无线电技术

认知无线电(Cognitive Radio,CR)的学习能力是使它从概念走向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经验来对实际的情况进行实时响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式等的了解。这样，CR有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的经验来自主确定采用哪个频带的功能。随着许多CR相关研究的展开，对CR技术存在多种不同的认识。最典型的一类是围绕Mitolo博士提出的基于机器学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR)是CR实现的理想平台。

针对CR研究中存在的多种描述，美国FCC提出了CR的一个相当简化的版本。他们在FCC-03322中建议任何具有自适应频谱意识的无线电都应该被称为认知无线电CR。FCC更确切地把CR定义为基于与操作环境的交互能动态改变其发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能。CR是一种新型无线电，它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户(主用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。无线电环境中的无线信道和干扰是随时间变化的，这就暗示CR将具有较高的灵活性。目前，CR的应用大多是基于FCC的观点，因此也称CR为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等。 当前，在频谱政策管理部门的带动下，一些标准化组织采用了CR技术，并先后制定了一系列标准以推动该技术在多种应用场景下的发展。例如，IEEE802.22工作组对基于CR的无线区域网络WRAN的空中接口标准正在制定中，目标是将分配给电视广播的VHF/UHF频带的空闲频道有效的利用起来；IEEE802.16工作组正在着手制定h版本标准，致力于改进如策略、MAC增强等机制以确保基于WiMAX的免授权系统之间、与授权系统之间的共存。此外，ITU也在努力寻找类似CR的频谱共享技术。目前，受CR的潜力及其在无线电领域公认的“下下一件大事情”的激励，国内不少院校和学者也已经开始了这方面的研究，如西安电子科技大学已经开展的2005年度“863”有关CR技术的研究。

认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征，通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心思想就是通过频谱感知（Spectrum Sensing）和系统的智能学习能力，实现动态频谱分配（DSA：dynamic spectrum allocation）和频谱共享（Spectrum Sharing）。

软件无线电（softwareradio）在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线 软件无线电 电系统。简称SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。 SWR就是宽带模数及数模变换器（A/D及D/A）、大量专用/通用处理器、数字信号处理器（DigitalSignalProicesser，DSP）构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。例如：利用宽带模数变换器（AnalogDigitalConverter，ADC），通过可编程数字滤波器对信道进行分离；利用数字信号处理技术在数字信号处理器（DSP）上通过软件编程实现频段（如短波、超短波等）的选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及选择（如调幅、调频、单边带、跳频和扩频等），实现不同保密结构、网络协议和控制终端功能等。 可实现的软件无线电，称做软件定义的无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。SDR被认为仅具有中频可编程数字接入能力。发展历史无线电的技术演化过程是：由模拟电路发展到数字电路；由分立器件发展到集成器件；由小规模集成到超大规模集成器件；由固定集成器件到可编程器件；由单模式、单波段、单功能发展到多模式、多波段、多功能；由各自独立的专用硬件的实现发展到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。 历史

20世纪70～80年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程向可编程发展，由少可编程向中等可编程发

软件无线电

展，出现了可编程数字无线电（PDR）。由于无线电系统，特别是移动通信系统的领域的扩大和技术复杂度的不断提高，投入的成本越来越大，硬件系统也越来越庞大。为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求，特别是军事通信对宽带技术的需求，提出在通用硬件基础上利用不同软件编程的方法。20世纪80年代初开始的软件无线电的革命，将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。

1992年5月在美国通信系统会议上，JesephMitola（约瑟夫·米托拉）首次提出了“软件无线电”（SoftwareRadio，SWR）的概念。1995年IEEE通信杂志（CommunicationMagazine）出版了软件无线电专集。当时，涉及软件无线电的计划有军用的SPEAKEASY（易通话），以及为第三代移动通信（3G）开发基于软件的空中接口计划，即灵活可互操作无线电系统与技术（FIRST）。

