软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势力要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。

简介

历史

模型

结构(1、软件无线电基本体系结构 2、短波软件无线电的结构)

关键技术(1、宽带/多频段天线技术 2、宽频A/D转换 3、DSP处理部分 4、开放式模块结构 5、软件协议和标准)

平台

优势

应用(1、蜂窝移动通信系统 2、智能天线 3、多频多模手机 4、卫星通信)

开源软件无线电

图书信息

简介

软件无线电（softwareradio）在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。

SWR就是宽带模数及数模变换器（A/D及D/A）、大量专用/通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processer，DSP）构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。例如：利用宽带模数变换器（Analog Digital Converter，ADC），通过可编程数字滤波器对信道进行分离；利用数字信号处理技术在数字信号处理器（DSP）上通过软件编程实现频段（如短波、超短波等）的选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及选择（如调幅、调频、单边带、跳频和扩频等），实现不同保密结构、网络协议和控制终端功能等。

可实现的软件无线电，称做软件定义的无线电（Software Defined Radio，SDR）。SDR被认为仅具有中频可编程数字接入能力。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。

历史

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，JesephMitola（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过讨论，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的3G成为可能的问题。

模型

模型软件无线电的功能模型，可以无线电的功能划分为信道集、信道编/解码、信息安全、服务与网络支持、信源编/解码和信源集。其中，信道集包括：RF信道、同时性、多波段传播、有线互操作性以及为了控制服务质量（QoS）自动采用多信道（或模式）。服务和网络支持包括：多路复用，建立与控制，数据服务和网络互连（有线及互联网标准，包括移动性）。联合控制包括：联合信源/信道编码，动态QoS与本地控制，处理资源管理（综合用户和网络接口，多用户、多波段、多模式能力）。多个性即多波段、多模式、灵巧服务以及与传统模式的互操作。SDR的个性包括：射频（RF）波段、信道集（例如控制和业务信道）、空中接口波形及有关功能。演进支持功能可以支持软件及无线电平台的演进。 射频（RF）波形即空中接口；中频（IF）波形包括大多数空中接口，但信号被滤波及变换到IF处理。保护比特即加密比特。而明比特是非加密比特。网络比特符合网络协议，源比特适合解码器。多个性是通过软件对象接口下载到无线电的。这些接口是软件无线电的“横向（水平）”接口，它形成信源和信道之间的信号流与控制流。

结构

1、软件无线电基本体系结构

理想的软件无线电是多频段、多模式、开放式体系结构,其无线功能通过加载软件来实现，从而提供多种无线电通信业务。软件无线电的基本平台包括：天线、多频段射频(RF)转换器、宽带A/D（D/A）转换器和DSP处理器等，如图所示。

软件无线电将A/D和D/A向RF靠近,由基带移到中频甚至到射频,用可编程能力强的DSP或FPGA器件代替专用的数字电路,进行A/D后的一系列处理，使系统硬件结构与功能相对独立，这样就可以基于一个相对通用的硬件平台,通过软件实现不同的通信功能,并可对工作频率、系统频宽、调制方式、信源编码加以编程控制,系统灵活性大大增强。功能强大的软件开发工具可以根据通信技术的最新发展和需求，修改各工作模块以实现系统升级。

2、短波软件无线电的结构

短波软件无线电主要有三种实现结构：射频全频段数字化采样、中频数字化采样结构、虚拟无线电结构。

（1）射频全频段数字化采样

依据器件水平，短波软件无线电的射频全频段数字化采样尚不能实现。按照Nyquist采样定理对短波频段采样速率至少需要70Msp/s，短波频段通信对ADC的动态范围要求为120dB～130dB，A/D是每bit提供6dB动态范围。这样对短波全频段采样需要130/6≈22bits，ADC达不到此要求。

（2）中频数字化采样结构

如图所示，中频采样是将射频信号预处理后，模拟变频到中频进行A/D采样，采样后的数据被送入DSP，在DSP中进行数字下变频和数字解调处理。这种结构的软件无线电与中频数字化接收机的结构是类似的,均采用了多次混频体制。但是软件无线电的中频带宽较宽，且一次混频后的变频均在DSP中实现，所有调制解调等功能均由软件来实现，比普通超外差中频数字化接收机更灵活，功能更强。尽管和理想的软件无线电有一定差距，这已是短波软件无线电的最佳选择。

