3.2 软件无线电结构数学分析化
•数学分析的必要性
1. 要掌握一个软件模块的数据吞吐量、响应时间及其他 参数，对存储器、缓存空间和可处理资源进行量化，要 求数学分析。 2. 当重用自己软件库（或第三方）的软件时，会引起系 统性能下降，甚至崩溃，要用数学模型来刻画快速涌现 的技术。 3. 用拓扑结构特性研究SDR结构，可提高即插即用结构 的应用和资源的有效重用。
•美国
•SPEAKeasy：研制多频段、多模式电台(MBMMR)，已 完成两个阶段(Ⅰ、Ⅱ) •MMITS论坛(后更名为SDRF论坛) •PMCS(Programmable Modular Communication System)
研究基于SDR技术的3G系统的多频段多模式手机与基 站。
•中国
提出了3G标准TD-SCDMA，SDR技术是其关键技术之一。
1.6主要研究机构及其应用进展
1.1 软件无线电的基本思想
•由来
•基本思想:在尽可能靠近天线的地方使 用宽带A/D和D/A变换，并且尽可能多地 用软件来定义无线功能 •软件无线电台=高速计算机+天线 •无线电通信的一次革命 •模拟无线电（1G）
•数字无线电（2G） •软件无线电（3G）
所有的无线通信系统均可基于一种通用 可编程硬件平台，工作频段、编解码方式、 调制解调方式、加密解密算法、多址方式等 均可编程，通过注入不同的软件，形成不同 标准的软件无线电终端或基站。这样的无线 电台既可以与现有的其他无线电台进行通信， 还能在不同的无线电系统之间起到“无线电 网关”的作用，保证各种无线通信业务的无 缝集成。
• FIRST(Flexible Integrated Radio Systems Technology) 计划用SDR技术设计多频/多模可编程手机
•FRAMS(Future Radio Wideband Multiple Access Systems)计 划目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满 足UMTS要求，技术方法之一是采用SDR技术 •SORT(Software Radio Technology)计划是演示灵活的有效 的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合 UMTS的标准
1.3 标准软件无线电台的结构
移 动 终 端
电话 视频 传真
实时/ 准实时软件
窄带A/D-D/A (可编程信源编码)
可编程处理器
宽带A/D—D/A
RF转换
数据
高集成度硬件
•无线接口
基 站
脱机软件
•业务开发 •工作站
在线软件
可编程处理器
实时/ 准实时软件 可编程处理器
宽带A/D—D/A
RF转换
实时系统 •模块化、开放式结构硬件
软件无线电手机的概念化方案
专用软件语言 应用程序 GSM模块
cdma-one模块
IMT-2000模块 PDC模块
A/D D/A DSP FPGA
数字无 线信号 处理器 宽带射 频前端 驱动模块 操作系 统
无线函数库 A/D D/A
LNA PA MIX
3G手机设计中的难题
•低功耗、小型化技术 电源管理技术、低功耗技术
软件无线电技术
李文元
2000.12.1
软件无线电技术
(Software Defined Radio，SDR)
1、基本概念
2、SDR的关键技术
3、SDR的新进展 4、SDR的算法设计
1、软件无线电的基本概念
1.1软件无线电的基本思想
1.2发展历史
1.3标准软件无线电台的结构
1.4软件无线电的特点
1.5软件化程度的评价方法
标准化
3、软件无线电的新进展
3.1 体系结构分层化与软件模块化 3.2 软件无线电结构数学分析化 3.3 面向对象化 3.4 认知化、智能化 3.5 计算机化 3.6 网络化、信息安全化
3.1体系结构分层化与软件模块化
•Joseph Mitola 提出了SDR分层虚拟机参考模型
通信服务虚拟机
服 务 个性描述 信道对象 代 理 信道状态机 信息流 基础结构状态机 线程建立与控制
SDR在3G中的应用
•移动台和基站 为3G的多模式、多频段、多功能手机与基站 提供一个开放的模块化的结构 •智能天线
空间特征矢量（如DOA）的获得、每个射频通道 权重的计算和天线波束赋形等 •各种信号处理软件算法的实现 包括各类无线信令规则与处理、信号流变 换、调制解调、加密解密、信道编码、信源编码 等软件算法
•数学分析的好处
提高了系统的稳定性、可重用性
•结构设计的原则
•有界递归模块
消耗可预测的资源，且软件错误不会引起系统崩 溃
•可扩展的接口拓扑
用拓扑空间的基来定义软件无线电接口，并使用 可扩展语言如UML、SDL、IDL、ASN.1等
•分布式分层虚拟机结构
3.3 面向对象化