1996年3月发起“模块化多功能信息变换系统”（MMITS）论坛，1999年6月改名为“软件定义的无线电”（SDR）论坛。

1996年至1998年间，国际电信联盟（ITU）制订第三代移动通信标准的研究组对软件无线电技术进行过讨

软件无线电

论，SDR也将成为3G系统实现的技术基础。

从1999年开始，由理想的SWR转向与当前技术发展相适应的软件无线电，即软件定义的无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）。1999年4月IEEEJSAC杂志出版一期关于软件无线电的选集。同年，无线电科学家国际联合会在日本举行软件无线电会议。同年还成立亚洲SDR论坛。1999年以后，集中关注使SDR的3G成为可能的问题。

模型

模型软件无线电的功能模型，可以无线电的功能划分为信道集、信道编/解码、信息安全、服务与网络支持、信源编/解码和信源集。其中，信道集包括：RF信道、同时性、多波段传播、有线互操作性以及为了控制服务质量（QoS）自动采用多信道（或模式）。服务和网络支持包括：多路复用，建立与控制，数据服

软件无线电

务和网络互连（有线及互联网标准，包括移动性）。联合控制包括：

联合信源/信道编码，动态QoS与本地控制，处理资源管理（综合用户和网络接口，多用户、多波段、多模式能力）。多个性即多波段、多模式、灵巧服务以及与传统模式的互操作。SDR的个性包括：射频（RF）波段、信道集（例如控制和业务信道）、空中接口波形及有关功能。演进支持功能可以支持软件及无线电平台的演进。 射频（RF）波形即空中接口；中频（IF）波形包括大多数空中接口，但信号被滤波及变换到IF处理。保护比特即加密比特。而明比特是非加密比特。网络比特符合网络协议，源比特适合解码器。多个性是通过软件对象接口下载到无线电的。这些接口是软件无线电的“横向（水平）”接口，它形成信源和信道之间的信号流与控制流。

结构

1、软件无线电基本体系结构

理想的软件无线电是多频段、多模式、开放式体系结构,其无线功能通过加载软件来实现，从而提供多种无

基本体系结构

线电通信业务。软件无线电的基本平台包括：天线、多频段射频(RF)转换器、宽带A/D（D/A）转换器和DSP处理器等，如图所示。

软件无线电将A/D和D/A向RF靠近,由基带移到中频甚至到射频,用可编程能力强的DSP或FPGA器件代替专用的数字电路,进行A/D后的一系列

处理，使系统硬件结构与功能相对独立，这样就可以基于一个相对通用的硬件平台,通过软件实现不同的通信功能,并可对工作频率、系统频宽、调制方式、信源编码加以编程控制,系统灵活性大大增强。功能强大的软件开发工具可以根据通信技术的最新发展和需求，修改各工作模块以实现系统升级。

2、短波软件无线电的结构

短波软件无线电主要有三种实现结构：射频全频段数字化采样、中频数字化采样结构、虚拟无线电结构。 （1）射频全频段数字化采样

依据器件水平，短波软件无线电的射频全频段数字化采样尚不能实现。按照Nyquist采样定理对短波频段采样速率至少需要70Msp/s，短波频段通信对ADC的动态范围要求为120dB～130dB，A/D是每bit提供6dB动态范围。这样对短波全频段采样需要130/6≈22bits，ADC达不到此要求。 （2）中频数字化采样结构

如图所示，中频采样是将射频信号预处理后，模拟变频到中频进行A/D采样，采样后的数据被送入DSP，在

中频数字化采样结构

DSP中进行数字下变频和数字解调处理。这种结构的软件无线电与中频数字化接收机的结构是类似的,均采用了多次混频体制。但是软件无线电的中频带宽较宽，且一次混频后的变频均在DSP中实现，所有调制解调等功能均由软件来实现，比普通超外差中频数字化接收机更灵活，功能更强。尽管和理想的软件无线电有一定差距，这已是短波软件无线电的最佳选择。 （3）虚拟无线电结构

虚拟无线电是软件无线电的一个新的发展趋势。虚拟无线电利用工作站(或者高速PC机)的强大计算能力取代DSP来完成所有数字信号处理。有代表性的是美国麻省理工学院的计算机科学实验室开发的

虚拟无线电结构图

SpectrumWare系统，其结构如图所示。

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