（信号与信息处理专业论文）基于软件无线电的xxx综合通信演示系统的实现.pdf

基于软件无线电的x x x 综合通信演示系统的实现 摘要 软件无线电是无线通信领域中继固定到移动、模拟到数字之后的 第三次革命。其基本思想是将宽带a d 、d a 变换尽可能地靠近射频 前端，即尽可能早的将接收到的模拟信号数字化，最大程度通过软件 来实现电台的各种功能，包括前端接收、中频处理和信号的基带处理 等。它充分利用嵌入通信设备里的通用可编程器件( d s p ) 和专用集成 芯片( a s i c ) 的可编程能力，形成一种通用的无线电硬件平台，利用软 件升级来实现通信设备的更新换代、新老电台兼容。 x x x 综合通信演示系统是用于完成飞机多种体制的空一空、空一 地话音及数据通信的演示系统。x x x 综合通信演示系统所设计的系统 可用于综合化航空电子系统，也可作为独立的飞机平台。 该系统是采用软件无线电技术实现的集多用途无线电信号接收、 发射、信号处理、数据处理和显示控制为一体的，用于航空电子设备 的无线通信系统。可以独立或以系统终端设备的方式存在于航电系统 中，实现机载通信功能。 本文工作即完成了基于软件无线电技术的x x x 综合通信演示系 统的设计与实现。内容主要分为三个部分： 首先，研究了软件无线电的起源，发展和理论基础；基于软件无 线电对x x x 综合通信演示系统进行系统设计；特别提出了d s p 选型中 应该注意的关键问题，为针对具体应用正确选择d s p 芯片摸索了自己 的经验，总结了一些选片原则。 其次，展开对x x x 综合通信演示系统算法的仿真。研究了数字上 下变频和调制解调，根据算法原理赫仿真结果，分析不同算法的优劣 性。根据演示系统的实际情况，确定算法类型。 最后完成x x x 综合通信演示系统的硬件实现。把算法移植到目标 机中运行。针对具体的调制方式，进行具体的硬件和软件设计( 已经 完成的有短波a m ，u s s b ，超短波f m ) ；同时分析实现中遇到的问题，提 出解决办法( 主要是d s p 中c 语言的优化实现和防止溢出的方法) 。 x x x 综合通信演示系统的设计采用了软件无线电的思想，研究了 可用于软件无线电台的各项技术，有良好的扩展性和灵活性，能兼容 多种模拟、数字调制方式，适用于多种通信设备。本文的研究工作不 仅为我们今后在软件无线电系统的研究工作提供了可靠的理论、技术 依据，而且具有一定的工程应用价值。 关键字软件无线电数字信号处理t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 t h ei 摩l e m 匝n t a t i o no fx x xc 0 m u n i c a t i o n d e m 0s y s t e mb a s e d0 ns o f t 狐r ed e f d 4 e dr a d i o a b s t r a c t s o f t w a r ed e f i n e dr a d i oi sr e g a r d e da st h i r db r e a kt h r o u g ha f t e rt h e t r a n s i t i o nf r o mf i x e d p o i n tc o m m u n i c a t i o nt om o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d f r o ma n a l o gt od i g i t a li nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i t sc o r et e c h n o l o g yi s t op l a c et h eh i g hr e s o l u t i o n 加d ac o n v e r t e r sa sc l o s e l ya sp o s s i b l et o t h ea n t e n n a t h e r e f o r e ，t od i g i t i z et h er e c e i v e da n a l o gs i g n a l sa sm u c h e a r l ya sp o s s i b l e d o i n gt h i sw i l lm a x i m i z et h er e a l i z a t i o no f a l lk i n d so f f u n c t i o n s t h r o u g h s o f t w a r e s d ru t i l i z e s p r o g r a m m a b l e d s pa n d s p e c i a l i z e da s i cc h i pi ne m b e d d e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er a d i o f u n c t i o ni sd e f i n e da ss