第3章软件无线电的系统组成

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1、第3章 软件无线电的系统组成 3.1 引言。 3.2 软件无线电系统的组成。 3.3 软件无线电系统接收机。 3.4 软件无线电发射机。 3.5 应用举例。 3.6 本章小结。,3.1 引言 软件无线电是一种令人激动的无线技术。它在军事和民用通信领域中取得了广泛的应用，是继数字技术后的一个重大变革。 与学习通信原理和数字信号处理等课程不同，学习软件无线电，是学习一种新的无线体系结构。 软件无线电是可以用一种无线设备面对多种通信需要的技术。与一般的电子系统相同，软件无线电系统也是由硬件子系统、软件子系统构成的。,软件无线电是一种新型的无线体系结构，它通过硬件和软件结合，使无线网络和用户终端具有可

2、重配置能力。 软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效、而且相当经济的解决方案，它可以通过软件升级实现新的系统功能。,3.2 软件无线电系统的组成 软件无线电是这样一种无线技术：这种技术配置一个无线设备，就可以使用于任何通信应用中。例如：即可以用于移动网络的手机、传呼机、卫星接收机终端，又可以用于简单的收音机、音乐播放器、视频播放机、汽车遥控器等等。 图3-1为软件无线电的技术设想。在一个软件无线电设备平台上，通过软件升级：软件下载、重配置，就可以实现不同的无线设备功能。,3.2.1 软件无线电系统的模型 为了实现上述软件无线电的技术设想，首先需要建立软件无线电系统的模型，

3、然后，构建软件无线电的体系结构。 软件无线电技术，是在数字无线电技术的基础上发展起来的。基本的数字通信系统结构框图如图3-2所示。,1. 由数字无线电到软件无线电 软件无线电经历了以下发展过程： （1）由硬件无线电到数字无线电。 （2）从数字无线电到软件无线电。 在硬件无线电中，系统的功能完全由各种特定功能的固定电路模块：如放大器、滤波器、变频器、调制器等等组合而成，其功能不可能发生任何改变。若要改变系统功能，需要更换硬件模块。,在数字无线电中，通过模拟/数字变换器、数字/模拟变换器以后，许多原先由硬件完成的功能，可以由软件来实现了。但是，数字无线电系统的可重编程、可重配置能力较差，系统的主要

4、功能不易发生改变。 在软件无线电中，不仅原来由硬件完成的大部分功能，如：编码、调制、同步、滤波等等功能，都要由软件系统利用数字信号处理技术来完成。而且，系统的可重编程、可重配置能力提高了。,2. 软件无线电的系统模型 数字无线电与可下载软件技术结合，就形成了具有可重编程、可重配置能力的软件无线电技术。软件无线电的系统模型如图3-4所示。 软件无线电系统包括以下几部分： （1）天线子系统。 （2）射频部分。 （3）模拟/数字转换器、数字/模拟转换器。 （4）数字信号处理部分。,3.2.2 软件无线电的体系结构 软件无线电的体系结构，是指一个全面、一致的功能、组件、设计原则的集合，依靠它可以组织、

5、设计、构建一个软件无线电系统。 软件无线电系统结构，是实现软件无线电概念的设计结构，包括硬件、软件、接口协议等等部分。,1. 软件无线电系统的基本组成 一个实际的软件无线电系统的基本组成如图3-5所示。,2. 信号的收发过程 软件无线电系统接收信号的过程如下： （1）天线接收模拟无线电信号。 （2）信号经过天线耦合到射频部分。 （3）经过下变频降低频率。 （4）模拟信号由ADC经过采样、量化、编码，得到数字信号。 （5）数据经数字信号处理，存储或输出给信宿。,3.2.3 软件无线电系统的实现 为了实现软件无线电系统，可以有两种不同的方法： （1）按照组成系统的物理介质，划分系统的硬件结构。 （

6、2）按照系统中各功能模块的连接方式，划分系统的体系结构。 这两种方法不是完全分开的，任何硬件平台的构成，都同时包含了这两个方面的设想与问题。,1. 按照系统的物理介质 按照组成软件无线电系统的物理介质，软件无线电的硬件体系结构，可以划分为以下三种： （1）以通用处理器（GPP：服务器或者桌面计算用的CPU芯片）为基础、直接采用个人计算机（PC）和工作站进行数字信号处理的体系结构。 （2）以数字信号处理器（DSP：专门为快速实现各种数字信号处理算法所设计的、具有特殊结构的微处理器）为基础进行数字信号处理的体系结构。 （3）以现场可编程门阵列（FPGA：为专门集成电路的一种半定制电路，综合了定制电

