软件无线电技术与实现

　　这一状况在很大程度上反映了软件定义无线电所包括的技术以及在其实现和应用方面的广泛性。事实也确实如此，当打算为WILEY出版社就软件定义无线电这一主题写一本书时，我就很明显地感到只用单独一本书要完全论述清楚这一问题是远远不够的。考虑到这一情况以及我在近几年通过因特网与全世界从事这一领域研究的许多专家学者有过工作交流所具有的优势，从一些专家那里索取有关的权威性专业文献资料，并编辑成册，甚至出版系列丛书，而不是以很有限的个人观点去出版所谓的专著，这样的做法似乎会更为合适。这些专家虽然都很忙，但都很愿意并很快地接受了我的这一想法，而且都同意参加这一出版计划。我对他们所表现出的这种积极态度以及所做出的及时反应和很高的文稿质量表示感谢，是他们的努力才使这一工作得以顺利完成。本书是我编辑出版的这一系列丛书的第二本，主要是作为第一本书的补充，其宗旨是对形成软件无线电实现基础的关键技术进展进行论述和介绍。当然，这里面有很多是在现有无线电产品设计中就已经存在的一些基本内容，如射频前端、数据变换、数字处理等技术。软件既是现有产品的核心，也是未来SDR的核心。现有的软件无线电技术，有时甚至是最新的软件无线电技术，对其应用仍有局限性，但同时对它又有更高的要求，这就使SDR不断地加以扩展，并吸引新的投资把这些技术应用到目前尚未开发的新领域。本书从硬件和软件两个层面对软件定义无线电的技术和设计要求进行了介绍。有关的背景材料、起源、市场和应用、目前的状态、从事这方面研究的专家以及早期的产品等已经在以前出版的著作SoftwareDefinedRadio：Origins，Drithers，andInternationalPerspectives一书中做了详细介绍，这里就不再重复了。软件定义无线电技术正在以很快的速度发展。本书只能根据当时的情况进行一些基本概述，以此作为工程研究的基础。可以预测，该系列丛书的后续著作会向读者全面介绍在其技术和应用各个方面的最新进展。本书的读者对象我在无线电通信领域已经工作了2年，我相信所有工程技术人员都希望知道他们所从事的研究和开发的产品所具有的商业价值，而从事市场营销和其他商业活动的人员也需要简单地了解他们公司的产品所采用的技术。考虑到这一点，本书就是为这两类人员撰写的培训教材，同时也适用于在校和已毕业的工科大学生使用，也可以用做电信和IT行业的培训教材。无线电已进入新的市场增长期，它将从简单地提供无线电话通信业务发展成为新业务功能的主要催生剂，并将因此产生新的业务模式。在这里所描述的技术框架是很关键的催生剂，本书讨论的重点是软件定义无线电，读者会发现书中所描述的基本原理具有广泛的适用性。本书的结构特点为便于阅读，本书从逻辑结构上分为四大部分：第一部分为本书的开场白，其作者是软件无线电的开创者之一，目前他作为全球两大工业论坛的延职主席，在未来无线通信系统的定义研究中起着领导的作用。这一章主要是一些入门性质的基础性介绍，所给出的内容和定义是本书剩余章节的写作基础，主要也是为那些尚未阅读过该系列丛书的第一本书的读者撰写的。第二部分介绍了软件定义无线电前端的技术需求和设计，包括数据变换以及最新的RF技术与结构研发情况。这一部分的第一章先介绍了常规的RF设计技术，讨论了由于对灵活性、自适应、多频段无线电提出的新要求，是如何使RF设计复杂化，要求也变得更高的，最后介绍了SDR前端的设计方法。在这一章和下一章的内容中都讨论了软件无线电结构的选择问题，介绍了为美国市场开发的支持多个1G和2G标准的实用化多频段、多模式无线电系统的设计。这两章合在一起对软件无线电在其结构上的折中和选择进行了比较全面的探讨。数据变换——ADC和DAC——是数字无线电的基础。考虑到对SDR所特有的自适应和灵活性的要求，数据变换对SDR来说就更为重要了。这一部分的第三章就这一重要领域进行了基础性的介绍。第四章介绍了超导数字处理这一新技术，在这方面的最新进展已经改变了我们以往在技术上的一些基本看法以及技术能力极限。虽然这一技术不太可能应用到3G手机中去，但在基站中还是有实际应用的可能。第二部分的最后一章讨论了在无线电产品中，传统的模拟前端和数字信号处理在其结构上的不同划分，这种划分也在不断地变化，为此引入了“数字前端”的概念，并简单介绍了与此相关的设计方法。第三部分转向基带处理技术的讨论。这一部分的第一章首先对传统的DSP和FPGA技术进行了回顾，同时也介绍了新近出现的各种数字处理技术。