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标题: 系统解读无线通信之SDR和CR [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 10:13
标题: 系统解读无线通信之SDR和CR
软件定义无线电(SDR)过去是比较少有的舶来品。不过现在，大多数现代无线电都采用软件定义无线电的架构和技术。随着每年IC和其他技术的不断进步，SDR的性能和应用范围都在与日俱增。事实上，认知无线电(CR)等新兴技术的出现，为SDR在无线通信领域大显身手创造了条件。

什么是软件定义无线电

软件定义无线电使用软件来执行接收器和发射器中的部分信号处理任务。例如，采用随处可见的超外差架构的传统接收器通过基本电路(图1a)执行所有的信号处理任务。这种超外差架构将输入信号通过降频转换成中频(IF)信号，以便进行解调和其他处理。

图1：常见的传统无线电接收器(a)将标准模拟超外差架构与执行所有功能的模拟电路配合使用。高级超外差接收器(b)将数字解调技术与DSP配合使用。

早期的软件定义无线电接收器(图1b)在中频级之后用模数转换器(ADC)替代了解调器，并在数字信号处理器(DSP)中执行解调和部分滤波工作。如今，由于ADC采样速率的提高，DSP可以处理更多的功能。

要使DSP工作，信号的振幅和相位必须是已知的，从而催生了一种将接收到的信号分至两个通路的架构，一个通路产生同相(I)信号和一个通路产生90°相移正交(Q)信号。基本载波信号具有以下形式：

V = Ac cos(2πfct +φ)

其中，fc是载波频率，φ是相位，Ac是载波振幅。这些参数中的任何一个参数都随调制方式的不同而有所不同。对于数字领域中的解调而言，单信号对于现有的算法来讲是不够的。因此，经过调制的信号被转换成I信号和Q信号：

V = I(t) cos(2πfct) + Q(t) sin(2πfct)

正交信号的任何振幅、频率或相位变化都可以检测到，并用于解调或其他过程中。

图2是一个现代I/Q软件定义无线电接收器的框图。低噪声放大器(LNA)一般会增强来自天线的输入信号，然后该信号再被施加至两个混频器。混频器逐步产生I信号和Q信号。两个混频器都从锁相环(PLL)频率合成器中接收本振(LO)信号。请注意LO信号与两个混频器之间的90°相移。

图2：现代软件定义接收器采用I/Q架构将信号分成两个正交通路。需要I和Q通道通过数字信号处理算法恢复各种类型的调制。

LO频率被设置成信号频率，因此在不调制的情况下混频器的差分信号为零。进行调制时，差分信号为基带信号或原始调制信号。这种架构被称为直接转换或者零中频。

基带信号在低通滤波器中进行滤波以消除混频器输出端的和分量之后，此信号在一对ADC中被转换成数字信号。然后数字基带信号通过数字下变频器(DDC)的处理，降低采样速率，以便能够与数字信号处理电路兼容。然后数字信号处理电路根据应用的要求，同时使用I信号和Q信号进行解调、均衡和额外的滤波。

在现代软件定义无线电发射器中，DSP调制器将要传输的数据划分成I信号和Q信号，并将这些信号馈至数字上变频器(DUC)，以提高其采样速率(图3)。I信号和Q信号接下来会被发送至数模转换器(DAC)，从而产生最终的基带信号。然后这些基带信号会进行低通滤波，并被发送至混频器，混频器将该信号升频至最终的发射频率。该信号最后会发送至功率放大器，然后再施加至天线。

图3：在SDR发射器中，调制是在DSP中进行的。然后，I/Q架构产生两个正交信号，这两个正交信号合并在一起，然后升频至最终的频率以便进行传输。

所有的现代软件定义无线电收发器都采用这里所示的接收器和发射器电路的某种基本变体。当然，随着ADC和DAC采样速率的日益增加，数字处理越来越向天线靠近。最终的接收器会成为天线端的一个滤波器，以限制带宽和LNA，然后再进行快速的ADC处理(图4)。然后，DSP执行解调和滤波等所有的其他处理。覆盖频率高达30MHz的商用业余无线电和短波接收器已经开始使用这种先进的架构。

