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硕l ：论文软件无线电调制解调器的设计 摘要 软件无线电通过构造一个开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，把以前用 硬件实现的无线电功能用软件来实现，大大提高了通信系统的灵活性。它的出现对 移动通信的发展起到了很大的推动作用。由于受数字信号处理器、a d 转换器等器 件性能指标的限制，现在软件无线电的设计还无法直接对射频信号进行采样数字 化，一般都是采用中频数字化的设计方法，因此软件无线电数字中频调制解调技术 成为了软件无线电设计的核心和重点。 本论文基于软件无线电数字中频调制解调技术，主要研究了数字上变频( d u c ) 和数字下变频( d d c ) 。设计了一个以f p g a ，a v r 单片机和a d 、d a 转换器等 器件为核心的基本硬件平台，运用直接数字合成( d d s ) 技术产生两路正交本振信 号对a d 采样进来的信号进行混频，将数字中频搬移到基带，再经过抽取和低通滤 波处理之后最终将高速的中频信号变为低速的基带信号，完成数字下变频。同样运 用直接数字合成技术产生基带信号线性调频信号和正弦信号，与本地载波混频 后，将其频谱搬移到中频，完成数字上变频。所设计的软件无线电下变频模块在a v r 单片机的控制下，以q u a r t u si i8 1 为平台，用v h d l 语言及软件中自带的i p 核在 f p g a 上实现c i c 滤波器的可旁路、可变抽取和输出可变截位，h b 滤波器的可旁 路和输出可变截位，f i r 滤波器的系数可下载和输出可变截位，而且a v r 单片机扩 展有屏幕显示和键盘输入，具有较好的人机交互功能。 关键字：软件无线电，调制解调，d u c ，d d c ，a v r 单片机 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h ek e y1 d e ao fs o f t w a r er a d i oi st oc o n s t r u c ta l lo p e n , s t a n d a r d i z e d m o d u l a r i z e d a n dg e n e r a lh a r d w a r ep l a t f o r mu s i n gs o f t w a r et or e a l i z et h ew i r e l e s sf u n c t i o ni n s t e a do f h a r d w a r e ，w h i c hg r e a t l yi n c r e a s e st h ef l e x i b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e s o f t w a r er a d i op l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i n t h ec u r r e n td e s i g no fs o f t w a r er a d i o ，i t si m p o s s i b l et os a m p l et h er a d i o - f r e q u e n c ys i g r l a l d u et ot h ep e r f o r m a n c el i m i t a t i o no fc u r r e n td s p p r o c e s s o ra n da dc o n v e r t e r , i n s t e a d ， i t sc o m m o nt o s a m p l et h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a l i nm o s td e s i g n s ，t h u s i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yb e c o m e sak e yp o i n ti nt h e d e s i g no fs o f t w a r er a d i o t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ed i g i t a lu pc o n v e r t ( d u c ) a n dd i g i t a ld o w nc o n v e r t ( d d c ) b a s e do ni n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yi n s o f t w a r er a d i o i tc o n s t r u c t sab a s i ch a r d w a r ep l a t f o r mc o m p o s e do ff p g a ，a v rm c u ， a dc o n v e r t e ra n ds oo n i nd d c ，t h es a m p l e