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射频通信系统射频通信系统高等学校通信工程专业“十二五”规划教材内容简介内容简介本书以近年来通信领域的若干前沿热点问题为研究对象，借鉴和参考了国内外的相关研究成果，编写了这本教材。主要内容包括：软件无线电通信系统，超宽带通信系统，人体区域通信系统，机器间通信系统和量子通信系统。本书在编写的过程中，注意与前后相关课程通信与网络、现代通信网络技术、近距离通信、物联网技术与应用、无线传感器网技术和通信工程管理在内容上的呼应和互补，保持了整套教材的自洽性。本书在内容安排上，兼顾通信理论的新发展和实践应用，给出了具体的通信系统实现的实例，有助于加深对新技术的理解。本书可作为普通高等院校电子信息大类本科生、研究生的教材，也可供通信工程、网络工程、物联网工程等工程技术人员参考。第一章第一章 软件无线电通信技术软件无线电通信技术 射频通信系统3本章节目录本章节目录1.1SDR概述1.2SDR关键技术1.3SDR系统组成1.4SDR平台的架构1.4.1以软件为中心SDR架构1.4.2用于SDR信号处理的硬件结构1.5SDR开发工具1.5.1基于可控制硬件的软件无线电平台1.5.2基于可编程硬件的SDR平台1.5.3基于通用处理器的软件无线电平台1.6SDR典型应用4广义来讲，软件定义无线电（Software-DefinedRadio,SDR）是指一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调器类型、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,，从而实现具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。以上描述也适用于现代信号（频谱）分析仪等RF（RadioFrequency）仪器仪表。1.1SDR概述第一台软件定义的基带接收器是德州E-Systems(现Raytheon)公司在1984年设计实现的，而第一台软件定义的基带收发器是WSC-3(v)9，由E-Systems在1987年为PatrickAFB设计的。1989年，Haseltine和MotorolaC.又为RomeAFB开发出了更新的无线电产品Speakeasy。SDR这一概念则是由JoeMitola于1992年在美国国家电信系统会议上首次明确提出的，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，将诸如工作频段选择、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议设置等功能用软件来完成，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。SDR是可用软件控制和再定义的通信系统。它利用软件来实现通信系统中的底层操作，从而可以快捷的开发调试并进行后期的更新维护。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，无线电平台具有最大的灵活性。全部可编程包括：可编程射频波段、信道接入方式、调制方式和编码方式。软件无线电系统中宽带模数转换器(AnalogDigitalConverter,ADC)、数 模 转 换 器(Digital AnalogConverter,DAC)、数字信号处理器(DigitalSignalProcesser,DSP)尽可能地靠近射频天线。尽量利用软件技术来实现无线电中的各种功能模块并将功能模块按需要组合成特定无线电系统。例如：通过可编程数字滤波器对ADC得到的采样信号进行分离；利用数字信号处理技术在数字信号处理器上通过软件实现频段(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，实现不同的调制方式及选择(如调幅、调频、跳频和扩频等)，实现不同保密结构、网络协议和控制终端等功能。可实现的软件无线电，称做软件定义的无线电(SoftwareDefinedRadio,SDR)。根据通信系统提供的能力，有人将软件无线电系统分为五个级别,如下表所示。级别名称描述级别0硬件无线电无线电系统由硬件实现,除了使用物理干预的方式,系统的属性、功能无法改变。级别1软件控制无线电 只有控制功能由软件实现,也就是只有有限的功能可以通过软件可以改变。级别2软件定义无线电 系统中大部分功能由软件实现,如:调制技术、宽带或窄带操作、通信安全功能等。