第三代移动通信中的软件无线电技术研究-史立云文档格式.doc
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1.1软件无线电技术产生的历史背景4
1.2软件无线电的发展历史4
1.3软件无线电的主要内容5
1.3.1软件无线电的定义5
1.3.2软件无线电的体系结构6
1.3.3软件无线电的特点6
第2章软件无线电的关键技术10
2.1多波束智能天线11
2.2RF转换技术12
2.3A/D/A模数转换技术12
2.4数字中频处理13
2.4.5基带和比特流数字信号处理14
第3章软件无线电在第三代移动通信系统中的应用15
3.1第三代移动通信系统的特点15
3.2第三代移动通信对软件无线电技术的需求15
3.3软件无线电在第三代移动通信中的应用16
3.3.1软件无线电技术与第三代移动通信系统的融合16
3.3.2软件无线电在SCDMA中的应用17
第4章第三代移动通信中的软件无线电技术的新进展19
4.1体系结构分层化与软件模块化19
4.2软件无线电结构数学分析化20
4.3面向对象化21
4.4认知化、智能化22
4.5计算机化23
4.6网络化、信息安全化24
第5章结束语25
致谢26
参考文献27
摘要
软件无线电是最近几年提出的一种实现无线电通信的体系结构，是继模拟到数字、固定到移动之后，无线通信领域的又一次重大突破，是一种全新的无线电技术，它已与第三代移动通信系统紧密的结合起来。
第三代移动通信系统研究推动了软件无线电技术的发展，而软件无线电技术又促使第三代移动通信系统更加灵活的实现。
论文介绍了软件无线电的产生背景、概念、特点、关键技术、发展趋势及其在第三代移动通信中的应用，重点对软件无线电的关键技术及其在第三代移动通信中的应用作了详细分析，同时归纳总结了由于第三代移动通信系统的推动作用，软件无线电系统呈现出的一些新的发展趋势。
关键词：
软件无线电；
第三代移动通信；
智能天线；
射频转换技术；
A/D/A模数转换技术；
数字中频处理；
基带；
比特流数字信号处理；
认知化；
智能化
ABSTRACT
Softwareradioisputforwardinrecentyearsasaradiocommunicationsystemtoachievethestructure.Itisasecondmajorbreakthroughafterwardsanalogtodigita,fixedtomobile,whichisanewradiotechnologyinwirelessofcommunicationsarea,andhasbeenwiththefirstthird-generationmobilecommunicationsystemsclosertogether.Theresearchofthethirdgenerationmobilecommunicationsystemhaspromotedthedevelopmentofsoftwareradiotechnology,whilethesoftwareradiotechnologybringaboutthethirdgenerationmobilecommunicationsystemsmoreflexible．Thisthesisintroducesthebackgroundofsoftwareradio'
semergence,theconcept,characteristics,keytechnologyanditsapplicationsinthethirdgenerationmobilecommunication.Thekeytothesoftwareradiotechnologyanditsdevelopmentdirectionhasbeenmadeemphaticalanalysisinthethesis.Finally,thenewtrend,thesoftwareradiosystemwillshow,hassummedupinthethesis,asaresultoftheroleofthethirdgenerationmobilecommunicationinpromotingthesystem.