图4：最终的SDR接收器仅采用一个输入带通滤波器、一个ADC和一个DSP。所有的解调、滤波和其他功能都在DSP中进行。

以下的许多功能现在都是以数字方式执行的：

滤波(低通、高通、带通和带阻)、调制(AM、FM、PM、FSK、BPSK、QPSK、QAM、OFDM等)、解调、均衡、压缩、解压、频谱分析、预失真。

新的调制方式和相关过程通常被称为波形。通过更改波形软件，用于像FM语音这样的单个应用的无线电可以针对具有不同协议的不同频率上的高速数据重编程序。

软件定义无线电的优势在于硬件越来越简单。标准RF电路得到了最大限度的缩减，从而保证了低IC成本。DSP软件提升各种功能(比如滤波器)的性能，从而实现比同等模拟电路更好的性能。数据信号处理还可以对RF器件的某些不足进行补偿。

此外，重编程序可以提供各种灵活性，包括修正错误、增加新功能、包含升级的操作以及提升性能等。可以通过软件快速更改具有灵活设计的软件定义无线电，从而整合新的调制方式、新协议以及一般需要新硬件的其他重大调整。

软件定义无线电的不足之处在于软件复杂性、开发成本和开发时间、某些应用的频率范围有限以及往往较高的功耗。

软件定义无线电的硬件

软件定义无线电需要快速ADC、DAC和DSP。多年来，ADC的采样速率一直都在与日俱增，现在已经达到了千兆赫的水平。许多软件定义无线电采用低中频架构和ADC，将许多100 Msamples/s的采样速率提升至几百Msamples/s，甚至更高。

美国国家半导体(现在是德州仪器)最近发布的ADC12Dxx00RF的采样速率可以达到3.6 Gsamples/s(请参见www.electronicdesign.com网站上的“ADCs Sample RF Directly”一文)。这款双通道12位ADC可与时钟相移配合使用，实现交叉或交替通道采样，从而能够实现更快的转换。DAC采样速率正紧跟这种趋势。

快速转换必不可少，而DSP也必须足够快才能够跟得上这种速度。由于大多数处理器都能够轻松地跟上这种速度，因此这不是问题。当然，虽然软件定义无线电是软件，但仍然需要以多种形式实现的硬件。

比如，你可以编写在通用处理器(GPP)上运行的程序。由于某些算法需要在大多数GPP上难以处理的数学程序，因此这可能不是一个最佳方案。不过，大多数PC中使用的英特尔(Intel)或AMD双核处理器如今在某些应用中表现非常出色。某些GPP还有一些特殊指令，比如DSP算法中常用的乘和累加函数。

你还可以使用专为处理信号处理代码而设计的DSP。这种DSP拥有特别的架构(通常是Harvard架构)、内存以及可以提高DSP的处理速度的算术逻辑单元(ALU)指令集。

德州仪器(TI)的C5000和C6000等畅销DSP系列已经在业界使用了多年。ADI和飞思卡尔(Freescale)也有通用DSP产品。就像处理器一样，DSP是完全可编程器件，因此它们在将来可能需要更改、增加和更新的应用中具有极高的灵活性。如今，时钟频率高达1GHz的DSP非常普遍。

越来越多的软件定义无线电设计正在使用FPGA。快速傅立叶变换(FFT)等信号处理算法可以缩减成数字逻辑，并且能够在GPGA中快速实现。由于FPGA成本已经稳步下降，因此FPGA已经成为DSP的主要替代方案。FPGA比具有某些功能的某些其它处理器更快，并且仍然具有重编程序的灵活性。Altera和赛灵思(Xilinx)公司的FPGA支持软件定义无线电。

最后，硬逻辑在如今也非常普遍。在实现蜂窝无线电规范等固定标准时，灵活性或重编程序的能力并不是必不可少的。因此，可以在固定的片上逻辑中实现各种算法。这种逻辑块的速度更快，占用的芯片面积更少，并且可以大幅降低功耗。这种逻辑块一般称为加速度计。