级别3理想软件无线电 可编程性扩展到了整个系统,模拟转换只存在于天线。级别4终极软件无线电 USR主要用于比较。完全的可编程业务和控制信息,并支持很广泛的频率范围,空中接口和应用。通常说的软件无线电，主要指级别3，即：软件定义无线电-SDR。软件无线电的概念被提出以来，已经在世界范围的无线电领域得到广泛关注。软件无线电具有灵活、开放的特点,不仅用于最初的军事领域,同时也用于民用通信，特别是在移动通信获得广泛应用。现代的SDR示例包括卫星和地面无线电、军事联合战术无线电系统(JTRS)以及几乎任何蜂窝或陆地移动无线电终端或基站，SDR的应用覆盖范围如图1.1所示。图1.1 SDR的应用覆盖示意图SDR是软件化、计算密集型的操作形式，它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、数据处理方式等问题息息相关，这些技术决定着软件无线电技术的发展程度和进展速度。宽带/多频段天线、高速ADC与DAC器件、高速数字信号处理器是软件无线电的关键技术。1.2SDR关键技术（1）宽带/多频段天线理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段,通常来说，由于内部阻抗不匹配,不同频段的天线是不能混用的。而软件无线电要在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信，就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线。所以,实现软件无线电通信，必须有一个可通过各种频率信号而且线性性能好的宽带天线。软件无线电台覆盖的频段为2MHz2000MHz。就目前天线的发展水平而言，研制一种全频段天线是非常困难的。一般情况下，大多数无线系统只要覆盖几个不同频段的窗口即可，不必覆盖全部频段。因此，现实可行的方法是釆用组合式多频段天线的方案，即把：2MHz2000MHz 频 段 分 为 2MHz30MHz、30MHz500MHz、500MHz2000MHz三段，每一段可以采用与该波段相符的宽带天线。这样的宽带天线在目前的技术条件下是可以实现的，而且基本不影响技术使用要求。（2）高速ADC与DAC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无线信号，必须把ADC尽可能地向天线端推移,这样就对ADC的性能提出了更髙的要求。为保证抽样后的信号保持原信号的信息，ADC转换速率要满足Nyquist釆样定律，即采样率至少为带宽的2倍。而在实际应用中，为保证系统更好的性能,通常需要大于带宽2倍的釆样率。同时为了改善量化信噪比，需要增加ADC的量化精度。一般采样速率和量化精度由ADC的电路特性和结构决定,而在实际情况下这两者往往是一对矛盾,即精度要求越高，则采样率一般就比较低；而降低精度就可以实现髙速、超高速采样。（3）高速数字信号处理器DSP是整个软件无线电系统中的核心，软件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心的通用硬件平台及软件来实现的。从前端接收的信号，或将从功放发射出去的信号都要经过数字信号处理器的处理，包括调制解调、编码解码等工作。最简单通用的软件无线电平台如图1.2所示。各种客户所需要发送的业务首先通过通用的硬件平台，进行不同的处理，然后将数字信号交给数模/模数装换板卡，进行装换，最后通过射频板卡将信号经过天线发射出去。1.3SDR组成射频预处理天线射频信号A/DD/A通用硬件平台各种业务图1.2 通用的SDR平台其核心思想是将一定频率范围的无线电信号全部接收下来，转换成数字信号，再进行软件化处理。从对模拟信号数字化处理来看，软件无线电结构基本上可以分为3种：射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。(1)射频低通采样数字化结构这种结构的软件无线电，结构简洁，把模拟电路的数量减少到最低程度，如图1.3所示。射频接收超宽带滤波器超宽带放大器超高速超宽带A/D超高速DSP图1.3 射频低通采样数字化结构从天线接收的信号经滤波放大器后直接由A/D进行采样数字化，这种结构不仅对A/D转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非常高的要求，同时对DSP或者专用集成电路处理速度的要求也非常高。这种超高的要求是目前的硬件水平无法达到的。