證不同設備的互通性，使各軍兵種之間實現(xiàn)高效、可靠的111992年5月，在美國電信系統(tǒng)會議上MITRE公司的JoeMitola首次明確提出了軟件無線電的概念。111992年5月，在美國電信系統(tǒng)會議上MITRE公司的Jo122.SDR的中心思想將A／D／A盡可能靠近天線用軟件來完成盡可能多的無線電功能

注意：軟件無線電并不是不要硬件，而是把硬件作為一個基本平臺。這個平臺具有兩個特點：模塊化、標準化；以總線方式連接。122.SDR的中心思想將A／D／A盡可能靠近天線13軟件無線電的最終目的就是要使通信系統(tǒng)擺脫硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的束縛，通過軟件實現(xiàn)各種功能。1314軟件無線電是一種開放的體系結(jié)構(gòu)。這種開放性包含：對使用的開放性、對生產(chǎn)的開放性和對研制的開放性。這三個開放性將同時給用戶、廠家和科研部門帶來好處。14軟件無線電是一種開放的體系結(jié)構(gòu)。這種開放性包含：對使用的153.SDR的主要特點具有很強的靈活性

通過增加軟件模塊實現(xiàn)新的功能具有很強的開放性

采用標準化、模塊化結(jié)構(gòu)硬件可以擴展或更新軟件可以升級153.SDR的主要特點具有很強的靈活性164.軟件無線電的基本思想

由于軟件無線電的基本思想之一就是力圖從通信系統(tǒng)的基帶信號直至中頻、射頻段進行數(shù)字化處理，因此，它是一種比目前任何一個數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字化程度都要高得多的全數(shù)字化通信系統(tǒng)。

1．完全數(shù)字化164.軟件無線電的基本思想由于軟件無線電的基本思想之17

軟件無線電通過一種通用的硬件平臺，將通信的各種功能實現(xiàn)完全由相應軟件運行來完成。

可編程的射頻與中頻信號處理；

寬頻段內(nèi)的可編程的信道調(diào)制方式；

可編程的信道解調(diào)方式、信源編碼、解碼方式等等。2．完全的可編程性17軟件無線電通過一種通用的硬件平臺，將通信的各種功能實183．系統(tǒng)功能的可擴充性由于軟件無線電通信系統(tǒng)的功能更多體現(xiàn)在軟件上，因此，系統(tǒng)的升級只需改變相應的軟件，即對軟件的升級即可。顯然，它比以往對硬件電路的設計與改進更加快捷。通過軟件工具可擴展通信系統(tǒng)業(yè)務、分析無線通信環(huán)境、定義所需擴展增強的各項通信業(yè)務。

