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智能无线电技术(2):详解软件无线电(SDR)架构

2014-09-29 07:01
龙凰
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  2 软件无线电架构

  软件无线电(SDR)最初的概念是一种通信技术或者体系结构,而现在SDR,确切地说是软件定义无线电,更接近一种设计方法或者设计理念。软件无线电在理论上有着良好的应用前景,实际应用中却受到软、硬件工艺或者处理能力的限制,但是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未来无线通信极有可能的发展方向。

  软件定义无线电的功能需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。可见,SDR 是可为所有技术使用的公共平台,例如认知无线电。下面我们将从一个相对完整的SDR 平台角度来阐述SDR 平台的架构,主要包括以软件为中心的SDR 架构和SDR 硬件结构两个方面。

  2.1 以软件为中心SDR 架构

  软件无线电,其重点在于基于一款通用平台来进行功能的软件化处理。在SDR 探讨中,开发人员往往注重平台的硬件开发,偏重于搭建平台时使用器件的处理性能,以使得通用平台尽可能的接近理想软件无线电的设计要求。这使得一部分人忽略了SDR 中软件平台的设计。这里提出的SDR 软件平台,是指在利用通用硬件平台实现SDR 功能时的一种用户算法处理框架(或简单认为信号处理框架),甚至是一种操作环境(如满足软件通信体系架构规范用户接口环境)。SDR 软件平台(也称作SDR架构)负责的功能一般包括:

  提供用户接口,用户通过该接口添加、删除功能模块。

  算法封装,将算法包装与外界隔离,算法包括通信算法、信号处理算法、C/C++等其他算法。

  互联接口,以完成模块间互联。

  中间信号的测试调试接口。

  调度器或者适配器,用来管理模块。

  SDR 架构中,最受欢迎的两类开源平台分别是开源软件定义无线电(GNU Radio)和开源软件通信体系框架嵌入式解决方案(OSSIE)。二者都是着手于标准化和可移植化的代码开发,GNU Radio 的出发点是提供一种信号处理框架,而OSSIE 的目标是提供一种软件通信体系架构(SCA)操作环境。

  2.1.1 GNU Radio 平台

  GNU Radio 是一种设计SDRs 的开源架构,其主要组件包括6 个部分:通用框架、调度器、C++ 和Python 工具、数字信号处理(DSP)模块、用户接口界面、硬件前端的接口。这6 个部分详细功能说明如下:

  一个为信号处理模块准备的通用框架,并且其可以连接到一个或多个其他模块。

  一个调度器,用于激活每个处理模块并且管理模块之间的相关数据传输。

  C++和Python 工具,用于建立多个模块间的流图,并将该流图连接到调度器上。

  一组足够多的用于滤波器、跟踪环等的常用DSP 模块。

  用户接口界面,允许用户拖拽模块、模块连线来实现GNU Radio 的设计。

  一个与商用硬件前端的接口。前端硬件包括数模/模数转换器(DAC/ADC)和上下变频器,来提供了通用处理器(GPP)和无线物理环境的接口。

  GNU Radio 运行在Linux 系统上。图7 给出了GNU Radio 图形用户接口界面,每一个小模块封装了不同的信号处理功能,而且这些算法功能都是开源的。大部分算法或者信号处理模块是基于C++语言开发的,可读性强,同时也便于用户开发。模块间的通信是利用数据通道完成的,信息采用的是消息队列形式。GNU Radio 结合通用软件无线电外设(USRP)开发板,可以认为是一种SDR 平台,相关人员可以利用这种平台进行一些算法的快速开发和SDR 研究。

智能无线电技术(2):详解软件无线电(SDR)架构

  图7 GNU Radio 图形用户接口界面

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