软件无线电-第三章-软件无线电的结构讲解学习

软件无线电的灵活体系结构实现一、软件无线电技术概述软件无线电（Software Defined Radio, SDR）是一种无线电通信系统，其主要功能是通过软件来实现，而不是传统的硬件电路。

这种技术允许无线电设备通过软件更新来支持不同的通信标准和协议，从而提高了设备的灵活性和可扩展性。

软件无线电技术的发展，不仅能够推动通信行业的进步，还将对整个社会经济产生深远的影响。

1.1 软件无线电技术的核心特性软件无线电技术的核心特性主要包括以下几个方面：- 灵活性：软件无线电能够通过软件更新来适应不同的通信标准和协议，提供高度的灵活性。

- 可扩展性：随着通信技术的发展，软件无线电可以通过软件升级来支持新的功能和性能。

- 成本效益：由于硬件部分的通用性，软件无线电减少了专用硬件的需求，从而降低了成本。

- 快速部署：软件无线电可以快速部署新的通信服务，满足市场对快速变化的需求。

1.2 软件无线电技术的应用场景软件无线电技术的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 事通信：软件无线电能够快速适应不同的通信环境，满足事通信的多样化需求。

- 公共安全：软件无线电可以支持多种通信协议，为公共安全提供可靠的通信保障。

- 商业通信：软件无线电的灵活性和可扩展性使其成为商业通信的理想选择。

- 个人移动设备：软件无线电技术可以集成到智能手机等个人移动设备中，提供更丰富的通信服务。

二、软件无线电体系结构的实现软件无线电体系结构的实现是确保其功能和性能的关键。

一个有效的体系结构应该能够支持软件无线电的核心特性，包括灵活性、可扩展性等。

2.1 软件无线电体系结构的组成软件无线电体系结构主要由以下几个部分组成：- 硬件平台：硬件平台是软件无线电的基础，包括通用处理器、数字信号处理器、射频前端等。

- 操作系统：操作系统负责管理硬件资源，提供必要的服务和接口，以支持上层软件的运行。

- 中间件：中间件是连接硬件和应用软件的桥梁，提供信号处理、协议处理等通用功能。

软件无线电的主要原理及技术嘉兆科技本文主要介绍了软件无线电的概念、主要原理、关键技术及在生活中的广泛应用。

它是以开放性、标准化、模块化、通用性、可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。

首先介绍了软件无线电的理论基础，即带通采样理论，多速率处理信号技术，高效信号滤波，数字正交变换理论，这些都是软件无线电实现的理论基础，然后是其关键技术，宽带智能天线技术，A/D转换技术，数字上/下变频技术，数字信号处理部分，这些技术是实现软件无线电的关键和核心所在。

最后，对其应用领域也进行了描述，指出其在个人移动通信，军事通信，电子站，雷达和信息加电中的巨大潜力。

软件无线电这个术语最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。

陆，海，空三军简单就工作频段来分，解决了互不干扰问题，但三军联合作战时互通，互联，互操作问题难以解决，于是1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。

进而实现联合战术无线电系统（简称JTRS），它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。

软件无线电以开放性，标准化，模块化，通用性，可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能，选用不同软件可实现不同功能，软件可以升级更新，硬件也可像计算机升级换代，可称为超级计算机。

它是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。

理想软件无线电的结构框图：一、软件无线电的理论基础•采样理论：由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有这么宽的频段才能具有广泛的适应性。

软件无线电系统综述[摘要] 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现无线电台的各种功能。

本文介绍了其系统的软硬件组成和发展情况。

[关键词]软件无线电GNU Radio USRP一、引言由于无线电系统,特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高,投入的成本越来越大,硬件系统也越来越庞大。

为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求,特别是军事通信对宽带技术的需求,提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。

软件无线电将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。

二、软件无线电系统简介软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现无线电台的各种功能,从基于硬件、面向用途的设计方法中解放出来。

功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路,尤其是减少模拟环节,把数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近天线。