许多蜂窝手机基站IC(比如TI的TMS320TC6614系统级芯片(SoC))就是使用加速度计的例子。图5显示了具有ARM GPP和四个66x通用浮点DSP内核的6614。请注意右边的加速度计逻辑。大多数第1层的加速度计都使用DSP算法来实现各种软件定义无线电功能。

图5：TI的TMS320TC6614是一款用于实现微微基站、微基站、地铁基站和其他小型基站的片上基站IC。所有的基带功能都在这颗芯片上进行。RF电路为外部电路。请注意右边的硬件加速度计，该加速度计采用硬连线逻辑加快许多DSP软件定义无线电功能。

真正的SDR收发器

目前已经开发出了许多用于联合战术无线电系统(JTRS)下的军事应用的软件定义无线电。这个美国国防部的计划旨在开发一整套用于语音、数据和视频的软件定义无线电，从而用来实现战场上的自组网络。此计划从上世纪90年代末期就已经开始实施，十多年来已经取得了相当快的进展。

JTRS系统的整个基础是软件通信架构(SCA)。这种开放架构的平台标准规定了硬件和软件配合工作的方式。其中一个主要目标是开发可在不同硬件平台之间全面转换的软件，从而使所有的军事无线电都具有多功能和互操作性。

最近发布的最新版本SCA 2.2.2进一步提高了程序员的能力，从而提高了软件的灵活性和可扩展性。SCA Next软件有助于减小程序规模和减少测试工作。

软件通信架构没有提供具体的认识功能。不过在过去几年里，美国国防高级硬件规划局(DARPA)一直在对软件通信架构的认知增强功能进行测试，比如动态频谱接入功能，该功能有望在即将发布的下一代JTRS无线电中实现。

泰雷兹通信(Thales Communications)的AN/PRC-148 JTRS增强型多频带内部/外部团队无线电覆盖从30MHz至512MHz的所有HF、VHF和UHF军用频率(图6)。功率输出的选择范围为0.1W至5W。提供各种模式和波形。

认知无线电

认知无线电(CR)进一步扩展了SDR的定义，它包含为无线电提供智能的功能。无线创新论坛(Wireless Innovation Forum)将认知无线电定义为“通信系统可感知其环境和内部状态，并且能够根据无线电工作行为和预定义的目标作出有关该信息的决策的无线电。环境信息可能包含也可能不包含与通信系统相关的位置信息。”

认知无线电有时候也称为自适应无线电，这种无线电可以通过自动调整其行为或操作来实现具体的目标。它们可以感测、了解和调整。它们具有可存储用于各种不同情况的指令的内存。借助存储的有关其自身功能的知识，这些无线电可以进行自行决策。

认知无线电还可以访问外部数据库，以获得额外的决策智能。它通过侦听通道进行感测，从而评估是否存在其他信号、其特性和噪声背景。认知无线电还可以根据经验来了解情况。认知无线电借助已经获得或能够访问到的所有知识而成为超级智能无线电。

发射器(TX)和接收器(RX)是具有各种适用波形和所有相关软件定义无线电软硬件的全面捷频软件定义无线电(图7)。独立的认知处理器引擎运行无线电的各种认识功能。该引擎从RX和TX获取输入(M)，以监控其状况和参数。它通过这些输入以及其他输入进行决策。

图7：典型的认知无线电中的发射器和接收器都是捷频软件定义无线电装置。认知处理器通过来自策略内存的输入、外部数据库和GPS位置信息(某些情况下)管理认知过程。

其他输入来自存储在内存中的策略指令，这些指令定义在不同情况下的工作方式。还可以访问外部数据库。一些认知无线电装置通过GPS获取位置信息。然后进行决策，并将控制(C)发布至无线电，从而达到理想的结果。


认知无线电还是人工智能(AI)的一个很好的例子。人工智能是一系列用来存储和使用解决问题的知识的软件。它可以使用标准算法，还可以采用专家系统、自然语言处理、模糊逻辑和搜索技术等多种人工智能技术。人工智能/认知无线电可以通过根据现有的知识评估状况和决策，并采取行动达到所需的最佳结果，从而模仿人类用户。

