1、河北北方學院河北北方學院 畢業論文畢業論文 題 目： 第三代移動通信系統中 的軟件無線電技術研究 姓 名： 史立云 院 系： 河北北方學院宣化教學部 專 業： 電子信息工程 年 級： 2005 級 學 號： 2005540025 指導教師： 楊磊 河北北方學院教務處制河北北方學院教務處制 目目 錄錄摘摘 要要.1ABSTRACT .2引引 言言.3第第 1 章章 軟件無線電概述軟件無線電概述.41.1 軟件無線電技術產生的歷史背景.41.2 軟件無線電的發展歷史.41.3 軟件無線電的主要內容.51.3.1 軟件無線電的定義.51.3.2 軟件無線電的體系結構.61.3.3 軟件無線電的特點.

2、6第第 2 2 章章 軟件無線電的關鍵技術軟件無線電的關鍵技術.102.1 多波束智能天線.112.2 RF 轉換技術.122.3 A/D/A 模數轉換技術.12 數字中頻處理.132.4.5 基帶和比特流數字信號處理.14第第 3 章章 軟件無線電在第三代移動通信系統中的應用軟件無線電在第三代移動通信系統中的應用.153.1 第三代移動通信系統的特點.153.2 第三代移動通信對軟件無線電技術的需求.153.3 軟件無線電在第三代移動通信中的應用.16軟件無線電技術與第三代移動通信系統的融合.163.3.2 軟件無線電在 SCDMA 中的應用.17第第 4 4 章章 第三代移動通信中的軟件無

3、線電技術的新進展第三代移動通信中的軟件無線電技術的新進展.194.1 體系結構分層化與軟件模塊化.194.2 軟件無線電結構數學分析化.204.3 面向對象化.214.4 認知化、智能化.224.5 計算機化.234.6 網絡化、信息安全化.24第第 5 5 章章 結束語結束語.25致致 謝謝.26參考文獻參考文獻.27摘摘 要要軟件無線電是最近幾年提出的一種實現無線電通信的體系結構，是繼模擬到數字、固定到移動之后，無線通信領域的又一次重大突破，是一種全新的無線電技術，它已與第三代移動通信系統緊密的結合起來。第三代移動通信系統研究推動了軟件無線電技術的發展，而軟件無線電技術又促使第三代移動通信

4、系統更加靈活的實現。論文介紹了軟件無線電的產生背景、概念、特點、關鍵技術、發展趨勢及其在第三代移動通信中的應用，重點對軟件無線電的關鍵技術及其在第三代移動通信中的應用作了詳細分析，同時歸納總結了由于第三代移動通信系統的推動作用，軟件無線電系統呈現出的一些新的發展趨勢。關鍵詞：關鍵詞：軟件無線電；第三代移動通信；智能天線；射頻轉換技術；A/D/A 模數轉換技術；數字中頻處理；基帶；比特流數字信號處理；認知化；智能化ABSTRACTSoftware radio is put forward in recent years as a radio communication system to ach

5、ieve the structure.It is a second major breakthrough afterwards analog to digita, fixed to mobile, which is a new radio technology in wireless of communications area, and has been with the first third-generation mobile communication systems closer together. The research of the third generation mobil

6、e communication system has promoted the development of software radio technology, while the software radio technology bring about the third generation mobile communication systems more flexibleThis thesis introduces the background of software radios emergence, the concept, characteristics, key techn

7、ology and its applications in the third generation mobile communication.The key to the software radio technology and its development direction has been made emphatical analysis in the thesis.Finally, the new trend,the software radio system will show,has summed up in the thesis,as a result of the rol

8、e of the third generation mobile communication in promoting the system.Key words s：Software radio;The third generation mobile communication;Smart antenna;Radio Frequency conversion technology;A/D/A conversion technology;Digital Intermedia Frequency Processing;Baseband;Bit Stream Digital Signal Proce

9、ssing; Cognitive;Intelligentize 引引 言言軟件無線電是近幾年來提出的一種實現無線通信的新概念和體制，其核心是：將寬帶 A/D 和 D/A 變換器盡可能地靠近天線，而將電臺功能盡可能地采用軟件進行定義。軟件無線電把硬件作為無線通信的基本平臺，而把盡可能多的無線通信功能用軟件來實現。這樣，無線通信系統具有很好的通用性、靈活性，使系統互聯和升級變得非常方便，這很可能使軟件無線電成為繼模擬通信到數字通信、固定通信到移動通信之后，無線通信領域的第三次突破。 軟件無線電在通信系統中，特別是在第三代移動通信系統中的應用越來越成為研究的熱點。例如歐洲的 ACTS （Advanc

10、ed Communleations Technolologies and Services）計劃中，有三項計劃是將軟件無線電技術應用在第三代移動通信系統（UMTSUnniversal Mobile Telecommunications System）中的。UMTS，即通用移動通信系統，作為第三代移動通信系統之一，主要用于歐洲地區，作為 GSM 的后續演進標準，其空中接口采用WCDMA 技術，通常也會將 UMTS 系統簡稱為 WCDMA 通信系統。FIRST（Flexible Integrated Radio System Technology）計劃將軟件無線電技術應用到設計多頻/多模（可兼容

11、GSM、DSP1800、WCDMA、現有的大多數模擬體制）可編程手機。這種手機可自動檢測接受信號以接入不同的網絡，且適應不同接續時間的要求；FRWMAS（Future Radio Wideband Multiple Access System, 未來的無線寬帶多址系統）計劃的目標是定義、研究與評估寬帶有效的多址接入方案來滿足 UMTS 要求，技術方法之一是采用軟件無線電技術；SORT（Software Radio Techonology）計劃是演示靈活有效的軟件可編程電臺，它具有無線自適應接入功能，并符合 UMTS 的標準。在美國，研究基于軟件無線電技術的第三代移動通信系統的多頻帶多模式手機與

