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1、无 线定位主编：梁久祯2022.6.22技术CONTENTS目录绪论卫星定位无线传感网络节点定位技术04Wi-Fi定位05蜂窝通信网络定位03UWB定位技术060102CSS定位07软件无线电定位08PART08软件无线电定位第8章目录8.1软件无线电综述软件无线电的起源与概念软件无线电硬件体系结构软件无线电的软件体系结构8.2GNURadio简介Ubuntu下安装GNURadioUSRP简介 GNU Radio环境搭建与USRP8.3软件无线电定位应用智能天线基础基于阵列天线的角度估计技术基于软件无线电的AOA估测实例前面分别介绍了卫星定位、蜂窝通信网络定位、Wi-Fi定位、ZigBee定位
2、、UWB定位等技术。在这些技术中，定位系统使用不同频率的波段、不同的调制解调技术和传输方式，使得这些定位系统的终端在各定位系统中不具有通用性。如果用户希望任何时间、任何地点了解定位信息，必须配备多种定位终端，这样就会因增加设备量而带来诸多不便。同样，在无线通信系统中也出现了多种通信体制并存、各种标准层出不穷的现象，导致目前的通信设备型号林立、品种繁多。各种通信设备在工作频段、调制方式、加密、编码和通信协议等方面存在较大的差异。这种情况极大地限制了各通信系统之间的互通性和兼容性。这不仅浪费资源，还对产品技术的改进、升级造成了严重的阻碍。显然，以硬件为主的传统通信系统已经无法满足当前人们对通信的需
3、求及解决目前通信领域所面临的问题。在这样的背景下，软件无线电技术应运而生。第8章软件无线电定位8.1软件无线电综述软件无线电技术最早是由军事通信技术发展而来的。在1991年的海湾战争中，由于联军部队使用了多种不同制式的通信装备，使得不同国家甚至不同兵种之间的通信变得复杂与困难，严重影响了联军部队的协同作战能力。这些问题引起了美国军方的高度重视，DARPA开始寻找一种互通性、兼容性远远好于现行无线电台的全新电台。基于这种环境，在1992年5月的美国国家电信会议上，JoeMitola提出了“软件无线电（SoftwareRadio）”的概念。软件无线电一般具有以下特点。（1）具有很强的重构性（2）具
4、有很强的灵活性（3）为了支持可重构性，就要采用模块化设计因此，软件无线电技术的核心思想是将宽带的A/D转换器尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，最大限度地通过软件来实现通信系统的各项功能。8.1.1软件无线电的起源与概念由图所示的软件无线电系统结构可以看出，一个软件无线电系统包含4部分。其中，天线和射频前端为可编程硬件，在理想情况下，射频前端仅指ADC/DAC模块，但由于实际器件性能的限制，一般还包括数字下变频器（DDC）、数字上变频器（DUC）、直接数字频率合成（DDS）和滤波器等。基带数字信号处理器和控制器一般由具可编程能力的数字信号处理器件构成，主要有GP
5、P、DSP、FPGA。8.1软件无线电综述8.1.2软件无线电硬件体系结构8.1软件无线电综述GPPGPP即通用处理器，一般指的是服务器用和桌面计算机用CPU芯片。它具有很高的性能，而且有操作系统支持，适合完成宽范围的处理工作，与任何一种编程语言都无关，应用极为灵活。但由于GPP是为通用计算机的广泛应用而设计的，其运行的程序对运算量和实时性要求并不严格，它追求各种应用程序执行性能的平衡，以达到总体性能的提升。因此，GPP对于控制密集型应用可以提供有效的支持。GPP采用冯诺依曼结构。8.1.2软件无线电硬件体系结构（1）数字信号处理器件的特点及功能8.1软件无线电综述标准冯诺依曼结构DSPDSP
6、是一种专门用来实现信号处理算法的微处理器芯片。根据使用方法的不同，DSP可以分为专用DSP和通用DSP。专用DSP只能用来实现某种特定的数字信号处理功能，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积、FFT，具有较高的处理速度，但灵活性差。通用DSP芯片适合普通的DSP应用，类似GPP一样有完整的指令系统，通过软件来实现各种功能。后面提到的DSP指通用DSP。不同于GPP所采用的冯诺依曼结构，DSP一般采用哈佛结构。8.1.2软件无线电硬件体系结构（1）数字信号处理器件的特点及功能8.1软件无线电综述一般的哈佛结构FPGAFPGA是具有可编程互联门的阵列，如图所示，其逻辑功能可以进行重定义。FPGA最初