o f t w a r e a n dt h eh a r d w a r ei st r e a t e da st h e p l a t f o r m t h eh a r d w a r e i sr e u s a b l ea n do n l ys o f t w a r eu p g r a d ei sr e q u i r e d o v e rd i f f e r e n tw i r e l e s ss t a n d a r d s + x x xc o m m u n i c a t i o nd e m os y s t e mi sad e m os y s t e mu s e di n m u l t i m o d ea i r - t o a i r , a i r - t o g r o u n dv o i c ea n dd a t ac o m m u n i c m i o n t h e s y s t e mc a n b ea p p l i e di na d v a n c e da v i a t i o ne l e c t r o n i c ss y s t e m a sw e l la s a l li n d e p e n d e n t f l i g h tp l a t f o i t n t h ex x xc o m m u n i c a t i o nd e m os y s t e mi s i m p l e m e n t e du s i n g s o f t w a r ed e f i n e dr a d i ot e c h n o l o g y i th a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：r a d i o s i g n a lr e c e i v ea n dt r a n s m i s s i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n d d i s p l a y i tc a nb eu s e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fa v i a t i o ne l e c t r o n i c s s y s t e m o ri t c a l lb eu s e di n d e p e n d e n t l yi na v i a t i o ns y s t e mt or e a l i z e a i r - b o r n er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，ac o m p l e t e dx x xc o m m u n i c a t i o nd e m os y s t e mi s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d b a s e do nt h es o f t w a r ed e f i n e dr a d i o t e c h n o l o g y t h et h e s i si so r g a n i z e d i nt h r e e p a r s ： f i r s t ，r e s e a r c h e di nt h es o f t w a r ed e f i n e dr a d i oo r i g i n ，d e v e l o p m e n t a n di t s t h e o r y b a s e d o l lt h ep r i n c i p l eo fs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o t h e x x xc o m m u n i c a t i o nd e m o s y s t e m i s d e s i g n e d i na d d i t i o n s u m m a r i z e dh o wt oc h o o s ed s pi nd i f f e r e n t a p p l i c a t i o na n dt h ek e y c r i t e r i ai nc h o o s i n gd s raf e wr u l e sw e r ed e f i n e dt oc h o o s et h er i g h t d s ea tt h es a m e t i m e ，p r o v i d e da p p r o p r i a t ed s pc h i pa n dd e v e l o p m e n t s y s t e mf o rx x x c o m m u n i c m i o nd e m o s y s t e ms i m u l a t i o n s