Keywords：
Softwareradio;
Thethirdgenerationmobilecommunication;
Smartantenna;
RadioFrequencyconversiontechnology;
A/D/Aconversiontechnology;
DigitalIntermediaFrequencyProcessing;
Baseband;
BitStreamDigitalSignalProcessing;
Cognitive;
Intelligentize
引言
软件无线电是近几年来提出的一种实现无线通信的新概念和体制，其核心是：
将宽带A/D和D/A变换器尽可能地靠近天线，而将电台功能尽可能地采用软件进行定义。
软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。
这样，无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便，这很可能使软件无线电成为继模拟通信到数字通信、固定通信到移动通信之后，无线通信领域的第三次突破。
软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。
例如欧洲的ACTS（AdvancedCommunleationsTechnolologiesandServices）计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统（UMTS-UnniversalMobileTelecommunicationsSystem）中的。
UMTS，即通用移动通信系统，作为第三代移动通信系统之一，主要用于欧洲地区，作为GSM的后续演进标准，其空中接口采用WCDMA技术，通常也会将UMTS系统简称为WCDMA通信系统。
FIRST（FlexibleIntegratedRadioSystemTechnology）计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模（可兼容GSM、DSP1800、W-CDMA、现有的大多数模拟体制）可编程手机。
这种手机可自动检测接受信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求；
FRWMAS（FutureRadioWidebandMultipleAccessSystem,未来的无线宽带多址系统）计划的目标是定义、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软件无线电技术；
SORT（SoftwareRadioTechonology）计划是演示灵活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。
在美国，研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站。
同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面，如麻省理工学院的SpectrumWare计划。
我国对软件无线电技术也相当重视，例如我国提出了第三代移动通信系统方案SCDMA，SCDMA是一种同步的直接扩频CDMA技术，它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码技术等90年代通信新技术。
软件无线电技术在第三代移动通信中的应用是国家"
863"
计划的申请项目之一，因而软件无线电技术是我国第三代移动通信系统的关键技术之一。
软件无线电技术已与第三代移动通信系统紧密的结合起来，第三代移动通信系统的研究推动了软件无线电技术的发展，而软件无线电技术的发展又促使第三代移动通信系统更加灵活的实现。
第1章软件无线电概述
1.1软件无线电技术产生的历史背景
移动通信在过去20年中获得了飞速发展，成为现代通信中的一个亮点。
同时由于移动通信的迅速发展和高收益，带来了激烈的竞争，从而造就了移动通信技术和系统的多样性，而各技术标准和系统之间差别很大又不能互相兼容。
特别是新业务的巨大吸引力又给用户和移动业务提供商造成了很大的压力，迫使他们不断更新设备，但这通常要造成设备和投资的浪费，问题的关键在于目前的绝大多数移动通信设备是完全基于专用硬件设计的，给移动通信系统的兼容和互联，以及快速、灵活的升级带来了很大的约束。
如果能够利用运行于通用硬件平台上的软件来实现无线通信功能，充分发挥软件的灵活性，通过重新配置的软件来实现不同的无线通信技术标准，将会带来基于专用硬件的无线系统所不具备的优越性-这就是软件无线电概念产生的源头。