(2)射频带通采样数字化结构射频带通采样结构可以适当降低上述结构对ADC、高速DSP的要求。射频带通采样软件无线电结构与射频低通采样软件无线电结构的主要区别在于：射频带通采样无线电A/D前采用了带宽较窄的电调滤波器，然后根据所需的处理宽带经行带通采样。这样对A/D的采样速率的要求相对较低，对后续DSP的处理速度要求也大大降低。其结构图如图1.4所示。射频接收窄带电调滤波器放大器A/D高速DSP图1.4 射频带通采样数字化结构(3)宽带中频带通采样数字化结构宽带中频带通采样结构其实与中频数字接收机的结构类似，都采用超外差体制，如图1.5所示。低噪放宽带滤波中放A/D数字信号处理本振D/A图1.5 宽带中频采样数字化结构这种宽带中频带通采样结构的最主要特点是中频频带较宽，这也是与一般超外差中频数字接收机的本质区别。所有调制解调、信道编解码、信号加解密、信号处理、频段选择等功能全部通过软件实现，还可以在同一平台上兼容多种通信模式。显而易见，这种结构对器件的性能要求最低，也是最容易实现的结构，但它偏离真正意义的软件无线电的要求最远，只能接收有限范围的无线电信号。鉴于目前的A/D转换芯片、DSP、FPGA的处理速度，只有宽带中频采样结构是可以实现的，所以目前软件无线电的研究主要集中在宽带中频采样结构上，不过随着器件工艺水平的发展和性能的不断提高，其他结构也会实现。SDR的功能需求包括重新编程及重新设定的能力、提供并改变业务的能力、支持多标准的能力以及智能化频谱利用的能力等。下面从一个相对完整的SDR平台角度来阐述SDR平台的架构，主要包括以软件为中心的SDR架构和用于SDR信号处理的硬件结构两个方面。1.4SDR平台的架构软件无线电，其重点在于基于一款通用平台来进行功能的软件化处理。在SDR探讨中，开发人员往往注重平台的硬件开发，偏重于搭建平台时使用器件的处理性能，以使得通用平台尽可能的接近理想软件无线电的设计要求。这使得一部分人忽略了SDR中软件平台的设计。1.4.1以软件为中心SDR架构研究人员提出了SDR软件平台的概念，是指在利用通用硬件平台实现SDR功能时的一种用户算法处理框架（或简单认为信号处理框架），甚至是一种操作环境（如满足软件通信体系架构规范用户接口环境）。SDR软件平台（也称作SDR架构）负责的功能一般包括：提供用户接口，用户通过该接口添加、删除功能模块。算法封装，将算法包装与外界隔离，算法包括通信算法、信号处理算法、C/C+等其他算法。互联接口，以完成模块间互联。中间信号的测试调试接口。调度器或者适配器，用来管理模块。SDR架构中，最受欢迎的两类开源平台分别是开源软件定义无线电（GNURadio）和开源软件通信体系框架嵌入式解决方案（OSSIE）。二者都是着手于标准化和可移植化的代码开发，GNURadio的出发点是提供一种信号处理框架，而OSSIE的目标是提供一种软件通信体系架构（SCA）操作环境。（1）GNURadio平台GNURadio是一种设计SDR的开源架构，其主要组件包括6个部分：通用框架、调度器、C+和Python工具、数字信号处理（DSP）模块、用户接口界面、硬件前端的接口。这6个部分详细功能说明如下：一个为信号处理模块准备的通用框架，并且其可以连接到一个或多个其他模块。一个调度器，用于激活每个处理模块并且管理模块之间的相关数据传输。C+和Python工具，用于建立多个模块间的流图，并将该流图连接到调度器上。一组足够多的用于滤波器、跟踪环等的常用DSP模块。用户接口界面，允许用户拖拽模块、模块连线来实现GNURadio的设计。一个与商用硬件前端的接口。前端硬件包括数模/模数转换器（DAC/ADC）和上下变频器，来提供通用处理器（GPP）和无线物理环境的接口。GNURadio运行在Linux系统上。图1.6给出了GNURadio图形用户接口界面，每一个小模块封装了不同的信号处理功能，而且这些算法功能都是开源的。大部分算法或者信号处理模块是基于C+语言开发的，可读性强，同时也便于用户开发。模块间的通信是利用数据通道完成的，信息采用的是消息队列形式。GNURadio结合通用软件无线电外设（USRP）开发板，可以认为是一种SDR平台，研究人员可以利用这种平台进行一些算法的快速开发和SDR研究。