12、基站。同時還注意到軟件無線電技術與計算機技術的融合，為第三代移動通信系統提供良好的用戶界面，如麻省理工學院的SpectrumWare 計劃。我國對軟件無線電技術也相當重視，例如我國提出了第三代移動通信系統方案 SCDMA，SCDMA 是一種同步的直接擴頻 CDMA 技術，它結合了智能天線、軟件無線電及全質量話音壓縮編碼技術等 90 年代通信新技術。軟件無線電技術在第三代移動通信中的應用是國家“863”計劃的申請項目之一，因而軟件無線電技術是我國第三代移動通信系統的關鍵技術之一。軟件無線電技術已與第三代移動通信系統緊密的結合起來，第三代移動通信系統的研究推動了軟件無線電技術的發展，而軟件無線電技

13、術的發展又促使第三代移動通信系統更加靈活的實現。第第 1 章章 軟件無線電概述軟件無線電概述 軟件無線電技術產生的歷史背景軟件無線電技術產生的歷史背景移動通信在過去 20 年中獲得了飛速發展，成為現代通信中的一個亮點。同時由于移動通信的迅速發展和高收益，帶來了激烈的競爭，從而造就了移動通信技術和系統的多樣性，而各技術標準和系統之間差別很大又不能互相兼容。特別是新業務的巨大吸引力又給用戶和移動業務提供商造成了很大的壓力，迫使他們不斷更新設備，但這通常要造成設備和投資的浪費，問題的關鍵在于目前的絕大多數移動通信設備是完全基于專用硬件設計的，給移動通信系統的兼容和互聯，以及快速、靈活的升級帶來了很大

14、的約束。如果能夠利用運行于通用硬件平臺上的軟件來實現無線通信功能，充分發揮軟件的靈活性，通過重新配置的軟件來實現不同的無線通信技術標準，將會帶來基于專用硬件的無線系統所不具備的優越性這就是軟件無線電概念產生的源頭。 軟件無線電的發展歷史軟件無線電的發展歷史無線電的技術演化過程是 ：由模擬電路發展到數字電路 ；由分立器件發展到集成器件；由小規模集成到超大規模集成器件 ；由固定集成器件到可編程器件 ；由單模式、單波段、單功能發展到多模式、多波段、多功能；由各自獨立的專用硬件的實現發展到利用通用的硬件平臺和個性的編程軟件的實現。20 世紀 7080 年代，無線電由模擬向數字全面發展，從無編程向可編程

15、發展，由少可編程向中等可編程發展 ，出現了可編程數字無線電 （PDR）。由于無線電系統，特別是移動通信系統的領域的擴大和技術復雜度的不斷提高，投入的成本越來越大，硬件系統也越來越龐大。為了克服技術復雜度帶來的問題和滿足應用多樣性的需求，特別是軍事通信對寬帶技術的需求，提出在通用硬件基礎上利用不同軟件編程的方法。20 世紀 80 年代初開始的軟件無線電的革命，將把無線電的功能和業務從硬件的束縛中解放出來。1992 年 5 月在美國通信系統會議上， Joseph Mitola（約瑟夫米托拉）首次提出了“軟件無線電”（Software Radio，SWR）的概念。1995 年 IEEE 通信雜志（C

16、ommunication Magazine）出版了軟件無線電 專集。當時，涉及軟件無線電的計劃有軍用的 SPEAKEASY（易通話） ，以及為第三代移動通信（ 3G）開發基于軟件的空中接口計劃，即靈活可互操作無線電系統與技術（FIRST）。1996 年 3 月發起“模塊化多功能信息變換系統 ”（MMITS）論壇，1999 年 6 月改名為“軟件定義的無線電 ”（SDR）論壇。1996 年至 1998 年間，國際電信聯盟（ ITU）制訂第三代移動通信標準的研究組對軟件無線電技術進行 討論，SDR 也將成為 3G 系統實現的技術基礎。從 1999 年開始，由理想的 SWR（軟件無線電）轉向與當前技

17、術發展相適應的軟件無線電，即軟件定義的無線電（ Software Defined Radio，SDR）。1999 年 4 月IEEE JSAC 雜志出版一期關于軟件無線電的選集 。同年，無線電科學家國際聯合會在日本舉行軟件無線電會議 。同年還成立亞洲 SDR 論壇。1999 年以后，集中關注使SDR 基礎上的 3G 成為可能的問題。軟件無線電是近年來隨著計算機及微電子技術高速發展而產生的一種全新的無線電技術。軟件無線電技術的核心概念是隨著大規模集成電路技術的不斷進步，芯片處理速度的迅速提高，從而有可能在通用可編程DSP芯片或通用CPU芯片平臺上，利用軟件來完成以前必須用專用硬件電路才能實現的多

18、種數字信號處理的功能。由于軟件所具有的靈活、廉價等特點，在軟件無線電通信系統中可以實現多種通信協議的兼容,便于通信技術升級，同時可以引入多種先進的動態調整技術，從而大大提高無線通信系統的功能和服務質量，有利于各種通信新標準的實施和兼容，使無線通信系統實現極大的靈活性和開放性。 軟件無線電的主要內容軟件無線電的主要內容 軟件無線電的定義軟件無線電的定義軟件無線電，是在無線通信領域提出的一種新的通信系統體系結構，其中心思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，例如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能靠近天