e c o n d d e v e l o p p e dt h es i m u l a t i o n st oa l g o r i t h m su s e di nt h ex x x c o m m u n i c a t i o nd e m o s y s t e m ，e s p e c i a l l y t o d i g i m ld o w n u p c o n v e r s i o n ，m o d u l m i o n a n d d e m o d u l a t i o n a n a l y z e d t h ed i f f e r e n t b e n e f i t sf o rd i f f e r e n ta l g o r i t h m sb a s e do ni t ss i m u l a t i o nr e s u l t n i r d c o n d u c t e dd e t a i l e dh a r d w a r ea n ds o t t w a r ed e s i g nf o rd i f f e r e n t m o d u l a t i o n s ( c o m p l e t e d ：s h o r t w a v ea m 。u s s b u l t r a s h o r t w a v ef m ) s o l v e dp r o b l e m se n c o u n t e r e dd u r i n gt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n x x xc o m m u n i c a t i o nd e m o s y s t e m i sb a s e do nt h es d r t e c h n o l o g y i th a si n c o r p o r a t e dd i f f e r e mk i n do ft e c h n o l o g i e su s e di nt h e s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o i th a sv e r yg o o d e x t e n s i b i l i t ya n df l e x i b i l i t y , a n d c o m p a t i b l e i tc a nb eu s e di nd i f f e r e n tk i n d so f c o m m u n i c a t i o nd e v i c e s t h ee f f o r tm a d eo nt h i s ，t h e s i s p r o v i d e sn o to n l yr e l i a b l et h e o r ya n d t e c h n i c a l b a s i s ，b u ta l s o r e a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e f o rf u t u r e s o f t w a r ed e f i n e dr a d i ot e c h n o l o g yr e s e a r c h k e yw o r d ss o f t w a r ed e f i n e dr a d i o d i g i t a ld o w n c o n v e r s i o n t m $ 3 2 0 c 6 2 0 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名：亳器彩蹲一 本人承担一切相关责任。 日期：j 鹞。叫卜一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 第一章绪论 本章介绍了本文的研究背景和意义，分析了相关概念，列举了本文要解决的 问题和所取得的成果，最后给出了全文的内容简介。 1 1 研究背景和意义 当前，一场以军事信息技术革命为先导的新军事革命已经兴起，正在对世界 各国军事现代化建设产生广泛和深刻的影响。如何打赢未来高技术条件下的以信 息战为主要作战方式的局部战争，已成为各国军队研究探讨的主要课题。现代战 争的指挥自动化系统对军事通信保障能力提出了更高的要求，郎要求军队通信保 障具有协同性、机动性、保密性、抗干扰性和抗毁性五种能力。 无线通信装备在机动性和抗毁性方面具有天然的优势，所以在军事通信中占 有十分重要的地位。然而，长期以来，军用无线电台都是针对某些特定用途而设 计，各种电台虽有许多共同功能，但也差别很大，如工作频段、调制解调方式不 同等。即使在同一部队，由于军事目的不同，有时也必须装备不同的无线电台。 这样就造成了军队通信装备系列多、品种杂、互通差、协同难。显然，这种状况 是很难适应未来陆、海、空、天地一体化立体战争的。1 9 9 1 年海湾战争中美军 也遇到同样的问题。 