第２章 软件无线电的体系结构
§2. 1 软件无线电的系统模型 §2. 2 软件无线电的体系战术无线 电系统（JTRS)开发软件，按可配置无线 电台的基、本需求而建立的独立于具体应\ 用的软件无线电体系结构，它包括硬件体 系结构、软件体系结构等部分。
本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接 收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化 处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽 适应性以及可扩展性。
本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射 频信号转换为适合于A/D采样的宽带中频或把 D/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。
１.可编程数字无线电
可编程数字无线电的编程性体现在基带使用 DSP,包括可以用软件改变信源的编码方式。但是 对于基带以上的部份，它是通过使用多种硬件模 块或不同芯片使得无线电接入多外模式,并且选择 多种空间接口方式；当需要转换射频或改变空中 接口的方式时，则需要对硬件模块进行更换才能 实现系统的个性化配置。
软件下载过程中必须保持通信,各单元之间必须有力相 互发现,这也称之为绑定。 3.下载的内容
可分为执行代码和数据两大类。可执行代码就是可
供系统主动执行功能的代码；数据是被动的，例如系
统的一些参数。
4.软件下载的安全保障
由于下载软件的来源很多，其核心任务是保证恶意
的软件代码不被下载和激活。
安全性需要可归纳如下：
软件无线电的拓补结构是由单一弧线和源点、汇点 组成，弧线可以一层层分解到最基本的组成部份。硬
件的最基本组成是离散的器件,而软件的最基本组 成部份是处理器的单条指令。对于分解对最底 层的拓补结构,计算出所有能通过软件重新定义 的弧线，它与总的弧线之比就是可编程的度量。
➢ 传统通信需人工干预的控制很少，只有像电源 开关、音量控制等几个简单的控制功能；
➢ 软件无线电在此基础上扩展多频带、多模式、 多线程以及多个性化的特点；
软件无线电信道可扩展成三部份： ➢ 可编程的RF/信道接入部份,是对多个射频段和其 它信道的接入部份进行自动的接入； ➢ 中频部份主要是进行滤波、频率变换、波束形成 等处理； ➢ 调制解调部份包括了多种可用的调制技术；
盲区采样频率为： fSm
2m 2 2m 3
f
，式中，m
s
=
0,
1,2,…,M-1对应盲区号。
主采样频率fs的确定主要取决于A/D器件的性能； 另外，还要考虑与后续DSP的处理速度相匹配。 为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率 fmax一定的情况下， fs应尽量选高。
本结构对A/D器件的要求是A/D需有足够高的工 作带宽。
态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件水平 无法实现。 （2）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范 围有很高的要求，工程实现极为困难。 所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。
例：短波HF频段低通采样软件无线电结构
双工器
滤波器
放大器
A/D
0.1MHz~30MHz
fs : 75MHz ~ 90MHz
典型的可编程数字无线电，如双模手 机GSM/CDMA双模手机。
2.软件无线电 软件无线电以其特有
的方法给予无线电更多 的个性化,它以软件定 义空间接口（包括接入 多外射频段及多外调制 波形等）。
多波束天线阵
多频段RF转换 宽带A/D/A转换
中频调制 中频调制
调制
解制
比特流处理 比特流处理
高级 控制
功
窄带电调
“0”内插上
放
滤波器
变频
A/D
fS / fSm
DSP 软件
D/A
本结构说明
本结构采用了射频直接带通采样原理。
这种带通采样除了需要一个主采样频率fs外，还需
要M个“盲区”采样频率fsm(m= 0,1,2…M-1)，M
值由下式确定：M INT[ 2 fmax ] 式中，INT[x]表示取大于f等s 于x的最小整数。
➢ 授权：确认用户可以访问数据或使用网络; ➢ 完整性：采用加密技术和编码技术保证信息的完整
性; ➢ 隐私：采用加密技术实现; ➢ 认证：简单口令或高级的加密的技术; ➢ 认可：接收者和传送者都肯定各自的行为,采用数字
签名或适当的协议方法实现;
软件无线电原理图的拓扑结构
图中所显示了一个双频带接收机，它可以接收两个 射频段（高段或低段）的信号，接收到的射频信号通 过射频处理变换到中频，在中信频道选进择 行采样将信号数字 化（ADC），然高频R后F 通过信道滤波器选音量出控制所要的信道， 信道选择可RF以由射 处频 理用户中频控AD制C 。滤信波道器选调出制解所调器要的信道用后户 ，经过 调制解调器得到基带信号，然后通声过码器一个声码变成话 音输出给用户，低频在RF 这里接，口点用户可以控制控函数制输出声音的音 量。用这样一种添加了变变换函换数 和控制空中函接口数怕拓扑结构就 可以很简单地表示一个无线电通信系统。