7、路、与可编程期间的优点）为基础进行数字信号处理的体系结构。,2. 按照系统中各功能模块的连接方式 在软件无线电系统中，各个功能模块通过一定的连接方式，组成一个硬件平台。这个平台具有以下特点： （1）开放性。 （2）可扩展性。 （3）标准性。 （4）高数据吞吐率。,3.3 软件无线电系统接收机 软件无线电系统是实现软件无线电思想的具体设备。软件无线电系统的核心是接收机与发射机。 本节简要介绍软件无线电系统接收机的概念、原理、技术和实现。 3.3.1 概述 为了实现软件无线电的设想，对软件无线电系统的功能有以下要求： （1）高度集成的软件无线电收发机结构。 （2）高度的灵活性。 （3）多模式通信的

8、能力。,1. 软件无线电系统的灵活性 软件无线电系统的功能灵活性，体现在以下两个方面： （1）功能的灵活性：调制方式、编码方式、桢结构等，都可以灵活设置。 （2）射频的灵活性：具有灵活多变的、尽可能全频段的射频覆盖能力。,2. 下变频部分 在无线通信系统中，由于射频频率很高，常常工作在微波或超短波频段。这是为了便于实现信号发射和信道复用。所以，信号的频率变换，是无线通信系统需要研究的重要内容。,3. 解调部分 在软件无线电接收机的解调部分中，使用数字信号处理的方式进行完成解调功能。在频率和相位调制系统中，接收机解调需要采用正交下变换方式。,3.3.2 外差式接收机 软件无线电外差式接收机，是非

9、常经典的接收机结构。从小的时候，我们就在少年无线电实践中，组装过外差式无线电收音机。 1. 射频信号的处理 在外差式接收机中，射频信号的处理步骤如下： （1）首先通过第一级混频器、实混频到一个比较低的中间频率，着就是我们常说的中频。 （2）然后，在中频频率上，进行带通滤波、增益控制等等处理。 （3）最后，信号被变频带基带。,2. 接收机的结构 外差式接收机结构可以分为以下两种： （1）模拟中频结构的外差式接收机。 （2）数字中频结构的外差式接收机，如图3-11所示。,3. 外差式接收机的特点 外差式接收机的特点是：使用中频、射频部分相对固定、接收机元器件的数量比较多、结构比较复杂。 外差式接收

10、机的优点在于： （1）含有抑制镜像滤波器和中频滤波器，具有良好的选择性。 （2）接收机增益分散在几个不同频率的放大器上。 （3）使用固定的本振频率，将接收的射频信号由实信号转换为复信号，本地振荡器只需要在一个单一频率上，进行相位正交和幅度平衡，易于实现。 （4）整体性能良好。,3.3.3 零中频接收机 零中频软件无线电接收机，是为了克服外差式接收机的缺点，通过直接下变频的方式，将信号从射频下变到基带，也称为直接变换结构。 1. 接收机的结构 零中频接收机，由于完全取消了中频部分，所以整个接收机的结构很简单，如图3-12所示。,2. 接收机的实现 零中频接收机的具体实现分为以下两种方式： （1）

11、模拟正交混频方式。 （2）数字正交混频方式。 常用的是模拟正交混频方式，如图3-13所示。,3. 接收机的特点 零中频接收机的特点非常明显：它不需要分立的高Q可调带通滤波器，只用宽带高频滤波器来降低下变频部分所需动态范围。 零中频接收机的优点在于： （1）使用数字滤波器允许实现性能较好的信道滤波，比如：线性相位滤波器可以使对调制信号的损伤较小。 （2）镜像频率位于带内，使用增益和相位平衡的正交下变换，使得对镜像信号抑制要求不高。 （3）只需要一个本地振荡器。 （4）没有中频，易于单片实现。 （5）低通滤波器很容易集成实现。,3.3.4 低中频接收机 为了使软件无线电接收机，一方面能够具有较好的