在这一章讨论的另外两个主要方面是采用这些技术所需要掌握的设计工具和设计方法。SDR的“参数化”设计方法是下一章的主题，在这一章介绍了该方法的基本概念，并进行了一些研究探讨。这一部分的最后一章从较深的层次介绍了面对SDR市场机遇并使其商品化所提出的许多创新结构的一个例子，这种非常规的方法是基于使功耗、芯片尺寸、复杂度和可重构性同时达到最佳的设计理念，采用使硬件处理器结构动态跟随软件算法时变要求来变化的思想。第四部分从各个角度讨论了在SDR中软件的作用。这一部分的第一章首先对前面各章节介绍的各种方法进行比较分析，得出了作者所支持的这样一种发展趋势，即用运行在标准CPU引擎上的软件，而不是用ASIC或者完全固化的代码来定义空中接口。这一章还介绍了以此作为MIT频谱研究项目的主要研究内容而刚开始出现的商用产品。下一章就与移动终端软件动态下载有关的内容进行了一般性的介绍，主要涉及下载技术和下载设备更新升级等内容。在接下来的一章中主要讨论与可编程协议及其含义有关的内容，这些协议不仅与终端有关，也与网络和互操作有关。最后一章介绍了波形描述语言（WDL）的概念，WDL既是一种设计技术也是一套设计工具，它可以在不增加费用或者保持兼容性的情况下对这一领域新的空中接口波形进行指标分析，并加以快速的推广应用。归纳与总结在撰写本书的过程中，我们还是力求涉及各种技术话题，虽然在某些领域已经有人从比较高的层次进行过深入的探讨。为了方便那些对这一领域还比较陌生的读者或者希望对有些特殊课题再继续深入研究的读者，我们在每一章的后面都列出了相关的文献以供参考。本书的很多作者以及他们所在的公司对从事软件无线电研究的读者来说都是很熟悉的，从他们的传记中可以发现，这些专家最近几年在推动SDR的兴起和发展中起到了重要的作用。他们在书中所阐述的内容只代表他们自己的观点和展望。作为主编者，我所能做的就是在可读性和保留作者个人风格和见解之间进行平衡。基于这一点，任何一章中所论述的观点并不反映编辑本人的观点，也不代表其他作者的观点。作者、编辑和出版社对书中存在的错误或疏忽不承担任何责任。但是如果读者能把在书中发现的错误告诉我们，以便在将来出版时加以更正，我们将对此表示衷心的感谢！WalterTuttlebee

　　杨小牛，1982年毕业于西安科技大学通信工程系，获学士学位，1988年西安电子科技大学通信与电子系统硕士学位，现为电子通信的研究所副所长，研究员，从事通信信号处理与分析，软件无线电等科研工作，承担多项国家重点型号任务，并多次获奖，其中国家科技进步奖1次，部级科技进步一等奖2次，光华科技教授，中国人民解放军电子工程学院兼职教授。

第一部分  开  场  白
第1章  基于软件的无线电
1.1  多维模型
1.2  什么叫基于软件的无线电
1.2.1  软件定义无线电和软件无线电
1.2.2  自适应智能软件无线电和其他定义
1.2.3  功能、能力和SBR演变
1.3  基于软件的无线电的结构展望
1.3.1  无线电实现层
1.3.2  网络运营层
1.4  软件无线电概念
1.5  基于软件的无线电的推广使用时间表
1.6  实现基于软件的无线电对新技术的需求
1.7  对手机功耗/性能/价格的限制使网络缺少灵活性
1.8  引入管理机制有利于SBR的推广应用
1.9  结论
致谢
参考文献
第二部分  前 端 技 术
第2章  软件无线电中的射频变换
2.1  要求和规范
2.1.1  发射机指标
2.1.2  接收机特性
2.1.3  工作频段
2.2  接收机设计注意事项
2.2.1  基本考虑
2.2.2  接收机体制
2.2.3  动态范围问题及计算
2.2.4  邻近信道功率比（ACPR）和噪声功率比（NPR）
2.2.5  接收机信号预算
2.2.6  镜频抑制
2.2.7  接收机中的滤波功能
2.3  发射机设计考虑
2.3.1  接收机和发射机之间滤波的相似性
2.3.2  发射机结构
2.3.3  发射效率和线性度
2.4  SDR的可选择方案
2.4.1  零IF接收机
2.4.2  正交本振
2.4.3  可变预选滤波器
2.4.4  低IF接收机
2.5  结论
致谢
参考文献
附录A  欧洲移动标准
第3章  多模式SDR RF前端的实现
3.1  无线电系统的发展
3.2  射频前端的演变——超外差体制
3.3  AN2/6产品系列——双波段，六模式
3.3.1  AN2/6的结构
3.3.2  从AN2/6结构中得到的经验