1 9 9 2 年5 月，美国人, j o em i t o l a 首次在美国远程系统会议上提出”s o f t w a r e r a d i o ”的概念，即我们所说的“软件无线电”。“软件无线电”充分利用嵌入 通信设备里的通用可编程器件( d s p ) 和专用集成芯片( a s i c ) 的可编程能力， 形成一种通用的无线电硬件平台，利用软件升级来实现通信设备的更新换代、新 老电台兼容。就是说，新一代的无线通信系统把硬件作为通用平台，把尽可能多 的无线及个人功能由软件来实现。这种体系结构具有很大的灵活性和通用性。 “软件无线电”的概念得到了美国军方的一致认可，美国军方希望利用“软 件无线电”这个新技术手段来解决其三军无线电台多频段、多工作方式的互通问 题。 1 9 9 0 年8 月，美国国防部与h a z e l t i n e 公司签订了4 3 0 万美元的合同，开 始s p e a k e a s y 无线电系统第一阶段的研制工作，开发多频段多模电台( m b m m r ) 。 s p e a k e a s y i 系统m b m m r 电台工作于2 2 0 0 0 m h z ，采用双总线结构，即v m e 总线和高速数据总线，其d s p 器件采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 4 0 多芯片模块( m c m ) ， 可提供1 1 0 0 m i p s 和2 0 0 m f l o p s 的处理能力，i 0 速度达3 0 0 m b i t s 。 1 9 9 5 年1 月美军启动s p e a k e a s y 第二期工程，目标是完成一个能够集成现 役1 5 种主要军用电台的实用系统，这一期工程还计划进一步覆盖蜂窝移动电话、 g p s 定位和卫星通信等系统。 1 9 9 7 年3 月在2 1 世纪特遣部队的演习期间，s p e a k e a s y 第二期多频段多功 能电台已被证实可与短波、单信道地对空无线系统( s i n c g a g s ) 、民用航空、 h a v e q u i c ki i 及超短波卫星互通。s p e a k e a s y 第二期m b m i r 已开始陆续装备部队。 在美国防部计划的推动下，其它一些国防电子公司也展开了m b m m r 的研制工 作，美国h a r r i s 、南非6 r i n e 、美国马格纳泛斯克等公司都成功地研制出m b m m r 。 总之，软件无线电台是最近十多年来迅速发展起来的一种新颖通信设备，它 不仅可以应用于军事通信领域，象美国国防部开发的s p e a k e a s yi i i 、机载通 信节点( c a n ) 和联合战术无线电系统( j t r s ) 等，还能广泛地应用于移动通信、 个人通信和卫星通信领域。而且，随着数字信号处理技术的不断进步，产品性能 的不断提高，其市场发展前景必将越来越好。可以预计，软件无线电台技术一定 会成为无线通信系统( 包括蜂窝、个人和卫星等) 的首选技术。 我国8 6 3 计划通信技术主题已将软件无线电作为无线个人通信共性基础技 术纳入研究内容。 本文结合具体的x x x 综合通信演示系统，对软件无线电的关键技术作了相应 分析，给出了一套设计实际系统的方法，并完成x x x 综合通信演示系统的算法仿 真和硬件实现。 1 2 论文安排 本文专注于整个通信演示系统的设计实现，着重研究了调制解调技术，数字 中频处理和d s p 环境下c 语肓编程的优化实现。此外总结了我们多年束对d s p 在不同领域不同要求的d s p 选片方面的经验。 全文共分为七章，除本章外，其余章节具体安排如下： 第二章介绍软件无线电的起源和关键技术，并对其未来发展方向作了一些探 讨。 第三章介绍软件无线电常用的一些基础理论，主要包括信号采样理论，多速 率信号处理理论，高效数字滤波器以及正交变换理论等。 第四章本章介绍x x x 综合通信演示系统的任务背景及其要求。重点介绍了演 示系统的设计。同时就芯片选型进行讨论，总结了我们多年来对d s p 在不同领域 不同要求的应用中在d s p 选片方面的经验。 第五章主要内容是x x x 综合通信仿真系统的算法原理和仿真，主要包括调 制，数字上变频调制到中频，数字下交频和解调。分析仿真结果比较不同算法 的优劣性。各模块均用c 语言完成。 笫六章的主要内容为x x x 综合通信演示系统的硬件实现，即将算法移植到硬 件处理平台f ：= ，实现了短波a m ，u s s b ，超短波f m 调制解调系统。最后对实现过 程中遇到的问题进行分析，特别对如何在d s p 环境下优化c 代码和避免溢出进行 了讨论。 第七章对全文的研究：i ：= 作进行总结，指出进一步的研究方向。 第二章软件无线电 本章主要介绍软件无线电的起源和关键技术，并对其未来发展方向作了一些 探讨。 2 1 软件无线电的起源 软件无线屯最茜u 起源于军事通信。长期以来，军用无线电台丽临的问题是， 各体制间互不兼容，功能单一，而且军队面临着频带拥挤的状况，以及大量“非 标准”的标准在同时使用。