19、線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統。軟件無線電的基本思想有兩點：將A/D/A（模/數/模轉換）功能盡可能地靠近天線端；用軟件完成盡可能多的無線電功能。軟件無線電是將模塊化、標準化的硬件單元以總線的方式連接起來構成基本平臺，并通過軟件加載實現各種無線通信功能（包括不同頻段、不同制式）的一種開放式體系結構。這使軟件無線電系統具有開放性、模塊化、標準化、實現靈活、軟件升級、適于大規模制造等諸多優點，它將帶來無線通信市場的又一次飛躍,因而軟件無線電技術的研究悄然成為各國競相研究的焦點。 軟件無線電的體系結構軟件無線電的體系結構軟件無線電是一種基于寬帶A/D器件、高速DSP芯片，以軟

20、件為核心（Software Oriented）全新的體系結構，并在射頻（RF）或中頻（IF）端對數字信號進行數字化，通過軟件編程靈活地實現各種寬帶數字濾波、直接數字頻率合成、數字上/下變頻器、調制解調、差錯編碼、信道均衡、信令控制、信源編碼及加密解密功能。其高度可編程性使新業務新技術的引入十分方便、經濟，往往只需在電臺中加載新的軟件模塊即可實現，從而大大降低系統開發成本。軟件無線電的另一個重要特點是它特別強調開放性，無論在機械結構還是電氣特性等方面都可采用標準化、模塊化的結構，保證了通過更新軟件版本或個別硬件模塊，這樣軟件無線電就能象個人計算機一樣不斷地得到升級換代，因而具有較長的生命周期。圖

21、1給出了軟件無線電的原理框圖，它是傳統的流水線式結構。由圖 l 可見，其主要部分有：（1）寬帶、射頻模段；（2）高速、高分辨率、高質量的 A/D/A 變換；（3）高速中頻處理部分；（4）基帶處理 寬帶寬帶多波多波頻天頻天線線 射射 頻頻 部部 分分 A/D D/A 高速高速DSP專用專用可編可編程處程處理器理器 低速低速 DSP P C 機機 話音話音 寬帶、寬帶、射頻段射頻段 高速中高速中頻模數頻模數轉換轉換 可編程數字處理可編程數字處理 圖圖1 軟件無線電的硬件平臺軟件無線電的硬件平臺 軟件無線電的特點軟件無線電的特點圖 2 給出了傳統無線電系統和軟件無線電系統的結構圖。不難看出，兩種體系

22、的主要區別在于 A/D/A 的位置不同。理想的軟件無線電體系是要利用多波段天線和寬帶 A/D、D/A 轉換技術，盡量將模數變換向天線端推移，在盡可能寬的頻帶上將模擬信號數字化，之后利用軟件在通用可編程處理器上對中頻及基帶數字信號進行處理。而傳統的無線電系統則是使用專用的硬件設備解調之后，進行 A/D 轉換，作基帶數字信號處理，還原用戶數據的，這在很大程度上限制了不同無線通信體制之間的互通性。由于在軟件無線電系統中，將 A/D 轉換從基帶和中頻信號處理之間提到了中頻處理之前，中頻部分的信號處理也可以通過軟件實現，從而給系統帶來了巨大的靈活性，這是以往用專用硬件完成特定功能的方式所無法比擬的。因而

23、，與傳統的無線電相比，軟件無線電具有下述特點：放大放大 RF 帶通濾波器帶通濾波器 頻率合成器頻率合成器 放大放大 混頻混頻 解調解調 A/D轉換轉換 DSP FPGAAISC 帶通濾波器帶通濾波器 （a）傳統基于硬件的無線電系統）傳統基于硬件的無線電系統 多波段多波段 RF 放大放大 寬帶寬帶 ADC DSP 解調解調 語音數據語音數據 （b）理想的軟件無線電系統）理想的軟件無線電系統 圖圖 2 理想的軟件無線電與傳統線電接收機理想的軟件無線電與傳統線電接收機 （1）具有可重配置性，實現靈活。RF 頻段和帶寬、信道接入方式、傳輸速率、接口類型、業務種類及加密方式均可由軟件編程方式來改變，而軟

24、件本身就具有高度的可編程性和可重配置性；（2）開放性、模塊化和標準化；（3）可實現無縫連接、全球漫游；（4）具有集中性，節省基站費用，每個基站使用一部收發信機而不是每個信道使用一部收發信機，即多個信道共享射頻前端與寬帶 A/D 或 D/A 轉換器；（5）軟件升級，而硬件無需改動。產品投入市場的時間和升級將會更快速；（6）穩定性好。由于采用數字電路，適于大規模制造；（7）運營商拓展業務更快捷、廉價，并可以自行開發業務軟件；（8）軟、硬件間的聯系減弱，對產品制造商的依賴程度降低；（9）系統配置靈活多變，也更安全。一個理想的軟件無線電系統肯定是一個多頻段、多模式的無線通信系統，它在網絡協議各層次上的

25、功能都能通過軟件定義來“動態”實現，更重要的是，這種特有的靈活性同樣也支持物理層上功能的實現。圖 3 給出了軟件無線電通信系統的體系模型。圖 3 所示的軟件無線電系統的體系模型充分體現了軟件無線電同傳統無線電技術的區別，突出了前者的主要特點。不同波段、不同模式的無線電功能可以靈活地通過個性化無線電節點來實現。首先，軟件無線電支持多頻帶技術，它將傳統無線電系統中的 RF信道部分擴展為 RF 信道集，從而能夠同時接通多個頻段，并且，此信道集不單單包含RF 頻段，還包含所有可能的信道方式，如光纖或電纜。同樣，在軟件無線電中信道處理信源信源集集 信道集信道集 信源編信源編碼碼/譯碼譯碼 服務與服務與網