1.2软件无线电的发展历史
无线电的技术演化过程是：
由模拟电路发展到数字电路；
由分立器件发展到集成器件；
由小规模集成到超大规模集成器件；
由固定集成器件到可编程器件；
由单模式、单波段、单功能发展到多模式、多波段、多功能；
由各自独立的专用硬件的实现发展到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。
20世纪70～80年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程向可编程发展，由少可编程向中等可编程发展，出现了可编程数字无线电（PDR）。
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。
20世纪80年代初开始的软件无线电的革命，将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。
1992年5月在美国通信系统会议上，JosephMitola（约瑟夫·
米托拉）首次提出了"
软件无线电"
（SoftwareRadio，SWR）的概念。
1995年IEEE通信杂志（CommunicationMagazine）出版了软件无线电专集。
当时，涉及软件无线电的计划有军用的SPEAKEASY（易通话），以及为第三代移动通信（3G）开发基于软件的空中接口计划，即灵活可互操作无线电系统与技术（FIRST）。
1996年3月发起"
模块化多功能信息变换系统"
（MMITS）论坛，1999年6月改名为"
软件定义的无线电"
（SDR）论坛。
1996年至1998年间，国际电信联盟（ITU）制订第三代移动通信标准的研究组对软件无线电技术进行讨论，SDR也将成为3G系统实现的技术基础。
从1999年开始，由理想的SWR（软件无线电）转向与当前技术发展相适应的软件无线电，即软件定义的无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。
1999年4月IEEEJSAC杂志出版一期关于软件无线电的选集。
同年，无线电科学家国际联合会在日本举行软件无线电会议。
同年还成立亚洲SDR论坛。
1999年以后，集中关注使SDR基础上的3G成为可能的问题。
软件无线电是近年来随着计算机及微电子技术高速发展而产生的一种全新的无线电技术。
软件无线电技术的核心概念是随着大规模集成电路技术的不断进步，芯片处理速度的迅速提高，从而有可能在通用可编程DSP芯片或通用CPU芯片平台上，利用软件来完成以前必须用专用硬件电路才能实现的多种数字信号处理的功能。
由于软件所具有的灵活、廉价等特点，在软件无线电通信系统中可以实现多种通信协议的兼容,便于通信技术升级，同时可以引入多种先进的动态调整技术，从而大大提高无线通信系统的功能和服务质量，有利于各种通信新标准的实施和兼容，使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。
1.3软件无线电的主要内容
1.3.1软件无线电的定义
软件无线电，是在无线通信领域提出的一种新的通信系统体系结构，其中心思想是：
构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，例如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。
软件无线电的基本思想有两点：
将A/D/A（模/数/模转换）功能尽可能地靠近天线端；
用软件完成尽可能多的无线电功能。
软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线的方式连接起来构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能（包括不同频段、不同制式）的一种开放式体系结构。
这使软件无线电系统具有开放性、模块化、标准化、实现灵活、软件升级、适于大规模制造等诸多优点，它将带来无线通信市场的又一次飞跃,因而软件无线电技术的研究悄然成为各国竞相研究的焦点。
1.3.2软件无线电的体系结构
软件无线电是一种基于宽带A/D器件、高速DSP芯片，以软件为核心（SoftwareOriented）全新的体系结构，并在射频（RF）或中频（IF）端对数字信号进行数字化，通过软件编程灵活地实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字上/下变频器、调制解调、差错编码、信道均衡、信令控制、信源编码及加密解密功能。