信号源采样率：32K波形：Cosino频率：1K振幅：1相位偏移：0数据包编码每符号采样点数目：8Bits/采样数目：2接入码：无USRP填补设置：是有效字节长度：0DPSK模式类型：DBPSK每符号采样点数目:2过度宽带：200mGray格雷码：是FFT观测槽标题：FFT图采样率：32k基带频率：0Y轴量化单位：10dBY轴格数：10参考电平=50dBFFT点数1.024k刷新频率：30加权常量：1采样率阈值设置：32k示波器槽标题：范围图采样率：32k电压幅值：0时间间隔单位：0图1.6 GNU Radio 图形用户接口界面（2）OSSIE平台OSSIE是一种开发SCA兼容无线电的开源平台，提供了一种SCA操作环境。OSSIE分配包括以下几部分：用来选择模块和互联模块的用户接口。定义新模块的用户接口，可以创建C+程序框架，用户根据应用需要可以增减框架内所需要的信号处理代码。用来检查和调试波形的用户接口，该接口允许开发人员监视中间模块中的信号。监控器可以在运行中添加，便于观察中间波形，进行模块调试。基于开源对象请求代理（ORB）的SCA兼容公共对象请求代理体系结构（CORBA）。一系列学习指南和实验课程。Windows用户可以直接下载相关组件并运行，不需要安装Linux，相对GNURadio上手容易。用户接口软件OSSIE提供了SDR架构设计、信号处理代码封装、接口调试、中间模块波形调试等功能，在OSSIE上开发完整的无线电是相当可行的。基于OSSIE架构，Prismtech公司的Spectra系统提供了一个完整的用来开发SCA兼容波形的操作环境。3）不同开源SDR平台间对比GNURadio由专门的业余爱好者创立，以节省开支和临时应急验证为目的的一种快速开发工具；而OSSIE符合军方开发标准。二者都是着手于标准化和可移植化的代码开发。GNURadio的出发点是提供一种信号处理框架，与之不同的是OSSIE的目标是提供一种SCA操作环境。GNURadio运行在Linux平台上，且直接访问文件系统和硬件；SCA波形运行在OSSIE提供的一个良好的操作环境下，应用程序界面抽象描述了文件系统和硬件。在GNURadio上的模块之间通过Python或者C+指令来互相连接，采样数据是通过用户自定义的循环缓冲来传输。OSSIE采用可扩展标记语言（XML）文件定义模块连接，而实际是通过CORBA服务完成了连接。最重要的是OSSIE基于ORB结构，采用了传输控制协议/网际协议（TCP/IP）传输采样数据。特别说明，ORB允许不同的模块运行在不同的机器上，而GNURadio平台上的流图只能在同一台机器上运行。通过比较发现，GNURadio更像是OSSIE中一种功能组件，完成的是OSSIE的信号处理功能。SDR要求硬件系统具有功能可重构、较高的实时处理能力，要求适应性广、升级换代简便。在一般情况下要求SDR硬件系统具备如下特点：支持多处理器系统，具有宽带高速数据传输I/O接口，结构模块化、标准化、规范化等。1.4.2用于SDR信号处理的硬件结构常见的SDR平台就是CPU+DSP+FPGA这种形式。即便我们不具备全部硬件，但仍然可以进行SDR开发，因为SDR更像是一种设计理念，重在软件和算法处理，其组件（不管是硬件平台，还是软件算法）满足同一种规范，则具备SDR可重构的灵活性。目前，存在3种主流SDR硬件平台结构：基于GPP的SDR结构、基于现场可编程门阵列（FPGA）的SDR（Non-GPP）结构、基于GPP+FPGA/SDP的混合SDR结构。（1）基于GPP的SDR结构基于GPP的SDR结构提供了最大的灵活性和最简单的开发。GPP最适合用于实验室环境的研究和开发，研究者能够快速尝试一系列算法和波形。一款高配PC在运行相当复杂的波形情况下，数据率1Mbit/s，并且通过以太网、USB、PCI等标准接口可以直接处理数字基带或者低中频采样数据。并且可以通过多核处理来提高数据的吞吐量。但是，对于这种结构来说更适合处理数据块，并不擅长处理实时采样数据，数据延时和抖动是其面临的主要问题。操作系统会引进延时和抖动，windows系统抖动可能超过10ms，而像VxWorks这种实时操作系统抖动可以限制在1ms内。基于GPP的SDR结构比较简单，其结构一般如图1.7所示，只包括天线、ADC/DAC、数据缓冲模块（FIFO）和GPP。这种架构对于开发人员来说，相当方便和灵活，直接接入个人PC就可以进行算法开发和测试，但它也存在缺点，如上述所述，延时和数据处理的方式等。图1.7 基于GPP 的SDR（2）基于FPGA的SDR（Non-GPP）结构基于FPGA的SDR结构的实现比较困难。FPGA适合于高数据速率和宽带宽信号波形应用，并且可以用于灵活实现无线电和多种多样的波形设计，但是在结构上与GPP存在本质区别。GPP在内存中执行指令且很容易从一个指令功能转换到另一种功能，而FPGA上的功能直接映射成了硬件电路，一个新功能需要更多的FPGA资源。