26、絡支網絡支持持 信息安信息安全全 調制調制解調解調 中頻中頻處理處理 RF/信信道接道接入入 聯合控制聯合控制 個性化無線電接個性化無線電接點點 圖圖 3 軟件無線電通信系統的體系模型軟件無線電通信系統的體系模型 部分也擴展為 3 部分：可編程的 RF/信道接入部分、中頻 IF 處理部分和調制解調部分。其中可編程的射頻及信道接入部分是對多個射頻段和其他可能的信道接入方式進行自動的接入；中頻處理部分是進行濾波、頻率變換、波束形成等處理；調制解調部分包含了多種可用的調制技術，它是為實現多模式無線電所要求的多種調制方式而存在的。傳統通信系統只能完成話音信號的傳輸，而軟件無線電要完成多種信息的傳輸，包

27、括話音、數據、 、視頻以及多媒體信息，因此軟件無線電的信源處理部分要能夠處理所有可能的信源信息。另外，有些信源在物理位置上可能是遠離無線電收發信機的，因此這些信源可能需要通過服務和網絡支持連接到局域網或其它網絡上。所有的這些函數模塊共同實現一個多頻段、多模式、多線程以及多個性化的軟件無線電節點，由一個聯合控制函數來管理和控制，保證了系統的穩定性以及系統的自動恢復。聯合控制使得系統具有自動選擇頻帶、自動選擇數據格式以及自動選擇調制方式的功能。無線電系統越先進，聯合控制就越復雜。軟件無線電以其特有的方法賦予了無線電更多的個性。它以軟件定義空間接口，其最重要的特征就是使數模轉換盡可能地靠近天線，從而

28、以軟件控制的形式完成從中頻到基帶的數字信號處理。第第 2 2 章章 軟件無線電的關鍵技術軟件無線電的關鍵技術一個典型的軟件無線電系統，可以引用數字移動通信中的移動臺和基站來分析和說明其實現的關鍵技術。無論是移動臺還是基站，它們都含有寬帶天線、多波段射頻轉換器、寬帶ADA轉換器以及通用可編程處理器、存儲器、電源以及總線結構等，圖4是一個典型的軟件無線電系統設備框圖。由圖 4 可見，軟件無線電系統單按照功能劃分可以分為三大部分：射頻處理部分、中頻及基帶處理部分以及控制管理和支持部分。實時處理實時處理 可可 編編程程 處處理理器器 寬寬帶帶A/D/A 射射 頻頻轉轉 換換器器 聯機軟件聯機軟件 服務

29、服務開發開發工作工作站站 基站基站 多媒多媒體企體企業業 寬帶寬帶 A/D/A (各種新源編各種新源編碼方式碼方式) 可編程可編程處理器處理器 寬帶寬帶A/D/A 射頻射頻轉換轉換器器 移動臺移動臺 圖圖 4 軟件無線電設備框圖軟件無線電設備框圖聯機軟件聯機軟件寬帶寬帶A/D/A (各種新各種新源編碼源編碼方式方式) 典型的軟件無線電系統根據功能及自身特點的不同，還可以將其劃分為如下幾個關鍵技術模塊：多波束智能天線、射頻轉換、模數轉換、數字中頻處理和基帶和比特流處理，圖 5 給出了軟件無線電系統中關鍵模塊的框圖。軟件無線電系統的每一部分都有其特點和技術要求，下面就逐一進行介紹。2.12.1 多

30、波束智能天線多波束智能天線軟件無線電的天線具有接入多個頻段的功能，理想的軟件無線電系統的天線部分則應該能夠覆蓋全部無線通信頻段，這對天線技術提出了較高的要求。對于第三代移動通信，一般認為其頻帶寬度為 180230MHz，利用組合式多頻段天線是可以實現全覆蓋的。高級控制高級控制 比特流處理比特流處理 調制調制 中頻處理中頻處理 寬帶寬帶 A/D/A 轉換轉換 多頻段多頻段 RF 轉換轉換 多波束天線陣多波束天線陣 比特流處理比特流處理 解調解調 中頻處理中頻處理 網網 絡絡 圖圖 5 軟件無線電系統的關鍵模塊軟件無線電系統的關鍵模塊 通常來說，無線電臺的射頻前端、機發射天線和接收天線部分都是由固

31、定硬件實現的，但是軟件無線電具有智能的、可編程的數字信號處理核心，可以充分利用此優勢對固定天線接收下來的信號進行優化組合，達到提高信噪比、抑制同信道干擾、增大系統容量的目的。這種可以動態配置的天線系統就是目前軟件無線電系統中的關鍵熱門技術之一智能天線技術。移動通信系統中的智能天線技術，簡單地說，就是在基站端使用自適應的天線陣，并運用可靠的自適應算法來抑制同信道干擾，達到提高信噪比、增大系統容量的目的。把智能天線技術運用到軟件無線電系統中，同樣可以得到系統的增益。理想的使用智能天線技 術的軟件無線電系統使用的是由 M 個全向天線陣元組成的天線陣。對應于每一個天線陣元，都有一套下變頻器和寬帶 A/

32、D/A 采樣器。接收信號通過下變頻器將射頻信號搬移至中頻，再通過寬帶 A/D 采樣形成數字信號。此時，每一個天線陣元接收到的信號已變換為中頻數字信號，此信號經過信道分離，分別得到 L 個信道的信號。也就是說，對應于每一個用戶信道都有 M 個天線陣元的接收信號，這樣就可以利用自適應波束形成算法對接收信號進行處理。每一個信道獨立使用一個波束形成模塊，比如信道 1 的波束形成器，它所處理的信號包括第一個天線陣元接收到的信道 1 的信號、第二個天線陣元接收到的信道 1 的信號、第 M 個天線陣元接收到的信道 1 的信號。通過自適應的調整波束形成算法中的加權矢量，所有的這些信號分量可以合并，得到一個最佳