其高度可编程性使新业务新技术的引入十分方便、经济，往往只需在电台中加载新的软件模块即可实现，从而大大降低系统开发成本。
软件无线电的另一个重要特点是它特别强调开放性，无论在机械结构还是电气特性等方面都可采用标准化、模块化的结构，保证了通过更新软件版本或个别硬件模块，这样软件无线电就能象个人计算机一样不断地得到升级换代，因而具有较长的生命周期。
图1给出了软件无线电的原理框图，它是传统的流水线式结构。
由图l可见，其主要部分有：
（1）宽带、射频模段；
（2）高速、高分辨率、高质量的A/D/A变换；
（3）高速中频处理部分；
（4）基带处理
1.3.3软件无线电的特点
图2给出了传统无线电系统和软件无线电系统的结构图。
不难看出，两种体系的主要区别在于A/D/A的位置不同。
理想的软件无线电体系是要利用多波段天线和宽带A/D、D/A转换技术，尽量将模数变换向天线端推移，在尽可能宽的频带上将模拟信号数字化，之后利用软件在通用可编程处理器上对中频及基带数字信号进行处理。
而传统的无线电系统则是使用专用的硬件设备解调之后，进行A/D转换，作基带数字信号处理，还原用户数据的，这在很大程度上限制了不同无线通信体制之间的互通性。
由于在软件无线电系统中，将A/D转换从基带和中频信号处理之间提到了中频处理之前，中频部分的信号处理也可以通过软件实现，从而给系统带来了巨大的灵活性，这是以往用专用硬件完成特定功能的方式所无法比拟的。
因而，与传统的无线电相比，软件无线电具有下述特点：
（1）具有可重配置性，实现灵活。
RF频段和带宽、信道接入方式、传输速率、接口类型、业务种类及加密方式均可由软件编程方式来改变，而软件本身就具有高度的可编程性和可重配置性；
（2）开放性、模块化和标准化；
（3）可实现无缝连接、全球漫游；
（4）具有集中性，节省基站费用，每个基站使用一部收发信机而不是每个信道使用一部收发信机，即多个信道共享射频前端与宽带A/D或D/A转换器；
（5）软件升级，而硬件无需改动。
产品投入市场的时间和升级将会更快速；
（6）稳定性好。
由于采用数字电路，适于大规模制造；
（7）运营商拓展业务更快捷、廉价，并可以自行开发业务软件；
（8）软、硬件间的联系减弱，对产品制造商的依赖程度降低；
（9）系统配置灵活多变，也更安全。
一个理想的软件无线电系统肯定是一个多频段、多模式的无线通信系统，它在网络协议各层次上的功能都能通过软件定义来"
动态"
实现，更重要的是，这种特有的灵活性同样也支持物理层上功能的实现。
图3给出了软件无线电通信系统的体系模型。
图3所示的软件无线电系统的体系模型充分体现了软件无线电同传统无线电技术的区别，突出了前者的主要特点。
不同波段、不同模式的无线电功能可以灵活地通过个性化无线电节点来实现。
首先，软件无线电支持多频带技术，它将传统无线电系统中的RF信道部分扩展为RF信道集，从而能够同时接通多个频段，并且，此信道集不单单包含RF频段，还包含所有可能的信道方式，如光纤或电缆。
同样，在软件无线电中信道处理部分也扩展为3部分：
可编程的RF/信道接入部分、中频IF处理部分和调制解调部分。
其中可编程的射频及信道接入部分是对多个射频段和其他可能的信道接入方式进行自动的接入；
中频处理部分是进行滤波、频率变换、波束形成等处理；
调制解调部分包含了多种可用的调制技术，它是为实现多模式无线电所要求的多种调制方式而存在的。
传统通信系统只能完成话音信号的传输，而软件无线电要完成多种信息的传输，包括话音、数据、传真、视频以及多媒体信息，因此软件无线电的信源处理部分要能够处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远离无线电收发信机的，因此这些信源可能需要通过服务和网络支持连接到局域网或其它网络上。
所有的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，由一个联合控制函数来管理和控制，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。
无线电系统越先进，联合控制就越复杂。
软件无线电以其特有的方法赋予了无线电更多的个性。
它以软件定义空间接口，其最重要的特征就是使数模转换尽可能地靠近天线，从而以软件控制的形式完成从中频到基带的数字信号处理。
第2章软件无线电的关键技术
一个典型的软件无线电系统，可以引用数字移动通信中的移动台和基站来分析和说明其实现的关键技术。
无论是移动台还是基站，它们都含有宽带天线、多波段射频转换器、宽带A／D／A转换器以及通用可编程处理器、存储器、电源以及总线结构等，图4是一个典型的软件无线电系统设备框图。