183．系統(tǒng)功能的可擴充性194．系統(tǒng)便于實現(xiàn)模塊化利用軟件無線電的基本思想，對現(xiàn)行的通信系統(tǒng)均可實行模塊化設計，模塊的物理及電氣接口性能指標符合統(tǒng)一、開放的標準。通過更換單一模塊，可以維護或提高系統(tǒng)的性能，也便于系統(tǒng)間復用。194．系統(tǒng)便于實現(xiàn)模塊化利用軟件無線電的基本思想，20一方面SDR符合軍事上三軍協(xié)同快速通信的需要；另一方面在民用領域，由于它可以通過軟件編程，保持一種硬件平臺結(jié)構(gòu)的通用性，所以在移動通信領域內(nèi)，可以對不同體制進行綜合兼容。因此，軟件無線電思想及技木的提出與實現(xiàn)是非常必要的。20一方面SDR符合軍事上三軍協(xié)同快速通信的需要；另211.2SDR的發(fā)展概況與應用為克服美軍常規(guī)作戰(zhàn)中通信方面存在的問題，加速高技術(shù)的應用，美國國會于1987年制定了平衡技術(shù)倡議(BTI)。1990年8月．美國國防部與Hazeltine公司簽訂了430萬美元的合同，開始研制SPeakeasy軟件無線電系統(tǒng)的第一階段工作。211.2SDR的發(fā)展概況與應用為克服美軍常規(guī)作戰(zhàn)中221994年8月，SpeakeasyI型樣機研制成功并進行了技術(shù)演示，其演示了以下功能：分別與4種不同的電臺通信；同時向兩種不同的電臺通信作為網(wǎng)橋網(wǎng)關(guān)，連接兩個不同的、相互獨立的、具有不同信號形式的無線網(wǎng)，使信號能透明地傳輸;演示包括傳輸話音和數(shù)據(jù)。221994年8月，SpeakeasyI型樣機研制成231995年美軍啟動Speakeasy二期工程，目標是完成一個實用系統(tǒng)，能兼容美軍的15種電臺，并能夠同時與其中任意4種電臺通信。系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)一個波形可編程、多頻段、多模式電臺。Speakeasy多頻段多模式電臺較完整地體現(xiàn)了軟件無線電的設計思想。231995年美軍啟動Speakeasy二期工程，目標是24實現(xiàn)各種軍用電臺的互聯(lián)互通的多功能無線網(wǎng)關(guān)；接入各種軍用移動通信網(wǎng)的多功能車載電臺;實現(xiàn)各種軍用無線系統(tǒng)空中轉(zhuǎn)信的多功能空中平臺；實現(xiàn)智能化通信偵察與對抗的通信電子對抗系統(tǒng)等等。SDR應用前景（軍事）24實現(xiàn)各種軍用電臺的互聯(lián)互通的多功能無線網(wǎng)關(guān)；SDR應用25民用將成為軟件無線電的更為重要的應用領域，其應用前景可包括：多頻段多模式移動通用手機；多頻段多模式移動電話通用基站，無線局域網(wǎng)及無線用戶環(huán)的通用網(wǎng)關(guān)等等。SDR應用前景（民用）25民用將成為軟件無線電的更為重要的應用領SDR應用前景（民261.3軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)1.開放式總線結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)現(xiàn)有的軟件無線電實驗系統(tǒng)中一般采用雙總線結(jié)構(gòu)，即：控制總線和高速效據(jù)總線?？刂瓶偩€結(jié)構(gòu)，如VME總線、PCI總線等，盡可能采用現(xiàn)有的工業(yè)標準，以便于利用已有的軟件及硬件平臺，加快開發(fā)速度。261.3軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)1.開放式總線結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)272．寬帶／多波段天線這是軟件無線電不可替代的硬件出入口，只能靠硬件本身來完成，不能用軟件加載實現(xiàn)其全部功能。軟件無線電對這部分的要求包括：天線能覆蓋所有的工作頻段能用程序控制的方法對功能及參數(shù)進行設置。實現(xiàn)的技術(shù)包括：組合式多頻段天線及智能化天線技術(shù)，模塊化、通用化收發(fā)雙工技術(shù)；多倍頻程寬帶低噪音放大器方案等。272．寬帶／多波段天線283．模數(shù)轉(zhuǎn)換部分

軟件無線電對模數(shù)(A／D)和數(shù)模(D／A)轉(zhuǎn)換器的要求很高。主要包括采樣速率和采樣精度。采樣速率主要由信號帶寬決定，因為軟件無線電系統(tǒng)的接收信號帶寬較寬，而采樣速率一般要求大于信號帶寬的2倍，因此采樣速率較高，采樣精度在80dB的動態(tài)范圍要求下不能低于12位。除了進一步提高器件性能外，還可采取多個A／D并聯(lián)使用的方法。283．模數(shù)轉(zhuǎn)換部分294.數(shù)字下變頻部分

數(shù)字下變頻(DDC——DigitalDownConverter)是A／D變換后首先要完成的處理工作，包括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣，是系統(tǒng)中數(shù)字處理運算量最大的部分。一般認為，要進行較好的濾波等處理，帶要對每個采樣點進行100次操作。294.數(shù)字下變頻部分305．高速信號處理部分主要完成基帶處理、調(diào)制解調(diào)、比特流處理和編譯碼等工作。這部分工作用高速數(shù)字信號處理器(DSP)完成．這是軟件無線電的一個核心部件，但也是一個主要瓶頸。單路數(shù)字話音編譯碼、調(diào)制解調(diào)能用單個DSP芯片實現(xiàn)。當單個DSP處理能力不足時，可采用多個DSP芯片的并行處理提高運算能力．305．高速信號處理部分311.4軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)1．射頻低通采樣數(shù)字化2．射頻帶通采樣3.中頻數(shù)字化采樣311.4軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)1．射頻低通采樣數(shù)字化32射頻低通采樣數(shù)字化對A/D的轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動態(tài)范圍要求很高，對后續(xù)DSP處理速度要求也很高（采樣率要大于最高頻率兩倍）32射頻低通采樣數(shù)字化對A/D的轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動態(tài)范圍33射頻帶通采樣在A/D前采用帶寬較窄的電調(diào)濾波器，根據(jù)需要的處理帶寬進行帶通采樣，對A/D工作帶寬和濾波器要求較高33射頻帶通采樣在A/D前采用帶寬較窄的電調(diào)濾波器，根據(jù)需要34中頻數(shù)字化采樣超外差體制，容易實現(xiàn)，但離理想SDR要求最遠，模擬器件太多，可擴展性、靈活性差34中頻數(shù)字化采樣超外差體制，容易實現(xiàn)，但離理想SDR要求最35軟件無線電的原理與應用