3.4  射频前端的选择
3.4.1  直接变换RF前端
3.4.2  纯数字式RF前端
3.4.3  模拟数字混合方法
3.4.4  完整的SDR RF前端的发展方向
3.5  结论
致谢
参考资料
第4章  软件定义无线电中的数据转换
4.1  在软件定义无线电中数据转换的重要性
4.1.1  用于SDR基站的ADC
4.1.2  SDR手机的ADC
4.1.3  SDR应用的DAC
4.2  转换器结构
4.2.1  Flash转换器
4.2.2  多级转换器
4.2.3  S-D转换器
4.2.4  数模转换器
4.3  转换器性能对SDR的影响
4.3.1  噪声源对SDR灵敏度的影响
4.3.2  数据转换器的SNR
4.3.3  寄生信号对性能的影响
4.3.4  数模转换器指标
4.4  结论和未来趋势
参考文献
第5章  超导微电子：软件无线电的数字RF技术
5.1  引言
5.1.1  超导性和约瑟夫森效应
5.1.2  现有的超导应用
5.1.3  新兴应用——软件定义无线电
5.2  快速单通量子数字逻辑
5.2.1  电路特性
5.2.2  RSFQ逻辑门举例——RS触发器
5.2.3  RSFQ数据转换器
5.2.4  RSFQ定标理论
5.3  低温特性
5.4  民用超导SDR
5.4.1  无线通信中的超导体
5.4.2  超导接收机的优势
5.4.3  扩频通信的发展趋势
5.4.4  大功率放大器的线性化
5.4.5  数字RF收发机
5.5  军用超导SDR
5.5.1  同址干扰
5.5.2  对扩频信号的数字化解跳
5.5.3  卫星通信
5.5.4  增加新波形
5.5.5  群时分复用（Massive Time Multiplexing）
5.6  结论
感谢
参考文献
第6章  数字前端——射频与基带处理之间的桥梁
6.1  引言
6.1.1  数字收发信机的前端
6.1.2  信号特性
6.1.3  实现问题
6.2  数字前端
6.2.1  数字前端的功能
6.2.2  移动台和基站的数字前端
6.3  数字上变频和下变频
6.3.1  基本思想
6.3.2  理论方面
6.3.3  实现方面
6.3.4  CORDIC算法
6.3.5  用CORDIC算法实现数字下变频
6.3.6  用重采样实现数字下变频
6.4  信道滤波
6.4.1  在数字下变频后的低通滤波
6.4.2  在数字下变频前的带通滤波
6.4.3  滤波器组信道化器
6.5  采样速率转换
6.5.1  在重构后进行重采样
6.5.2  转换因子为有理数倍的SRC
6.5.3  整数倍的SRC
6.5.4  SRC的概念
6.5.5  SRC系统
6.6  示例
6.6.1  设计参数
6.6.2  数字下变频
6.6.3  采样速率转换
6.6.4  信道滤波
6.6.5  小结
6.7  结论
感谢
参考文献
第三部分  基 带 技 术
第7章  软件无线电的基带处理
7.1  基带结构的作用
7.2  软件无线电——从硅到软件
7.3  基带单元技术
7.3.1  数字信号处理器
7.3.2  现场可编程门阵列
7.3.3  目前数字化方面的进展
7.3.4  可重配置模拟器件
7.3.5  器件的技术革命
7.4  设计工具和方法
7.4.1  设计工具的概念
7.4.2  ASIC设计
7.4.3  FPGA设计
7.4.4  未来的设计流程和工具
7.5  系统设计和维护
7.5.1  面向对象
7.5.2  在SDR处理器中的分布式资源管理
7.6  结论
参考文献
第8章  参数化法——一种实现SDR的技术
8.1  定义
8.2  适应性
8.3  标准的参数化法
8.3.1  第二代——全球移动通信系统(GSM)
8.3.2  第二代移动通信——IS-136（DAMPS）
8.3.3  第三代移动通信——全球移动通信系统（UMTS）
8.4  参数化法举例
8.4.1  通用调制器
8.4.2  GMSK 的线性化效果
8.5  信号处理部分
8.5.1  DSP的性能及局限
8.5.2  FPGA性能
8.6  结论
参考文献
第9章  用于3G软件定义移动设备的自适应计算IC技术
9.1  软件定义无线电——移动终端的一种解决方法
9.1.1  无线标准的发展演变
9.1.2  推动SDR在无线设备中应用的市场驱动力