由图4可见，软件无线电系统单按照功能划分可以分为三大部分：
射频处理部分、中频及基带处理部分以及控制管理和支持部分。
典型的软件无线电系统根据功能及自身特点的不同，还可以将其划分为如下几个关键技术模块：
多波束智能天线、射频转换、模数转换、数字中频处理和基带和比特流处理，
图5给出了软件无线电系统中关键模块的框图。
软件无线电系统的每一部分都有其特点和技术要求，下面就逐一进行介绍。
2.1多波束智能天线
软件无线电的天线具有接入多个频段的功能，理想的软件无线电系统的天线部分则应该能够覆盖全部无线通信频段，这对天线技术提出了较高的要求。
对于第三代移动通信，一般认为其频带宽度为180～230MHz，利用组合式多频段天线是可以实现全覆盖的。
通常来说，无线电台的射频前端、机发射天线和接收天线部分都是由固定硬件实现的，但是软件无线电具有智能的、可编程的数字信号处理核心，可以充分利用此优势对固定天线接收下来的信号进行优化组合，达到提高信噪比、抑制同信道干扰、增大系统容量的目的。
这种可以动态配置的天线系统就是目前软件无线电系统中的关键热门技术之一-智能天线技术。
移动通信系统中的智能天线技术，简单地说，就是在基站端使用自适应的天线阵，并运用可靠的自适应算法来抑制同信道干扰，达到提高信噪比、增大系统容量的目的。
把智能天线技术运用到软件无线电系统中，同样可以得到系统的增益。
理想的使用智能天线技术的软件无线电系统使用的是由M个全向天线阵元组成的天线阵。
对应于每一个天线阵元，都有一套下变频器和宽带A/D/A采样器。
接收信号通过下变频器将射频信号搬移至中频，再通过宽带A/D采样形成数字信号。
此时，每一个天线阵元接收到的信号已变换为中频数字信号，此信号经过信道分离，分别得到L个信道的信号。
也就是说，对应于每一个用户信道都有M个天线阵元的接收信号，这样就可以利用自适应波束形成算法对接收信号进行处理。
每一个信道独立使用一个波束形成模块，比如信道1的波束形成器，它所处理的信号包括第一个天线阵元接收到的信道1的信号、第二个天线阵元接收到的信道1的信号、……、第M个天线阵元接收到的信道1的信号。
通过自适应的调整波束形成算法中的加权矢量，所有的这些信号分量可以合并，得到一个最佳的接收信号，从而可以提高接收信号的质量，有效抑制干扰，增加系统容量。
目前，我们已经可以采用更为先进的波束形成与信道分配算法来替代简单的波束形成算法，使软件无线电中的智能天线技术得到更大的增益。
2.2RF转换技术
RF（射频）转换部分包括产生输出功率、接收信号的预放大、射频信号和中频信号的转换等。
射频段应具有接人多个波段甚至覆盖全波段功能。
它具有频率高、带宽宽两大特点，比如对于GSM，应工作于900MHz的高频段，占有带宽25MHz。
显然在这样高频率和如此宽的带宽下直接进行数字化处理，目前器件还不具备条件，只能靠传统的高频模拟器件的硬件设备来完成射频段的主要功能。
因此现阶段RF变换采用模拟方式。
射频段主要包括模块化通用化收发双工技术、多倍频程宽带低噪声接收放大器技术、线性高功率放大器技术、宽带上／下变频器技术。
此外，软件无线电对天线设备提出了严格的要求，包括放大器的线性要求、对邻道的隔离要求以及避免基带处理器的时钟频率调谐进入射频的模拟电路中去。
在商用的移动通信系统中，天线应该在超高频（UltraHighFrequency-UHF）波段内具有相同的方向图形状和极低的损耗。
2.3A/D/A模数转换技术
信号在中频甚至射频的数字化是用软件对信号进行处理，也是实现软件无线电的关键之一，宽带A/D/A转换器实现的正是这一功能。
宽带A/D/A通常设置在中频处理部分和RF转换部分之间，完成对中频信号的数模转换，这给中频的数字处理带来了很高的灵活性，但同时对A/D、D/A的性能提出了很高的要求。
一般来说，根据被采样信号的频率和带宽来决定采用何种A/D采样技术。
根据Nyquist抽样定理，对带限信号的采样率必须大于信号带宽的两倍。
实际系统中通常采用过采样来抗频谱混叠，一般要求A/D/A的采样率fs>
2.5Wa，其中Wa表示中频数字化带宽（数十兆甚至上百兆）。
除采样率外，A/D采样的参数指标还包括采样精度和采样信号的动态范围，采样信号动态范围取80dB，采样精度不低于l2位。
同时A/D/A要具有较高的信噪比和无寄生动态范围。
对于一个给定的A/D芯片，由于受处理速度的限制，它能够达到的采样频率和动态范围及采样精度是成反比的。
当前流行的A/D/A采样率最高可达每秒数百兆抽样点，但仍不能满足宽带射频信号的要求。
因此，
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