7、是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。设计人员可以通过传统的原理图输入法或者硬件描述语言，自由地设计一个数字系统。无论是高性能的CPU，还是简单的组合电路，都可以用FPGA来实现。8.1.2软件无线电硬件体系结构（1）数字信号处理器件的特点及功能8.1软件无线电综述一般的哈佛结构流水线结构JoeMitola提出的理想软件无线电结构是一种流水线结构，包括天线、多频段射频转换、宽带A/D转换器和D/A转换器以及DSP处理器等，如图所示。流水线结构与无线通信系统的逻辑结构一致，因此具有很高的效率。但它的主要缺点是各
8、功能模块虽然独立，但相互间的耦合非常紧密，因此单个功能模块的独立程度不高。在这种结构中，如果接收机或发射机改变了或者是需要增加、替换或修改某个功能单元，就必须改变其他功能单元甚至是整个结构，因此该结构不具有开放性。8.1.2软件无线电硬件体系结构（2）硬件平台的体系结构8.1软件无线电综述基于流水线结构的软件无线电系统总线式结构总线式结构的软件无线电系统中，各功能单元是通过总线连接起来的，并通过总线交换数据及控制命令。8.1.2软件无线电硬件体系结构（2）硬件平台的体系结构8.1软件无线电综述基于VEM总线结构的软件无线电系统软件无线电要求通信系统具有较高的实时处理能力，只有采用先进的标准化总
9、线结构，才能发挥其适应性广、升级换代简便的特点。软件无线电总线式结构应具有以下特点。支持多处理器系统。具有宽带高速的特性。具有良好的机械和电磁特性。8.1.2软件无线电硬件体系结构（2）硬件平台的体系结构8.1软件无线电综述总线式结构清华大学在863软件无线电项目中提出了一种基于交换网络的软件无线电结构，如图所示。基于网络交换结构的软件无线电系统各模块之间通过适配和交换网络进行数据包的交换。各模块之间遵循相同接口和协议，这样不仅模块之间耦合很弱，还可以方便地实现数据的广播和选播，扩展性好。硬件平台中用PC来完成交换机的功能。在实现某种具体的通信系统时，可以具体考虑如何配置各功能板的功能，功能板
10、之间可以通过建立虚拟电路来进行通信，因此这种结构灵活性好，可以适应多种无线电通信系统，并已证明具有良好的吞吐率和实时性能。8.1.2软件无线电硬件体系结构（2）硬件平台的体系结构8.1软件无线电综述以上讨论的几种硬件体系结构各有优缺点，对它们各自性能的比较很有必要，比较的指标主要包括时延、带宽、硬件复杂度和伸缩性等方面，如表所示。结构效率时延带宽硬件复杂度伸缩性通用性流水线结构最高短窄简单差差总线结构低最长最窄最简单好好交换式结构高长宽复杂好好软件无线电的核心思想是“重配置性（Reconfigurable）”，主要体现在软件的可重用性，这是整个系统的重要指标和研究方向。目前，国外正在研究软件无
11、线电系统中软件的即插即用技术，并提出了基于Java/CORBA制定的软件无线电软件体系结构。该软件体系中定义了一个运行环境，该运行环境由总线层、操作系统、核心框架服务和基本应用、CORBA中间件服务和基本应用组成。实现具体应用的软件包括调制解调（负责各种信号处理）、链路网络协议、安全应用等，如图所示。8.1.3软件无线电的软件体系结构（1）总线式体系结构8.1软件无线电综述软件总线的体系结构分层体系的软件无线电结构如图所示，采用硬件分页的方法来重构无线电功能，与通过软件对内存进行分页管理相类似。处理层是软件无线电的核心，由一套线性相关的处理模块组成，每个处理模块都能通过重新配置来完成指定的功能
12、，而不需要打断与主流水线的同步。分层体系结构提供了一个开放的结构来实现可重构平台的软件无线电系统。它的主要优点在于使硬件有极大的可重用性，只要在硬件上设置相应的参数，就能实现指定的功能，建立起类似于软件函数库的硬件函数库。8.1.3软件无线电的软件体系结构（2）分层体系结构8.1软件无线电综述分层体系结构SLATS（SoftwareLibrariesforAdvancedTerminalSolutions）的基本思想是把系统分为多个子系统，每个子系统执行特定的通信功能，如调制、解调、编译码等。这些子系统可以动态地增加和减少，与它联系的通信功能及通信参数都可以动态地配置。系统输入和输出的数据被分