软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性,通过软件更新改变硬件配置结构,实现新的功能。

软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构,以利于硬件模块的不断升级和扩展。

上图表示一个典型的软件无线电处理流程图。

为了理解无线电的软件模块,首先需要理解和其关联的硬件。

在这个图中的接收路径上,能够看到一个天线,一个RF前端,一个模拟数字转换器ADC和一堆代码。

ADC是一个连接连续模拟的自然世界和离散的数字世界的桥梁。

三、软件无线电软件平台GNU RadioGNU Radio是一种运行于普通PC上的开放的软件无线电平台,其软件代码设计完全公开。

基于该平台,用户能够以软件编程的方式灵活地构建各种无线应用。

GNU Radio是一个对学习,构建和部署软件定义无线电系统的免费软件工具包。

GNU Radio是一个无线电信号处理方案。

它的目的是给普通的软件编制者提供探索电磁波的机会,并激发他们聪明的利用射频电波的能力。

软件无线电的开放式软件通信体系结构摘要介绍了软件无线电系统的开放式软件通信体系结构，提出在可重新配置的硬件平台上建主一种分布式处理环境，运行不同供应商提供的软件组件以支持各种服务，从而达到系统软件的可移植性、重用性和伸缩性。

关键词软件无线电软件通信结构域描述体伴随蜂窝无线个人通信系统服务的快速发展，产生了很多无线通信标准，如、95、54136、等。

这些空中接口对不同的应用和服务都有各自约定的波段、调制解调机制、编解码方式、复合接人技术和协议。

可以预见，在不久的将来，无线电通信系统必将把各种无线接入网集成到一个通用系统结构中，通过一个硬件平台实现多种标准和服务。

二十世纪90年代初开始，无线电的服务正从长期依赖的硬导线连接向软件无线电演进。

1基本思想软件无线电为以软件方式实现各种空中接口，提供灵活的无线通信方式以便于实现灵活的传输机制、协议和应用。

图1所示为多模式多个性的系统的功能模块及标准接口点约定，其中无线电节点指基站或移动终端。

多模式技术要求可在一个以上的信道频带上接人，在图1中为信道集。

图1一个软件定义的个性包括频带、信道集、空中接口波形及相关功能。

／信道接人模块提供多个信号通道及跨越多个频段的频率变换。

处理模块包括滤波、进一步频率变换、空／时分集处理、波束成形及相关功能。

多模式无线电产生多个空中接口波形，波形在调制解调器模块确定。

信息安全功能在无线应用中越来越重要，该模块主要实现传输安全、身份认证及保护隐私等功能。

调制解调器输出的编码信道比特流在被称为黑色密文比特流，经由变换为红色明文比特流。

然后通过协议栈加以处理，产生网络比特或源比特。

网络比特依从网络协议通过网络接口接人到远程源；源比特则通过源解码器接到本地源。

图1中发展支持部分的功能是支持软件目标的下载及新技术插入[1]。

的基本宗旨是利用数字信号处理技术代替现在主要的模拟信号处理。

通过智能天线、宽带器件、宽带模数转换器及数模转换器，利用通用可编程处理器实现、基带及比特流处理。

复习——第一章（无线电系统技术概述）1. 理解常见无线电技术中的AGC 技术，超外差接收技术和双工技术。

低噪放大技术、自动增益控制技术、超外差接收技术、收/发双工技术噪声系数的定义：(/)/(/)si ni so no NF P P P P =将无线电接收机看成是多级电路网络构成的系统，则整个级联系统的噪声系数为：321112121111.........n n NF NF NF NF NF G G G G G G ----=++++接收灵敏度影响因素：外部噪声、内部噪声和电路系统的非线性失真等提高接收灵敏度的方法：在接收机前端增加一个射频放大器，并使其噪声系数尽可能小，一般采用低噪声放大器为使接收机输出信号的强度相对稳定，接收机的增益就应随着输入信号强度的大小自动调整，这一技术即为自动增益控制。

AGC 提高了接收机的动态范围AGC 的工作原理：按负反馈原理工作压缩比：即输入电平变化量VR i 与输出电平变化量VR O 之比（或dB 差）：()()i o M VR dB VR dB =-接收机的动态范围：接收机在输出信号不变的条件下，可接收的最大功率P max 与最小功率P min 之比:max min 10lg(/)()DR P P dB =超外差技术：通过混频器本振频率f L 和选频滤波器中心频率f 0= f RF 同步改变来实现中频频率f IF 固定不变。