认知无线电的一个非常重要的功能是动态频谱接入(DSA)，该功能使得认知无线电能够在确定频谱中的一个频道未被使用后调整到该频道。动态频谱接入无线电使用未使用的频谱，从而使有限的频谱空间产生更高的效率。

认知收发器基本上以工作频率、调制模式、功率级别和其他因素的方式通知SDR如何操作，并自动作出相应的调整。认知无线电是监控SDR并在必要时提供命令和控制指令的软件。

认知无线电主要力争解决两个重要的无线问题：有限的频谱以及不同的无线电或无线系统之间的互操作性。认知无线电可以找到开放频谱并使用该频谱。它还可以改变其波形或者协议，以适应不同特性的无线电，从而实现通信或者让通信更可靠。

还有几种不同类别的认知无线电。比如，基于策略的无线电通过一组预定义的功能(比如波形和程序)编程。使用这种无线电方法是选择几种不同的预编程固定函数中的其中一种函数。固定函数在制造过程中载入，由用户选择，或者通过空中接口下载。

另一种认知无线电是一种可以全面重新配置的无线电。这种完全普通的收发器可以在各种频率和功率范围内工作。这类无线电可以针对新应用或通信条件以动态方式进行全面的重新配置。

认知无线电示例

xG Technology公司的xMax运营商级认知无线电系统用于移动通信，该系统使用902至928MHz范围内的未经授权的工业、科学和医疗(ISM)频段。在其首次迭代中，它是作为美国陆军的试验驻军和战场蜂窝无线电系统部署的。

作为用来验证和测试用于战场的系统的军事网络集成评估(NIE)过程的一部分，该系统已在2011年早些时候在布利斯堡和白沙导弹试验场进行了测试。根据书面媒体报道和军队人员的观点，该系统的表现相当出色。

xMax原型系统使用微型手机基站及该系列的TX70手持机。该系统还通过手持机自带的认知技术使用900MHz的时分双工(TDD)数字无线电。该系统还支持互联网协议语音(VoIP)呼叫和发送短信(SMS)。该手持机包含完整的Wi-Fi无线电。

xMax系统符合美国联邦通信委员会(FCC)针对902至928MHz频谱的第15部分的规则。无线电的有效全向辐射功率(EIRP)可高达4W，基站也是一样。该系统将该频谱范围划分成18个1.44MHz频道，采用鲁棒的二进制相移健控(BPSK)调制方式。接入方式为时分多址(TDMA)技术，每个通道都可以处理多达12个语音呼叫。

该无线电的认知功能可以侦听使用中的频带，以确定哪里有干扰，然后切换到具有最低噪声电平的频率上。xG手持机每秒钟扫描频带33次，以寻找干扰并确定可形成稳定链路的确切位置。然后该手持机通知基站，从而在必要时更改频率，保持流畅的连接。

目前，xG技术正在向其第二代xMax设计方向发展。这种新型xMax系统不再使用特殊的手持机，而是使用标准智能手机。而这正好符合军队的要求，因为士兵使用标准的智能手机、膝上型电脑或平板电脑可以节省经费。

在这种新系统中，智能手机与xMod桥接设备通信(图8)。该设备类似于Novatel MiFi设备，可以让多个膝上型电脑通过Wi-Fi连接与它通信，然后通过与蜂窝网络的连接将这些连接回传至互联网。xMod以类似的方式工作，它支持与商业智能手机或计算机的Wi-Fi(或直接USB线缆)连接，使用认知xMax网络传回互联网或军事网络。


这种新型布局给系统增加了高速数据连接。此外，它还通过智能手机应用增加了受控VoIP功能。普通的3G和4G蜂窝智能手机通过2G或3G蜂窝链路采用蜂窝系统的标准语音服务，该服务目前还不是VoIP服务。xMax系统在智能手机中加入了一种特殊的应用，该应用使得智能手机能够找出并优化语音包。这样，xMax系统即可提供固话级音效(即使是100%基于IP的系统)。