（3）虚拟无线电结构

虚拟无线电是软件无线电的一个新的发展趋势。虚拟无线电利用工作站(或者高速PC机)的强大计算能力取代DSP来完成所有数字信号处理。有代表性的是美国麻省理工学院的计算机科学实验室开发的SpectrumWare系统，其结构如图所示。

右图中，虚拟无线电以A/D变换为划分界线，整个系统分为子卡和工作站两个部分。子卡部分用于获得射频信号的采样数据，将射频信号模拟下变频到中频，然后对中频信号进行采样。采样后的数据流经过工作站上的GuPPI（通用PCII/O）接口被送入内存缓存区。为了满足实时数据处理的要求，这里采用DMA（直接存储接入）技术，数据流直接送入内存缓存区，无需经过设备驱动程序和操作系统功能的处理。然后，工作站中的软件无线电应用模块对内存中的采样数据流进行处理，完成软件无线电技术中DSP所能完成的功能。

基于PC机的虚拟无线电结构具有以下几个特点：（1）更好的灵活性。工作站的容量和开发环境均优于专用DSP芯片，容易实现新协议和信号处理新算法以及性能的改进提高。（2）升级快捷。用户可以很方便地通过更新软件来增强现有设备功能。（3）易与其他应用结合。虚拟无线电的研究将无线和其他应用的界限模糊化了，提高了功能性和端到端的有效性。

关键技术

1、宽带/多频段天线技术

根据短波软件无线电的结构，天线要能覆盖1.5MHz～30MHz频率范围；能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。而实现这些功能的技术包括：组合式多频段天线及智能化天线技术；模块化收发双工技术；多倍频程宽带低噪声放大器方案等。

2、宽频A/D转换

在软件无线电通信系统中，要达到尽可能多的以数字形式处理的无线信号，必须把A/D转换尽可能地向天线端推移，这样就对A/D转换器的性能提出了更高的要求。为保证抽样后的信号保持原信号的信息，A/D转换要满足Nyquist抽样准则，而在实际应用中，为保证系统更好的性能，通常抽样率为带宽的2.5倍。由于短波通信的频率变化范围较大，对采样频率、位数及动态范围也提出了较高的要求，对此可采用并行A/D转换技术。高速采样保持电路的时间精度可达纳秒级，通过串/并转换将量化速度降低，提高采样分辨率，这样用多个高速采样保持和A/D可完成超高速转换。

3、DSP处理部分

可编程DSP模块主要由DSP、FPGA(现场可编程门阵列)、FIR专用芯片组、存储器、I/O接口组成。按照不同的数据处理流程可将DSP模块的功能分为：与终端的数据交换、自适应调制解调、信道环境分析和管理、SSB调制解调、频率变换等。DSP是软件无线电的核心部件，但单个DSP的处理速度也是现阶段一个主要的瓶颈。当单个DSP处理能力不足时，可采用多个DSP芯片的并行来提高运算能力，如Quad－40CMCM处理器包括4片TMS320C40处理器、5MB内存，已用于多频段多模式军用电台。

4、开放式模块结构

软件无线电的一个重要特点就是其优良的开放性，这主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线结构，只有采用先进的标准化总线，软件无线电才能发挥其适应性广、升级换代方便等特点。现有软件无线电研究和试验系统中采用双总线结构，即：控制总线和高速数据总线。控制总线结构，如VME总线、PCI总线等，应尽可能采用现有的工业标准，以便于利用已有的软件和硬件平台，加快开发速率。VME总线是一种支持多机并行处理的高性能总线，市场占有率也很高，故可将VME总线作为软件无线电的首选总线。

5、软件协议和标准

软件无线电的评价标准中，软件的可用性是其中很重要的一条。正研究在软件无线点中如何实现软件的Plug&Play，提出了基于JAVA/CORBA的软件无线电协议和标准。其中CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture，公共对象请求代理体系结构)是由面向对象管理集团（OMG）制订的标准。

平台

随着无线通信的发展，出现了多种模式的通信体制，为了满足互通性的问题，软件无线电的思想被提出来。软件无线电，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，将通信的各种功能通过软件来完成，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。由于软件无线电可以通过增加软件模块来增加新的功能，而且硬件也可以随着器件的发展而不断地升级，所以这一概念一经提出就受到了广泛的关注。 OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，正交频分复用）是一种具有多种优点的传输系统，已经有很多应用，而且随着第四代（4G）无线通信系统的研究进入实质性阶段，OFDM极有可能成为4G中的传输方案。