ds i g n a lf r o ma da n dt h et w oo r t h o g o n a l l o c a lo s c i l l a t e ds i g n a lw h i c hg e n e r a t e db yd i r e c td i g i t a ls y n t h e t i ct e c h n o l o g ym i x e dt o m o v et h es i g n a lf r o mi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yt ob a s e b a n d ，t h e nt h r o u g hd o w n - s a m p l i n g a n dl o w p a s sf i l t e r i n gw ec h a n g et h ef a s ti n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a li n t ol o wb a s e b a n d s i g n a l w h e ni tc o m e st ot h ed u c ，w ed ot h ei n v e r s eo p e r a t i o n t h a ti sm i x i n gt h e b a s e b a n ds i g n a l ( 1 i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o ns i g n a la n ds i n u s o i ds i g n a l ) 谢t ht w o o r t h o g o n a ll o c a lo s c i l l a t e ds i g n a lg e n e r a t e du s i n gd i r e c td i g i t a ls y n t h e t i ct e c h n o l o g yt o m o v et h eb a s e b a n ds i g n a lt oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yb a n d u n d e rt h ec o n t r o lo fa v r m c u ，b a s e do nq u a r t u si i8 1 ，u s i n gv h d la n dt h ei pc o r ei nf p g a ，t h ed e s i g n e d s o f t w a r er a d i od d cm o d u l ec a nr e a l i z eb y p a s s a b l e ，v a r i a b l es a m p l i n gr a t e ，v a r i a b l e t n m c a t i o no u t p u to fc i cf i l t e r ；b y p a s s a b l e ，v a r i a b l em m c a t i o no u t p u to fh bf i l t e r ； r e c o n f i g u r a b l ec o e f f i c i e n t ，v a r i a b l et r u n c a t i o no u t p u to ff i rf i l t e r b e s i d e s ，t h e r ea r e l c dd i s p l a ya n dk e y b o a r di n p u tp r o v i d i n gg o o dh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o nw i t ht h e h e l po f a v r m c u k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n , d u c ，d d c ，a v rm c u 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：埠 2 口f 0 年臼夕1 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：逍 加f 。年铝夕7 日 硕七论文软件无线电调制解调器的设计 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 软件无线电是一个以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子 技术为支撑的新的无线通信体系结构。它包含了一些新的理论和技术，如多速率信 号处理理论、数字变频技术等等。其中心思想是构造一个开放性、标准化、模块化 的通用硬件平台，并使宽带模数和数模转换器尽可能靠近天线，从而将各种功能， 如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成。