13、为一个个数据块，当一个数据块达到某子系统时，该子系统就开始运行，并把处理完的数据块发送到下一个子系统。每个子系统有多个输入/输出口，可以动态地配置为可用或不可用，如图所示。8.1.3软件无线电的软件体系结构（3）SLATS体系结构8.1软件无线电综述SLATS体系结构8.2.1GNURadio简介8.2GNURadio环境搭建与USRPGNURadio起源于1998年，是一个学习、构建和应用软件无线电技术的工具包，由EricBlossom开发。现在GNU Radio已是一个官方的开源项目，按照GNUGPL规范发行。GNURadio整体结构清晰，灵活性强，功能强大，由Python语言、C+语言、
14、汇编语言共同编写。Python语言是一种面向对象的高级编程语言，是对象化的脚本语言，代码简单，无需编译，直接解释执行。GNURadio的应用实例是用一种“流图机制”实现的，由Python语言创建流图，使顶层的模块通过Swig胶合剂调用底层的信号处理模块，实现各种功能，如图所示。GNURadio的框架结构8.2.2Ubuntu下安装GNURadio8.2GNURadio环境搭建与USRP有两种方法安装GNURadio，即使用预编译的二进制安装包或者用源代码进行编译。如果只是想了解GNURadio的功能，直接使用二进制安装包就足够了，而且安装过程相对简单。但由于GNURadio发展迅速，因此二进制
15、安装包可能无法及时得到更新，如果希望了解最新的GNURadio功能，或者希望自己对GNURadio进行修改，建议使用源代码进行编译。另外，Fedora和Ubuntu用户可以直接使用脚本安装，将极大地减轻安装工作。（1）使用build-gnuradio脚本（2）使用预编译的二进制安装包基本定位方法和技术的研究USRP（UniversalSoftwareRadioPeripheral）是MattEttus专门为GNURadio的应用开发的硬件平台，是连接GNURadio和射频前端的桥梁，是无线通信系统的数字基带和中频部分，功能强大而且十分灵活，目前最新版本是USRP2。USRP的设计理念是让主机处
16、理所有波形相关的部分，而只把高速信号处理部分交由硬件执行，这样保证了系统的灵活性，便于系统扩展。一个典型的USRP产品系列包括两部分：一个带有高速信号处理的FPGA母板和一个或者多个覆盖不同频率范围的可调换的子板。8.2.3USRP简介8.2GNURadio环境搭建与USRPUSRP2实物多径和多址干扰技术的研究USRP2母板由FPGA模块、ADC和DAC模块、网口模块、程序加载CPLD模块、电源和时钟管理模块、MIMO接口模块等组成，模块间协调工作，共同实现中频与基带的转换。基于USRP1，USRP2增加了以下特点8.2.3USRP简介（1）USRP2母板8.2GNURadio环境搭建与US
17、RPv 千兆级以太网接口。v 25MHz的瞬时射频带宽。v XilinxSpartan3-2000FPGA。v 两路100MHz14位ADC。v 两路400MHz16位DAC。v 1MB的高速SRAM。v 锁定到10MHz的外部参考时钟。v 1PPS（每秒一个脉冲）的输入。v 配置存储在标准的SD卡。v 能够把多个系统锁定在一起用于MIMO。v 与USRP的子板兼容。USRP2结构多径和多址干扰技术的研究母板有4个插槽，可以插入两个基本接收子板和两个基本发送子板，或者两个RFX板子。子板是用来装载RF接收接口或者调谐器和射频发射机的。有两个标注为TXA和TXB的插槽用于连接两个发送子板，相应的
18、，有两个标注为RXA和RXB的接收子板插槽。每个子板插槽可以访问4个高速ADC/DAC（其中的两个DAC输出用于发送，ADC输入用于接收），这使得每个使用实采样的子板有两个独立的射频部分和两个天线。如果使用复正交采样，每个板子可支持一个单一的射频部分，整个系统一共两个。通常，每个子板有两个SMA连接器，通常会使用它们连接输入或输出信号。USRP母板上没有提供抗混叠或重建滤波器，这样可以在子板频率规划时获得最大的灵活性。每个子板有一个板载I2C的EEPROM使系统能够识别子板，这使得主机软件能够根据所安装的子板自动设置合适的系统。EEPROM也可以保存一些校准值，如直流偏置或者IQ不平衡。如果这