•SDR要面向对象设计——3G面向个人服务
•宽带射频前端和模块化技术
•高速A/D、D/A技术 •高速数字信号处理技术 •多信道数据交换技术 •系统软件设计技术 •嵌入式开放系统控制技术
射频前端信号预处理
窄宽带 ADC 窄宽带 ADC AGC DDC DDC DAC 总线 DAC DAC DSP DAC LPF LPF LPF 中放输出
带通滤波
外部环境支持
信号源集 开发支持 信道集
信源编 解码
服务与 网络支持 联合控制
信息 安全
调制 解调
IF 处理
RF信道 接入
信道编码解码
面向对象的软件无线电系统结构
3.4 认知化、智能化
•Joesph Mitola近期提出 •认知软件无线电是指无线电的内部工作状态是可知的，通过 无线电知识描述语言(Radio Knowledge Representation Language，RKRL) 与网络，针对无线规则进行智能交流，并采用支持关于用户 需要的自动推理的方式，更好地为个人通信服务。 •无线规则是指一系列适合无线频谱使用的射频带宽、空中接 口、通信协议和空间时间模式。 •认知无线电使软件无线电从预置程序的盲目执行者转变成为 无线电领域的智能代理，它具备通过各种方式来满足用户需 求的能力，甚至用户都不知道是如何得到它的。 •SDR为认知无线电的实现提供了一个理想的平台。
· · ·
宽带ADC
（a）数据采集模块结构图
FIR(LPF) IF 输 入 正弦/余弦 FIR(LPF) 可编程抽取器
逻 辑 电 路
输出
取样时钟-
滤波系数
（b）可编程数字下变频器（DDC）原理图
宽带A/D和D/A
•性能参数
信噪比(SNR)、无寄生动态范围(SFDR)、互调
失真(IMD)、采样速率和采样精度等 •采样方法 正交采样、带通采样、欠采样 •并行A/D、D/A技术
RF处理
IF滤波
基带处理
用户接口
OSC
OSC
传统的硬件无线电接收机
宽带射频前端
高速A/D和D/A
高速DSP
用户接口
软件无线电接收机
1.2软件无线电的发展历史
序号 时 间 发 展 历 程 1 1980 年 美国作做为可编程模块化通信技术开始研究开发 SDR 技术 2 1992 年 由 Joe. Mitola 正式提出软件无线电的概念 3 1994 年 SPEAKeasy(PHASE I)开发完毕 4 1995 年 欧洲电信标准协会 (ETSI)举荐 SDR 做通用移动通 信系统 (UMTS)；IEEE Communications Magazines 出 SR 专辑 5 1996 年 美国 FAA 要求研究使用 SDR；组建 SDR 标准化组 织模块化多功能传输系统论坛(MMITS Forum) 6 1997 年 由 MMITS 主持第一次 SDR 专题研讨会： 7 1998 年 准备策划制定面向 MMITS 的规格；年底更名为软 件无线电论坛（SDRF） 8 1999 年 美国完成了 SPEAKeasy(PHASEⅡ)的开发； 9 2001 年 开始 IMT-2000 业务。
•PSTN
1.4软件无线电的特点
•可编程性 •模块化结构 •可重构性 •分层性
•开放性
软件无线电的开放式结构
多路耦合器 宽 带 射 频 板
高速数据总线
高 速
A/D D/A
存 储 器 板
并 行
DSP
VME
主 机 板
板
板
用 户 接 口 板
音频 视频 传真 数据VME总线1.5软件化程度的评价方法
1997年Joe Mitola 提出用矢量V(N，PDA，HM，SFA) 表示软件化程度，每个参量的取值均为0~3
软件模块化程度
0-无定义空中接口的软件 1-硬件只能运 行一个厂商的软件 2- 加载多个厂商软 件，硬件平台一个 3-多个软件可加载到 不同的硬件平台上
1.6软件无线电的主要研究机构及其应用
•欧洲 ACTS（Advanced Communications Technologies and Services)计划中有三项是将SDR应用在3G(UMTS)
SDR将在SCDMA中实现的功能
(1)提供一个开放的模块化的系统结构； (2)智能天线的实现； (3)同步检测、建立和保持； (4)用户终端D-QPSK解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪； (5)每码道功率的测得和发射功率控制的实现； (6)接收通道的电平检测和接收增益控制； (7)扩频调制和解调，包括Walsh码和PN码的产生； (8)语音编译码； (9)DTMF、MFC及各种信号的产生和检测； (10)信道编码、复接和分接； (11)发射脉冲成形滤波； (12)SWAP信令的差错检测； (13)接收信令的差错检测； (14)发射通道的数字预失真； (15)基站收发信机的校准。