网络
图 软件无线电的关键模块
软件无线的射频端是一个多波束天线和一个多 频段的射频转换器,它可以接收多个方向，多个频 段的射频信号，并且将射频信号转换成中频信号。 宽带的ADC对中频信号采样,中频处理部份包括： 隔离用户信号滤波器,波束形成以及数字下变频。 它从采样的中频多用户信道提出所需的用户信道, 抑制相邻用户的干扰,并且将提取出的单用户窄带 信号进行抽样,进一步降低采样率,完成数字下变 频。解调后的信号为一个比特流序列,比特流处理 部份需要完成信息的加密解密、编码译码等。
射频全带宽低通采样软件无线电结构
组成结构如图所示：
超宽带 滤波器
双工器 fmin ~ fmax
超宽带 放大器
分波段 滤波器
超宽带功 率放大器
超高速超 宽带A/D
fs 2 fmax
超高速超 宽带D/A
超高 速
DSP 软件
这种结构的优缺点
优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电 概念的定义。
缺点： （1）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动
图 软件无线电的拓扑结构
拓扑模型的好处： ➢ 可以明确系统顶层的即插即用接口； ➢ 可以预测和控制系统的性能； ➢ 为建立标准定义一个参考模型； ➢ 为产品的演化提供一个体系； 拓补模型的特点： 1.节点和有向线段可以带有有关的重要特性,这些重要 特性构成拓补空间的维数; 2.一个拓补结构包括了很多的空间,在这些空间上可以 从不同的角度得到系统的重要特性。
§2.1.1 通信系统模型
传统的通信系统的概、
发信者
无线电
RF信道
无线电
收信者
念是发信者使用无线电
发射机
接收机
发射机将信息传送给接
收者;接收者使用相应
信源 处理
信道 处理
信道 处理
信源 处理
的无线电接收机接收信 息,中间通过一定的通
图 传统的通信模型
信信道。
信源处理： 将原始信号（如语音）转换成适当的电信号； 信道处理： 将电信号转换成适合无线电射频（RF）信道传输 的波形； 传统无线电与软件无线电比较：
DSP 软件
滤波器
功放
D/A
对于工作频段处于0.1MHz到30MHz范围的HF 就可能采用上述结构，因为采样频率在
100MHz左右精度为14位的AD已基本能满足要 求。
射频直接带通采样软件无线电结构
组成结构如图所示：
双工器
窄带电调滤 波器
放大器
f0＝(2n+1)fS / 4 f0m＝(2m+3)fSm / 4
软件无线电节点对计算的需求： 首先,从信源开始，为了兼容多种信息输入，
信源编码要包括所有可能的算法，如话音压缩 编码、图像压缩编码、视频信号编号以及多媒 体信息编码等算法。
其次,对于远程信息输入,在服务和网络支持 模块中还要包含与相关网络的互联协议。在信 道选择，波束形成算法、频段的选择、调制方 式的选择、数据格式的选择等等,都包括了大量 的运算需求。
信源集
信道集
信源 编译码
服务与 网络支持
信源处理
信息安全
调制解调
中频 处理
信道处理
联合处理
RF/ 信道 接入
信息安全： 信息安全中的信息加密技术越来越受到人们的重视, 认证技术可以防止欺骗，而传输安全技术可以将信息 传输的事实（信息的流向、流量、频度）隐藏起来。 函数模块： 所有这些函数模块共同实现一个多频段、多模式、多 线程以及多个性化的软件无线电节点，它由一个联合 控制函数来管理和控制，联合控制保证了系统的稳定 性以及系统的自动恢复。联合控制使得系统具有自动 选择频带、自动选择数据格式以及自动选择调制方式 的功能。
软件下载
物理层 软件无线电针为系统的 设计提供了适应性
图 软件无线电的多层视图
1.下载的程度 根据下载的内容可分为完全下载和非完全下载。前
者是完全替换系统代码,这需要较大的系统资源。部分 下载只是替换部份代码,下载量较少，但各层之间的接 口通常较稳定。
2.各系统之间的通信 系统各层间均是相互联系的、共同完成任务的，在
优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不 同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有A/D 的采样速率不同；最后就是对DSP的处理速度要 求不同。实现可行性较强。
缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的 A/D（高性能采样保持放大器）实现起来还是 有相当的难度。另外，本结构需要多个采样频 率，增加了系统实现复杂度。
3.硬件的等价模型
在现在的移动终端中,更多的采用一些固化的定 制芯片（ASIC),尽管ASIC可以设计成具有多个控 制参数,但是在移动终端的使用过程中是无法改变 个性化设置。要改变一个移动终端空中接口的个 性化设置,必须更换相应的ASIC芯片。
ASIC芯片与DSP芯片相比具有低功耗,尺寸小、 重量轻、成本低等优点,但是它的灵活性受到限制。