33、的接收信號，從而可以提高接收信號的質量，有效抑制干擾，增加系統容量。目前，我們已經可以采用更為先進的波束形成與信道分配算法來替代簡單的波束形成算法，使軟件無線電中的智能天線技術得到更大的增益。2.22.2 RF 轉換技術轉換技術RF（射頻）轉換部分包括產生輸出功率、接收信號的預放大、射頻信號和中頻信號的轉換等。射頻段應具有接人多個波段甚至覆蓋全波段功能。它具有頻率高、帶寬寬兩大特點，比如對于GSM，應工作于900MHz的高頻段，占有帶寬25MHz。顯然在這樣高頻率和如此寬的帶寬下直接進行數字化處理，目前器件還不具備條件，只能靠傳統的高頻模擬器件的硬件設備來完成射頻段的主要功能。因此現階段RF變

34、換采用模擬方式。射頻段主要包括模塊化通用化收發雙工技術、多倍頻程寬帶低噪聲接收放大器技術、線性高功率放大器技術、寬帶上下變頻器技術。此外，軟件無線電對天線設備提出了嚴格的要求，包括放大器的線性要求、對鄰道的隔離要求以及避免基帶處理器的時鐘頻率調諧進入射頻的模擬電路中去。在商用的移動通信系統中，天線應該在超高頻（Ultra High Frequency UHF）波段內具有相同的方向圖形狀和極低的損耗。2.32.3 A/D/A 模數轉換技術模數轉換技術信號在中頻甚至射頻的數字化是用軟件對信號進行處理，也是實現軟件無線電的關鍵之一，寬帶 A/D/A 轉換器實現的正是這一功能。寬帶 A/D/A 通常設

35、置在中頻處理部分和 RF 轉換部分之間，完成對中頻信號的數模轉換，這給中頻的數字處理帶來了很高的靈活性，但同時對 A/D 、D/A 的性能提出了很高的要求。一般來說，根據被采樣信號的頻率和帶寬來決定采用何種 A/D 采樣技術。根據Nyquist 抽樣定理，對帶限信號的采樣率必須大于信號帶寬的兩倍。實際系統中通常采用過采樣來抗頻譜混疊，一般要求 A/D/A 的采樣率 fsWa，其中 Wa 表示中頻數字化帶寬(數十兆甚至上百兆)。除采樣率外，A/D 采樣的參數指標還包括采樣精度和采樣信號的動態范圍，采樣信號動態范圍取 80dB，采樣精度不低于 l2 位。同時 A/D/A 要具有較高的信噪比和無寄生

36、動態范圍。對于一個給定的 A/D 芯片，由于受處理速度的限制，它能夠達到的采樣頻率和動態范圍及采樣精度是成反比的。當前流行的 A/D/A 采樣率最高可達每秒數百兆抽樣點，但仍不能滿足寬帶射頻信號的要求。因此，在實用系統中，通常使用數字化帶寬更窄的并行 A/D/A，而不是單一高速的 A/D/A 數字化整個頻帶。由于動態范圍與采樣率的乘積基本上是常數，所以這種方法既降低了對 A/D/A 高抽樣率的要求又可以保證 A/D/A 具有較寬的動態范圍。最近 AD 公司推出了第一片可用于第三代移動通信系統軟件無線電的 14bit 65MSPS 的 A/D 轉換器（AD6644）。2.42.4 數字中頻處理數

37、字中頻處理在一個軟件無線電系統中，數字中頻部分是連接射頻和基帶信號的紐帶，它接收到的是從寬帶A/D/A送來的一個含有多路信道的寬帶數字信號。數字中頻的任務就是將其中的某種特定信道提取出來，并經過抗混疊中頻（IF）數字濾波和數字下變頻的處理，將這個信號轉換到基帶，然后進行基帶的數字信號處理。數字下變頻的任務是將A/D輸出的含有多路信道的高速數字信號進行信道劃分和提取，包括變頻、濾波和降采樣等處理。數字上變頻是其逆過程。實現上下變頻所要求的運算量很大，是系統實現中最困難的部分。數字中頻部分的復雜性和大運算量主要在于頻率轉換（即數字下變頻）和中頻數字濾波。這部分實現了已調基帶信號與中頻信號之間的變換

38、，這種變換是通過離散時間點運算 實現的。在發送信道中，離散的基帶波形乘以離散的參考載波形成離散的數字中頻信號。在接收信道中，該部分能夠以寬帶濾波的方式從寬帶信號中恢復出所需的信道（如 200kHz 的 GSM MHz 的 IS95 CDMA 信道），并將信號轉換成基帶信號。頻率變換和濾波的復雜度是該部分處理需求的決定性因素。天線端接收到的射頻信號經過一次或兩次混頻，將信號搬移到幾十兆頻的中頻頻段，然后用寬帶 A/D 進行 ADC 采樣。數字中頻處理部分則對這個含有多路信道的寬帶數字信號進行大數據量的處理，包括用于信道選擇的中頻數字濾波和將頻率降低到基帶的數字下變頻，功能框圖如圖 6 所示。如此

39、大量的數據處理，對 DSP 芯片的技術要求就會很高，隨著寬帶移動通信系統的日益成熟，人們開始結合使用 ASIC、DSP、FPGA 以及一些專用的 CPU 來完成這部分功能。在實際應用中，由于可使用的 DSP 芯片性能的限制以及為保證系統工作的穩定性而增加的冗余度，在目前使用軟件無線電技術的基站系統中，往往采用多處理器的硬件結構。 2 2 基帶和比特流數字信號處理基帶和比特流數字信號處理基帶和比特流處理主要完成單一信道信號基帶可編程處理。比特流處理部分完成將多個信源比特進行復合，對比特流進行前向糾錯（FEC）處理，包括交織、卷積編碼算法以及自動重發請求（ARQ）的檢測和響應等，此外還應支持比特填

