软件定义无线电的应用与发展_刘宇娜.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-10-10;修回日期:2022-03-16基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB1306904)第一作者:刘宇娜(1996)，女，硕士，主要从事 SD 通信和多信道调制识别算法的研究工作，E-mail:1637494577 qq com软件定义无线电的应用与发展刘宇娜田小平(北京石油化工学院 信息工程学院，北京 102627)摘要:软件定义无线电作为一种无线通信技术，可应用于探测无线电信号质量和探索无线电信号等应用场景。首先介绍了无线电信号特征在信号源定位，无线电监测和信号源身份识别中的应用研究，进一步分析了软件无线电的系统架构对无线电信号高质量接收的影响，给出了软件无线电在教学上的应用实例，最后总结了软件无线电在技术应用，系统设计和工程实践中的发展现状，并给出了未来软件定义无线电的发展预测。关键词:信号特征应用;SD 系统架构;TL-SD中图分类号:TN99文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0161-06Application and Development of Software Defined adioLIU YunaTIAN Xiaoping(School of Information Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102627，China)Abstract:As a wireless communication technology，software defined radio(SD)can be used in the scenarios of measuring thequality of radio signals and detecting radio signals First，this paper introduces the characteristics of SD in the application of ra-dio monitoring and signal source identification Then the influence of the system architecture of SD on high quality radio signalreception is analyzed Teaching example of SD is given Finally，this paper summarizes the current SD developing situation intechnology application，system design and engineering practice，and gives the further developing forecast of SDKeywords:signal feature application;SD system architecture;TL-SD软件定义无线电(Software Defined adio，SD)是以计算机技术为依托的无线通信系统，主要通过软件进行信号处理和通信功能的切换。SD 使用软件实现硬件的功能，使得设备的通信不再受制于硬件的发展。SD 的最初提出是为了解决海湾战争期间，以美国为首的多国部队之间由于通讯设备的不兼容引发的通信障碍问题。软件无线电的思想是将 A/D 转换尽可能靠近天线，将原来的模拟处理过程用数字信号处理软件来代替。这样，空中传播的模拟信号经无线电收发设备高速模数转换为数字信息，再由处理器中的软件做进一步处理后，传递给后端设备。SD 与传统的通信方案相比具有其独特的优势。SD 具有灵活性高，开放性强的特点，可将功能单一的系统转变为通用型系统。软件部分还可以根据需求实现自主更新升级，可进一步延长系统的生命周期。软件部分的延拓性使得 SD 可以兼容更多的通信功能，并能够通过远程控制完成软件模块的升级与更改，可进一步降低系统成本。图 1和图 2 分别给出了传统数字无线电与软件无线电的系统接收框图。图 1 表明传统接收机将单天线接收到的窄带信号通过二级解调得到基带信号，再由低速数模转换(A/D)转换后进入数字信号处理部分(DSP/ASIC);而图 2 框图说明 SD 接收机则先将多天线接收到的宽带信号直接在射频端采用高速 A/D转换后经过数字下变频送入数字信号处理部分(FPGA/DSP)。从图 1 和图 2 的比较可以看出，SD 比传统数字无线电系统性能提高主要在于数字信号处理部分的扩大化。随着 SD 对无线电信号的处理性能逐渐提高，利用无线电信号特征进行工程应用变得更实用。图 1传统数字无线电系统接收框图图 2软件无线电系统接收处理框图1SD 数据特征应用研究现状无线信号由于收发设备的差异和传播环境的影响，往往表现出不同的特点。分析 SD 接收无线电信号，可以得到诸如发射端设备特征、传输信道状况和接收设备性能等多维度信息。SD 还可以通过对接收信号的时域和频域特征分析实施多场景应用的切换。SD 数据的解码、信号的频谱、载波和功率信息被广泛应用于无线电监测预警安全领域。HuaFu 等由无人机自身的主体速度，螺旋桨旋转速度和叶尖速度分别得到了信号的频移特征，周期谱图和谱宽特征，利用微多普勒原理和机器学习算法对不同材质的无人机个体提取分类特征，实现了基于SD 的低复杂度便携式被动无人机监视系统1。同样，Hao Yuan Gan 等在 TL-SD 平台上获得了某频段范围内的背景频谱和实时频谱后，动态扫描频段范围内的不合法广播频段，并将监测到的不法广播信息通过 web 网络进行汇总，实现了针对不法广播的自动监测预警系统2。