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北京| | | ；j n 人学倾+ i j 学位论文 软件无线电的数字中频处理技术 软件无线电的数字中频处理技术 摘要 软件无线电是一种实现无线通信的新概念和体制。它的核心是： 将宽带a d 和d a 变换器尽可能地靠近天线，将电台功能尽可能 地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台， 而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。这样，无线通信系统具 有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方便，这很可 能使软件无线电成为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信 之后的无线通信领域的第三次突破。 软件无线电系统可以分成三大部分：射频处理部分，中频及基带 处理部分以及控制管理和支持部分。射频处理部分包括所有射频的模 拟器件，中频及基带处理部分完成所有数字化处理，而控制管理和支 持部分完成整个系统的运行维护、提高服务质量以及新业务的开发等 任务。 本文着重研究了软件无线电数字中频处理技术的理论基础，关键 技术，分析数字中频处理技术的些技术难点，结合在综合通信演示 系统中的仿真实现进行深入的研究。最后对本文的工作进行总结并给 出了进一步研究的方向。 文章的主要工作成果如下： 1 在数字下变频( d d c ) 部分采用软件实现了正交乘法器混频，采 用将多级信号抽取与抗混叠滤波并行算法，能够将抽取和滤 波相结合同时进行，由此大大降低运算量并且程序结构简洁。 2 降采样抽取的末端，采用较高性能的f i r 滤波器，经过各种 试验和测试，保证信号质量。通过m a t l a b 仿真得到所需性能 的滤波器，然后通过c 语言设计实现移植性好的程序模块。 3 在设计时根据设计需求精心选取较低的采样率，同时需要满 足采样后信号的频谱重复间距足够大，从而尽量减弱由于频 谱折叠进入带内的噪声能量，或降低对抗混叠滤波器的带外 抑制要求。 4 本文对于等波纹f i r 滤波器的设计，提出了改进的自适应改 变栅格的设计方法，设计出的f i r 滤波器性能优良，同时又 兼顾到中频处理的资源开销问题，效率比较高。 垫塞m l ! ! ! 叁兰型! ：堂垡笙苎 竺苎蒌些皇塑墼兰塑竺型垫查 文中介绍的数字中频处理技术应用于综合通信演示系统的设计 有良好的扩展性和灵活性，性能可靠，成本较低，运算速度较快，达 到了预期的设计要求。 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，数字中频，数字信号处理，移动通信，数字上 变频，数字下变频。 d i g i t a li n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y t e c h n o l o g y i ns o f t 飘後r er a d i o a b s t r a c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，s e v e r a lk e yp r o b l e m si nt h ef i e l do fs o f t w a r e r a d iof o c u s e di n d i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yt e c h n o l o g ya r es t u d i e d a n dd i s c u s s e d ： s o f t w a r er a d i oi sap r o m i s i n gl q o v e lc o n c e p ta n ds y s t e mt or e a l i z e m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h ec o r e t e c h n o l o g yi s t op u tt h ea da n dd a c o n v e r t e ra s c l o s e l y a s p o s s i b l e t ot h ea n t e n n a ，t h er a d i of u n c t i o ni s d 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 eb a s i cp l a t f o r l ni n s o f t w a r er a d i o t h h s ，t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a sg o o dp e r f o r m a n c e i ng e n e r a l i t ya n d f l e x i b i l i t y i ti sv e r yc o n v e n i e n tt oi n t e r - s y s t e mc o n n e c t a n d u p d a t e i t i s p o s s i b l et h e s o f t w a r er a d i ob e c o m et h et h i r db r e a k t h r o u g ha f t e rt h ea n a l o g t od i g i t a l ，f i x e dp h o n et om o b i l e t h es o f t w a r er a d i os y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o3 p a r t s ：t h er a d i o f r e q u e n c yp r o c e s s i n g ，t h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( b a s e b a n d ) p r o c e s s i n