40、充、比特加密，通常射頻射頻混頻混頻 寬帶寬帶ADC IF 數字濾波器數字濾波器 數字下變頻數字下變頻（信道選擇）（信道選擇） IF 數字濾波器數字濾波器 數字下變頻數字下變頻（信道選擇）（信道選擇） 中頻中頻 多路寬帶數字信號多路寬帶數字信號 去基帶去基帶 信道信道 1 信道信道 r 圖圖 6 數字中頻處理部分功能圖數字中頻處理部分功能圖通信安全處理（加密和解密）也在其中完成。這部分的復雜度與比特的復合、幀排列、FEC 編碼方式、復用操作、加密以及相應的一些控制操作算法有關。此外，該部分還完成抗衰落、抗干擾的各種算法，如 GSM 的自適應均衡算法、CDMA 的 RAKE 接收算法和功率控制算法

41、。這部分運算的復雜度與基帶的帶寬、調制方式及調制波形的復雜度以及算法的復雜度都有關系。這部分要求具有高度的可編程、可重新配置等特點，我們可以將 DSP、FPGA 和通用 CPU 結合使用來進行基帶和比特流處理。第第 3 章章 軟件無線電在第三代移動通信系統中的應用軟件無線電在第三代移動通信系統中的應用3.13.1 第三代移動通信系統的特點第三代移動通信系統的特點第三代移動通信系統是指國際電信聯盟（ITU）正在組織進行研究的，未來公用陸地移動通信系統即FPLMTS（Future Public Land Mobile Telecommunication SystemFPLMTS），1996年更名為

42、IMT2000。第三代移動通信系統的主要目標是要將包括衛星在內的所有網絡融合為可以替代眾多網絡功能的統一系統。它能提供寬帶業務并實現全球無縫覆蓋。該系統具有以下特點：（1）提供全球無縫覆蓋和漫游；（2）提供第二代系統不能提供的多媒體業務（速率可高達2Mb/s）；（3）適應多種業務環境：蜂窩、無繩、衛星移動、PSTN（公共交換 網）、數據網、IP等；（4）具有單一的通信號碼；（5）保證高的服務質量、按需分配帶寬；（6）有多頻多模通用手機；（7）頻譜利用率高，容量大；（8）網絡結構能適用無線、有線多種業務要求；（9）系統起始配置能充分利用第二代設備和設施，隨后可平滑升級。3.23.2 第三代移動通

43、信對軟件無線電技術的需求第三代移動通信對軟件無線電技術的需求在第三代移動通信系統所要實現的目標與系統的特點中，最核心的問題是提供不同環境下的多媒體業務及實現包含水、陸、空的全球覆蓋。因而它要求實現多種網絡的綜合：無線網與無線網的綜合；移動網與固定網的綜合；陸地網與衛星網的綜合；同時又要適應多種業務環境，且與第二代移動通信系統兼容，便于平滑升級。對于通信終端而言，它面對的是多種網絡的綜合系統，因而需要實現多頻多模式終端（手機）。第三代移動通信系統可支持的速率為室內靜止21Mb/s；步行移動384kb/s；車速移動144kb/s；衛星移動9.6kb/s，所以手機要適應寬帶多業務的要求。軟件無線電為

44、通信系統提供一種新型的結構，那就是利用統一的硬件平臺，不同的軟件來實現不同的功能。3.33.3 軟件無線電在第三代移動通信中的應用軟件無線電在第三代移動通信中的應用 由于第三代移動通信的標準的統一是非常困難的，IMT2000的發展策略已經改變過去“一統”的概念，而注意到以各地區現有第二代系統網絡基礎為參考來制定比較現實的過渡方法，并在1997年3月的會議上一致通過了“IMT2000家旅”的概念。它放棄了在空中接口、網絡技術方面等一致性的努力，而致力于制定網絡接口的標準和互通方案，因此，也存在多頻多模多業務基站問題。軟件無線電是解決基站問題的利器。3.3.13.3.1 軟件無線電技術與第三代移動

45、通信系統的融合軟件無線電技術與第三代移動通信系統的融合第三代移動通信系統要求實現多種網絡的綜合，為用戶提供全球無縫覆蓋，以及在無線與有線環境下統一的業務使用方式和多種業務環境，且要與第二代移動通信系統兼容。對于通信終端而言，它面對的是多種網絡的綜合系統，因而需要實現多頻多模式終端（手機）。軟件無線電正是解決這一矛盾的關鍵技術，也只有軟件無線電技術才能解決多頻多模式多業務終端問題。該技術在第三代移動通信系統中的應用體現在以下幾個方面：（1）為第三代移動通信手機與基站提供了一個開放的、模塊化的系統結構；（2）智能天線與多用戶檢測的軟件無線電實現，其中包括DOA（來波方向）的估計，每射頻信道權重因子

46、的計算和天線的波束賦形。當前的軟件無線電多用戶檢測器研究尚處于功能實現階段，通常采用全DSP結構或DSP加FPGA的混合結構來實現。在采用DSP和FPGA混合結構實現的軟件無線電多用戶檢測器中，用FPGA來實現軟件中計算量大、實時性要求高的部分，而DSP則實現算法中結構復雜的部分，如矩陣求逆。（3）各種信號處理軟件的實現，其中包括信源的編碼譯碼（如語音編譯碼MPEG-4的壓縮編碼譯碼）、信道的編碼譯碼（如卷積編碼維特比譯碼、Turbo編譯碼）、調制解調（如TDSCDMA 中的QPSK調制解調）、各類無線信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、調制解調算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件算法等。

