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**。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**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。
**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**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工作流程上可以看到(如图2所示),为了在某个地域上应用认知无线电技术，最先进行的工作是对该地无线信道环境的感知，即频谱检测和“空洞”搜寻与判定。对“频谱空洞”检测实际上就是完成对周边通信环境的认知根据检测到的“频谱空洞”的特性，如“空洞”的带宽等和获得的频谱使用法规通信终端产生出合理使用该" 空洞" 的具体行为。
感知无线电技术实现动态频谱共享可以看作是自适应传输技术的思想在频谱分配领域的推广。自适应传输使无线通信系统的数据传输适应信道传输能力的变化，通过提高数据传输速率来改善频谱利用率。而感知无线电使无线通信系统占用的频谱适应无线环境频谱使用状况的变化，通过增加共享同一频段的系统数、用户数来提高频谱利用率。
不管是自适应传输技术还是感知无线电技术，其思想的核心都是无线通信系统能自动地适应外界环境和自身需求的变化。感知无线电的思想也被推广至移动通信的其它层面。从低层到高层，要求未来的移动通信系统能检测系统各层的参数与状态，如链路质量、网络拓扑、业务负载、甚至用户需求，并能适应这些变化。
从通信的端到端，在存在重叠覆盖的多种无线电通信环境下，要求移动设备能够在异构网络间切换，实现包括终端、网络和业务在内的端到端重配置。这也就是所谓的认知网络(cognitive network)。
在认知无线电感知无线环境的工作中，如何进行高效的无线频谱估计和分析是关键技术之一。因此，宽带射频前端接收发机的设计关系到整个系统的性能。
三、宽带射频前端接收发机的设计。
1、数字下变频原理。
数字下变频的主要作用是将a/d采样所得到的中频信号进行下变频处理。其主要原理可以归纳为：利用数控振荡器(nco)产生与输人中频信号频率相同的正弦和余弦本地振荡信号，混频后对结果做低通滤波，即可完成对中频信号下变频操作。
由于下变频到基带后的频谱有混叠，所以还应采取对下变频的信号做抽取。基于上述原理的数字下变频器由混频器、数控振荡器(nco)和低通抽取滤波器3部分组成，如图3所示。
图3 数字下变频框图。
经过ad采样后的信号进入数字下变频器，完成下变频功能。与模拟下变频相比，数字下变频克服了许多模拟下变频固有的问题，例如混频器的非线性和模拟振荡器的频率稳定度、边带、温度漂移、转换速率、相位噪声等，而且数字下变频器中频率步进和频率间隔也具有理想的性能，并且数字下变频器的控制和修改可能通过程序**实现，实现比较简单。
2、系统设计。
软件无线电的主要目标就是利用统一的硬件平台不同的软件来实现不同的功能，但是由于硬件发展水平的限制，目前存在两大瓶颈：一是ad转换器的速率和性能二是dsp的处理速度。其中ad转换器在系统中的位置直接反映了软件化的程度，对于理想的软件无线电而言a/d的动态范围必须在100-120db最大信号在1g-5g之间就目前器件发展水平而言很难实现要求，而且即便能够实现如此大的数据量也是后续的dsp基带处理所无法承担的，所以折中方案就是采取中频采样。
数字下变频的硬件电路主要由1个电调谐滤波、1片fpga、1片8路serdes串行化芯片和1片ad6655组成。使用中心频率可变的电调谐滤波器可以实现对周围环境载波的动态检测接收。ad6655接收上行模拟中频信号，在其内部完成a/d转换和数字下变频，最后ad6655的16位并口输出iq数据送到fpga锁存，fpga按照系统要求的格式将锁存的数据组合，最后经过1片8路serdes器件送出8路串行数据送给基带处理电路。
ad6655实现下变频硬件电路功能框图如图4所示。
图4 ad6655实现下变频硬件系统图。
ad6655芯片集成有一个14b，150msps的adc，可对高达450mhz的信号进行采样。ad6655每个通道的滤波器依次为：积分梳状滤波器cics、半带抽取滤波器firi+hbi和firz+hbz，ram系数滤波器(mrcf,drcf,crcf)、半带插值滤波器(ijhb)。
其中，积分梳状滤波器和半带抽取滤波器是广泛用于抽取内插系统的两种高效数字滤波器。cic无需乘法运算，半带抽取滤波器虽需乘法运算，但只有普通fir滤波器运算量的一半，所以在ad6655数字下变频系统中，将这两种滤波器放在前面，主要用来实现信号采样率的抽取，使得进人后面rcf滤波器的信号采样率足够低，rcf可实现更好的滤波效果；同时cic和半带抽取滤波器也对由于速率抽取造成的频谱混叠进行滤除。firi与hbi滤波器配合使用，firi是为了防止hbi半带抽取滤波器进行频率抽取造成的频谱混叠。
firz同样也是为了防止hbz频率抽取造成的频谱混叠而进行滤波。这两组滤波器系数、阶数固定，可根据情况选择旁通或使能。因此，可以说使用ad6655芯片基本可以实现射频前端的下变频需求。
四、数据传输技术。
数据传输技术对于cr实现利用空闲频谱进行通信，从而整体上提高频谱利用率的主要目标非常关键。由于cr可用频谱可能位于很宽的频带范围，并且不连续，因此多载波技术是cr数据传输技术的首选。而正交频分复用(ofdm)技术是最佳候选技术。
ofdm技术的重要优点是实现灵活，将一些不规律和不连续的频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，实现资源的合理分配和利用。如图所示，其基本思想是将可用整个频带划分为ofdm子载波，只利用没有被授权用户占用的子载波传输数据，构成所谓的非连续ofdm(nc-ofdm)。子载波的分配则通过频谱感知和判决的结果，以分配矢量的方式实现。
例如，在进行ofdm调制时，可以将已被授权用户占用的子载波置零，从而避免对授权用户产生干扰。同时，考虑到频谱渗漏的问题，还有必要留出足够的保护子载波。
图5 ofdm传输示意图。
认知无线电到软件无线电
掌銮。武警石家庄士官学校。武。颖。摘要 认知无线电技术进一步扩展了软件无线电 的功能，成为解决频谱资源匮乏问题的有效方法。基于认知无线电在无线通信中的重要作用，介绍了认知无线电的概念，概述了认知无线电在民用和军用领域的应用情况，讨论了认知无线电涉及的关键技术，指出了开展认知无线电技术研究的重要意义 ...
软件无线电技术
作者 朱瑞平。科技传播 2012年第04期。江苏中智顾问 江苏盐城224002摘要软件无线电技术是一种功能多元化化的系统，它灵活多样并且有机地融合了硬件 软件以及无线电技术。软件无线电技术基于模块化 标准化 通用化的硬件支持平台，借助于软件编程程序实现了无线电台的多功能化。软件无线电技术的基本思想就...
软件无线电技术
五 软件无线电系统的关键技术与研究热点。软件无线电之所以比传统的数字电台优越，是因为采用了许多关键技术，正是这些关键技术确保了电台的宽频段和功能的灵活性。其中的关键技术主要有 1 开放式体系结构。软件无线电的硬件设计以开放式总线结构为基础，所以硬件和软件都采用开放式物理接口和电气接口规范，按标准的通...