g a n dt h ec o n t r o l m a n a g e m e n ta n ds u p p o r t i v ep a r t t h er a d i of r e q u e n c y p r o c e s s i n gp a r tc o m p r i s e st h ea n a l o gp a r t s t h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y 北京邮电大学硕士学位论文 软件无线电的数字中频处理技术 ( b a s e b a n d ) p r o c e s s i n gp a r t i si nc h a r g eo ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ec o n t r o lm a n a g e m e n ta n ds u p p o r t i v ep a r tp e r f o r mt h eo p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c e ，t h ei m p r o v e m e n t o ft h e q u a l i t y o fs e r v i c ea n dt h e d e v e l o p m e n t o f t h en e ws e r v i c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n s e v e r a lk e yp r o b l e m si nt h ef i e l do fs o f t w a r e r a d i of o c u s e do nd i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yt e c h n o l o g ya r es t u d i e d a n dd i s c u s s e dc o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o ni nc o m m u n i c m i o nd e m o s y s t e m sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，a tl a s t ，t h et h e s i si ss u m m a r i z e d a n d t h ef u t u r e p o s s i b l e r e s e a r c hi sd i s c u s s e d s o m em a j o rr e s u l t so ft h i s d i s s e r t a t i o na r eo u t l i n e d ： 1t h e h y b r i d a r c h i t e c t u r ei n d i g i t a ld o w n - c o n v e r t e r ( d d c ) i s i m p l e m e n t e d ，w h i c hi n c l u d eas y n t h e s i z e r , aq u a d r a t u r ep a i ro fd i g i t a l m u l t i p l i e r s ( w h i c ha c ta sm i x e r si nt h ed i g i t a ld o m a i n ) ，a n ds o m ef i l t e r s c a ne x t r a c ts i g n a la n dd e c i m a t et or e d u c e dd a t ar a t e 2a tt h ee n do ft h e s a m p l i n g t ot h ei f w eh a v et ou s eh i g h p e r f o r m a n c ef i rf i l t e rt or e a l i z ea n t i a l i a s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no f t h ef i rf i l t e ra n dt h es i m u l a t i o ni nm a t l a b ，w ec a n d e s i g n t h ef i l t e ro fo u r i n t e r e s t ，a n dt h e nd e s i g nt h ed i f f e r e n tf i l t e rm o d u l et or e a l i z e 3w eh a v et os e l e c tt h es a m p l i n gr a t ec a r e f u l l yt ok e 印t h ee n o u g h f r e q u e n c yi n t e r v a l sw e a k e nt h en o i s ep o w e ra n dl o o s et h en e e do ft h e o u t o f - b a n da t t e n u a t i o n 4an o v e l a d a p t i v ec h a n g i n g - g r i dr e m e z f i rf i l t e rd e s i g nm e t h o di s p r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i rf i l t e r i s i m p r o v e dt o s h o wt h e e q u i r i p p l ep r o p e r t y t h ee f f i c i e n to ft h ep r o g r a mi so p t i m a lt os a v et h e s y s t e m r e s o u r c e s o m e d i g i t a li ft e c