1、系统结构设计

受器件的限制，软件无线电都采用中频采样的结构，这样做既兼顾了软件无线电的思想，又能在器件水平下搭建实际可应用的系统。随着无线通信系统的发展都在朝着高速率、可移动性方向发展，因此本平台的设计也必然要适应宽带无线通信系统的要求。

2、平台结构

平台主要针对系统物理层中的中频和基带处理单元而设计。系统的结构如图所示。平台由一个DSP（TMS320C6414T）、两片FPGA（CycloneEP1C6Q240C8）、上变频芯片DUC（AD9857）、下变频芯片DDC（HSP50214B）等构成。

根据信号处理模块和各芯片数据处理的特点，将各通信模块分配到不同的器件中来完成DSP的主频很高，而且内部资源丰富，支持高级语言的编程，适合于串行的算法，用来完成协议和基带处理；FPGA配置灵活多变，虽然主频不太高，但是鉴于其并行处理能力突出，用于完成时钟分配、芯片设置、接口转换等；AD9857和HSP50214B是用于上下变频的ASIC，集成程度高，参数设置灵活，可以满足多模式的数字上下变频，数据速率变换和滤波

优势

使用SDR概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备，与传统的产品和设备相比较，具有明显的优势。它将使得从技术研究开发，到设备制造商、电信运营商，再到每个无线通信最终用户都受益。具体如下： 1、为技术和产品的研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台，大大降低了开发成本和周期

对技术和产品的研究开发而言，传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发，从标准相对稳定到设计和开发专用芯片，再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程，开发周期长、开发成本高。上述情况导致在标准制定进程中，大多数新技术不能被应用，限制了新技术的发展和应用，导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。SDR将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此平台上，可能基于软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了开发成本和周期，使产品能跟上技术发展的水平。未来的新业务将由用户来开发，只有使用SDR的概念，才可能让用户像使用PC一样，用SDR设备去开发所需的新业务。

2、为设备制造商降低投资风险，提高经济效益

对制造商来说，随着技术的进步，无线通信产品的生命周期越来越短，因此针对单一产品线的投资风险很大。基于SDR产品的生产将比传统产品原材料成本低，且产品寿命长，这就意味着投资风险低。同时，由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。因此，制造商生产基于SDR技术的产品，可得到远大于生产传统产品的效益。

3、为运营商降低投资风险

对运营商来说，移动通信网建设需要巨大投资，同时具有很大风险性。一方面由于市场需求，GSM网络迅速扩容，增加GPRS设备；另一方面又面临第三代移动通信即将到来的时期，制定一个成功的投资战略极为困难。在下阶段又将考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择，也有很大的投资风险。软件无线电从某种程度上就可降低这种风险。

4、为最终用户提供了一个通用的终端设备平台

从最终用户的角度看，基于SDR技术用户的设备，是为用户提供了一个通用的终端设备平台。它应当能支持多达5～8种国际上通用的标准，而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。只有这样，用户才不需要关心他所在的地区和运营商的问题，从而实现真正意义的全世界漫游。用户也有可能获得他所希望得到的新业务。

应用

1、蜂窝移动通信系统

在蜂窝移动通信系统中，基站和移动终端采用软件无线电结构，硬件简单，功能由软件定义。射频频段、信道访问模式及信道调制都可编程。在此系统中，软件无线电的发射与其它系统不同，它先划分可用的传输信道，探测传播路径，进行适合信道的调制，电子控制发射波束指向正确的方向，选择合适的功率，然后再发射。接收也同样如此，它能划分当前信道和相邻信道的能量分布，识别输入传输信号的模式，自适应抵消干扰，估计所需信号多径的动态特征，对多径的所需信号进行相干合并和自适应均衡，对信道调制进行栅格译码，然后通过FEC译码纠正剩余错误，尽可能降低误比特率。此外，软件无线电能通过许多软件工具增加增值业务。这些软件工具能帮助分析无线电环境，定义所需的增加内容，在无线环境下，测试由软件开发增值业务的样板，最后再通过软件或硬件开放该增值业务。

2、智能天线

智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素，一直未能普及到其它通信领域。数字信号处理技术迅速发展，数字信号处理芯片的处理能力不断提高，芯片价格已可接受。同时，利用数字技术可在基带形成天线波束，取代了模拟电路，提高了天线系统的可靠性和灵活程度。在TD-CDMA方案中，基站采用智能天线技术，利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，形成天线主波束。