具 有传统硬件方式所无法比拟的灵活性、开放性和可扩展性，此种结构的最大优点在 基于同样的硬件环境，针对不同的功能采取不同的软件来实施，其系统升级、多种 模式的运行可以自适应完成，能实现多模式通信系统的无缝隙连接，成为由模拟通 信到数字通信、由固定通信到移动通信、由硬件到软件的无线通信领域的第三次变 革n3 1 。 在移动通信领域，特别是在第三代移动通信发展中，软件无线电越来越多地受 到重视。由于第三代移动通信系统目前仍存在着标准之争，如果采用软件无线电来 适应不同标准，不失为一种可行之道，向国际电信联盟( i t u ) 提交的第三代移动 通信提案t d s c d m a 中就采用了软件无线电技术。t d s c d m a 结合了软件无线 电、智能天线、全质量话音压缩编码技术及联合检测技术等通信新技术具有先进性。 随着3 g 技术不断地成熟并最终进入市场进行运营，i t u 已经开始研究制订第 四代移动通信标准，并已达成共识：把移动通信同其他系统结合起来，产生4 g 技 术。在4 g 众多关键技术之中，软件无线电技术是通向未来4 g 的桥梁。近几年来， 软件无线电的体系结构发生了一些新的发展趋势。具体体现在体系结构分层化、软 件模块化、结构数字分析化、面向对象化、智能化、计算机化、网络化和信息安全 化等等。从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现具有可以根据无线电环境 变化而自适应地配置收发信机的数据速率，信道编译码方式，调n 解调方式，甚 至调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化无线通信系统，从而更加充分地 利用频谱资源，在满足用户要求的基础上使系统容量最大。相信随着软件无线电技 术的不断成熟与发展，其在4 g 中的作用会越来越突出，这必将加快4 g 系统的完 善m 3 。 随着近年来现场可编程门阵y u ( f p g a ) 器件和通用数字信号处理器( d s p ) 在芯片 逻辑规模和处理速度等方面性能的迅速提高，用硬件编程或软件编程方式实现无线 1 绪论硕士论文 功能的软件无线电技术在理论和实用化上都趋于成熟和完善。在现阶段，由于受各 种关键器件，特别是受a d c d a c ( 模数、数模变换器) 采样速率、工作带宽和通用 d s p 器件处理速度的限制，现在软件无线电的设计还无法直接对射频信号进行采样 数字化，一般都是采用中频数字化的设计方法，因此软件无线电数字中频调制解调 技术成为了软件无线电设计的核心和重点，它的优劣决定了通信系统的性能船3 。随 着近几年来芯片制造工艺的飞速发展，目前这一部分的技术实现手段多种多样，可 以直接利用调制解调芯片来实现，也可以基于软件无线电技术来完成。随着无线通 信技术和服务需求的飞速发展，设计者更青睐于基于软件无线电来完成。 1 2 软件无线电技术 1 2 1 软件无线电的主要特点 软件无线电的主要特点可归纳如下n 3 ： 1 、具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。可以与其他任何电 台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继。可以通过无线加载来改变软件模块 或更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，舍取选用的软件模块。 2 、具有较强的开放性 软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的 发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电 台通信，还能与旧体制电台兼容。这样，既延长了旧体制电台的使用寿命，也保证 了软件无线电本身有很长的生命周期。 1 2 2 软件无线电中的关键技术 1 、开放式总线结构( a r c h i t e c t u r eo p e n n e s s ) 软件无线电的开放包含两个方面，一是体系结构开放性，使用的开放性、生产 的开放性和研制的开放性给用户，厂家和科研部门带来好处；二是开放式标准化总 线结构，其适应性广，升级代换方便，这里v m e 总线作为软件无线电的首选总线。 2 、智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 智能天线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 ( d b f ) 技术与软件无线电完美结合的产物。它能覆盖所有工作频带，而且能用程 序控制的方法对功能和参数进行设置。 3 、模数转换( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n ) 软件无线电体系结构的一个重要特点是将a d 和d a 尽量靠近天线，为了减 2 硕士论文软件无线电调制解调器的设计 少模拟环节，在较高的中频，乃至对射频信号直接进行数字化，这就要求a d 器件 具有适中的采样速率和很高的工作带宽。为适应错综复杂的电磁环境，a d 器件除 了要有高速度，大带宽外，同时还需要大动态范围。 4 、高速数字信号处理能力( h i g h s p e e dd s p ) 软件无线电具有灵活性、可扩展性等主要特点，这主要是因为软件无线电的所 有功能都是用软件来实现的，通过软件的增加、修改或升级就可以实现新的功能。 