h n o l o g i e su s e di nt h ed i s s e r t a t i o nh a v ee x c e l l e n t s c a l a b i l i t y a n df u n c t i o n a l a g i l i t y , l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dh i g h p e r f o r m a n c e t of u l f i l lt h ed e s i g n i tw i l ln o to n l y p r o v i d es o m ep r a c t i c a l t h e o r i e sa n dt e c h n i q u e s ，b u ta l s oh a sp r a c t i c a lv a l u e sf o ru st o a n a l y z e a n d d e s i g ns o f t w a r er a d i os y s t e m k e yw o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，d i g i t a li n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ( i f ) ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，d i g i t a lu p ( d o w n ) f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ( d u c ，d d c ) 独创性( 或创新性) 声明 y5 8 s 4 3 4 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，本人承担一切相关责任。 、，：_ 本人签名：兰璺堕日期：婴t ! 二兰 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 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 易丽 日期： 日期： 手；堪 北京i l | | f i u 人学坝i ：学位论文软件无线电的数字中频处理技术 第一章绪论 本章主要介绍了论文的研究背景和研究意义，列举了本文要解决的问题和所 取得的主要成果，最后给出了全文的内容简介。 1 1 研究背景和意义 在短短的不到二十年的时间里，移动通信经历了从a m p s 、n m t 模拟移动 通信，到d a m p s ，i s 一9 4 ，g s m 数字移动通信，再到第三代c d m a 技术的发 展过程。在移动通信技术的发展为生活带来方便的同时，也出现了多种通信体制 并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的现象。以硬件为主的传统的通信体制 难于适应这种局面，这些新标准由于射频载波频率和调制方式不同而限制了各种 设备的互通和兼容，造成了资金浪费和重复投入。 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 技术能够解决这一问题。它是指多频段、多功能 的无线通信系统( m b m m r ，m u l t i b a n d m u l t i m o d er a d i o ) 。其主要功能主要由 软件实现，是在通用的硬件平台上通过软件的不同算法，实时配置自己的信号波 形、调制方式，提供不同的无线通信功能与业务。由于软件无线电的软、硬件便 于升级，因而具有很强的适应性与兼容性。软件无线电具有灵活性和集中性两大 优点。灵活性即可以任意地转换信道接入方式、改变调制方式或接收不同系统的 信号等，利用这一特点，可以实现对现有多种体制的“无缝”连接。集中性即多 个信道享有共同的射频前端与宽带a d a 转换器，以获取每一个信道相对廉价 的信号处理性能。 由于技术的变化和应用的扩展，有关软件无线电的概念、结构、实现、用途 等都在发展之中，目前还很难给出一个严格而全面的定义，可以这样定义：软 件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过 软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电的关键思想 是：1 将a d a 尽可能靠近天线；2 用软件来完成尽可能多的无线电功能。软 件无线电是把硬件作为一个基本平台以总线方式连接。一个典型的软件无线电平 台可以将硬件单元划分成射频、中频、基带、信源和信令等各层，它们具有模块 化结构，各层之间的连接通过控制总线和数据总线实现。 北京l | | j i u 人学顺i j 学位论文软件无线电的数字中频处理技术 软件无线电技术，是多种技术的结合：按从前到后的顺序有：多频段天线技 术、射频转换技术、宽带a d c 和d a c 、以及在通用可编程器件上实现中频信号、 基带信号、比特流的处理等等。这一从前到后的顺序同时也是一个中频数字化的 软件无线电的信号处理( 接收时) 流程。由于现阶段，a d 、d a 变换器取样率、 数字信号处理能力的限制，大多数射频频段的变换部分还必须是模拟的，需要通 过传统的模拟滤波器来提取信号将射频信号转变为特定频率带宽内的信号。软件 无线电需要对整个带宽内的信号进行搬移并进行数字化处理，因此，只能在中频 部分进行数字化。采用数字中频处理可以完成的功能很多靠模拟技术很难完成， 数字化处理相对于模拟信号的处理有着极大的优越性 理想的数字化无线电接收机的最终目标实在天线的输出端直接进行射频信 号的采样，后续功能采用数字化处理，这是发展的趋势。 1 2 论文安排 本论文结合具体的综合通信演示系统，对软件无线电数字中频技术进行了理 论介绍和具体技术实现分析。 全文共分为五章，其余章节具体安排如下： 第= 章介绍软件无线电的总体架构以及软件无线电关键技术，介绍了数字中 频处理技术在整个体系中的作用，并对软件无线电的发展方向作了一些探讨。 第三章介绍数字中频处理技术的基本概念和关键技术，介绍了些技术难 点。 