ADU GABIELBOZOMITU 等人基于判决定向锁相环的信号解调同步环路，对单调频广播和立体声广播发送和接收图像进行仿真，实现了一种单频图像广播，提出了一项针对驾驶员的图像预警应用3。SD 数据实现码同步和信号解码后的信号强度信息被广泛应用于无线电信号源定位监测系统。无线定位方法包括 TDOA，TOA，AOA 等不同方法。udolf SCHEIBE 等在 TL-SD 平台上通过伪随机码与发射机伪随机序列的相干解调，在锁相环反馈环路中得到稳定的时钟偏差实现与发射机同步，再通过 TDOA 方法得到目标可能位置的双曲线，由双曲线交点估计目标位置，实现了TDOA 算法下的时差定位系统4。eda Yagoub等在 TL-SD 平台上获得 GSM 信号，利用树莓派提取 GSM 数字信号中的基站数据信息，由基站数据库提供的基站位置，估计用户位置为所有基站位置的质心，实现了 GSM 小区 ID 的 低 成 本TL-SD定位方案5。izwan Ashfaq 等人利用TL-SD 接收 GNSS 导航数据，进一步提取导航数据中的星历数据计算卫星的位置，通过位置平均法利用卫星位置来估计用户的位置，实现了密集城市地区人员 3D 实时定位功能6。表 1 为从研究内容，数据特征，应用场景三方面对上述研究进行了总结。表 1无线电信号特征应用研究参考特征应用研究数据特征定位识别监测 1无人机监视频谱YY 2监测预警系统频谱YY 3图像预警系统载波Y 4时差定位系统码同步Y 5低成本 TL SD定位系统解码YY 6三维实时定位解码Y2SD 系统架构影响高质量收发SD 系统架构时刻影响着无线电信号质量。SD 系统的天线设计，射频前端，模/数转换以及数字信号处理单元都是影响信号质量的因素。下面分别讨论 SD 系统各部分对收发高质量信号的影响。2 1天线设计接收信号质量不仅受到接收设备到发射端的信道、天线附近的障碍物和无线电干扰的影响，还取决于天线自身的设计。一款天线产品使用时，其架设方式、安装高度和方向、工作频率、增益、带宽、驻波等因素都会影响通信质量。一种采用椭圆寄生贴片的宽频带高增益天线，天线的相对阻抗带宽261电气电子教学学报第 45 卷达到 23 7%，同时带内增益大于 8 dB7。智能天线技术可以提高通信质量和频谱资源利用率。智能天线将普通天线的宽波束变成窄带波束，使辐射能量集中在有效范围内，不仅增强了信号，还降低了信道间干扰8。2 2射频前端接收信号质量也会受到射频前端系统结构的影响。射频前端的系统结构包括超外差式、零中频式、镜像抑制式、低中频式等，其中超外差式接收机应用最广泛，其系统结构如图 3 所示。超外差接收机的工作原理是将从天线接收到的高频信号经射频滤波器的频带选择和低噪声放大器放大后，通过与本振信号混频得到中频信号，再经过中频滤波器得到窄带中频信号，进一步下变频或者直接进行解调。图 3超外差式接收机系统结构超外差接收机中影响信号质量的主要因素是镜像干扰。镜像干扰指混频产生的谐波对有用信号的干扰。镜像信号与本振信号混频所产生的信号经中频滤波后叠加在有用的中频信号上，形成对有用中频信号不可消除的干扰。与超外差式接收机具有明显区分的是零中频式接收机，零中频式接收机将混频器替换为解调器，解调器将射频信号直接下变频到基带，进一步对基带信号低通滤波后作进一步处理。零中频式接收机影响信号质量的主要因素有本振泄露和直流偏置。本振泄露是由于混频器的本振频率与射频信号频率相同，导致本振信号泄露对射频链路产生干扰，甚至通过接收天线反向辐射到空间中，形成对邻近信道的干扰。直流偏置是由于混频产生的直流分量进入基带，造成信号信噪比的恶化。2 3模/数转换接收信号质量受到 A/D 转换器性能影响。转换器指标包括转换精度和转换速度。转换精度由转换器对信号的分辨率和采样后可能丢失的编码数量两个指标构成。在 A/D 转换器的功能设计上，Hari Kishore Kakarla 等人利用输入信号的频率和幅度通过电压比较器获得两个控制位指标，并根据指标设定转换器的分辨率和采样率，实现了A/D转换的自适应功能9。转换速度取决于转换电路的类型，其中并联比较型 A/D 转换器转换速度最快，A/D 转换器的性能提高，使得它在电路中更加靠近天线。A/D 转换器距离天线的位置代表 SD的“软件化”程度。图4 给出了 SD 接收框架的变化，方式 1 和方式 2 的区别在于 A/D 转换器在电路中的位置，方式 2 可以直接实现模拟中频到数字中频的 A/D 转换。图 4SD 接收架构变化2 4数字信号处理单元信号处理器的类型影响信号处理质量。在两次变频的超外差接收机中，模数转换器(ADC)首先将中频模拟信号转换为数字中频信号，接着对数字中频信号进行直接下变频得到数字基带信号，最后将数字基带信号转发给主机处理器。361第 3 期刘宇娜，等:软件定义无线电的应用与发展处理器的处理速度、能耗、存储器容量影响处理器性能。目前常用数字信号处理器有 GPP、DSP、FPGA 三种，表 2 为三种处理器的性能比较。其中 GPP 灵活性高且易于编程，但功率有效性较低。DSP 在吞吐率和传输速率等性能和功率有效性方面较 GPP 更优，且采用部分并行结构。FPGA包含了以上两种处理器的性能优势，同时算法复杂度低且高度并行。B Betkaoui 等人证明了 FPGA能够更快和更节能的处理非顺序内存，更适用于集中快速傅里叶(FFT)计算的应用程序10。S Kes-tur 等人通过 LDPC 解码器实现对 GPP 和 FPGA的比较，得出了 FPGA 性能优于 GPP 的结论11。上述研究表明，选择处理器时需要进行多方面权衡。表 2数字信号处理器性能比较12 问题GPPDSPFPGA吞吐率低中等高执行顺序执行部分并行结构高度并行传输速率低中等高可编程性简单简单中等算法复杂度简单简单中等成本中等低中等功率效率低中等高3实用 SD 举例TL-SD 是一个成本低廉的 USB 射频无线电接收设备。obert W St