现代战争越来越强调各军种甚至多国军队之间的协同 作战，因此多种通信体制的互联互通要求成了日益突出的矛盾。为了保证不同设 备的互通性，实现高效、可靠的协同通信，美国军方开展了研制三军通用软件无 线电台的工作，其目标是研制一种可以包容很宽的无线频带( 包括h f 、v h f 、u h f 、 s h p 等) 、可以接收多种信道调制方式( 包括语音的a m 、f m 、各种数据链接格式 以及其他安全措施如跳频、直接序列扩频等技术) 的具有很强“可互操作性”的 无线电台。 软件无线电的需求最早来源于军方，其研究与开发最初也是在军用无线电台 中，然而随着其概念的不断完善，软件无线电从军方的研究逐渐被商用移动通信 领域所重视。 从移动通信的发展历史我们不难看出，当代移动通信可分为三个阶段：第一 代移动通信以模拟调频、频分多址为主体技术；第二代移动通信以数字传输、时 分多址或码分多址为主体技术：第三代移动通信系统以世界范围的个人通信为目 标。 纵观当前的移动通信市场，多种体制共存、新体制不断涌现。从移动通信的 发展来看，这种多体制并存的局面还将长期存在下去。这种现象可以说从某种程 度上促进了移动通信的发展，。但是另一方面，又极大地限制了移动通信的全球 性发展。它体现在以下几个方面： 1 新的通信体制和“标准”不断提出，通信产品的生存期缩短，开发费用上升。 2 各种通信体制的共存，对多种体制间互联的要求也日趋强烈，这一点在军事 通信中表现尤为突出。由于军事通信的特点，不同军种、不同用途的通信设备的 种类非常多，互相连通组网很困难甚至不可能。 3 无线频带越来越拥挤，对通信系统的频带利用率和抗干扰能力要求不断提 高，现在很难对频带重新规划，若采用新的抗干扰方法，需对系统结构做较大改 动。 基于移动通信领域的：展状况，在9 0 年代提出了一种新的无线通信概念软 件无线电。软件无线电的思想是在一个通用的硬件平台上，通过软件加载的方式 用软件实现所有无线电台的功能。将这一思想延伸到移动通信领域，设想不需要 为每一种新的移动通信体制重新建网、更换设备，只需在各个基站中建设统一的 硬件平台，然后不论是现有的各种体制和标准，还是将来新出现的体制和标准， 都咀软件加载的方式进行更新换代。使用这样一种理想的软件无线电概念之后， 所有的体制和标准的更新，以及不同体制之间的兼容，都可以通过更换适当的软 件来完成，这样既节省了重新建网的费用，又缩短了从研究到应用的周期。 2 2 软件无线电关键技术 实现软件无线电的关键技术主要有：软件无线电系统结构设计、射频6 u 端、 宽带a d c 转换、高速数字信号处理、实时操作系统和软件设计等方面。 221 软件无线电系统结构设计 传统无线电系统和软件无线电系统两种体系的主要区别在于a d a 的位置 不同。理想的软件无线电体系是要利用多波段天线和宽带a d 、d a 转换技术， 尽量将模数变换向天线端推移，在尽可能宽的频带上将模拟信号数字化，之后利 用通用可编程处理器对中频及基带数字信号进行处理。传统的无线电系统则是使 用专用的硬件设备进行解调、a d 转换、基带数字信号处理，还原用户数据，这 种机制限制了不同无线通信体制之间的互通。 理想的软件无线电系统是一个多频段、多模式的无线通信系统，它在网络协 议各层次上的功能都通过软件定义来“动态”实现。这种特有的灵活性同样也支 持物理层上功能的实现。图2 1 给出了软件无线电通信系统的体系模型。 图2 1 所示的软件无线电系统的体系模型充分体现了软件无线电同传统无 线电技术的区别，突出了前者的主要特点。不同波段、不同模式的无线电功能可 以灵活地通过个性化无线电节点来实现。首先，软件无线电支持多频带技术，它 将传统无线电系统中的r f 信道部分扩展为r f 信道集，从而能够同时接通多个频 段，并且，此信道集不单单包含r f 频段，还包含所有可能的信道方式，如光纤 或电缆。同样，在软件无线电中信道处理部分也扩展为3 部分：可编程的r f 信 道接入部分、中频i f 处理部分和调制解调部分。其中可编程的射频及信道接入 部分是对多个射频段和其他可能的信道接入方式进行自动的接入；中频处理部分 是进行滤波、频率变换、波束形成等处理：调制解调部分包含了多种可用的调 制技术，它是为实现多模式无线电所要求的多种调制方式丽存在的。 图2 1 软件无线电通信系统的体系模型 传统通信系统只能完成话音信号的传输，而软件无线电要完成多种信息的 传输，包括话音、数据、传真、视频以及多媒体信息，因此软件无线电的信源处 理部分要能够处理所有可能的信源信息。另外，有些信源在物理位簧上可能是远 离无线电收发信机的，因此这些信源可能需要通过服务和网络支持连接到局域网 或其它网络上。所有的这些函数模块共同实现一个多频段、多模式、多线程以及 多个性化的软件无线电节点，由一个联合控制函数来管理和控制，保证了系统的 稳定性以及系统的自动恢复。 软件无线电台的硬件设计是以开放式的总线结构为基础的。这种结构便于 进行模块化设计，并可促进技术的进步和成本的降低。但是开放性的总线结构主 要涉及两个标准化问题：一是在总线上工作的各种功能模块的划分，二是模块和 总线的接口标准。开放总线标准应该由权威机构组织制订，目前制订软件无线电 台结构标准的时机并未成熟。 