可以说，功能的软件化是软件无线电的最大优势之一。在所有软件中，数字信号处 理软件占据着重要的位置，例如编码、调制、解调、译码、同步提取、频谱分析、 信号识别等都可以采用信号处理算法来实现。 5 、信令处理( s i g n a l i n gp r o c e s s i n g ) 是指通信协议及软件标准化、通用化和模块化。 软件无线电中各关键技术处理的流程图如图1 1 所示： 图1 1 软件无线电中信号处理流程图 1 3 本论文主要研究工作及内容安排 本论文主要讨论了软件无线电调制解调中的数字上变频和数字下变频技术。分 析了数字上变频和下变频的所用方法，并介绍了其硬件实现方法，最后还简单的介 绍了一下a v r 单片机和f p g a 之间的通信。本文的内容安排如下： 第一章绪论。简单介绍软件无线电的特点及其关键技术。 第二章软件无线电理论基础。主要论述了n y q u i s t 采样定理和带通信号采样理 论：软件无线电中多速率信号处理；c i c 滤波器、h b 滤波器和f i r 滤波器等高效 1 绪论 硕上论文 数字滤波器的性能。 第三章软件无线电调制解调器。主要介绍了基于软件无线电的数字调制器和解 调器设计，并讨论了各模型的硬件实现。 第四章数字上变频下变频的硬件实现为本论文的重点，主要讨论了a d 、d a 器件的选择和基于f p g a 实现数字上变频和数字下变频，其中数字上变频部分包含 基带信号的产生，载波的生成；下变频部分主要实现c i c 滤波器的可变抽取，可变 截位和可旁路，h b 滤波器的可变截位和可旁路，f i r 滤波器的可变抽取，可变截 位和系数可下载。 第五章a v r 单片机和f p g a ，主要介绍了a v r 单片和f p g a 之间的通信，基 于i c c a v r 实现对a t m e g a l 2 8 的初始化设置，基于f p g a 利用v h d l 实现a v r 单片机和f p g a 之间的接口电路。 4 硕上论文 软件无线电调制解调器的设计 2 软件无线电理论基础 软件无线电的核心思想是尽可能地对由天线感应的射频模拟信号直接进行数 字化，将其变换为适合于数字信号处理器( d s p ) 或计算机处理的数据流，然后通 过软件来完成各种功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。因此，软件 无线电首先要处理的问题就是如何对工作频带内的信号进行数字化，采样速率应该 如何让选取，软件无线电中的采样有哪些特殊性等等，本节就这些关键问题进行详 细讨论与阐述。 2 1 信号采样理论 2 1 1 基本采样理论n y q u i s t 采样定理 n y q u i s t 采样定理设有一个频率带限信号x ( r ) ，其频带限制在( o ，厶) 内， 如果以不小于f s = 2 f 的采样速率对x ( f ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信 号x ( n ) = x ( n r 。) ( 其中瓦= l 六称为采样间隔) ，则原信号x ( ，) 将被所得到的采样值 x ( 刀) 完全地确定。 n y q u i s t 采样定理的大概意思是，如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号 进行采样，当采样速率达到一定数值时，那么根据它的采样值就能重建原信号。也 就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得 到的抽样值即可乜1 。下面从数学上进一步来证明n y q u i s t 采样定理，即推导用离散 采样值x ( n ) 表示带限信号x ( f ) 的数学表达式。 引入单位冲激函数6 ( f ) ，构成周期冲激函数6 ，( f ) ： 6 丁( f ) = 6 ( t - n t s ) 如图2 1 ( a ) 所示。把67 1 ( ，) 用傅里叶级数展开可得 其中 6 r ( d ：艺e p ，等肼 e = 毒融分p 。争出 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 揿件无线电理论基础硕上论文 = 去母心专西 1 一- _ _ 一 弓 将( 2 3 ) 代入( 2 2 ) 中可得 6 趣，= 毒彭等州 因此对x ( r ) 用采样频率五进行抽样后得到的抽样信号为： x s ( t ) = 67 1 ( f ) x ( t ) = 瞎安肼卜， = 将争叫r ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) o ) ， ，一： i 、瓤d ， j 什：汀 ( 口) 【 图2 1 信号采集 设x o ) 的傅里叶变换为x ( w ) ，则根据傅里叶变换的性质： 口删x ( ，) h x ( w w 0 ) 贝l j x s ( t ) 的傅里叶变换x s ( w ) 可以表示为 墨( 叻：f 1 艺x ( w 一争) sn = s = 軎x ( w - n w o l s 行= 6 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 硕士论文软件无线电调制解调器的设计 其中，w s = 等= 2 n f s f s 由式( 2 7 ) 可知，抽样后信号的频谱墨( c o ) 由无限多个间隔为的x ( ) 相 叠加而成，这意味着抽样后的信号t ( f ) 包含了信号x ( f ) 的全部信息。