19、个EEPROM没有被编程，每次USRP软件运行时会打印一个警告消息。8.2.3USRP简介（2）USRP子板8.2GNURadio环境搭建与USRPUSRP硬件现在已经获得了多个软件平台的支持，主要包括GNURadio、LabVIEW、Simulink和OSSIE。其中，GNURadio是USRP1和USRP2硬件上主流的软件平台；LabVIEW用于LabVIEW的USRP驱动，目前也在广泛使用；Simulink5.0版（R2010b）通信工具集支持USRP2；OSSIE是使用USRP1和USRP2工作的JTRSSCA的一个实现。8.2.3USRP简介（3）USRP支持的软件8.2GNURad
20、io环境搭建与USRP多径和多址干扰技术的研究软件无线电是把硬件作为无线通信的通用平台，使它尽可能地脱离通信体制、信号波形和通信功能，尽可能多地由软件来实现，这样的无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，系统升级也变得非常容易。软件无线电有这么多的特点和优越性，在通信领域（如个人移动通信、军事通信、卫星通信及数字电视）中都有极广泛的应用。目前，软件无线电已经可以实现包括UWB、Wi-Fi、GPS在内的各种室内、室外定位；而且，通过软件配置，理论上可以满足不同的定位需要，特别是结合了智能天线后，软件无线电在定位方面得到了新的发展。8.3软件无线电定位应用多径和多址干扰技术的研究8.3.1智能天线基
21、础一方面，软件无线电为智能天线的实现提供了一条有效可行的技术路径；另一方面，智能天线也为软件无线电的发展起到了推动作用。8.3软件无线电定位应用智能天线（SmartAntenna）是在软件无线电基础上提出的天线设计新概念，是数字多波束形成（DBF）技术与软件无线电完美结合的产物。软件无线电与智能天线相互渗透、相互促进，不仅将在未来无线通信中获得广泛应用，也将推广到其他无线电技术领域，如电子战、卫星有效载荷等。智能天线的基本原理线阵波束形成。8.3.2基于阵列天线的角度估计技术（1）信号子空间与噪声子空间对信号的波达方向进行估计时，关键是准确构造出信号子空间与噪声子空间。由于未知，因此采用上面的
22、方法构造信号子空间与噪声子空间是不可行的。另外，上面假设接收信号无噪声，而实际接收的信号是有噪声的。这样，对信号的波达方向问题就转换为怎样利用接收的带噪信号构造出信号子空间与噪声子空间问题，而这要用到接收信号向量的二阶统计特性的相关矩阵知识。8.3软件无线电定位应用8.3.2基于阵列天线的角度估计技术（2）接收信号向量的相关矩阵与特性如果信号相干，其相关系数等于1；两信号独立，其相关系数等于0。相关系数在0和1之间的两个信号称为相关信号，相关信号不造成秩亏缺，但相关系数接近1时，会使其中一个特征值接近于0，即接近奇异。8.3软件无线电定位应用阵列天线接收信号向量的相关矩阵为其中，上角标H表示共
23、轭转置运算8.3.2基于阵列天线的角度估计技术（3）信号子空间与噪声子空间的建立如果信号相干，其相关系数等于1；两信号独立，其相关系数等于0。相关系数在0和1之间的两个信号称为相关信号，相关信号不造成秩亏缺，但相关系数接近1时，会使其中一个特征值接近于0，即接近奇异。8.3软件无线电定位应用已知N元阵列接收的一批数据首先，计算相关矩阵其中多径和多址干扰技术的研究本节将设计并实现一个基于软件无线电的实时AOA估测平台，其主要硬件包括：一个线性天线阵列（包括4根相互独立的射频接收天线）、ADC转换模块、信号处理模块，其中信号处理模块中使用MUSIC算法来实现AOA估测。最后，我们在一个微波暗室里对
24、系统性能进行了测试。8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例8.3软件无线电定位应用多径和多址干扰技术的研究8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（1）硬件配置8.3软件无线电定位应用系统硬件设计框图如图所示。将4个偶极子天线配置为一个均匀线性阵列（ULA），然后将天线连接到一个四端口的射频选择器，并将射频选择器的输出端连接到射频接收器。系统中的射频接收器是相互独立的，也就是说，每个射频接收器都有各自的本地振荡器（LO）。这意味着，即使当所有的LO都连接到一个相同的时钟源，其初始相位也有可能不同，因此需要一种机制来校准所有射频接收器的相位差异。为此，我们设计一个四端口的射频选择器，选择接收信
