1. 第一章—软件定义无线电概论-1
各种通信形式在千百年间不断演进，口头语言能够由一个人传递，并被另一人听见或接收。现代城镇中的报时员每年会举办一次比赛，用来寻找能够在最远距离内清楚地喊出信息的人。然而，尽管世界纪录保持者的喊声达到112.8分贝，其内容也仅仅是在不到100米的距离内被理解，比喊叫更有效的沟通需求与言语本身是一样古老的存在。
随着计算技术、数字信号处理与数字通信算法、人工智能、射频硬件设计、网络拓扑等多项技术的进步，现代通信系统已演进为复杂、智能且高性能的平台，能够适应运行环境，实现实时、无误差的大容量信息传输。通信系统技术的最新阶段是软件定义无线电（SDR），该技术融合了各领域的最新进展，打造出终极的发射机和接收机。
1.1 历史简要
鉴于直接影响软件定义无线电技术的发展历程，图1.1展示了过去四百年间的若干重要里程碑时间线。这段历史主要由众多研究者探索各类思想或概念、发布研究成果，并允许同行和同事在其基础上不断深化。许多人将自己的研究成果转化为商业产品，因而成名致富；而有些人则未能取得此成就。有关软件定义无线电技术相关主要里程碑的详尽列表，有兴趣的读者请参见附录A。
1.2 什么是软件定义无线电
每个专业组织均力求定义一套通用的术语和定义框架，以促进在同领域从事类似研究或产品开发的专业人员间的顺畅沟通。无线通信与软件定义无线电领域亦是如此。
电气电子工程师学会（IEEE）P1900.1工作组制定了以下定义，旨在以确保该领域所有人员使用统一术语。
图1.1 重要里程碑时间图
无线电
1. 用于无线传输或接收电磁辐射以促进信息传递的技术。
2. 包含如（1）中定义技术的系统或设备。
3. 用于描述无线电波使用的一般术语。
无线电节点
包含无线发射机或接收机的无线电接入点。
软件
由可编程处理器执行的可修改指令。
物理层
无线协议中处理射频、中频或基带信号（包括信道编码）的层。这是为无线传输和接收而调整的ISO七层模型中的最低层。
数据链路层
负责通过适当的误差检测与控制程序及介质访问控制，实现无线链路上可靠帧传输的协议。
软件控制
软件控制是指无线电系统或设备中通过软件处理选择操作参数。
软件定义
软件定义是指无线电系统或设备中通过软件处理实现操作功能（不包括控制功能）。
软件控制无线电
部分或全部物理层功能由软件控制的无线电。
软件定义无线电（SDR）
部分或全部物理层功能由软件定义的无线电。
发射机
用于无线电通信的射频能量产生装置。
接收机
一种接收无线电信号并从中提取信息的装置。
空中接口
为建立两个无线终端之间通信所设计的波形函数子集。这是无线物理层和无线数据链路层的波形对应部分。
波形
1. 对待传输信息所进行的一系列变换及将接收信号还原为其信息内容的对应变换集。
2. 信号在空间中的表示。
3. 所传输射频信号的表示形式及可选的附加无线功能，涵盖直至所有网络层。
数字信号处理与模拟射频的结合始终构成通信系统的基础。在现代系统中，信号处理已发展至多数基带功能通过软件实现。射频硬件的灵活性使其能够重新定位和重新配置，从而使单一射频前端能够支持大多数射频系统。射频前端通常为软件控制，而非软件定义。灵活的射频前端与软件信号处理的结合催生了软件定义无线电。
这一点可见于模拟器件公司的AD7030器件，如图1.2所示。ADF7030为一款低功耗、高性能集成无线收发器，支持169.4 MHz至169.6 MHz ISM频段的窄带操作。它支持使用2GFSK调制在2.4 kbps和4.8 kbps速率下进行收发操作，并支持使用4GFSK调制以6.4 kbps速率进行发射操作。
图1.2 ADF7030框图[3]。
它集成了片上ARM Cortex-M0处理器，负责无线电控制、校准以及数据包管理。这与传感器配合，就是智能计量或主动标签资产追踪应用所需的全部硬件。这仅是摩尔定律的一个副作用—系统级集成。
