软件定义的无线电

编辑:竦峙网互动百科 时间:2019-11-18 19:32:48
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软件定义的无线电(Software Defined Radio,SDR) 是一种无线电广播通信技术,它基于软件定义的无线通信协议而非通过硬连线实现。频带、空中接口协议和功能可通过软件下载和更新来升级,而不用完全更换硬件。
中文名
软件定义的无线电
外文名
Software Defined Radio
类    型
通信技术
简    称
SDR

软件定义的无线电简介

软件无线电利用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信技术。软件无线电技术的重要价值在于:传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台,而许多的通信功能则是由软件来实现,打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出现是通信领域继固定通信到移动通信,模拟通信到数字通信之后第三次革命。

软件定义的无线电作用

SDR 针对构建多模式、多频和多功能无线通信设备的问题提供有效而安全的解决方案。
SDR 能够重新编程或重新配置,从而通过动态加载新的波形和协议可使用不同的波形和协议操作。这些波形和协议包含各种不同的部分,包括调制技术、在软件中定义为波形本身的一部分的安全和性能特性。

软件定义的无线电原理介绍

所谓软件无线电,其关键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,各种功能,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。可以说这种平台是可用软件控制和再定义的平台,选用不同软件模块就可以实现不同的功能,而且软件可以升级更新。其硬件也可以像计算机一样不断地更新模块和升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的,如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。同时,由于它能形成各种调制波形和通信协议,故还可以与旧体制的各种电台通信,大大延长了电台的使用周期,也节约了成本开支。[1] 

软件定义的无线电软件无线电的特点

软件无线电的主要特点归纳如下:
(1)具有很强的灵活性。软件无线电可以通过增加软件模块,很容易地增加新
的功能。它可以与其它任何电台进行通信,并可以作为其它电台的射频中继。可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件。为了减少开支,可以根据所需功能的强弱,取舍选用的软件模块。
(2)具有较强的开放性。软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构,其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展。软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信,还能与旧式体制电台相兼容。这样,既延长了旧体制电台的使用寿命,也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。

软件定义的无线电发展

随着移动通信的发展,从20世纪90年代初开始,软件无线电(SoftwareRadio)的概念开始广泛流行起来。由于多种数字无线通信标准共存,如GSM、CDMA-IS95等,每一种制式对其手机都有不同的要求,不同制式间的手机无法互连互通。为了解决这个问题,软件无线电方案提出将2MHz~2000MHz的空中信号全部收下来进行抽样、量化,转化成数字信号用软件处理。换句话说,就是把空中所有可能存在的无线通信信号全部收下来进行数字化处理,从而与任何一种无线通信标准的基站进行通信。从理论上说,使用软件无线电技术的手机与任何一种无线通信制式都兼容。
虽然在理论上软件无线电有良好的应用前景,但在实际应用时,它需要极高速的软、硬件处理能力。由于硬件工艺水平的限制,直到今天,纯粹的软件无线电概念也没有在实际产品中得到广泛的应用。但一种基于软件无线电概念基础上的软件定义无线电技术却越来越受到人们的重视。在2001年10月份举行的ITU-8F会议上,软件定义无线电被推荐为今后无线通信发展极有可能的方向。
软件定义无线电是一个系统和体系,它必须有可重新编程和可重构的能力,使设备可以使用于多种标准、多个频带和实现多种功能,它将不仅仅使用可编程器件来实现基带数字信号处理,还将对射频及中频的模拟电路进行编程和重构,人们对软件定义无线电的功能的要求包括: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等。应该看到,SDR并不是一种孤立的技术,而是可为所有技术使用的公共平台。 软件定义无线电与软件无线电最重要的一点不同之处在于,前者不要求将全频带内(2MHz~2000MHz)的空中无线信号都收下来,而是通过手动配置/自动查找的方式,一个频带一个频带地找出当前空中最适合于通信的频带和制式。
众所周知,由于各种各样的原因,IMT2000或称3G标准并未如其初衷所设想的那样,形成一个全球统一的标准,而是形成了欧洲的WCDMA、北美的cdma2000和中国的TD-SCDMA为代表的系列标准。多种不同标准带来的一个问题就是手机在不同制式标准之间的漫游和兼容问题。此外,考虑到3G标准从现有2G标准平滑过渡的问题,3G的手机最好还同时支持GSM和CDMA-IS95协议。如果采用软件定义无线电技术,使用通用的软件平台,通过手动配置/自动查找的方式,依次工作在可能的工作频段和制式模式下,对接收到的数字信号采用针对性的软件处理方案处理,从中选出并跳转到最适合的工作频段和制式下进行通信,就可实现对各种模式的全兼容,其优势将是不言而喻的。
当然,要实现SDR的目标,人们还需要面对巨大的挑战,包括体系结构、宽带可编程、可配置的射频和中频技术等等。而在用软件定义无线电方案实现不同的无线通信制式时,TD-SCDMA标准由于其特性,更容易与软件定义无线电方案相结合。因为TD-SCDMA是唯一明确将智能天线和高速数字调制技术设计在标准中,明确用软件无线电技术来实施的标准。同时TD-SCDMA技术用SDR来实现相对也比较方便。
首先,TD-SCDMA标准中每个频带的带宽较窄,信号处理量不是很大,易于使用软件平台实现,而不必采用处理速度要求非常高的硬件平台,因此移植到基于软件定义无线电方案非常容易,不必再考虑如何由硬件平台转换到软件平台。
其次,TD-SCDMA标准中上、下行信号都采用同步传输方式,因此在解调时可以采用实现方案相对简单的相干解调方案,而不必使用复杂的非相干解调,也使得软件编程处理量下降,便于实现。

软件定义的无线电开源软件

软件定义的无线电概念

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。

软件定义的无线电起源

发起于2001年,Gnuradio 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。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支持包括(HackRF、BladeRF、USRP、rtl-sdr等)通用软件无线电外设设备,来将计算机生成的基带数据信号通过通用软件无线电外设平台与真实世界中的物理信号联系起来。
软件无线电这一新概念一经提出,就得到了全世界无线电领域的广泛关注。由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点,使得软件无线电不仅在军民无线通信中获得了应用,而且将在其它领域比如电子战、雷达、信息化家电等领域得到推广,这将极大促进软件无线电技术及其相关产业(集成电路)的迅速发展。
参考资料
  • 1.    楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用:电子工业出版社,2014
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中国电子学会 通信技术 计算机术语 计算机学 科技产品 科学 技术