同时，FPGA的高度并行结构十分适合数据流处理，但是不适合密集型控制处理。另一方面，FPGA的配置文件高达40MB，配置时间长达100ms，而且重新配置是容易丢失芯片中的数据。这些问题直接造成了多波形设计中重新加载的时间太长的问题。虽然一部分FPGA支持局部重配置的功能，但是这项技术相当困难并且严重受到开发工具的限制。让人兴奋的是，FPGA实现了2011年提出的3项建议：专用GPP与FPGA一同使用。通过使用可用的逻辑资源在FPGA上嵌入一个全功能的单片机。将FPGA 和GPP 结合制作成单一器件（如XilinxZYNQ系列）。将FPGA和GPP结合制作成单一器件，并不是像嵌入了单片机模块，这种片上单片机上电可用，并且不需要FPGA就可以进行编程设计。由此可知，基于FPGA的SDR架构时代已经到来，新一代SDR将在新技术下越来越有意义。（3）基于GPP+FPGA/DSP的混合SDR结构基 于 GPP+FPGA/DSP 的 混 合 SDR结 构，分 为GPP+FPGA、GPP+DSP+FPGA两种主要架构形式。这种组合结构融合不同器件的优点，取长补短，在功耗要求比较宽松的实验室环境下，能够给开发人员提供一种快速验证各类算法高性能平台。图1.8给出了这种结构的互联示意图。这种结构一般对异构器件间的数据交换的性能要求较高，不同器件间通信一般会采用PCI接口方式（1.25Gb/s/1x）和串行高速输入输出（SRIO）接口方式（1.5Gb/s/1x）。PCIExpress主要用于计算机中芯片间、板卡间的数据传输，也有部分嵌入式市场；RapidIo主要用于嵌入式系统内芯片间、板间数据传输，其目标就是嵌入式系统内的高性能互联。这种混合SDR结构，性能上可以充分地利用各种器件的优势，但同时也存在着接口设计复杂和能耗大的问题。图1.8 异构器件互联示意图（4）多通道SDR结构除了上述讨论的SDR基本结构，也存在多通道SDR，如图1.9所示。多通道SDR旨在多并发用户共享相同的带宽，例如在一种互不兼容无线电模式下的无线电转换，允许不同模式下用户间对话。这种架构最简单的结构就是整合一组独立的SDR，每一个SDR支持一个或多个信道，一般的这些SDR分别是具有低速率、中速率、高速率处理能力。这种结构除了对多种用户接口、复杂的算法设计、系统设计提出高要求，也对信号处理器（GPP/FPGA/DSP）和射频模块（ADC/DAC/放大器）的性能提出了较高的要求。图1.9多通道SDR目前，业界也出现了一系列支持SDR/CR的高性能开发平台，均是基于以上讨论的架构。例如NationalInstruments公司的USRP、BeeCube公司的BEE3、基于XilinxZYNQ系列的ZingBoard/ZedBoard开发板等。这些现有的具有SDR开发能力的开发板，大多属于商业产品，并不是专业应用于SDR开发的产品，辅以个人PC（GPP）设备才能进行一定意义上的SDR设计。SDR的目的是建立开放式、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如频率、调制方式、数据率、加密模式、通信协议等都用软件来完成，因此软件无线电设备更易于重新配置、从而可灵活地进行多制式切换并适应技术的发展演进。广义上的软件无线电分为三类：1.5SDR开发工具第一类是基于可控制硬件的软件无线电平台。这种平台是将多种不同制式的硬件设备集成在一起，这种方式只能在预置的几种制式下切换，要增加对新的制式的支持则意味着集成更多的电路，重配置能力十分有限。通过设备驱动程序来管理、控制硬件设备的工作模式、状态。第二类是基于可编程硬件的软件无线电平台。这种平台基于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)，重配置的能力得到了很大提高。但是用于FPGA的VHDL、Verilog等编程语言都是针对特定厂商的产品,使得这种方式下的软件过分依赖于具体的硬件,可移植性较差。此外,对广大技术人员来说,FPGA和DSP开发的门檻依然较高,开发过程也相对比较繁琐。第三类是基于通用处理器的软件无线电平台。针对以上两类缺陷，第三类软件无线电平台采用通用处理器(例如:商用服务器、普通PC以及嵌入式系统)作为信号处理软件的平台，具有以下几方面的优势：纯软件的信号处理具有很大的灵活性；可采用通用的高级语言(如C/C+)进行软件开发，扩展性和可移植性强，开发周期短；基于通用处理器的平台，成本较低，并可享受计算机技术进步带来的各种优势(如：CPU处理能力的不断提高以及软件技术的进步等)。