第四章首先简单介绍综合通信演示系统的设计概要，其次介绍了数字中频处 理技术在系统中的技术实现，并在等波纹滤波器的设计中提出通过自适应改变栅 格的方法来提高滤波器的性能。 第五章对全文的研究工作进行总结，探讨发展趋势，指出进一步的研究方向。 北京i l l l 5 l u 人学埘1 学位论文软件无线1 u 的数字中频处理技术 第二章软件无线电 2 1 软件无线电的概念 2 1 1 软件无线电的起源 软件无线电概念是在9 0 年代中期提出的。它是针对目前移动通信的现状和 发展历史而引发的一种新概念的无线通信系统。 软件无线电最初起源于军事通信。长期以来，军用无线电台面临的问题是， 各军兵种之间使用不同的通信体制，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 日益突山的矛盾。为了保证不同设备的互通性，使各军种间实现高效、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 f 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。 软件无线电的核心是将宽带a d 、d a 尽可能靠近天线，用软件实现尽可能 多的无线电功能。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、新体制不断涌现是当前移动通信 市场的突出特点。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， 这一现象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 北京i i l l j i u 人学坝，l 学位论文 软件无线电的数字中频处理技术 ；一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发展状况，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， 都以软件加载的方式进行更新换代。需要更新的软件可以通过一个统一的软件提 供商来供给，软件可以以无线电波的形式从空中下载。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 1 2 软件无线电的概念 软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台， 并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电的关 键思想是：1 将a d a 尽可能靠近天线；2 用软件来完成尽可能多的无线电功 能。 对于软件无线电的认识应注意：第一，软件无线电并不是不要硬件，而是把 硬件作为一个基本平台。这个平台具有两个特点：1 模块化、标准化；2 以总 线方式连接。一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划分成射频、中频、基 带、信源和信令等各层，它们具有模块化结构，各层之间的连接通过控制总线和 数据总线实现。第二，软件无线电与软件控制的数字无线电( d i g i t a lr a d i o ) 有 着根本的区别：软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束 缚。在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能，使得系统的 改进f l i t ：t - 级非常方便且代价小，并且不同的系统间能够互联和兼容：而数字无线 电的进一步发展并不能做到这一点，它只能导致对硬件和系统结构的更多的依 赖。第三，软件无线电是一种开放的体系结构。这种开放性包含三个方面的含义， 即对使用的开放性、对生产的开放性和对研制的开放性。这三个开放性将同时给 用户、，一家和科研部门带来好处。 软件无线电具有灵活性和集中性两大优点。灵活性即可以任意地转换信道 4 北京邮i u 人学倾j ：学位论立 软件无线电的数字中频处理技术 接入方式、改变调制方式或接收不同系统的信号等，利用这一特点，可以实现对 现有多种体制的“无缝”连接。集中性即多个信道享有共同的射频前端与宽带 a d a 转换器，以获取每一个信道相对廉价的信号处理性能。 2 2 软件无线电的体系结构 2 2 1 软件无线电的理想结构 理想的软件无线电是一种纯软件、纯数字化的模式。软件无线电是在一个通 用的硬件平台上通过标准的空间接口加载不同的软件来实现多种通信制式，其理 想的结构框图如图2 - 1 所示： 幽2 - 1 理想软件无线电的结构框图 它包括一组宽带多波段的智能天线：一个宽带高精度的a d ，d a 转换器； 以及一个高速可编程硬件平台。以下就这三个部分分别作简要的介绍。 1 宽带，多波段的智能天线： 天线是软件无线电的硬件输入和输出端，这一部分不能用软件来实现。由于 软件无线电对多种通信制式的兼容性，天线的带宽必须满足一定的要求，因此软 件无线电的天线多用天线阵列的形式来实现。此外，快速配置也是软件无线电的 另一个特征，对于不同的通信制式，天线必须为高速可编程的智能天线，用来满 足不同制式的需求。 2 宽带高精度的a d ，d a 转换器： a d ，d a 转换器分别是软件无线电发送和接收系统的关键。根据奈氏定理 a d ，d a 转换器的采样率至少是射频段带宽的二倍。此外，a d 转换器的自由 动态范围( s f d r - - s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ) 也必须大于8 0 d b ，这样就需要 转换器的精度至少为1 3 b i t 。理想的软件无线电需要的a d 转换器具有1 6 b i t 的精 度，1 g h z 采样速度。 3 高速可编程硬件平台： 这个部分完成软件无线电的大部分功能，包括数字化射频段、中频段以及基 带、信令等的各类处理。理想的软件无线电的终端平台是一个单一的芯片，其处 理速度和处理能力( 包括快速数据访问，快速存储器) 可以达到实时性的要求。 理想的软件无线电是由一个直接与天线相连的数字信号处理单元所组成的。 5 北京i i l l 仙人学1 0 i fl 学位论文 软件无线电的数字中频处理技术 然而在当前，由于器件水平的限制这些对数字信号处理单元的要求是无法实现 的，所以理想软件无线电是被定义为一个未来的无线电设备。 