如果2 w h ， 即石2 厶，则相邻的以油) 之间没有重叠，而且位于n = o 处的频谱就是信号频谱 彳湎) 本身( 图2 2 阴影部分) ，如图2 2 所示： j i ( w ) 厂、 一 j以( w ) 仆钐笏仆。 ( 口)( 6 ) 图2 2 抽取前后信号的频谱 这时只需要一个带宽大于或等于屹的滤波器，就能滤处原来的信号x ( t ) ，信 号重构滤波器如图2 3 所示： 坠咂丑j 力 j1 日( w ) 瓦 ( 口) 图2 3 信号重构滤波器 理想滤波器对应的冲击响应乃( f ) 为： 办( f ) = 不监勋( f ) ：孕s a ( w j ) j s 当兀= 2 f m 时： h ( t ) = s a ( w j ) 根据图2 3 可得( 圆表示卷积运算符号) x ( t ) = x s ( t ) o 办( f ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 软件无线电理论基础硕上论文 之x ( ，z 五) 【6 ( f n t s ) h ( t ) 】 = x ( n t s ) h ( t - n t s ) - b o o = x ( n r s ) s a ( w n t - r m ) + = x ( ，2 ) s a ( r c f s t - r m ) ( 2 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 可以看出，带限信号x ( f ) 可以由其取样值x ( n ) 来准确的表示，只 要采样时满足n y q u i s t 采样定理。 2 1 2 带通信号采样理论 带通采样定理设一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( 五，厶) 内，如果其采 样速率满足： 盗石箬 ( 2 1 1 ) 式中，m = l ，2 ，m m 积，聊麟= 【厶b 】，所以带通信号采样频率的取值范围由聊一 个互不重合的区间瓦= 2 f n m ，2 l ( 聊一1 ) 组成。 一种常见的带通采样频率表达形式为： 石= 羔 ( 2 1 2 ) 其中，石：五姜五，n 取能满足石 2 b ( b 为频带宽度) 的最大正整数。 当频带宽度b 一定时，为了能用最低采样速率f s = 2 b 对带通信号进行采样， 带通信号的中心频率须满足： 五：掣召 ( 2 1 3 ) 如图2 4 所示，图中任何一个中心频率为厶t ( k - o ，1 ，2 ，) 带宽为b 的带 通信号均可以用同样的采样频率f s = 2 b 对信号进行采样，这些采样都能准确的表 )n：、 酊 纵 厅 吼 母州 瓦 1 上 一 瓦 “ m 卜6 丫飞 参一瓠 r 性栅 l l = 硕士论文 软件无线电调制解调器的设计 示位于不同频段的原信号五0 ) ，x 2 q ) ，x 3 ( t ) ，o e o 图2 4 带通信号的频谱 值得强调的是，带通采样定理适用的前提条件是：只能允许在其中的一个频带 上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将引起信号混叠。例如， 当在( 召，2 b ) 频带上存在信号时，在其他频带上就不能同时存在信号，为了满足 这个前提条件，可以采用跟踪滤波器的办法来解决，就是在采样前先进行滤波，即 当需要对某一中心频率的带通信号进行采样时，先把跟踪滤波器调到与之对应的中 心频率磊。上，滤出所感兴趣的带通信号矗( f ) ，然后再进行采样，防止信号混叠n 1 。 这样的跟踪滤波器称之为抗混叠滤波器。 带通采样的过程实质上是一个频谱搬移过程，对带通信号进行欠采样，可以将 信号频谱从较高中频上线性的搬移到较低的频率，甚至是零中频，在低频上利用通 带滤波器或者低通滤波器就可以将信号提取出来。所以，带通采样在对信号进行 a d 变换的同时，还完成了对信号的下变频的处理功能。 带通采样的结果是把位于( ( 刀1 ) b ，r i b ) ( n = l ，2 ，) 不同频带上的信号都用位 于( 0 ，b ) 上相同的基带信号频谱来表示，如图2 5 所示，但是要注意的是正中表 示在行为偶数时，其频率对应关系是相对中心频率“反折 的，即偶数通带上的高 频分量对应基带上的低频分量，偶数上的低频分量对应基带上的高频分量，而奇数 频带与采样后的数字基带谱是高、低频率分量一一对应的担，。 图2 5 对频分信号进行采样 9 2 软件无线电理论基础 硕士论文 2 2 多速率信号处理 带通采样定理的应用大大降低了所需的射频采样速率，为后面的实时处理奠定 了基础。但是，从对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽应该越宽越好，随着 采样速率的提高，随之而来出现的问题就是采样后的数据流速率很高，致使后续的 信号处理速度跟不上，特别是对有些同步解调算法，其计算量大，因此很有必要对 a d 后的数据进行降速处理。如图2 6 所示，本节的多速率信号处理技术为这种信 号的降速提供了理论依据。 