在通用计算机系统中，设备驱动程序是用来改变无线设备功能的软件机制。当前一些针对802.11设备的驱动程序允许通过软件访问并控制设备的一些有限的内部状态(例如：传输速率、功率)、更改802.11管理层的非实时行为操作，例如：针对Atheros芯片组的MadWiFi的驱动程序、针对Prism芯片组的HostAP驱动及针对RaLink芯片组的RTX20023驱动程序。1.5.1基于可控制硬件的软件无线电平台然而，它们不允许更改802.11协议相关的数据，如：MAC(MediaAccessControl)层数据的格式、物理层信号处理。通过设备驱动程序控制设备，只能在一定范围内更改特定设备的功能及行为，而这种设备仅能支持某一种或几种物理层协议，并不能改变物理层信号处理流程，无法获取物理层的额外信息(如：误码率、信噪比、信道状态)，也就无法改进物理层算法，更不能变更物理层协议。SoftMAC更进了一步，基于廉价的商业WiFi网卡构建了一个实验平台,可以实现自定义的MAC协议。基于MadWiFi驱动程序以及相关的开源硬件抽象层，SoftMAC通过控制和禁用默认的底层MAC行为，以提供更灵活性MAC功能。但是SoftMAC并不提供一个完整的软件无线电平台，它将驱动软件和硬件的功能固件分离开来，一些时间紧迫的MAC任务及物理层信号处理仍然在硬件设备上完成。因此,SoftMAC仅适合做MAC层的协议实验。目前较流行的基于可编程硬件的软件无线电平台有SODA（SignalProcessingOnDemandArchitecture）、WARP（WirelessOpen-AccessResearchPlatform）和SFF（SmallFormFactor），下来具体介绍这几个平台的系统参数及性能。1.5.2基于可编程硬件的SDR平台（1）SODA系统SODA是由密歇根大学基于DSP多处理器开发的软件无线电系统，它由的多个数据处理器和一个控制处理器组成，全局存储器连接到一个共享总线。每个数据处理器由5个主要部分组成：1)SIMD(SingleInstructionMultipleData)单元用于支持向量操作;2)标量流水线用于执行顺序操作;3)两个本地 缓 存;4)地 址 生 成 单 元(Address GenerationUnit,AGU)提供为本地存储器的访问;5)可编程DMA(DirectMemoryAccess)单元用于本地存储器与外部系统之间传输数据。SIMD单元由32路16位数据通路组成，它用于处理计算密集型算法。每个数据路径包括2个读端口，1个写端口和一个16位乘法单元，乘法器运行在400MHz。处理器内部支持数据随机移动，同时SIMD单元可以直接对标量单元的结果进行处理，支持矢量数据求和、找最大值和最小值等操作。这些操作可以简化数字信号处理过程。图1.10显示了SODA系统结构。目前，基于SODA已经实现了WCDMA和802.11a协议。图1.10 SODA系统结构（2）WARP系统WARP是Rice大学针对科研工作开发的一个无线通信开放研究平台，基于FPGA开发,可以实现物理层和网络层功能,具有可扩展性高、配置灵活的优点。一套WARP集成了一个XilinxVirtex-6LX240TFPGA用于实现信号处理算法及子版控制逻辑、2个射频子模块、1个千兆以太网口等。每个射频模块可以工作在2.4GHz和5GHz频带,最大支持40MHz带宽。ADC与DAC的精度为12比特，ADC的采样率为100MSPS(MegaSamplesPerSecond)，DAC的转换率为170MSPS。各射频子版共享相同的米样和射频参考时钟，可以构成MIMO(MultipleInputMultipleOut)应用。WARP的价格较贵,一套支持MIMO的WARP学术价格为4900美元。图1.11显示了WARPv3的硬件图。图1.11 WARP硬件图（3）SFF系统SFF软件无线电平台是一个独特的新产品,如图1.12所示,由德州仪器公司研发，专门用于满足军方、公共安全以及贸易市场对便携式软件无线电平台的需要。它应用了Lyrtech专有的最新FPGA及DSP设计技术，成为一种低功耗、现货供应的软硬件集成开发解决方案。SFF开发平台有三个不同的模块数字处理模块、据转化模块和射频模块，它们可以为开发者提供高度灵活的开发能力。SFF体积小便于携带，功能完备且独立，平台上集成了GPP(GeneralPurposepocessors)、DSP和FPGA，方便实现一个完整的、无线电系统的所有协议层。每一个处理器都配备有嵌入的、独立的功率监测系统，覆盖了从基带到天线端的处理能力。