PrinciplesandApplicationsforSoftware-DefinedRadio(SDR)

主講：曹運合楊明磊

單位：雷達信號處理重點實驗室辦公室：科技樓18層1815室Tel:88201031--8806Email:cyh_xidian@163.com

1軟件無線電的原理與應用

PrinciplesandAp36教學目標：掌握軟件無線電的基本概念、基本理論、數(shù)學模型、工程實現(xiàn)、應用設計方法了解軟件無線電發(fā)展的新動向2教學目標：掌握軟件無線電的基本概念、基本理論、數(shù)學模型、工37教學內(nèi)容：第一章緒論軟件無線電的提出、發(fā)展概況第二章軟件無線電的基本理論采樣定理、多速率信號處理、高效數(shù)字濾波、正交變換第三章

軟件無線電的數(shù)學模型

第四章

軟件無線電的硬件平臺設計3教學內(nèi)容：第一章緒論38第五章軟件無線電的信號處理算法第六章基于軟件無線電的智能天線第七章軟件無線電的應用4第五章軟件無線電的信號處理算法39參考書目：《軟件無線電原理與應用》楊小牛，樓才義，徐建良電子工業(yè)出版社《SoftwareRadioTechnologies》JosephMitolaIII,ZoranZvonar5參考書目：《軟件無線電原理與應用》40教學安排與考核方式教學安排：主講14~16次（46課時）考核方式：大作業(yè)（理論分析+仿真）6教學安排與考核方式教學安排：41第一章緒論教學內(nèi)容：軟件無線電的基本概念發(fā)展概況關(guān)鍵技術(shù)7第一章緒論教學內(nèi)容：421.1SDR概念的由來軟件無線電：

SoftwareRadio或Software-DefinedRadio所謂軟件無線電，是指構(gòu)造一個具有標準化、模塊化、開放性的硬件平臺，將各種功能用軟件來完成，同時使寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以充分實現(xiàn)數(shù)字化，提高可編程性。

81.1SDR概念的由來軟件無線電：431.SDR提出的背景起源于軍事通信

軍用電臺面臨的問題:各軍兵種之間使用不同的通信體制，互不兼容，功能單一，而且頻帶擁擠，大量“非標準”的標準在同時使用。91.SDR提出的背景起源于軍事通信44為了保證不同設備的互通性，使各軍兵種之間實現(xiàn)高效、可靠的協(xié)同通信．美國軍方開展了研制三軍通用軟件無線電臺的工作，其目標是研制一種可以包容很寬的無線頻帶可以接收多種信道調(diào)制方式具有很強“可互操作性”的無線電臺。10為了保證不同設備的互通性，使各軍兵種之間實現(xiàn)高效、可靠的451992年5月，在美國電信系統(tǒng)會議上MITRE公司的JoeMitola首次明確提出了軟件無線電的概念。111992年5月，在美國電信系統(tǒng)會議上MITRE公司的Jo462.SDR的中心思想將A／D／A盡可能靠近天線用軟件來完成盡可能多的無線電功能

注意：軟件無線電并不是不要硬件，而是把硬件作為一個基本平臺。這個平臺具有兩個特點：模塊化、標準化；以總線方式連接。122.SDR的中心思想將A／D／A盡可能靠近天線47軟件無線電的最終目的就是要使通信系統(tǒng)擺脫硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的束縛，通過軟件實現(xiàn)各種功能。1348軟件無線電是一種開放的體系結(jié)構(gòu)。這種開放性包含：對使用的開放性、對生產(chǎn)的開放性和對研制的開放性。這三個開放性將同時給用戶、廠家和科研部門帶來好處。14軟件無線電是一種開放的體系結(jié)構(gòu)。這種開放性包含：對使用的493.SDR的主要特點具有很強的靈活性

通過增加軟件模塊實現(xiàn)新的功能具有很強的開放性

采用標準化、模塊化結(jié)構(gòu)硬件可以擴展或更新軟件可以升級153.SDR的主要特點具有很強的靈活性504.軟件無線電的基本思想

由于軟件無線電的基本思想之一就是力圖從通信系統(tǒng)的基帶信號直至中頻、射頻段進行數(shù)字化處理，因此，它是一種比目前任何一個數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字化程度都要高得多的全數(shù)字化通信系統(tǒng)。