软件定义无线电系统是一种复杂设备，能够同时执行多项复杂任务，以实现数据的无缝传输与接收。一般而言，数字通信系统由一系列相互依存的操作组成，负责将某种类型的信息（无论是人声、音乐还是视频图像）通过无线传输至接收机，进行处理并解码成原始信息信号的重构版本。如果原始信息为模拟信号（如音频），则必须先通过量化等技术数字化，以获得该信息的二进制表示。一旦转换为二进制格式，发射机便以数字方式处理该信息并将其转换为由其物理特性唯一决定的电磁正弦波形，如信号振幅、载波频率和相位。在通信链路的另一端，接收机的任务是正确识别通过可能含有噪声和失真的信道传输的截获调制波形的物理特性，并最终将截获信号还原为正确的二进制表示。数字通信系统的基本构建块如图1.3所示。
这两个模块分别代表在发射机与接收机之间需要通信的数字信息的源头和目的地。一旦二进制信息输入发射机，首先执行的任务是去除信息中的所有冗余或重复的二进制模式，以提高传输效率。这是通过源编码器模块完成的，该模块设计用于剥离信息中的所有冗余。请注意，在接收机端，源解码器重新引入冗余，以将二进制信息恢复至其原始形式。在发射机端从二进制信息中删除冗余后，使用信道编码器向信息流中引入受控冗余，以保护信息免受噪声信道传输过程中可能产生的误差。使用信道解码器移除该受控冗余，并将二进制信息恢复至其原始形式。
发射机的下一步是将二进制信息转换为独特的电磁波形特性，例如振幅、载波频率和相位。此过程通过称为调制的映射实现。类似地，在接收机端，解调过程将电磁波形转换回相应的二进制表示。最后，输出的离散采样经过调制模块处理的信号被重新采样，并通过数字模拟转换器(DAC)转换为基带模拟波形，随后经过通信系统的射频前端处理并上变频至射频载波频率。在接收机端，执行相反操作，截获的模拟信号经由射频前端模块下变频至基带频率，然后通过模拟数字转换器 (ADC)进行采样和处理。
鉴于软件定义无线电平台及其各组成部分的复杂性，理解特定软件定义无线电平台的局限性及各种设计决策对所生成原型性能的影响极为重要。
例如，实时基带处理对于频谱感知和灵活传输操作至关重要，要求具备高计算吞吐量和低延迟。然而，若软件定义无线电平台所采用的微处理器计算能力不足以支持数字通信系统的计算需求，则需重新审视整体收发器设计或低延迟与高吞吐量的要求。否则，软件定义无线电的实现将无法正常工作，导致传输误差和通信性能显著下降。
基于软件定义无线电平台设计数字通信系统时，应考虑的设计因素包括：
•通过在嵌入式处理器上实现实时协议，整合物理层与网络层。需注意，大多数通信系统为便于设计，通常划分为逻辑上彼此独立的层次（参见第1.3节）。然而由于各层之间存在紧密的相互依赖关系，确保每一层均获得妥善设计至关重要。
•保证射频前端具备足够宽的带宽，支持多子信道的灵活切换及可扩展的天线数量，以实现空间处理功能。鉴于众多先进通信系统设计涉及多天线和宽带传输，深入了解软件定义无线电硬件在这些物理特性方面的能力尤为关键。
•许多采用数字通信系统的网络具有集中式架构，用于控制整个网络的运行（例如控制信道的实现）。 了解无线电网络架构非常重要，因为它决定了数字收发器之间通信所必需的操作类型。
•在不同环境（例如遮挡和多径、室内与室外环境）下进行控制实验的能力，对于验证特定软件定义无线电实现的可靠性至关重要。换言之，如果在完全相同的环境和相同的操作参数下连续两次对软件定义无线电原型系统进行实验，预期输出和性能应当一致。因此，具备执行控制实验的能力为软件定义无线电设计者提供了一种合理性检验手段。
•通过软件设计流程实现算法与协议描述的可重构性及快速原型开发。
目前，许多日常使用的通信系统不再采用固定的模拟处理和固定电路，而是利用基于微电子技术的灵活中频、数字信号处理器、可编程数字逻辑、加速器及其他类型的计算引擎实现。为了利用处理引擎的新进展，采用了MATLAB®和Simulink等高级语言，而非C或汇编语言。这一计算技术的转变促进了新型通信功能和能力的实现，例如先进的卫星通信、移动通信、数据调制解调器和数字电视广播。
本文转载自：威视锐科技