SFF提供片上系统，配备14比特双通道ADC转换器,转换速率为125MSPS(MillionSamplesperSecond)，16比特双通道数模转换器，转换速率为500MSPS。射频模块工作在360MHZ960MHz,可选择的带宽为5MHz到20MHz。图1.12 SFF软件无线电平台（1）USRPUSRP是目前被广泛使用的基于通用处理器的软件无线电平台，该开发平台由MIT设计,由USRP(UniversalSoftwareRadioPeripheral)硬件前端和对应的软件开发套件GNURadio组成,下面具体介绍其功能及性能。1.5.3基于通用处理器的软件无线电平台GNURadio是由MIT提供的免费软件发套件，提供了信号实时处理的软件和低成本的软件无线电硬件，用它可以在低成本的射频硬件和通用处理器上实现软件无线电。这套套件广泛用于业余爱好者，学术机构和商业机构用来研宄和构建无线通信系统。GNURadio的应用主要是用Python编程语言来编写的，但是其核心信号处理模块是C+在带浮点运算的处理器上构建的。因此，开发者能够简单快速的构建一个无线通信原型系统。但是，受限于其信号处理的软件实现方式，它只能达到有限的信号处理速度，并不能满足高速无线通信协议中大计算量需求。USRP是与GUN Radio配套的硬件前端设备，USRP是MattEttus的杰作，它可以把PC连接到射频前端RF(RadioFrontend)世界。本质上它充当了一个无线电通讯系统的数字基带或中频部分。USRP产品系列包括多种不同的模型，使用类似的架构。母板提由以下子系统组成:时钟产生器和同步器、FPGA、ADC、DAC、主机接口和电源调节。这些是基带信号处理所必需的组件。一个模块化的前端，被称为子板，用于对模拟信号的操作，例如：上/下变频、滤波等。这种模块化设计允许USRP为06GHz之间运行的应用程序提供服务。USRP在FPGA上进行一些数字信号处理操作，将从模拟实信号转换为数字域的低速率、数字复信号。在大多数应用中，这些复采样信号被传输到主机内，由主机处理器执行相应的数字信号处理操作。FPGA的代码是开源的，用户可以自行修改,在FPGA上执行高速、低延迟的操作。USRP1提供了入门级的射频处理能力，为用户和应用程序提供低成本的软件无线电开发能力。该架构包括 Altera公 司 的 Cyclone FPGA，ADC采 样 率 为64MSPS，精度为12比特，DAC转换率为128MSPS，精度为14比特，通过USB2.0与主机相连。USRP1平台可以支持两个完整的射频子板，工作在06GHz。这一特性使得USRP可以隔离发送和接收链，为双频发射/接收操作提供了理想选择。USRP1与主机之间的数据传输速率达8MSPS，并且用户可以实现在FPGA架构中的自定义功能。USRP2是继USRP之后开发的，于2008年9月面世。之后由USRPN200和N210取代。USRPN210提供更高带宽、高动态范围处理能力。USRPN210适用于对处理速度要求严格的通信应用。产品架构包括一个Xilinx的Spartan3A-DSP3400FPGA，100MSPS的双通道ADC，400MSPS的双通道DAC和千兆以太网接口用于将数字信号在主板和主机之间传递。USRPN210釆用模块化设计,工作范围为06GHz,利用扩展端口允许多个USRPN210系列设备进行同步,级联成为MIMO模式。一个可选GPDSO模块可以被用于将USRPN210的 时 钟 与 GPS(GlobalPositioningSystem)时 钟 同 步,误 差 范 围 为 0.01PPM(Part PerMillion)。USRPN210与主机之间的传输速率高达50MSPS用户可以在FPGA架构中实现自定义的功能,在主板上的还 有 一 个 32位 RISC(ReducedInstructionSetComputing)结构处理器。FPGA在接收和发送方向提供了高达100MSPS的数据处理速度。通过千兆以太网接口可以对FPGA的固件重新加载。USRP采用模块化设计，母板可以用不同的射频版连接,各射频板可工作在不同的频段，提供不同的带宽，例如：XCVR2450射频版可以工作在2.4GHz2.5GHz，带宽为33MHz：WBX射频板工作在50MHz2.2GHz，带宽为40MHz。图1.13显示了USRP1、USRPN210及射频板XCVR2450的产品图。图1.13 USRP产品（2）Sora系统微软研究中心开发的软件无线电Sora(MicrosoftResearchSoftwareRadio)是一种新型的软件无线电平台。