斟l-雕i p - - 凰 图2 2 基于v m e 总线的软件无线电硬件结构”1 s p e a k e a s y 第一期工程的结构设计以v m e 总线为基础，v m e 总线提供指令、 控制。另有一个分段式的高速总线用于提供宽带的波形数据传输。基于v m e 总线 的软件无线电硬件结构如图2 2 。 6 软件无线 巳台的模块功能应根据信号处理流来设计，不同阶段的信号处理可 以由专用模块或专用功能插件组成，如接收机板、宽带a d 板、d s p 板、存储 器板、数字复用板、v m e 主板、d a 和射频板等。要在移动通信系统中彻底地实 现软件无线电技术还需要较长时问，目前只能采用d s p 、可编程硬件( f p g a 等) 、 不可编程硬件三者结合的方法来实现，如何在这三者之间进行功能划分和性能指 标分配，是设计中要特别考虑的内容。另外，由于软件无线电中射频部分和中频 基带部分相互之间会有很大的电磁干扰，实现时应把这两部分做成相互独立、较 为封闭的结构，但这样就必须在这两部分之间设计一些接口电路，以实现信号传 输，但是，这样的设计会增加系统的体积和成本。因此，在降低电磁干扰和减小 系统体积之间应找到一种折衷的办法。软件无线电系统的关键模块如图2 3 。 图2 3 软件无线电系统的关键模块 2 2 2 射频前端 从宽带可调射频到基带的转换是软件无线电最不成熟的技术。 软件无线电耍在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信，就必须有一种无论 电台在哪一个波段都能与之匹配的天线，所以，实现软件无线电通信，必须有一 副可通过各种频率信号而且线性性能好的宽带天线。 软件无线电台覆盖的频段从2 2 0 0 0 m h z ，理想的软件无线电系统的天线部分 应该能够覆盖全部无线通信频段。但由于内部阻抗不匹配，不同频段i 乜台的天线 不能混用，而就目前水平而言研制出一种全频段天线是不可能的。但对于大多数 系统只要覆盖不同频程的几个窗口，而不需要覆盖全部频段，故可以采用组合式 多频段天线的方案，分三段实现多波段的宽带天线：2 m i z 3 0 m h z 、3 0 m h z 5 0 0 m h z 、5 0 0 m i z 2 0 0 0 m h z 。美军的s p e a k e a s y 项目即采用了这样的分段设计实 现宽带天线。另外智能天线( 自适应天线阵) 的研究和发展为实现软件无线电的 宽带天线提供了可行的途径。 软件无线电的天线应该能覆盖l o 倍频程( 如0 4 3 g h z ) ，实现起来有两种 方法可供选择： i 对于每个系统和波段使用单独的天线： 2 采用多模式天线。 此外，要高质量、低成本地接收大范围的射频信号，需要在射频进行数字化 处理。就目前的硬件性能，在射频实行数字化处理还无法实现，故将数字化处理 设在中频，而从模拟射频发展为数字射频还需要长期的努力。射频放大器的线性 的实现也是需要解决的问题。 在实际应用中，可采用多个射频前端，以弥补单个射频前端带宽窄的缺陷。 如在s p e c t r u m w a v e 系统中，采用多个射频前端，使每个射频前端能接收i o m h z 带宽的信号，最终实现处于1 0 0 k h z 2 6 6 h z 的任意l o m h z 信号的下变频。 软件无线电台具有多频段的工作能力，因此，软件无线电台的天线与功率放 大应该是宽带的、多频段的、低损耗的，而且天线系统应具有良好的方向选择性 和干扰抑制能力。软件无线电对天线提出的上述要求是很高的，目前在技术可行 性上和经济可行性上只能采取折衷的方案。 宽频段r f 变换主要完成宽带低噪声放大、滤波、混频、a g c 以及输出功率放 大等功能。也可考虑与天线一样分三段实现：2 m h z 3 0 m h z 、3 0 m h z 5 0 0 m h z 、 5 0 0 m z 2 0 0 0 m h z ，做成可置换的标准模块。s p e a k e a s y 电台的标准中频是1 0 m h z 。 z z 3a d c 软件无线电体系结构的基本特征是将a d 变换尽可能地靠近射频天线。一 般将a d a 设霉在中频处理部分和r f 转换部分之间，完成对中频信号的数模转 换，因为在中频进行数字化除了能给软件无线电带来极大的灵活性外，还可以大 大简化对射频前端放大器及滤波器的要求。这给中频的数字处理带来了很高的灵 活性，但同时对a d 、d a 的性能提出了很高的要求。 射频中频( r f i f ) 信号a d c 的性能指标有采样速率、采样精度、信噪比 ( s n r ) 、无寄生动态范围( s f d r ) 和互调失真( i m d ) 等，其中主要的两项是采 样速率和采样精度。而采样速率和采样精度是互相制约的，另外还必须考虑a d 后的系统处理能力，所以选用合适的a d 变换器是实现整个软件无线电系统优良 性能的关键因素之一。 模 图2 4a d 变换的原理图 a d 变换的原理图如2 4 所示。a d c 前面的模拟带通( 抗混叠) 滤波器作 用是防止在采样过程中产生频谱混迭。