1．完全數(shù)字化164.軟件無線電的基本思想由于軟件無線電的基本思想之51

軟件無線電通過一種通用的硬件平臺，將通信的各種功能實現(xiàn)完全由相應軟件運行來完成。

可編程的射頻與中頻信號處理；

寬頻段內(nèi)的可編程的信道調(diào)制方式；

可編程的信道解調(diào)方式、信源編碼、解碼方式等等。2．完全的可編程性17軟件無線電通過一種通用的硬件平臺，將通信的各種功能實523．系統(tǒng)功能的可擴充性由于軟件無線電通信系統(tǒng)的功能更多體現(xiàn)在軟件上，因此，系統(tǒng)的升級只需改變相應的軟件，即對軟件的升級即可。顯然，它比以往對硬件電路的設計與改進更加快捷。通過軟件工具可擴展通信系統(tǒng)業(yè)務、分析無線通信環(huán)境、定義所需擴展增強的各項通信業(yè)務。

183．系統(tǒng)功能的可擴充性534．系統(tǒng)便于實現(xiàn)模塊化利用軟件無線電的基本思想，對現(xiàn)行的通信系統(tǒng)均可實行模塊化設計，模塊的物理及電氣接口性能指標符合統(tǒng)一、開放的標準。通過更換單一模塊，可以維護或提高系統(tǒng)的性能，也便于系統(tǒng)間復用。194．系統(tǒng)便于實現(xiàn)模塊化利用軟件無線電的基本思想，54一方面SDR符合軍事上三軍協(xié)同快速通信的需要；另一方面在民用領域，由于它可以通過軟件編程，保持一種硬件平臺結(jié)構(gòu)的通用性，所以在移動通信領域內(nèi)，可以對不同體制進行綜合兼容。因此，軟件無線電思想及技木的提出與實現(xiàn)是非常必要的。20一方面SDR符合軍事上三軍協(xié)同快速通信的需要；另551.2SDR的發(fā)展概況與應用為克服美軍常規(guī)作戰(zhàn)中通信方面存在的問題，加速高技術(shù)的應用，美國國會于1987年制定了平衡技術(shù)倡議(BTI)。1990年8月．美國國防部與Hazeltine公司簽訂了430萬美元的合同，開始研制SPeakeasy軟件無線電系統(tǒng)的第一階段工作。211.2SDR的發(fā)展概況與應用為克服美軍常規(guī)作戰(zhàn)中561994年8月，SpeakeasyI型樣機研制成功并進行了技術(shù)演示，其演示了以下功能：分別與4種不同的電臺通信；同時向兩種不同的電臺通信作為網(wǎng)橋網(wǎng)關(guān)，連接兩個不同的、相互獨立的、具有不同信號形式的無線網(wǎng)，使信號能透明地傳輸;演示包括傳輸話音和數(shù)據(jù)。221994年8月，SpeakeasyI型樣機研制成571995年美軍啟動Speakeasy二期工程，目標是完成一個實用系統(tǒng)，能兼容美軍的15種電臺，并能夠同時與其中任意4種電臺通信。系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)一個波形可編程、多頻段、多模式電臺。Speakeasy多頻段多模式電臺較完整地體現(xiàn)了軟件無線電的設計思想。231995年美軍啟動Speakeasy二期工程，目標是58實現(xiàn)各種軍用電臺的互聯(lián)互通的多功能無線網(wǎng)關(guān)；接入各種軍用移動通信網(wǎng)的多功能車載電臺;實現(xiàn)各種軍用無線系統(tǒng)空中轉(zhuǎn)信的多功能空中平臺；實現(xiàn)智能化通信偵察與對抗的通信電子對抗系統(tǒng)等等。SDR應用前景（軍事）24實現(xiàn)各種軍用電臺的互聯(lián)互通的多功能無線網(wǎng)關(guān)；SDR應用59民用將成為軟件無線電的更為重要的應用領域，其應用前景可包括：多頻段多模式移動通用手機；多頻段多模式移動電話通用基站，無線局域網(wǎng)及無線用戶環(huán)的通用網(wǎng)關(guān)等等。SDR應用前景（民用）25民用將成為軟件無線電的更為重要的應用領SDR應用前景（民601.3軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)1.開放式總線結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)現(xiàn)有的軟件無線電實驗系統(tǒng)中一般采用雙總線結(jié)構(gòu)，即：控制總線和高速效據(jù)總線?？刂瓶偩€結(jié)構(gòu)，如VME總線、PCI總線等，盡可能采用現(xiàn)有的工業(yè)標準，以便于利用已有的軟件及硬件平臺，加快開發(fā)速度。261.3軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)1.開放式總線結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)612．寬帶／多波段天線這是軟件無線電不可替代的硬件出入口，只能靠硬件本身來完成，不能用軟件加載實現(xiàn)其全部功能。軟件無線電對這部分的要求包括：天線能覆蓋所有的工作頻段能用程序控制的方法對功能及參數(shù)進行設置。實現(xiàn)的技術(shù)包括：組合式多頻段天線及智能化天線技術(shù)，模塊化、通用化收發(fā)