图2 6 多速率信号处理框图 2 2 1 整数倍内插 所谓整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间等间隔的插入( i 1 ) 个零值，若 设原始抽样序列为x ( n ) ，则内插后的序列x ，( 所) 为： 州聊) ：k 枷- 0 剐捌， ( 2 l o ，其他 内插过程如图2 7 所示，从图中可以看出，原来插入的零值点变为x ( n ) 的准确 内差点，通过内插大大提高了信号时域分辨率。 1 0 图2 7 整数倍内插 m 硕士论文 软件无线电调制解调器的设计 内插器的符号如图2 8 所示： ( 聊) 图2 8 内插器的符号表不 设x 仞) 的z 变换和傅里叶变换分别为x ( z ) 和x ( e ) ，下面则来讨论内插信号 的频谱墨0 ) 与原始信号频谱x ( e ) 之间的关系。 蜀( z ) = x l ( m ) z 嘲 将z = p p 代入式( 2 1 5 ) 中可得 - i - o o = x ( 所) z 砌 = x ( z 7 1 ( 2 1 5 ) 五0 少) = x ( e - m ) ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可以看出，内插后的信号频谱为原始序列频谱经，倍压缩后得到， 如图2 9 ( b ) 所示，这时，x ，( p ) 中不仅包含x ( p ) 的基带分量( 图中阴影部分) ， 而且还含有其频率大于兀1 高频成分( 称为z 0 一) 的镜像) ，为了能从x ，( p ) 中恢 复原始信号频谱，就必须对内插后的信号进行低通滤波( 低通滤波器的带宽为 兀1 ) ，滤波后的频谱结构如图2 9 ( c ) 所示。 jx ( e ) 一。 图2 9i = 2 倍内插前后信号的频谱 ( a ) 原始谱 ( b ) 滤波前 ( c ) 滤波后 2 软件无线电理论摹础硕士论文 从上述分析可以得出一个完整的，倍内插器的结构如图2 1 0 所示，图中 h l p ( p ) 为低通滤波器，且带宽小于冗i ，值得注意的是，利用内插不仅可以提高 信号时域分辨率，而且也可以用来提高输出信号的频率，即实现信号的数字上变频 ( d u c ) ，完整的内插器如图2 1 0 所示。从x ，( p ) 的频谱可以看出，只要用一个通 带滤波器滤出z 0 ) 的高频成分即可，带通滤波器的频率特性p ) 为： ( ：一1 ) 等1 w l ，z ( 2 1 7 ) 1 0 ，其他 式中，n = l 对应取出原始基带谱， 这时的内插器实际起到了上变频作用， 构不变。 n = 2 ，3 ，4 ，对应取出基带谱的各次倍频分量， 是输出频率提高( i - 1 ) 倍，但是信号的频谱结 以竺阿下竺医一，c ， 11 三卜叫! 竺r 八叫 图2 1 0 完整的内插器 2 2 2 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原始采样序列x ( n ) 每d 个数据取一个，以形成一个新的 序列x d ( m ) ，即： 1 2 杨( ，z ) = x ( m d ) 式中，d 为正整数，抽取过程如图2 1 1 所示。 ( 2 1 8 ) 图2 1 1 整数倍抽取 设x ( n ) 的傅里叶变换为x ( e ) ，则x d ( m ) 的傅里叶变换为( 推导过程略) ： 硕士论文软件无线电调制解调器的设计 ( ) = 去窆x 矽_ 2 村胭 ( 2 1 9 ) 从上式可以看出，抽取序列的频谱为x d 户) 抽取前原始序列的频谱x ( p ) 经 频移和d 倍展宽后的d 个频谱的叠加和： 当i ) = - 2 时， 如( ) = 寺工( 2 ) 4 - 寺x ( e j ( w - 2 x ) 2 ) ( 2 2 0 ) 此时信号的谱结构如图2 1 2 所示。如果x ( n ) 序列的采样频率为正，则其无模 糊带宽为石2 ，如果以d 倍抽样率对z ( 咒) 进行抽样后得至：l jx d ( m ) 的采样率为五d ， 其无模糊带宽为石( 2 d ) ，当x ( n ) 中含有大于石( 2 d ) 的频谱分量时，x d ( m ) 就会产 生混叠，使得从x d ( m ) 中不能恢复出x ( n ) 中小于正( 2 d ) 的频率分量信号，如图2 1 3 所示。 jx ( ) 入， i j l x ( e 1 w 1 2 ) 2 1 7 1 ， 1j x ( e j ( v , - 扛) 2 ) 2 ， ， 飞 ， 、 i i j ( 矿) ： i 1 n 。 、彳 v ； 图2 1 2 抽取前后信号的谱结构 但是如果首先用一数字滤波器对x ( e ) 进行滤波，该滤波器的带宽为7 c d ，使 得x ( e ) 中只含有小于冗d 的频率分量，然后再进行d 倍抽取，则抽取后的频谱 不会发生混叠，如图2 1 4 所示： 2 软件无线电理论基础 硕士论文 1 4 jl x f 、 入八八| | l _ ( 扩划) d ) ii i 。 li 泮划。 ；i 一-2n i-冗( 一_ 图2 1 32 倍抽取前后信号的频谱 图2 1 4 先滤波后抽取的信号频谱图( 无混叠) w w w 硕士论文软件无线电调制解调器的设计 这样对 一) 处理等n y - x ：寸x ( e p ) 处理，但是x d 0 p ) 的数据速率只有x ( e ) 的d 分之一，大大降低了对后续处理的速度要求n3 。