引入空分多址(SDMA)方式后，根据用户信号不同的空间传播方向，提供不同的空间信道。采用数字方法对阵元接收信号加权处理，形成无线波束，使主波束对准用户信号方向，干扰信号方向形成天线方向零缺陷或较低的功率增益，达到抑制干扰目的。

使用智能无线的优势在于：（1）无线波束赋形的结果等效于提高天线的增益；（2）天线波束赋形后，可大大减少多径干扰；（3）信号到达方向(DOA)提供了用户终端的方位信息，用于实现用户定位；（4）用多个小功率放大器代替大功率放大器，降低了基站成本，提高了设备可靠性。

3、多频多模手机

在欧洲的ACTSFIRST项目中，将软件无线电技术应用于设计多频/多模(可兼容GSM、DCS1800、WCDMA及现有的大多数模拟体制)可编程手机。它可自动检测接收信号，接入不同的网络，而且能满足不同接续时间的要求。软件无线电技术可用不同软件实现不同无线电设备的各种功能，可任意改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件即可适应不同标准，构成多模手机和多功能基站，具有高度的灵活性。

它的出现，使通信的发展经历了由固定到移动，由模拟到数字，由硬件到软件的三次变革。软件无线电技术正越来越广泛应用于移动通信领域，在第二代移动通信系统向第三代移动通信系统过渡过程中，软件无线电技术将发挥重要作用。

4、卫星通信

在当今通信领域中，卫星通信是最重要的通信方式之一。但是，由于卫星通信系统设备种类繁多，设备管理和维护工作复杂，使得卫星通信系统更新换代周期长，不能很好地适应现代高科技的发展步伐。而软件无线电以其软件定义功能和开放式模块化结构的技术思想能很好地解决卫星通信系统存在的问题，因此，研究具有软件无线电特征的卫星通信系统是很有意义的。

在卫星通信系统中，系统功能主要指多址方式、网络结构、组网协议和通信业务等；而设备功能指接口标准、调制解调方式、信道编码方式、信源编码方式、信息速率、复用方式等。软件无线电技术思想就是采用先进的技术手段，使得上述功能可以用软件来定义。通过友好的人机界面，人们可以在不改变硬件设备的情况下实时地改变通信系统的功能，从而使该系统能适应各种应用环境，因而具有很强的适用性和灵活性。

考虑到卫星通信频带宽，信息速率高且变化范围大的特点，在的计算机技术水平上，如果设备功能全由软件来实现，由于软件的逐条运行指令的特点，即使采用多处理器来协同运算，也无法实现高信息速率下的实时处理，使其在卫星通信中的使用范围受到了限制。

开源软件无线电

开源软件无线电（Gnuradio）或 开源软件定义无线电 ，是一个对学习，构建和部署软件定义无线电系统的免费软件工具包。发起于2001年，Gnuradio 现在成为 GNU 的正式项目之一。慈善家 John Gilmore 发起并捐助 $320,000.00 (US) 给 Eric Blossom 用来构建代码和维护。

Gnuradio 是一个无线电信号处理方案，它遵循 GNU 的 GPL 的条款分发。它的目的是给普通的软件编制者提供探索电磁波的机会，并激发他们聪明的利用射频电波的能力。

正如所有软件定义无线电系统的定义， 可重构性是其最重要的功能。再也不需购买一大堆发射接收设备，只要一台可以装载信号处理软件（这里：Gnuradio）通用的设备。目前它虽然只定义几个有限的无线电功能，但是只要理解无线发射系统的机理（算法），你便可以任意的配置去接受它。

Gnuradio 起源于美国的麻省理工学院的 SpectrumWare 项目小组开发的 Pspectra 代码的分支。2004年被完全重写。所以今天的 Gnuradio 已不包含原 Pspectra 任何代码。另外值得一提的是 Pspectra 已被用作创立商业化的 Vanu Software Radio.

Gnuradio 开发了通用软件无线电外设 （USRP)，它是一个包含4个64 MS/s 的12位 ADC，4 个 128 MS/s 的 14 位的 DAC，以及其它支持线路包括高速的 USB 2.0 接口。该USRP能够处理的信号频率高达16 MHz宽。一些发射器和接收器的插件子板，可覆盖0至5.9MHz 频段。 它是Ettus研发的。

图书信息

书 名: 软件无线电

作　者：(美国)C RichardJohnson

出版社： 机械工业出版社

出版时间： 2008年01月

ISBN: 9787111226352

开本： 16开