它拥有PC架构的编程框架。Sora是高性能、高可靠性“硬件SDR”平台与灵活、可编程的“GPPSDP”平台的结合。Sora采用先进的软件和硬件技术，解决了PC架构实现“高速SDR”的这一难题。Sora项目旨在开发一个最先进的软件无线电系统，能够快捷而有效地实现当前最前沿的无线通信技术。Sora已于2015年正式通过GitHub开源。SDR利用软件来实现通信系统中的底层操作，从而可以快捷的开发、调试、以及进行后期的更新维护。其主要挑战在于，其性能能否赶上专用硬件平台。面对这一挑战，微软研究员们开发了Sora。Sora是一个完全可编程的，高性能的软件无线电系统，可以用于实现当前前沿的无线通信技术（Wi-Fi，LTE，以及MIMO等）。Sora运行于低成本的商用多核个人电脑上，并使用通用的Windows操作系统。一个多核商用个人电脑，一块定制的射频控制接口板（RCB），再加上第三方的射频模块，就组成了一个强大的无线通信系统。射频控制接口板负责在个人电脑主存和射频模块之间传递高速的无线采样信号（I/Qsamples），而所有的底层信号处理全部运行在软件上，如图1.14所示：图1.14 Sora的系统架构截至目前，已有50多家大学和科研机构在科研和教学中使用Sora。完全开源的Sora系统具有很多特性，其中包括：支持定制的射频前端。支持定制的RCB（包括可定制的时间控制和同步机制，新的加速器等）。支持新的通信模式，例如全双工无线通信等。Sora 已 经 赢 得 了 许 多 学 术 奖 项，比 如 TVWhitespace、大规模MIMO、以及分布式MIMO系统等。可以预见，开源的Sora有助于研究团队更好地利用并推动SDR技术的发展。软件无线电的核心思想是将一定频率范围内的空中无线信号全部接收下来进行模数转换，将转换成的数字信号用软件处理。目前已广泛应用于各种无线通信领域。简单介绍如下几种应用：1.6SDR典型应用（1）移动通信系统在GSM（全球移动通信系统）中，广泛采用软件无线电技术，终端和通信基站的信号处理都使用软件无线电结构，硬件简单且通用，且便于系统的升级维护和改造。用可编程手段实现射频频段选择、信道访问模式及信道调制模式等功能。在GSM通信系统中，无线电信号的发射过程是先选择可用的传输信道和无线电传播路径，根据选择的信道进行相应的调制，发射波束指向依靠电子控制，选择合适的功率，然后再发射，这种发射过程与其它通信系统有所不同。接收与发射刚好相反，它要识别传输信号的通信制式，划分各个信道的能量分布，对多径所需信号进行自适应处理，栅格译码信道调制，剩余错误纠正处理，将误码率降到最低。另外，由于数据通信的便捷和许多软件应用系统的推广，出现许多软件工具增值业务大大方便运营商和用户使用。中兴通讯也将SDR技术引入基站建设中，其SDR基站平台可以实现多种无线接入制式的融合和共存，包括 GSM/UMTS、CDMA2000、TD-SCDMA、FDDLTE、WiMAX和TDDLTE。基于该平台，中兴通讯率先实现了双模或多模网络方案的规模商用，包括GSM/UMTS双模、GSM/UMTS/LTE多模、CDMA/LTE双模等，还可以实现WiMAX/TDDLTE以及FDDLTE/TDDLTE的共存和演进。目前开发了SDR分布式基站、SDR室外宏基站、SDR室外微基站等多种应用，硬件架构基于统一的MicroTCA平台，射频部分采用MCPA技术。MicroTCA技术也使得SDR系列化基站体积更小、功耗更低、处理 能 力 更 强。同 时，MicroTCA架 构 支 持GSM/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/LTE等多种制式，实现对多频段、多制式网络的有效整合，如图1.15所示：图1.15 SDR系列化基站支持多种无线制式该SDR系列化基站射频单元具备软件可编程和重新定义的能力，进而实现智能化的频谱分配和对多标准的支持。SDR软基站射频模块采用了宽带多载波数字信号处理技术，单功放可支持多个载波，通过软件即可实现平滑扩容，降低扩容成本以及扩容对网络的影响。采用宽带多载波技术，还可在连续的20MHz频带范围内通过软件配置同时支持2G/3G/LTE等，同时完成对多制式射频信号的收发处理，实现同频段多制式情况下的融合和演进。新一代SDR软基站，几乎不需要更改任何硬件就能保持网络的先进性，有效利用现网资源。新一代SDR软基站及创新的建网模式将成为未来网络发展的必然趋势。（2）智能天线智能天线最初仅运用于军事通信领域，由于使用成本、技术保密等因素，一直未能在其它通信领