这种新系统利用正交频分复用(OFDM)来修改xMax波形。上文中定义的18个1.44MHz频道的每一个频道都进一步分成128个副载波。无线电接入方式为TDD。增加的另一个关键技术是多入多出(MIMO)，该技术可以大幅提高覆盖范围、可靠性和数据速率。xMod设备采用具有四个接收链路和两个发射链路的2×4 MIMO系统。

认知功能和无线电本身主要以软件(一般称为SDR)的方式实现。该系统整合了认知无线电技术、MIMO技术和先进的信号处理技术，最大限度地提高了覆盖范围、可靠性和吞吐能力。所需的相当高的处理能力由能够同时在xMod和基站中支持50 GOPS的新一代处理器提供。这种处理能力是一个全新的突破，现在提供适合xMod等电池供电设备的尺寸和功耗级别。

据xG公司的Rick Rotondo介绍，xMax的认知能力和干扰抑制算法使其能够在“白色空间(white spaces)”以及“灰色空间(gray spaces)”可靠地工作。白色空间是指未被使用的电视频道，这些频道已经被FCC保留下来，无需授权即可使用。

不过，由于在这些频道工作的无线麦克风以及在这些频道附近工作的其他白色空间设备，白色空间很快就会变成灰色空间。事实上，xG公司从中获得经验的900MHz频带现在已经在超负载使用，由于无绳电话、无线安全系统、遥测无线电和其他设备产生的干扰而已经变成了“深灰”空间。
因此，系统从一开始就必须在具有强干扰的环境中可靠地工作。这样，xG认知系统就可以通过可靠地让该系统在其他无线电系统可能无法工作的环境下工作，从而最大限度地提高灰色空间的容量。

至于应用，xG Technology很快就会推出适用于军事、农村宽带和企业的高级系统。这种新系统将覆盖902至928MHz的频带以及5.8GHz ISM频带。未来的系统也可能使用700MHz频谱。

此外，xG公司正在美国和英国评估该公司在电视白色空间领域推出的各种选择方案(该系统可能非常适合用于美国和英国)。你可以想像一下这样一种功能强大的移动语音和数据蜂窝系统，它可以利用空白白色空间6MHz电视频道，并且可以提供与商业3G和4G蜂窝系统一样的服务，实现更高的经济效益。

说到白色空间，这是认知无线电的另外一个出色的应用。白色空间由未被使用的6MHz电视频道组成，该空间是在2009年模拟电视转换到数据电视时被弃用的。电视台仍然使用2至51个频道(54至698MHz)，尽管许多频道未被使用。开放的频道根据地区的不同而有很大的变化，不过这种频道意味着宝贵频谱的巨大浪费。

FCC已经批准在无许可证服务中使用这些频道。其指南要求具有可用本地频道的低功率和知识。FCC以及Spectrum Bridge和Telcordia等多家其他组织已经制定出记录在美国的大多数地区使用这些频道的电视台和其他无线设备和服务的综合数据库。要使用这些频道，白色空间无线电必须访问该数据库，查看该频道是否正在使用中。如果是的话，将选择另一个频道，以防出现干扰。

白色空间无线电分为两类：基站和客户端设备(CPE)终端。CPE终端可能是手机。如果这类终端要发射信号，需将其GSP坐标位置发送给基站，然后基站访问数据库查看所需的频道是否是开放的。如果是的话，CPE终端就会收到可以发射信号的通知。

在某些系统中，CPE终端实际上是侦听所需的频道，评估是否存在其他信号。在任何情况下，基站和CPE无线电都使用认知无线电的形式进行有关何时使用哪个频道的智能决策。

白色空间无线电有望能够更加高效地使用未使用的电视频谱，不过认知无线电能够在不产生干扰的情况下实现这一点。农村地区的无线宽带是白色空间的一个关键应用。农村仍有许多地方没有良好的高速互联网连接。白色空间非常适合用于这种应用。