9.2  移动应用领域及其对处理能力的要求
9.2.1  3G空中接口的处理需求
9.2.2  移动语音编码器的处理能力要求
9.2.3  移动视频的处理能力需求
9.3  SDR基带处理——实现上的困惑
9.3.1  常规IC技术的限制
9.3.2  困难与挑战
9.4  传统IC技术的折中
9.4.1  微处理器和DSP实现的限制
9.4.2  ASIC实现的限制
9.4.3   FPGA实现的限制
9.5  具有软件可编程能力的硬件
9.5.1  自适应计算技术
9.5.2  ACM实现
9.5.3  自适应计算设计工具
9.6  3G算法所需要的计算效率
9.7  问题分析和测试试验
9.7.1  CDMA 瑞克（Rake）接收机
9.7.2  FIR和IIR滤波
9.7.3  语音编码器
9.7.4  多媒体——MPEG-4实现
9.8  结论
9.9  4G展望
参考文献
第四部分  软 件 技 术
第10章  软件无线电中的软件工程：在MIT和Vanu公司的实践
10.1  Vanu系统综述
10.1.1  典型实现
10.1.2  与其他软件无线电的差异
10.1.3  摩尔法则的影响
10.1.4  对摩尔法则的开发
10.1.5  通用数据通路
10.1.6  时序脱钩
10.2  商用PC硬件
10.3  信号处理软件
10.3.1  数据拉动
10.3.2  把每一信号处理段都作为对象
10.3.3  数据流抽象
10.3.4  带外通信
10.4  控制软件
10.4.1  代码生成
10.4.2  无线电描述语言
10.5  性能
10.6  将来的方向
致谢
参考文献
第11章  移动终端的软件下载
11.1  为何需要软件下载
11.1.1  软件重构
11.1.2  软件下载终端
11.1.3  下载新的空中接口
11.2  软件无线电的空中下载技术
11.2.1  粒度
11.2.2  组件通信与绑定
11.2.3  内容的作用
11.2.4  安装
11.2.5  异常情况的考虑
11.2.6  版本管理
11.3  下载的标准
11.3.1  移动标准——2G/3G 蜂窝标准
11.3.2  软件标准
11.4  无缝升级
11.5  下载的安全性
11.5.1  应用软件的安全下载
11.5.2  直接可运行软件的安全下载
11.6  下载的软件体系结构
11.7  软件下载的今天——数字电视
11.8  对“On the Fly”的“隔空”重构：一个实际例子
11.8.1  体系结构
11.8.2  基本操作序列
11.8.3  重构示例
11.8.4  重构管理器
11.8.5  重构流程
11.8.6  未来软件无线电下载的应用
致谢
参考资料
第12章  软件无线电的协议和网络问题
12.1  协议栈：SAP与重构
12.1.1  服务提供与服务访问点
12.1.2  协议构成和重构
12.1.3  接口与SAP
12.2  协议栈重构的方法
12.2.1  协议和协议栈
12.2.2  模块化方法：自适应、可组合和可重构的协议
12.2.3  主动网络
12.3  重构的管理和控制
12.3.1  重构管理的范围
12.3.2  管理体系结构的需求
12.3.3  管理体系结构的实现
12.4  软件无线电的网络支撑
12.4.1  网络接入和连接通道
12.4.2  引导通道
12.4.3  全局或通用控制通道
12.4.4  网络的无缝互连
12.5  结论
参考文献
第13章  波形描述语言
13.1  表达需求的难题
13.2  WDL概述
13.2.1  分解
13.2.2  通信
13.2.3  影响
13.2.4  层次图
13.3  FM3TR实例
13.3.1  协议层次
13.3.2  物理层模块
13.3.3  物理层的有限状态机
13.3.4  话音和数据有限状态机
13.3.5  跳频调制器
13.3.6  跳频波形
13.3.7  上升调制器
13.3.8  小结
13.4  实现上的细化
13.4.1  传统的开发过程
13.4.2  细化过程
13.4.3  自动化
13.4.4  参考模型
13.4.5  目标环境
13.5  WDL细节
13.5.1  类型抽象
13.5.2  调度抽象
13.5.3  统一调度模型
13.5.4  叶实体需求规格
13.6  一个实际的WDL支撑环境
13.7  结论
致谢
参考文献