25、号或校准信号作为输入。其原理如图所示，分路器将一个确定性信号复制为4个同相的校准信号，因此AOA估计器能够获得射频接收器之间的相位差。信号代表接收到的信号。系统硬件框图射频选择器原理多径和多址干扰技术的研究8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（1）硬件配置8.3软件无线电定位应用软件无线电平台实物图SDR平台如图所示。其中，射频接收器能够将输入的模拟信号下变频为30MHz的中频模拟信号。接着，高速ADC模块具有最大采样频率105MHz，将中频模拟信号数字化，然后传到信号处理模块。信号处理模块包括一块FPGA（Virtex-4）和两个DSP（TMS320C6416）。其中，FPGA被用来将数
26、字中频信号转为基带信号，DSP用来处理相位校准和根据采集的信息进行AOA估算。另外，信号处理模块通过GPIO接口控制射频选择器。多径和多址干扰技术的研究8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（2）相位校准8.3软件无线电定位应用我们使用未调制载波作为校准信号。校准信号首先被射频接收器下变频为30MHz的中频信号，中频信号通过数字下变频器（DDC）成为基带信号，第k条信道上的基带校准信号可表示为其中，表示离散时间样本，为衰减系数，包括路径损耗和增益，代表第k条信道的信道相位，代表加性噪声。由于射频接收器的本地振荡器是相互独立的，因此各信道的信道相位各不相同。首先估计各信道的相位差异，将其校准后
27、再进行DOA估算。记为第k条信道的一个N维向量，其中N为观察样本数，并将作为参考信道。根据射频接收器的特性，在样本观察时间内，相位变化几乎为0。参考信道与其他信道的相位差可以表示为多径和多址干扰技术的研究左图所示显示了用MathworksSimulink设计相位估计的模型。DSP1给DSP2提供了3个相位估计值，用来校准之后天线阵列接收的信号。右图所示显示了相位校准后的结果。相位估计模型（DSP1）8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（2）相位校准8.3软件无线电定位应用多径和多址干扰技术的研究假设ULA接收到p个载波频率为的窄带远场信号，其入射方向记为。第k个天线收到的基带信号可以表示为
28、8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（3）MUSIC算法8.3软件无线电定位应用其中，为信号的第1个波阵面，d为各天线之间的距离，c为光速。用向量形式可将上式表示为相关系数矩阵可以通过对接收到的信号采样值进行平均得到，矩阵R通过特征分解，表示为ULA的空间频谱为 如图所示为MathworksSimulink中设计的AOA估算模型，即DSP2的算法模型。AOA估算模型（DSP2）8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（3）MUSIC算法8.3软件无线电定位应用 为了确定AOA估计器的性能，需要在微波暗室里进行一些测试。如图所示给出了系统操作流图，其具体步骤如下。系统操作流程8.3.3基于软
29、件无线电的AOA估测实例（4）微波暗室测量8.3软件无线电定位应用多径和多址干扰技术的研究如图所示为在微波暗室里进行实验的照片。ULA被放置在距离两个发射源两米远的地方，两个独立的信号源由Agilent信号发生器产生。微波暗室内的实验装置8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（4）微波暗室测量8.3软件无线电定位应用多径和多址干扰技术的研究如图所示为基于软件无线电的AOA估测器。8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（4）微波暗室测量8.3软件无线电定位应用基于软件无线电的AOA估计硬件实物图多径和多址干扰技术的研究如图所示给出的实验结果显示，测试的信号源数量为2，两个信号源的信号峰值分别出现在信号空间频谱的37.27和-18.63。8.3.3基于软件无线电的AOA估测实例（4）微波暗室测量8.3软件无线电定位应用 AOA估计结果1概述软件无线电的起源。2软件无线电的特点有哪些？3软件无线电系统结构一般包括哪几部分？4软件无线电的信号处理算法有哪些特点？5比较软件无线电中GPP、DSP和FPGA各自的优缺。6软件无线电的硬件平台的体系结构一般有哪些？7软件无线电的软件平台的体系结构一般有哪些？各自有什么优点？8描述GNURadio的流图机制。9USRP中母板和子板分别有什么作用？10概述智能天线在软件无线电发展中的作用。课后习题8