白色空间频道的低频率和非视距(NLOS)特性不仅能够实现传输距离长达几英里的连接，还可以保证连接的可靠性。在一个潜在的商业模式中，无线互联网服务提供商(WISP)将帮助实现美国联邦政府的国家宽带计划。

远程监控是白色空间的另一个潜在应用。智能电网连接、视频监控摄像头、医疗病人监护和传感器网络等端到端(M2M)应用全部都会从访问白色空间中受益。

专为白色空间应用而设计的RuralConnect IP版II(RCIP VII)软件定义无线电/认知无线电可创造具有语音、数据和视频优先路由的点到点和点到多点网络(图9)。其目标应用是农村宽带访问，不过也可以用于IP视频监控、井和管道监测、智能计量和交通信号通信中。

RCIP VII的工作频率范围为470至786MHz。它采用TDD模式，采用正交相移键控(QPSK)或16相正交幅度调制(16QAM)。其传输功率为+30 dBm，接收灵敏度范围为–86至–89dBm。采用AES-128安全标准(共享密钥)。这些装置被设计成使用Telcordia数据库，并且符合FCC的第15部分规则以及英国的Ofcom法规。

SDR/CR的开发

SDR收发器主要是一个软件项目。一旦有了稳固的RF平台，下一步就需要选择DSP处理技术。可能的选择包括标准DSP、FPGA或者某种GPP。对于首个项目而言，使用供应商开发工具的参考设计确实会加快和简化开发工作。除此之外，还有一些相对独立的选择。

一种方法是使用GNU无线电，这是一种用于软件定义无线电的开源开发平台。它包含一组信号处理例程，包括用于高斯最小频移键控(GMSK)、相移键控(PSK)、QAM、OFDM等的调制方式。软件还包含Reed-Solomon、Viterbi和涡轮码等纠错码。还有用于优化滤波器、傅立叶快速变换、均衡器和计时器的例程。此软件可在Windows、Linux或MacOS操作系统下运行。

GNU无线电软件依靠一种名为通用软件定义无线电外设(USRP)的基本RF平台。它包含多个覆盖高达5.9 GHz的频率范围的RF板。还包含一个由快速ADC、DAC和相关支持电路组成的完整数据采集系统。USB端口提供基本I/O。

优质USRP提供商Ettus Research公司生产了一系列覆盖不同频率范围的RF板，这些RF板采用基本I/Q架构，具有全双工传输能力。提供发射/接收开关。发射器功率和接收器增益是可控制的。典型带宽为30MHz。你可以在软件中使用整合了ARM GPP和TI C64xx DSP的TI OMAP3等标准DSP、Xilinx Spartan 3A DSP1800或Altera Cyclone FPGA。

至于ADC和DAC，某些Ettus USRP型号采用100Msamples/s的14位ADC和400 Msamples/s的16位DAC。其他型号采用64Msamples/s的12位ADC和128Msamples/s的14位DAC。

如果你只是刚刚开始接触软件定义无线电/认知无线电或者想教这门课程，那么美国国家仪器(NI)公司的USRP产品可能是你的一个不错的新选择。NI公司拥有Ettus公司，NI在频率范围为50 MHz至2.2 GHz的NI USRP 2120和频率范围为2.4至5.5 GHz的NI USRP 2921这两个产品中使用了Ettus的基本硬件。

这两款收发器都使用标准直接转换架构，并通过1吉比特以太网端口将其I/Q信号输出至PC。高达25Msamples/s基带的信号可能按这种方式分流。带宽为50MHz。此装置单价约为4000美元。

数字信号处理和其他程序在PC上运行。NI公司带调制工具包的LabVIEW软件可用于开发。可将高级软件下载至NI的包含Xilinx FPGA的Flex RIO PXI中。

虽然NI USRP是软件定义无线电/认知无线电入门者的一个出色学习平台，但是其当初的开发主旨是针对大学教学和研究。如果你购买包含两个装置的捆绑产品，即可获得德克萨斯大学和斯坦福大学开发的全套教学材料。此捆绑产品价格约为6000美元。对于初步研究和原型设计(包括采用OFDM和MIMO技术的项目)而言，使用NI USRP是一个不错的起点。

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