(中频频率f IF 是射频频率和本振频率差拍的结果)镜频干扰中频频率是射频频率和本振频率差拍的结果，即() IF L RF f abs f f=-比本振信号分别高和低一个中频频率的信号经混频后都会进入到接收机的中频信道中两个信号在射频上对称地位于本振频率两侧，互为镜像，因此被称为镜频干扰镜频干扰抑制效果用镜频干扰抑制比来表征/10lg(/)()RF RFIRR P P dB =超外差接收机要获得好的镜频抑制比，应该采用高中频的系统方案常见的收/发双工技术：时分双工、频分双工和环形器双工2.无线模拟通信系统、无线数字通信系统、数字无线电技术比较、软件无线电比较。

软件无线电课程大纲全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：软件无线电是一门涉及软件工程和通信技术的前沿学科，是帮助学生了解无线电概念、原理和技术的课程。

在这门课程中，学生将学习如何使用软件编程实现无线电通信系统，并通过实践性项目提高他们的设计和实施能力。

下面是一份关于软件无线电课程的大纲。

一、课程介绍1.1 课程名称：软件无线电1.2 课程性质：选修课1.3 开设对象：计算机科学与技术、电子信息工程等相关专业学生1.4 先修知识：无线通信、通信原理、软件工程基础等二、课程目标2.1 了解无线电通信的基本概念和原理2.2 掌握软件编程在无线电通信中的应用2.3 能够设计和实现简单的软件无线电通信系统2.4 提高团队协作和项目管理能力三、课程内容3.1 无线电通信基础知识- 无线电信道特性- 调制解调技术- 多址接入技术3.2 软件无线电的基本原理- 软件定义无线电(SDR)概念- SDR系统架构及工作原理- SDR在无线电通信中的应用3.3 软件编程语言及工具- Python、C++等编程语言- GNU Radio等开源软件工具- RTL-SDR等硬件设备3.4 无线电通信协议- WiFi、蓝牙、Zigbee等常用无线通信协议- 协议栈概念与设计原理- 开发与测试工具3.5 实践性项目- 设计并实现一个简单的软件无线电通信系统- 进行无线电频谱分析与波形信号处理- 进行通信协议的仿真和性能评估四、教学方法4.1 教师讲授- 介绍各个模块的基本原理和应用- 解答学生问题，引导学生思考4.2 实验实践- 开展软件编程实践课程，让学生动手操作- 指导学生完成项目，培养团队合作意识4.3 课堂讨论- 分析案例，解决实际问题- 学生就课程内容展开讨论，促进交流五、评估方式5.1 课堂表现- 出勤情况、主动提问、课堂参与等5.2 作业- 独立完成的编程作业或实验报告5.3 项目- 团队合作完成的项目报告及演示5.4 期末考试- 笔试形式考察学生对课程内容的掌握程度六、教学进度6.1 第1-2周：介绍软件无线电的基本概念6.2 第3-5周：讲解软件无线电的原理与应用6.3 第6-10周：进行软件无线电的编程实践6.4 第11-15周：开展实践性项目设计与实现6.5 第16周：总结和复习，进行期末考试第二篇示例：软件无线电是现代通信领域中的重要技术，也是无线电爱好者和专业人士必备的知识。

从零开始学SDR系列：详解软件无线电架构软件无线电架构软件无线电（SDR）最初的概念是一种通信技术或者体系结构，而现在SDR，确切地说是软件定义无线电，更接近一种设计方法或者设计理念。

软件无线电在理论上有着良好的应用前景，实际应用中却受到软、硬件工艺或者处理能力的限制，但是基于软件无线电概念基础上的软件定义无线电技术却越来越受到人们的重视。

在2001 年10 月份举行的ITU－8F 会议上，软件定义无线电被推荐为未来无线通信极有可能的发展方向。

软件定义无线电的功能需求包括重新编程及重新设定的能力、提供并改变业务的能力、支持多标准的能力以及智能化频谱利用的能力等。

可见，SDR 是可为所有技术使用的公共平台，例如认知无线电。

下面我们将从一个相对完整的SDR 平台角度来阐述SDR 平台的架构，主要包括以软件为中心的SDR 架构和SDR 硬件结构两个方面。

1、以软件为中心SDR 架构软件无线电，其重点在于基于一款通用平台来进行功能的软件化处理。

在SDR 探讨中，开发人员往往注重平台的硬件开发，偏重于搭建平台时使用器件的处理性能，以使得通用平台尽可能的接近理想软件无线电的设计要求。

这使得一部分人忽略了SDR 中软件平台的设计。

这里提出的SDR 软件平台，是指在利用通用硬件平台实现SDR 功能时的一种用户算法处理框架（或简单认为信号处理框架），甚至是一种操作环境（如满足软件通信体系架构规范用户接口环境）。