47、軟件無線電可以充分利用數字化射頻信號中的大量信息，評估傳輸質量，分析信道特點，實施采用最佳接入模式，靈活分配無限資源，實現移動通信系統的動態管理和優化。多種 3G 移動通信標準（主要是 CDMA 2000，WCDMA 和 TDSCDMA）使得已經十分龐大的移動通信標準族變得更加的繁雜。從近期發展上看，軟件無線電技術可以解決不同標準的兼容性，為實現全球漫游提供方便； 從長遠發展上看，軟件無線電發展的目標是實現可以根據無線電環境的變化而自適應的配置收發信機的數據速率，調制解調方式，信道編譯碼方式，調整信道頻率、帶寬以及無線接入方式的智能化，從而更加充分的利用頻譜資源，在滿足用戶 QoS 要求的基礎

48、上使系統容量最大。軟件無線電技術為第三代移動通信系統提供了通用的系統結構，功能實現靈活，系統改進與升級很方便。軟件的生存周期決定了通信系統的生存期，這樣系統就能更快地跟蹤市場的變化，降低更新換代的成本。3 3 軟件無線電在軟件無線電在 SCDMASCDMA 中的應用中的應用軟件無線電在第三代移動通信中的碰用越來越受到世界各國重視，已成為研究的熱點。國際電信聯盟（ITU）提出的第三代移動通信系統IMT-2000。目前提交了多種技術候選方案，而其中最有影響的三種技術方案為WCDMA(包括日本的WCDMA和歐洲的UTRA)、美國的SCDMA2000以及中國的TDSCDMA。IMT-2000計劃將軟件

49、無線電技術應用到由中國提出的TDSCDMA方案中，實現多頻多模的可編程，該方案融合了當今國際領先技術智能天線、同步CDMA和軟件無線電技術。由于這些技術的引入，使該方案具有較高的頻譜效率、較低的成本和較大的靈活性。軟件無線電在第三代移動通信中的應用已列入我國高新技術計劃研究項目，成為我國第三代移動通信的朝陽技術。TDSCDMA作為目前主流3G標準中唯一由我國自行提出并具有知識產權的國際標準，隨著3G產業的發展日益引起通信行業的重視。TDSCDMA通信系統所具有的3S特點，即智能天線（Smart Antenna）、軟件無線電技術（Software Radio）、同步CDMA（Uplink Syn

50、chronization）成為通信領域的研究熱點。開放的、模塊化的系統結構是軟件無線電技術的核心，對于第三代移動通信系統是非常重要的它為第三代移動通信系統提供了通用的系統結構。功能實現靈活，系統改進與升級很方便；利用統一的硬件平臺，不同的軟件來滿足“IMT2000” 家庭概念的要求，實現不同標準之間的互操作；系統結構的一致性使得設計的模塊化思想能很好的實現，且這些模塊具有很大的通用性，能在不同的系統及升級時很容易地復用；由于系統結構功能的實現主要是由軟件來實現的，軟件的生存周期決定了通信系統的生存期，這樣就能更快地跟蹤市場變化，降低更新換代的成本。智能天線技術是第三代移動通信系統的關鍵技術之一

51、，利用軟件無線電來實現智能天線，可以提高智能天線的性能。各種信號處理軟件是軟件無線電的關鍵，應積極探索新的算法，為更好的解決多頻多模問題鋪平道路。軟件無線電技術是當今計算機技術、超大規模集成電路和數字信號處理技術在無線電通信中應用的產物。它在我國提出的第三代移動通信系統SCDMA中，應用就更廣泛了，SCDMA系統的基站和終端都采用了高速數字處理器和高速A/D變換器，處理速度高于5000萬次/秒，全部基帶信號處理和變換都用軟件來完成。在SCDMA中軟件無線電將實現如下功能：（1）提供一個開放的模塊化的系統結構；（2）智能天線的實現；（3）同步檢測、建立和保持；（4）用戶終端DQPSK解調器中的載

52、波恢復、頻率校準和跟蹤；（5）每碼道功率的測得和發射功率控制的實現；（6）接收通道的電平檢測和接收增益控制；（7）擴頻調制和解調，包括WALSH碼和PN碼的產生；（8）語音編譯碼；（9）DTMF（雙音多頻）、MFC（Microsoft Foundation Classes）及各種信號的產生和檢測；（10）信道編碼、復接和分接；（11）發射脈沖成形濾波；（12）SWAP信令的差錯檢測；（13）接收信令的差錯檢測；（14）發射通道的數字預失真；（15）基站收發信機的校準。以上可以看出軟件無線電技術在第三代移動通信系統中的應用是非常廣泛的，而且只有軟件無線電技術才能解決第三代移動通信系統中的多頻多模

53、手機與基站問題。第第 4 4 章章 第三代移動通信中的軟件無線電技術的新進展第三代移動通信中的軟件無線電技術的新進展 第三代移動通信系統是二十世紀極富挑戰性與創造性的未來標準的構想，而軟件無線電技術是第三代移動通信系統的關鍵技術之一，故世界各國都投入巨大的力量研究軟件無線電技術在第三代移動通信系統中的應用，推動了軟件無線電的發展。特別是近幾年來，軟件無線電出現了一些新的發展趨勢，主要表現在體系結構分層化、軟件模塊化、結構數學分析化、面向對象化、認知化、計算機化、網絡化、信息安全化。4.14.1 體系結構分層化與軟件模塊化體系結構分層化與軟件模塊化軟件無線電采用開放式的、模塊化的即插即用的系統結