理想情况下，滤波器中心频率为i f 信号 的频率，带宽为抽样频率的2 倍，通带内幅度为l ，止带内为0 ，不存在过渡区。 但这种理想滤波器通过模拟手段难以实现，一般方法是在a d c 中采用过抽样技 术，降低对滤波器的要求，即使滤波器出现过渡区也不会产生频谱混迭。实际一 般实用中至少应大于2 5 倍的信号带宽。 采样速率高，会带来额外的信噪比增益，般用s n r 来综合表示采样速率和 采样精度这两项指标。如果仅考虑量化误差，并且假定量化噪声的幅度在个量 化阶内呈均匀分布，则a d c 在理论上可能达到的最大信噪比s n r 可用下式计算： s n r = 6 0 2 b + 1 7 6 + 1 0 1 0 9 1 0 ( 厶2 兀。) ( c 扬) 其中b 为a d c 的位数，正表示采样速率，二。为输入模拟信号的最高频率。 可见在b 一定的情况下，疋每增加一倍，能带来3 d b 的s n r 增益。 对于一个7 0 m h z 的中频信号，若要求采样精度达到1 2 位，s n r 等于8 0 d b ， 可以算出采样速率为5 5 8 m s p s 。表2 1 给出了几种现有a d 转换器件的性能： 表2 1 高速a d 转换器器件表 型号分辨率( 比特数)采样速率( m s p s ) s n r ( d b ) 生产厂商 a d c l 0 d 0 4 01 0 b i td u a l4 06 0美国国家半导体 a d c l 2 0 4 01 2 b i td u a l1 0 6 8 美国国家半导体 a d c l 2 l 0 6 31 2 b i t6 26 3 3荧国国家半导体 a d c l 2 l 0 6 61 2 b i t6 66 6美国国家半导体 ja d c l 4 0 6 】1 4 b i t2 58 0美国国家半导体 a d c l 4 1 6 1 1 4 b i t2 58 0美国国家半导体 a d c l 4 0 7 】1 4 b i t7 8 0美国国家半导体 c l c 5 9 5 81 4 b i t5 2 7 1美国国家半导体 a d c l 6 0 6 11 6 b i t 2 58 0美国国家半导体 a d 9 0 5 11 0 b i t6 0a d a d 9 0 4 21 2 b i t4 1a d a d l 0 2 0 11 2 b i td u a l 1 0 5a d a d l 0 2 2 61 2 b i td u a l 1 2 5a d a d l 0 4 6 51 4 b i t 6 5a d - a d l 3 4 6 51 4 b i t6 5a d 【a d 6 6 4 51 4 b i t 8 0 1 0 5a d - i 采样俅持卜叫a d 卜_ + _ 一l 一 一采样保持卜叫帅卜- -并 t 二j l 一 宙 转 换 时钟l抓鬲嗣厂n hi i 一_ jll 。j 击巫卜( 互卜 还堕 ( 匠卜 并 直 转 换 亦两卜( 匹卜 图2 5 高速a d 、d a 并联结构1 “1 由表2 1 可知，目前的h t ) 器件水平还远不能达到要求。一个比较好的解 决方法是采用多片精度高的a d 转换并行采样，即用多个高速采样保持电路( 目 前可做到n 1 0 l n s ) 和a d 并联，然后通过并串转换降低量化速度，提高采 样分辩率。如对前面的例子来说，采用6 片1 2 位1 0 0 m s p s 的a d c ，就基本达到 要求。图2 5 表示了高速a d 、d a 并联结构。 另外也可考虑研究适合于低分辨率、高采样率的a d 编码调制方案。 2 z 4d s p 数字下变频( d d c ) 是a d 变换后首先要完成的工作，包括数字下变频、数 字滤波和二次采样，是系统运算量最大的部分，也是最难完成的部分。 对于一个系统带宽为1 0 m h z 的系统，根据n y q u j s c 抽样定理，对带限信号的 采样率必须大于信号带宽的两倍。实际系统中通常采用过采样来抗频谱混叠，一 般采样频率要大于2 5 m h z 。为了较好地进行滤波、下变频、解复用、放大、解调、 跳频解跳、扩频解扩及基带信号的信道解码、解交织、信源解码、解密等处理， 需要每采样点1 0 0 次以上的操作，这就需要2 5 0 0 m i p s 以上的运算能力以及几百 至上千m o p s 的运算资源和几十至几百l d b p s 的i 0 速度。表2 - - 2 列出了目前 d s p 器件的性能： 表2 2t i 部分商用d s p 器件水平 指令执行浮点运算速运算速数据程序价格 f型号速度度度存储区大小( 1 k u ) ( m i p s ) ( m f l o p s )( m o p s ) ( b i t )( 美元) is m 3 2 0 c 6 2 0 1 1 6 0 01 m1 5 7 1 4 一e p l s m j 3 2 0 c 6 2 0 31 6 0 04 m 3 m7 1 6 2 4 t m $ 3 2 0 v c 3 37 51 5 08 2 51 6 m ( w o r d ) 1 5 0 t m $ 3 2 0 c 3 02 55 02 7 51 6 m ( w