SDR 软件平台（也称作SDR架构）负责的功能一般包括：·提供用户接口，用户通过该接口添加、删除功能模块。

·算法封装，将算法包装与外界隔离，算法包括通信算法、信号处理算法、C/C++等其他算法。

·互联接口，以完成模块间互联。

·中间信号的测试调试接口。

·调度器或者适配器，用来管理模块。

SDR 架构中，最受欢迎的两类开源平台分别是开源软件定义无线电（GNU Radio）和开源软件通信体系框架嵌入式解决方案（OSSIE）。

SDR-软件无线电一、什么是SDR？SDR(Software Defined Radio-软件定义无线电)是一种无线通信系统，它采用可重新配置，基于软件组件来处理和转换数字信号。

与传统无线电通信系统不同，这种无线电设备具有高度的灵活性和通用性是一种新兴技术用于连接我们日益增长的无线世界。

如下图所示，典型的SDR系统由模拟前端和数字后端组成；模拟前端处理无线电通信系统的发送(Tx)和接收(Rx)功能；最高带宽的SDR平台设计用于在广泛的频率范围内运行，通常接近DC-18 GHz。

图1.软件定义无线电系统简化框图SDR系统的前端处理模拟域中的信号，而后端处理数字域中的信号。

模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)用于将信号从一个域转换到另一个域。

数字后端采用现场可编程门阵列(FPGA)，并利用可重新配置的逻辑门实现不同的功能。

该FPGA具有各种板载数字处理能力，包括：调制、解调、上变频和下变频。

这种数字后端的可重构性使新算法和协议可以轻松实现，而无需修改现有硬件。

二、SDR架构典型SDR平台的架构由以下板组成:电源、数字、时间、接收(Rx)和发送(Tx)模块。

这些模板使用高速电缆连接，以确保数据从一块板快速传输到另一块板。

电源板的作用是为SDR系统的子板供电。

三、SDR应用SDR的灵活性使其成为广泛市场的合适选择。

其中包括各种关键任务应用，如雷达、测试和测量、磁共振成像(MRI)、全球导航卫星系统 (GNSS)、低延迟链路以及频谱和监测。

四、SDR平台及特点典型SDR平台的时钟分配网络以时钟板为中心，该模块为SDR系统的模块提供干净稳定的时钟。

Per Vices公司的Crimson TNG SDR 平台中计时板使用恒温晶体振荡器(OCXO)作为其内部参考时钟的源。

该参考源可提供准确且稳定的(5 ppb)10MHz信号。

高性能SDR平台还设计为支持外部参考时钟。

SDR平台的接收(Rx)板由多个独立的接收通道组成。

软件无线电摘要：本文主要论述了软件无线电的基本概念、组成、关键技术、应用及制约因素。

1．软件无线电的基本概念软件无线电技术，顾名思义是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。

这就打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局，所以说软件无线电技术的出现是通信领域继固定通信到移动通信，摸拟通信到数字通信之后第三次革命。

软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电的各种功能，从基于硬件、面向用途的无线通信机设计中解放出来。

软件无线电的核心是将宽带A/D和D/A尽可能靠近天线（将A/D和D/A由基带移到中频甚至射频），用实时高速DSP/CPU代替传统的专用数字电路做A/D转换后的一系列处理，将无线通信的各种功能用软件进行定义。

软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。

软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。

理想软什无线电的组成结构如图l一1所示。

2．软件无线电的组成及关键技术软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。

它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、存储量、数据处理方式等问题息息相关，这些技术决定着软件无线电技术的发展程度和进展速度。

