基于FPGA软件无线电接收机硬件平台设计.docxVIP

基于FPGA的软件无线电接收机硬件平台的设计课题研究背景及意义：软件无线电技术最早是由军事通信发展而来的。其概念最早起源于20世纪70年代末美军对VHF频段多模式无线电系统的开发。一直以来军用无线设备都是针对某些特定用途而设计。由于它们的发射单元和接受单元在射频载波频率、波形结构和调制方式的不统一，所以形成了军事无线装备系列多、互通差、协同难的局面很难适应未来海、陆、空一体化作战的要求[1]。理想的军用通信系统一方面应该满足其调制模式、信道带宽和语音编码类型灵活可变的特点，另一方面还可以根据具体的工作环境较易地对系统参数进行重新配置，工作环境包括信道的传输特性等。这样的系统能够有效阻止敌方的截获在战争的环境下具有很强的优势。所以在军用无线电中采用软件无线电的优势就显而易见。软件无线电在民用无线通信领域方面也有很强的需求。20世纪80年代我国引入模拟制TACS系统(1G)，90年代初引进数字制的GSM和CDMA系统(2G)，到现在使用的3G，在不久的将来又将步入4G时代。随着通信服务质量的日趋提高，通信系统的升级换代的速度是惊人的[2]。如果采用硬件的直接替换而实现系统的更新换代，这将要牺牲巨大的经济成本。如果现有的通信系统的基础硬件建立在软件无线电原理的基础上，那么随着服务质量和性能要求的不断提高现在乃至将来系统在更新换代的成本将会大幅度降低。当前无线通信系统繁多，由于各种不同通信系统的工作频段、调制方式、波形结构、通信协议等原理、结构上存在差异，极大限制了不同系统之间的互通，这些系统间的互不兼容给通信带来极大的不便。传统以硬件为主的通信体制已无法解决这一问题，这种情况下，1992年5月，MILTRE公司的Joseph Mitola提出了软件无线电技术，它突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路，极大的增强了各个不同系统间的互通性和兼容性。这项技术得到了国内外广泛的关注和重视。软件无线电是一种开放的模块化结构，物理实现上基于一个采用数字无线电技术的通用硬件平台，通过实时的软件控制，用户能定义该平台的工作模式，包括工作频带、信号速率、调制方法、多址方式、接口协议、业务种类等，从而使一个硬件平台能实时地转变为不同的技术标准的通信系统。通过软件的升级，在硬件平台不变的前提下，软件无线电能及时适应技术标准的进展，可以灵活的支持多种业务[3]。软件无线电技术的基本思想是将宽带的A/D转换器尽可能靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过DSP软件来实现通信系统的各种功能。与传统的无线电系统相比，其主要特点就是开放性、可编程性和快速的可配置性。软件无线电主要由天线，射频前端、宽带A/D和D/A转换器、通用DSP以及各种软件组成。天线一般要覆盖比较宽的频带(2MHz~2GHz )，目前一般使用几副天线实现；射频前端主要完成上下变频、滤波、功率放大等任务；A/D和D/A转换器在软件无线电中的位置非常关键，要有足够的工作带宽、较高的采样频率和足够大的动态范围；最后对A/D量化之后的数字信号进行处理。软件无线电在国内外的研究现状：尽管软件无线电这个名词在1992年才正式提出，但是美国军方在更早一些时候便开始了对多模式多波段电台的研究。1990 年，在远景规划局(ARPA)基金会的资助下，美国空军Rome实验室与Hazeltine公司签订了研究多模式电台的计划，即Speakeasy计划。其基本思想与软件无线电技术不谋而合，并具备很强的实用性和很广泛的应用前景，因而被认为是软件无线电工程项目的典范[4]。其他发达国家也成立了专门的研究机构，并投入大量的研究经费，正在研究和开发软件无线电技术，有的已经进入了实用化研究阶段。软件无线电(SDR)作为当今无线通信领域的新技术，正引起国内外越来越多的关注，在通信领域是继模拟技术到数字技术、固定通信到移动通信之后的新的无线电通信体制。随着通信技术的发展，兼容各种不同制式类型的设备已经日益显露出其需求性，与传统的无线电系统相比，软件无线电系统具有结构通用、功能软件化、互操作性好等一系列优点。目前以美国和西欧为主导的发达国家都在积极地致力于软件无线电技术的研究和系统的开发利用。美国在其国防技术领域计划中，将软件无线电视为战场无缝通信的基石和首要的技术挑战，认为是用来解决多售主、多网络、联合多兵种合成部队和商业环境中通信设备互操作性问题的有效手段。其最终目标是：在此基础上发展利用商业标准和协议，达到战术系统之间以及战术系统与全球通信系统之间的自动化无缝接口，实现数据与语音一体化传输和数字战场通信，确保战区基于数字信号处理的软件无线电平台的研究与实现内分散在各处