这样整个抽取过程可用图2 1 5 表示。 ) ( p ) d 图2 1 5 完整的抽取 x d 婶一、) 2 2 3 取样率的分数变换 前面讨论过整数倍的抽取和内插，本小节来论述一下取样率的分数倍变换。设 分数倍变换的变换比为r _ d 仃，可以通过先进行，倍内插再进行d 倍抽取来实现。 如图2 1 6 所示，需要注意的是，尽可能先内插，后抽取，若抽取不混叠的话，可以 先进行抽取后内插。 三蜒垂嚣一 x 生( 卫恒互卜_ 岖p 图2 1 6 取样率的分数倍变换 当3 倍内插( i = 3 ) ，2 倍抽取( 伊2 ) 时，抽取内插前后信号的频谱图如图2 1 7 所示，其中2 1 7 ( a ) 为原始信号x ( ，z ) 的频谱，2 1 7 ( b ) 为x ( n ) 经3 倍内插后的频 谱，2 1 7 ( c ) 为x ，f 1 经内插滤波器滤波后的频谱，所用内插滤波器的带宽为7 c 3 ， 理论上2 倍抽取前须加带宽为兀2 的滤波器，由于7 c 3 w ) ( w 为截止频率) ，“力为接收信号，z ( f ) 为高斯白噪 声，则有图3 4 ： s h a p i n gf i l t e r c h a n n e l m a t c h e df i l t e r 图3 4 带限信道的信号设计 等效低通传输信号v ( ，) = i g ( t - n t ) ，所以，接收到得信号 n = o ，( ，) = v ( f ) 固c ( f ) + z ( f ) - - e i o g ( t n t ) o c ( t ) 】+ z ( f ) n = o = 厶 g ( f ) o c ( r 一刀丁) 】+ z ( f ) = i h ( t - n t ) + z ( t ) ( 3 1 ) n - - - o 其中，信道对成形函数的响应办( ，) = g ( f ) 圆c ( r ) ，匹配滤波器吃( f ) = 矿( o ) ，故 匹配滤波器的输出为 y ( t ) = ，p ) o 厅( - - t ) - - z 1 h ( t - n t ) h ( 。) + z ( f ) o 办( 。) 斗 = i x ( t - n t ) + n ( t ) ( 3 2 ) n = o 其中，x ( t ) = h ( t ) 0 办( - t ) ，n ( t ) = z ( ，) 0 矿( - t ) ，如果y 缈在时刻t = k t ，k = - o ，1 ，2 ， 处采样，则有 可等效为如下形式： y ( 七r ) = i x ( k t - n t ) + n ( k t ) 硕十论文软件无线电调制解调器的设计 肌= 厶坼。+ 体 n = o = ( 厶+ 土x o 量n = o 厶) + 像 假定带限信道的理想频率特性为： 由此可得 无码间串扰时，x ( d 和黝须满足 c ( 厂) = 1当l 厂i w x ( f ) = h ( f ) h ( 门 ( 3 3 ) ( 3 4 ) x o = 七丁，= 吆= ：篆i 昌 x ( f + m t ) = 丁 ( 3 5 当l 弘2 w 时，无码间干扰的黝只有当鼠伊尺i 卅 w ) ，颤沪堕等筹翌= s i i l c 伍f d 当1 t 2 w 时，普遍采用升余弦函数，其频谱为： 相应的x ( 0 为 x ( 厂) = 瓦 o 1 w l 譬尘 夺s i n 吾c t ( 1 - o t ) n ：ii 半 6 ) o 1 w l ! ! 堡2 堡 川) = 等而c o s a 丽g t t s ( 3 7 ) 2 7 3 软件无线电中的调制解调 硕上论文 由式( 3 4 ) 可知 q = q ( 门= 网 ( 3 8 ) q ( 厂) 为发射端滤波器( 成形滤波器) ，q ( 厂) 为接收端滤波器( 匹配滤波器) ， 它们都取平方根升余弦函数。 3 1 5 变速率内插 通过内插运算提高样点速率，以满足后续d a 转换器以及低通滤波器对数据输 入速率的要求。内插滤波器可以用第二章讲过的高效数字滤波器来实现，例如，h b 滤波器，c i c 滤波器。c i c 滤波器易于实现，节省资源，而且还滤出信号频谱镜像 分量。 3 2 数字通信解调器 在软件无线电中，典型的数字解调器如图3 5 所示： 图3 5 数字解调器设计 3 2 1 变速率抽取 在软件无线电中，为了改善中频数字化制对信号环境的适应性和可扩展性，可 以通过增加中频数字带宽的方法达到目的，与之对应的是采样频率也达到提高，但 是随着采样速率的提高带来的另外一个问题就是采样后的数据流速率很高，导致后 续的信号处理速度跟不上采样后的数据进行降速处理旧1 。变速率抽取滤波器多采样 c i c 滤波器，适合2 的幂次方抽取的h b 滤波器，f i r 滤波器，还可以采用同一类 型多个滤波器级联，或多种类型滤波器级联的方式来降低采样速率。 硕士论文 软件无线电调制解调器的设计 3 2 2 匹配滤波 如前面3 1 4 所述，匹配滤波器的冲击响应可采用升余弦函数，利用具有系数 对称性的f i r 滤波器来实现。 3 2 3 自动增益控制( a g c ) 在移动通信系统中接收的信号强弱变化很大，为了确保通信的正常进行，必须 对接收机接收到的信号幅度进行实时的调整。