o r d )2 2 5 3 8 5 0 s m j 3 2 0 c 8 05 01 0 0超过主处理器4 k b y t e1 0 2 8 1 6 2 0 0 0指令缓存： 4 k b y t e 数据缓存 f 另有4 个并行处 理器) 注1 ：s m 3 2 0 c 6 2 0 1 - - e p 、s m j 3 2 0 c 6 2 0 3 、s m j 3 2 0 c 6 4 1 5 为整形d s p ， t m s 3 2 0 v c 3 1 5 0 、t m s 3 2 0 c 3 0 5 0 、s m j 3 2 0 c 8 0 为浮点型d s p 注2 ：m f l o p s 一兆次浮点运算每秒 m i p s 一兆条指令每秒 m o p s 一兆次运算每秒 由表2 2 可见，目前任何单片d s p 器件都无法满足要求，因此即便采用最 高速度的d s p 芯片，也满足不了中频段处理的要求。故d s p 成了实现软件无线电 的“瓶颈”。 解决方法有两种： 一是采用多个d s p 芯片并行组成的多处理器模块( m c m ) ，s p e a k e a s y 系统 就是采用了这种方法，选用的是t i 公司的o u a dc 4 0 m c m 芯片模块，它由4 片 t m s 3 2 c 4 0 及5 m b y t e 的r a m 组成，可达1 i o o m i p s ( 1 6 b i t ) 和2 0 0 m f l o p s ( 3 2 b i t ) 的处理速度，i o 速率为3 0 0 m b i t s 。 二是放弃在中频段使用d s p ，代之使用具有可编程能力的专用芯片，由专用 芯片完成部分或全部中频信号处理( 这种芯片的速度要高于通用d s p 芯片) ，而 由d s p 完成数据率较低的基带信号处理，降低对d s p 的要求。h a r r i s 公司的数 字下变频器( d d c ) h s p 5 0 0 1 6 可完成从宽带信号中提取有用信号的功能，其最大 输入速率为7 5 m s p s ( 1 6 b i t ) ，通过编程可控制数据速率及数据输出格式等。 在目前来说，采用d d c 的软件无线电系统是比较现实的，一旦d s p 器件达到 所需水平，就很容易过度到理想的软件无线电系统。采用d d c 的软件无线电系统 如图2 6 所示。 n 图2 6 采用d d c 的软件无线电系统结构图 考虑到扩频信号的扩频解扩是相对独立的部分，采用可编程的专用芯片 ( 如f p g a ) 来完成，同时也能保持软件无线电系统的结构通用性和良好的适应 性。 数字信号处理技术的水平高低是决定软件无线电台能否达到功能水平的关 键因素之一。因此，要完成软件无线电数据处理的艰巨任务，必须要求硬件处理 速度不断增加，芯片容量不断扩大。同时要求处理算法进行针对处理器的优化和 改进。只有这样，才能实现电台内部软件的高速运行和多种功能的灵活切换和控 制。 2 3 软件无线电发展趋势 软件无线电台要进一步发展并实用化需解决的问题还很多，详见表2 3 。 表2 3 软件无线电台要解决的技术难题 课题研讨内容收到效果 高频领域的数字化技术 i u 处理有关采样的信号处理技术接收机前端软件化 可灵活改变特性的接收滤波器的讨论 受制于各种媒体的软件下载技术对更改功能性能的 软件下载通信协议空间接口的研讨要求做出迅速反应 保密技术 把天线特性改成自适应的技术提高推断电波到来方 软件天线高频段化技术向的精度 各种算法的实现确保最佳收发特性 按接受电波环境使接收特性达到最佳状 环境适应技术态的技术实现无缝无线电台 接收电波的自动认识、分析技术 软件自动下载技术 a d 变换器 器件技术高速高分辨率d s p小型轻量化 提高信号处理能力多功能化 研讨最佳结构 标准化技术 标准化硬件组成 确保软件无线电台的 o s灵活性 软件下载协议 1 9 9 2 年以来，世界各国对软件无线电进行了大量深入的研究与实验。我国也 已将软件无线电纳入国家“8 6 3 ”高科技发展计划。虽然，软件无线电还处于初 步研究阶段，r f 处理、软件下载、软件天线、环境适应技术、器件技术和标准 化方面都还有很多工作要做，但因为软件无线电具有开放式的硬件平台及很强的 可编程性，便于电台间的互联互通，能在现有通信体制的条件下大大降低通信成 本，必将成为未来无线电通信的主宰。 第三章软件无线电的理论基础 本章介绍软件无线电的一些基础理论，主要包括信号采样理论，多速率信号 处理理论，数字滤波器以及正交变换理论等。 3 1 信号采样理论 软件无线电所基于的最基本的理论是带通采样定理。n y q u i s t 采样定理要求 采样率( f ) 必须大于2 倍的信号最高频率，以防止采样后信号产生混叠。据此对 于高频带限信号采样时，就需要高于最高频率两倍的采样频率，很难实现。而应 用带通采样定理可以大大降低n q a j s t 采样技术所必须的采样速率，当它与前置 窄带滤波器的相互配合使用时，采用几个有限的“低”采样率就可以实现对整个 工作频带内的射频信号进行直接采样数字化。 带通采样定理：若一个频率带限信号x ( r ) 的最高频率为厶，