54、構，大大增強了第三代移動通信系統的靈活性、重用性。這與以往的無線電臺有本質的區別，但僅是采用此結構還是遠遠不夠的。第三代移動通信系統的軟件設計是非常復雜的，為了減小軟件設計的復雜性，軟件無線電需要按層或級的方式來組織。Joseph Mitola在數學分析的基礎上提出了一個軟件無線電分層虛擬機參考模型，如圖7。通信服務虛擬機通信服務虛擬機 服務服務 個性描述個性描述 信道對象信道對象 無線應用虛擬機無線應用虛擬機 代理代理 信道狀態機信道狀態機 信息流信息流 無限基礎結構虛擬機無限基礎結構虛擬機 基礎結構狀態機基礎結構狀態機 線程建立與控制線程建立與控制 硬件平臺虛擬機硬件平臺虛擬機 指令集結構

55、指令集結構 操作系統操作系統 圖圖 7 7 軟軟件件無無線線電電分分層層虛虛擬擬參參考考模模型型 分層虛擬機模型定義了關鍵的接口。最底層是由普通處理器與具有指令集的ASIC與FPGA組成。它包括了設備驅動、中斷子程序、任務控制、資源分配與相關的操作系統服務。它提供了一個統一的硬件平臺。基礎結構虛擬機是建立與控制信息傳輸線程的，這包括話音通道、數據路徑、無線控制信息線程、定時分配、頻率校準與本地服務。基礎結構狀態機是為每一個用戶信道提出請求與分配內部資源的。信道狀態機控制靜音、同步、保密功能和多媒體數據與話音的傳輸。通信服務如連接一個蜂窩用戶與一個SINCGARS用戶是通過建立連接與插入代理來實

56、現。此分層虛擬機模型是初步的，還需要研究與細化。軟件無線電不僅需要硬件模塊化，軟件也需要模擬化。由于缺乏標準的應用級的軟件到軟件的API與缺乏對存儲器、緩存空間與處理資源的量化軟件重用度低，花費大，研制周期長，因而需要把軟件實用地分成模塊并有清楚定義與廣泛應用的接口。軟件無線電論壇是根據API（Appjieation Programming Interface）來進行區分，采用CORBA技術。CORBA技術能夠無縫的共享應用數據，它提供了一種軟總線。利用接口定義語言（JAVA語言是一個子集），每一個軟件包被提供一個信息傳輸接口到ORB，被確定數量的對象用CORBA接口來實現插拔。CORBA技術

57、在軟件無線電中的應用還需要進一步研究。4.24.2 軟件無線電結構數學分析化軟件無線電結構數學分析化當軟件無線電經歷從研究到實用的轉變時，建立軟件無線電結構的可證明特性越來越重要。如：雖然用CORBA技術可以實現軟件的模塊化，大大提高了軟件的可重用性，但是由于缺乏數學分析對存儲器、緩存空間與處理資源的量化，很難講出一個軟件模塊的數據吞吐、響應時間及其它關鍵要求。當重用自己軟件庫中或第三方的軟件時，可能存在系統性能下降，甚至系統崩潰，需要用數學模型來刻劃快速涌現的技術。利用拓撲學來研究軟件無線電結構，提高了即插即用結構的應用和有效重用。分析拓撲結構特性產生了分層分布虛擬機參考模型（如圖7）與一系

58、列的設計原則，結構設計原則是：（1）有界遞歸模塊：這樣的模塊將消耗可預測的資源，且軟件錯誤不大可能引起系統崩潰。（2）清楚的可擴展的接口拓撲：用拓撲空間的基來定義軟件無線接口，并使用可擴展語言，如UML、SDL、IDL和ASN.1。（3）分布分層虛擬機結構：這樣可以最大的使用高一層或低一層的組件，為軟件無線電結構建立數學模型，并進行數學分析，可以提高系統的穩定性與可重用性等。4.34.3 面向對象化面向對象化第三代移動通信系統面向的是個人服務，因而第三移動通信系統中的軟件無線電技術需要面向對象設計。面向對象設計是一種很有效的設計方法。軟件無線電具有很強的靈活性，使對象具有很強的選擇性，因此其功

59、能的設計應面向對象。面向對象的軟件無線電系統結構如圖8。信源集信源集 信道信道集集 信源信源編碼編碼/譯碼譯碼 服務與服務與網絡支網絡支持持 信息信息安全安全 調制調制解調解調 中頻中頻 處理處理 RF/信信道接入道接入 聯合控制聯合控制 個性化無線電接個性化無線電接點點 圖圖 8 面向對象的軟件無線電結構型面向對象的軟件無線電結構型開發支持開發支持 外部環境支持外部環境支持 信道編碼與解碼信道編碼與解碼 技術的進步已經宣告了一個電臺具有一個靈活的新的物理層，多頻帶技術能夠接入不只一種通信信道。對于一個無線接點如個人通信基站，可能需要與光纖、電纜相連，因此這些也包括在信道集中。信道編碼功能包括

60、可編程的射頻信道接人、中頻處理與調制解調。多模式無線電具有多種空中接口波形。這些波形可能在不同的頻帶內，還可能擴展到幾個頻帶內工作。由于具有不同的信源編碼與信道編碼，因而變成了多個性。一個個性包括了頻帶、信道（控制與通信信道）、空中接口波形、協議與相關的功能。信息安全可以減小無線通信網絡中的欺騙行為與使通信保密。有些信源可能遠離無線電節點，可通過服務與網絡功能經SDH（同步數字體系）與局域網或其它網絡來實現連接。這些功能都是通過一個聯合控制功能用多進程多處理器軟件來混合完成的，每一個在圖中的功能盒對應一種庫，任何一種功能在特定應用可能是空的。從開放結構來看，系統集成者、網絡操作者和服務提供者從