通过检测信号能量大小，相应地调整 放大器增益，以满足解调器的幅度要求，例如采用数字增益控制环路，对数据进行 适当定标。 a g c 环路以用户设定的理想信号电平为参考，对输入信号进行相应的运算，确 定误差信号，接着将误差信号送入一个用来产生a g c 校正更新参数的环路滤波器 中，环路滤波器输出相应的信号增益，以调整输入信号幅度，达到理想的信号电平 范围。 数字a g c 环路滤波器的形式一般有两种，一种是基于接收信号与期望参考信 号之间的线性相关性，另外一种是基于接收信号与期望参考信号之间的对数关系。 其中，基于指数值数字a g c 环路，它的校正信号是通过指数方程的形式传递的。 使用非线性函数来削弱控制电压，从而降低了在环路运动中由于小信号跳跃带来的 影响，对不同的输入信号幅度，系数增益有恒定的上升和下降时间，实现复杂度适 中。 3 2 4 位同步 在数字通信系统中，为了得到发送的信息数据，首先必须在解调器中的匹配滤 波器的输出端以符号速率对信号进行采样。因此，接收机不仅要知道采样的频率， 还要精确地确定在一个符号间隔内的什么时刻对信号进行采样，这就是数字通信中 至关重要的位同步问题。 位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论是基带传输还 是频带传输都需要位同步，所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，相 位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或者是其 他时刻【8 1 。 同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使得通信系统不 能工作。可见，在同步通信中，同步是进行信息传输的前提，而位同步又是帧同步 和网同步的基础，正是因为如此，为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应具有 更高的可靠性。实现方法有插入导频法和直接法。 3 软件无线电中的调制解调硕士论文 1 锁相环法实现位同步 图3 6 锁相环法位同步 在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者的 相位不一致( 超前或者滞后) ，鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位， 直至获得准确的位同步信号为止。 这种数字锁相环路，控制器根据滤波器输出的控制脉冲( 加脉冲或者减脉冲) 对高倍信号钟输出进行脉冲加扣，以此来实现对分频输出的位同步信号相位的前移 后者后移，从而达到与输入信号相位一致的目的。 2 位同步系统的性能 ( 1 ) 相位误差0 。 位同步信号的平均相位和最佳相位之间的偏差称为静态相差。对于数字锁相法 提取位同步信号而言，相位误差主要是由于位同步脉冲的相位在跳变的调整所引起 的。每调整一步，相位改变2 兀n ，n 是分频器的分频次数，故最大的相位误差为 0 。：3 6 0 。 ( 3 9 ) n 下 若用时间差来表示相位误差，因每个码元的周期为t ，可得疋= 二- ( 2 ) 同步建立时间f 。 同步建立时间是指开机或失去同步后重新建立同步所需的最长时间，通常要求 同步建立时间要短，尤其对突发工作的高速数字卫星通信，否则将会造成信息部分 丢失。 ( 3 ) 同步保持时间0 当同步建立后，一旦输入信号中断，或者出现长连“0 、连“1 ”码时，锁相 环就失去调整作用。由于收发双方位定时脉冲的固有重复频率之间总存在频差缸， 收端同步信号的相位就会逐渐发生漂移，时间越长，相位漂移量越大，直至漂移量 达到某一准许的最大值，就算失去同步了，由同步到失步所需要的时间，称为同步 保持时间嘲。一般希望同步保持时间长一些为好。 ( 4 ) 同步带宽觚 3 0 硕士论文 软件无线电调制解调器的设计 觚叫鳖惭m 酽一轴 ： 生 一一一一一一 i ：io 一i 图3 7 平方环法载波同步 鉴相器把输出信号“，( f ) 和参考信号o ) 的相位进行比较，产生相位差0 。的误差 电压( f ) ，其主要功能就是鉴别两个信号的相位差。环路滤波器l f 的作用是滤除 误差电压u d ( f ) 中高频分量和噪声，以保证环路所需的性能，增加系统的稳定性。压 控振荡器受控制电压“，( f ) 的控制，使压控振荡器的频率向参考频率接近，直至消除 频率差而锁定。 可见，锁相环对频率的跟踪是一个逐渐逼近的过程，同步时间太长，不适合于 高速的突发通信。 2 基于f f t 算法实现载波同步 样 求模， 相差， 除 点 m f f tm 分 次 取最大 频差估 处 方 运算 位置计 段 理 图3 8 开环前馈载波同步 如果采用q p s k 调制，进入q p s k 解调器的接收信号可以表示为： y l ( f ) = p 水m 枷) f 岬( f ) + 。( r ) ( 3 1 0 ) 其中，心为载波频率，w 为频偏，p ( f ) 为载波调制的相位，a 0 ( t ) 为相偏，首 先相干解调去除载波，信号变为如下形式： 3 软件无线电中的调制解调硕士论文 y 2 ( t ) = e j a w t 岬7 卜凹7 ( 3 1 1 ) 由于最终根据( p ( f ) 来解调判决出原信号，所以a w 和a 0 (