12、集成度，另一方面，又可以消除零中频接收机的某些缺点。结合上述外差式接收机和零中频接收机的优点，人们提出了低中频接收机。 低中频接收机，具有类似于零中频接收机的正交下变频结构，同时，又保持一个比较低的中频。 1. 思路 根据前面的讨论，从镜像信号干扰抑制的角度考虑，采用正交下变频方式，可以完全消除射频前端对高频镜像抑制滤波器的需求。,2. 结构 根据正交变换的方式，低中频接收机的结构可以分为以下两种： （1）模拟正交变换结构。 （2）数字正交变换结构。,3. 低中频的实现 从概念上讲，从零中频接收机到低中频接收机很简单，但是，在实际实现中，它会面临新的问题：对于正交下变频后，得到的低中频信号，其

13、包含所需信号频谱和镜像信号频谱。 为了抑制镜像信号，一般采用滤波器的方法进行处理，分为以下两种： （1）复带通滤波器。 （2）实带通滤波器。,4. 特点 低中频接收机的优点在于： （1）解决了零中频接收机的直流失调问题。 （2）本振与射频之间泄漏少。 （3）复杂度比外差式低、比零中频高。,3.3.5 宽中频接收机 软件无线电思想，希望尽可能采用数字信号处理手段完成信号接收过程。 在传统的硬件无线电中，不同用户都被下变频到一个信道、或者一个频段上，接收机的选择性主要通过模拟信号处理手段来实现。 1. 结构 为了尽可能采用数字信号处理方式完成处理过程，人们提出了宽中频接收机，如图3-18所示。,2

14、. 特点 前面介绍的几种接收机是射频选择信道接收机，而宽中频接收机是中频信道选择接收机，具有以下优点： （1）由于将所有信道都下变频到中频，不需要使用高阶的带通滤波器抑制镜像信号，所以，可以实现较高的集成。 （2）由于第一本振的频率固定，所以，可以使用低带宽的锁相环，从而获得比较低的相位噪声。,3.2.3 软件无线电系统的实现 为了实现软件无线电系统，可以有两种不同的方法： （1）按照组成系统的物理介质，划分系统的硬件结构。 （2）按照系统中各功能模块的连接方式，划分系统的体系结构。 这两种方法不是完全分开的，任何硬件平台的构成，都同时包含了这两个方面的设想与问题。 1. 按照系统的物理介质

15、按照组成软件无线电系统的物理介质，软件无线电的硬件体系结构，可以划分为以下三种：,2. 按照系统中各功能模块的连接方式 在软件无线电系统中，各个功能模块通过一定的连接方式，组成一个硬件平台。这个平台具有以下特点： （1）开放性。 （2）可扩展性。 （3）标准性。 （4）高数据吞吐率。,3.3 软件无线电系统接收机 软件无线电系统是实现软件无线电思想的具体设备。软件无线电系统的核心是接收机与发射机。 本节简要介绍软件无线电系统接收机的概念、原理、技术和实现。 3.3.1 概述 为了实现软件无线电的设想，对软件无线电系统的功能有以下要求： （1）高度集成的软件无线电收发机结构。 （2）高度的灵活性

16、。 （3）多模式通信的能力。,1. 软件无线电系统的灵活性 软件无线电系统的功能灵活性，体现在以下两个方面： （1）功能的灵活性：调制方式、编码方式、桢结构等，都可以灵活设置。 （2）射频的灵活性：具有灵活多变的、尽可能全频段的射频覆盖能力。,2. 下变频部分 在无线通信系统中，由于射频频率很高，常常工作在微波或超短波频段。这是为了便于实现信号发射和信道复用。所以，信号的频率变换，是无线通信系统需要研究的重要内容。 根据频率变换前后的情况，可以分为以下两种频率变换： （1）下变频：频率减少。 （2）上变频：频率增加。,3. 解调部分 在软件无线电接收机的解调部分中，使用数字信号处理的方式进行完成解调功能。在频率和相位调制系统中，接收机解调需要采用正交下变换方式。,3.3.2 外差式接收机 软件无线电外差式接收机，是非常经典的接收机结构。从小的时候，我们就在少年无线电实践中，组装过外差式无线电收音机。 1. 射频信号的处理 在外差式接收机中，射频信号的处理步骤如下： （1）首先通过第一级混频器、实混频到一个比较低的