基于软件无线电技术的认知无线电实现平台设计.doc

基于软件无线电技术的认知无线电实现平台设计 一、问题的提出及课题意义： 随着无线通信需求的不断增长，对无线通信技术支持的数据传输速率的要求越来越高。根据香农信息理论，这些通信系统对无线频谱资源的需求也相应增长，从而导致无线通信频谱资源变得日益紧张，成为制约无线通信发展的新瓶颈。另一方面，已经分配的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置。为了解决这一矛盾，人们在软件无线电(SDR)的基础上提出了认知无线电(CR)的概念。就是在软件无线电的基础上，增加检测需求并主动改变功能的能力，是无线电设备能自动适应外界环境和自身需求的变化。正交频分复用(OFDM)是集中式管理又是频谱资源利用率目前最高的技术，比较容易实现频谱资源控制管理，也是宽带无线通信技术系统的关键技术。因此将二者有效结合利用可以大大提高无线资源利用率。 二、认知无线电与软件无线电 软件无线电(SDR)是近几年随着微电子技术的进步而迅速发展起来的新技术。它首先诞生于军事通信领域，后来被引入到个人移到通信中，并逐步渗透到其他电子技术领域。软件无线电作为一种新的通信系统，它是由“A/D-DSP-D/A”，硬件平台和各种功能模块组成，不同的通信功能采用更新软件的方式加以实现。核心思想是采用通用的开放式硬件平台构造无线电系统，使宽带AD/DA尽可能地靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能，使通信系统具有多频带、多模式的通信能力，因此主要关注无线电系统信号处理方式，体系结构如图1所示。其中，数字下变频器(DDC)是其中运算复杂度最高的处理单元，因此，能实现高效的数字下变频在软件无线电系统的设计具有重要意义。由于它克服了传统无线电以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，加上它具有巨大的潜在价值，所以一经提出就受到了全世界的广泛关注。 本文首先从阐述软件无线电的概念入手，对多速率数字信号处理技术、中频数据采样理论进行了分析和探讨。然后建立了软件无线电接收机的数学模型，尽可能的简化射频模拟前端，将模数/数模变换器尽量靠近天线，在对信号充分数字化的基础上依靠软件来定义无线电的各项功能。在此基础上设计了一种基于FPGA+DSP的软件无线电接收机的实验平台，重点研究了数字下变频的FPGA实现。接收机采用宽中频数字化结构，即选择在中频进行采样量化，将数字下变频、数字解调等数字信号处理部分由软件定义，并下载到FPGA中进行实现。采用这种结构大大降低了采样速率和数字信号处理的速度，对硬件性能要求低，比较容易实现。而且该平台还采用NIOS软核处理器技术，充分体现了软件无线电的思想，具有通用性和可配置性。论文验证了软件无线电对多频段多模式信号进行处理的灵活性，开放性和兼容性的特点，同时也表明FPGA可重构性和并行处理的优势，特别适合于软件无线电模块化标准化的设计要求。 在一个宽带软件无线电通信系统的通用可编程硬件平台上，可以对宽带中频甚至射频进行数字化后利用软件进行多种信号处理，而用一个数字宽频接收器完成以前用多个单独滤波器和处理单元实现的功能，这样可以大大减少许多专用硬件电路器件，缩小系统尺寸，减少功耗。同时数字电路器件易于制造，稳定性高，可以减少每个信道的代价，特别是高频模拟元件的设计和制造所带来的费用。 A、可编程性：一个单个无线接收机可以调谐到不同的信道，甚至不同的空中接口标准上去。制造商可以用相同的可行元件设计适应不同标准的基站系统，提供具有不同特点的移动通信系统；可以迅速采用新型移动通信标准而不需要进行昂贵而费时的硬件升级，只需要进行软件修改；减少设计，制造和测试时间，从而使产品更快上市；可以试运营商能更方便和廉价的扩展服务；可以大大减少使现行的标准所测试时间和风险，保护运营商级用户的投资 B、在军事和公共安全方面：利用软件无线电技术可以灵活地改变无线通信传输标准，实现在宽频带上多种无线电调制技术的互联；可以实现多种制式无线电的监听，干扰和反干扰等等。从软件无线电的改良提出开始，就由于他的技术先进和可广泛应用而受到了高度的重视，欧美各国的政府和研究机构陆续设立了多个军事或民用的研究项目。 图1 软件无线电系统结构 图2 认知无线电工作流程 感知无线电(Cognitive Radio,CR)技术是实现动态频谱共享的一种主流方案。它通过检测空中信号占用的频谱，探知所处无线环境中空闲的频谱资源，然后选择可被自己使用的频率进行通信。租借系统采用感知无线电技术，就能实时地跟踪授权系统占用频率的状况，及时地使用、及时的释放频段，在保障授权系统通信的前提下，与授权系统动态共享频谱。由于采用频谱检测的方式获取频谱信息，感知无线电技术能适应无线环境频谱使用状况的短期变化，实现频谱的高效利用，并且它不要求改造现有系统，对无线信道环境和用户需求都将具有较好的适应性。 从CR工作流程