软件无线电主要由天线、射频前端、宽带模数／数模转换器(ADC／DAC)、通用数字信号处理器(DSP)以及各种软件组成。

理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段，通常来说，由于内部阻抗不匹配，不同频段电台的天线是不能混用的。

而软件无线电要在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信，就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线，所以，实现软件无线电通信，必须有一副可通过各种频率信号而且线性性能好的宽带天线。

射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务；接收时实现滤波、放大、下变频等功能。

软件无线电原理与技术– 152 –图3.13 基带资源模块的结构[11]在DSP 或通用信号处理器的指令集结构中，应用组件的工作存储和使用的端口都是在系统可提供范围内自由分配的。

系统的配置变量作为附加组件参数得到保存，使得实时可重构和组件的调整与置换成为可能。

相关模块之间的数据传递与通信经由提供的输入和输出端口进行，分为两种方式：一种方式是固定的，模块间直接连接，没有为将来的可重构提供可能；另一种方式是可重构的，模块间采用总线或网络方式连接。

后面这种系统的基带控制和可重构促使了一种特制和分层可重构的基础结构的产生，如图3.14所示。

图3.14中，可重构的基础结构的最高层通过配置管理模块形成，负责系统所有配置任务的管理，包括与网络支持实体对话、选择合适的功能配置或配置文件的下载。

初始配置过程的控制由配置控制模块进行，其目的是面向配置管理模块，提供配置过程所需的数据，将来自配置管理模块的配置需求解释给硬件做实际实现，并协调最终的硬件重构。

硬件抽象层为配置控制模块提供统一和标准化的接口，用于配置执行模块的配置和控制。

可重构模块在可重构硬件上运行，用最底层的基础结构表示。

3.3 软件无线电的分层结构3.3.1 软件无线电的分层在软件无线电的可重构设计中，通常采用硬件分页调度设计可重构无线电的方法。

硬件分页调度是指硬件模块调入调出系统的方式，与利用虚拟存储进行的软件分页调度类似。

软件无线电的分层是基于流处理发挥作用的，数据和编程信息可采用通用总线。

总线为帧头保留几个比特，用于指示流数据包的特征。

使用基于流的处理简化了模块之间的接口，使得模块替换或添加变得容易[12]。

软件无线电的分层结合了软件无线电的所有特征，使系统复杂度降到最低，可为系统改造和更新提供途径。

系统的功能分层后，每层附加或改变帧头并把信息传递到下一层。

一旦 图3.14 可重构的基础结构的层次[11]。

软件无线电基础知识概述综述软件无线电的起源、概念及特点，详细介绍它的基本结构及部分实现技术。

一、软件无线电的起源软件无线电(Software Radio)最初起源于军事通信。

军用电台一般是根据某种特定用途设计的，功能单一。

虽然有些电台基本结构相似，但其信号特点差异很大，例如工作频段、调制方式、波形结构、通信协议、编码方式或加密方式不同。

这些差异极大地限制了不同电台之间的互通性，给协同作战带来困难。

同样，民用通信也存在互通性问题，如现有移动通信系统的制式、频率各不相同，不能互通和兼容，给人们从事跨国经商、旅游等活动带来极大不便。

为解决无线通信的互通性问题，各国军方进行了积极探索。

1992年5月，在美国电信系统会议。

IEEENaTIonal Telesystems Conference)上，MITRE 公司的JoeMitola首次明确提出软件无线电的概念。

二、软件无线电概念及特点所谓软件无线电，就是说其通路的调制波形是由软件确定的，即软件无线电是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。

软件无线电的核心是将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能；其中心思想是在一个标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件编程，实现一种具有多通路、多层次和多模式无线通信功能的开放式体系结构。

应用软件无线电技术，一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地使用。

软件无线电的主要优点是它的灵活性，可以通过增加软件模块，方便地增加新功能。

在软件无线电中，诸如信道带宽、调制及编码等都可以进行动态调整，以适应网络标准和环境、网络通信负荷及用户需求的变化。

软件无线电具有较强的开放性，由于采用标准化、模块化结构，其硬件可以随器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要不断升级。

软件无线电推动了可编程硬件的发展，扩展了它的编程能力，提高了它的灵活性。

现在的无线通信设备包括手机都使用了DSP，但DSP软件大多固化在设备中，且DSP硬件是专用的。