2 2 2 可实现的典型软件无线电体系结构 典型的软件无线电系统可以从移动台和基地台两方面来分析，如图2 2 。它 们共包括电源提供、天线、多频段射频转换器、宽带a 删a 转换器，以及通用 可编程处理器和存储器等。移动软件无线电终端通过声音、数据、传真或多媒体 等方式与用户接口，而软件无线电基地台与公共电话交换网( p s t n - - p u b l i c s w i t c h e d t e l e p h o n e n e t w o r k ) 接口，基地台还包括支持运行和维护的软件系统。 以及支持开发新业务的工作站。 现代的无线电系统设计综合了模拟硬件、数字硬件和软件技术。随着d s p 与c p u 每秒百万条指令( m i p s m i l l i o n i n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 的成本下降， 实现软件无线电的灵活性的成本在下降，软件无线电变得越来越引起人们的关 注，而且软件无线电的多频段、多模式的灵活性使得它保证各种移动设备之间的 无缝集成。 园 幽2 - 2 典型软件无线电的移动台和基地台 6 北京| | | | 5 1 u 大学颂i ：学位论文 软件无线电的数字中频处理技术 2 2 3 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。而传统的无线电系 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，这种机制极大的限制了不同无线通信体制之间的互通。 一个理想的软件无线电系统肯定是一个多频段、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。更重要的是，这种特 有的灵活性同样也支持物理层上功能的实现。图2 3 给出了软件无线电通信系 统的体系模型。 图2 3 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、- p 频i f 处理部分和渊制解调部分。其叶可编程的剿频及信道 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而存在的。 幽2 3 软件无线屯通信系统的体系模型“ 北京邮i u 人学坝l j 学位论文软件无线电的数字中频处理技术 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，有些信源在物理位置上可能是远离 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。联合控制使得系统具有自动选择频带、自动选择数据 格式以及自动选择调制方式的功能。无线电系统越先进，联合控制就越复杂。 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z i 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。 非| | i | | d s ji d s p 梗ii 裢 喜吲障 牛颤鲁分 ( = ) i基毒娃理| 2 f 。，f h 为信号的最高频率分量。在实际应用中， 为了使前级抗混鞋滤波器易于实现，放宽了过渡带的陡度要求提高输入信号的 北京邮i u 人学i $ ii ：学位论文软件无线电的数字中频处理技术 信噪比( s n r ) ，一般采用过采样的方法f 。取f h 的2 5 倍以上。 7 带限信号要求信号给定的频率分量都在所设定的最高频率以下，然而实际中 通常接收到的信号所有频率通常存在，要考虑到实际的带外抑制度如何，否则带 外信号较大幅度的通过采样可以产生频谱的混叠，对有用信号产生影响，这将导 致信号恢复时的失真。因此为了降低采样信号频谱混叠造成的信号失真，要在采 样前将模拟信号通过一个抗混叠滤波器。 采样信号的频谱是原始频谱的重复，当采样率提高时，频谱间隔的周期增大， 对于带限信号进行大于或者等于n y q u i s t 采样率的采样保证了频谱没有重叠，原 始信号可以恢复。 尽管n y q u i s t 采样有许多优点，由于软件无线电要求兼容多种协议的不同特 征、不同带宽的信号，中频频率可能取得比较高，而且中频信号是带通信号，通 常往往采样速率f 2 5 b ，b 为中频信号带宽，因此效率较低，后级处理的负荷 很重，对功耗、结构、成本等方面影响较大。如图3 - 3 一b 所示： 一7 0 m7 0 m 幽3 - 3 一a 采样前信号频谱 2 5 5 1 6 m一1 1 5 1 6 m 一7 0 m7 0 m1 1 5 1 6 2 5 5 1 6 图3 - 3 一b 采样后信号频谱 ( 2 ) 正交采样： 用两路正交采样时钟分别对信号进行采样，输出分别为正交的i q 两路。 根据正交采样理论，要求f 2 b 不过需要两路a d c s ，对a d c s 电路参数一致 性、采样时钟相位和双通道幅度、相位失配要求较高，否则自身会产生较大噪声， 使性能急剧下降，实现起来比较困难。 ( 3 ) - 采样： 撤据信号的中心频率选择采样频率，能够将量化噪声移到信号带外，如果在 后级接低通滤波器就可以将其滤除，再进行降采样。虽然它的采样频率可以低于 北京| | | | 5 l u 人学坝l 学位论文 软件无线电的数字中频处理技术 n y q u i s t 采样频率，但仍然远高于信号带宽的两倍。 ( 4 ) 带通采样： 在软件无线电中使用带通采样可以使无线接收机直接在射频或者中频采样， 因为无线信号通常是带通的。带通采样适用于带通输入信号，它利用了采样的时 间等效性，只要f 。满足下式即可实现无混叠采样： 2 k f 2 f , ( k - 1 ) ；2 k i 。 五b ： 一z s 正 式( 3 1 ) 式中为信号的最高频率分量，石为信号的最高频率分量。 i 。 表示取不大于括号内数值的整数。 工 - 7 0 m7 0 m 倒3 - 4 一a 采样前信号频谱 工 - 一z 1 b mb 3 7 5 m5 37 5 mz 1 5 m 图3 - 4 b 采样后信号频谱 带通采样的采样频率可以很低，例如，当f l = b ，n = l 时，上式等号成立，即 f , = 2 b 。 不难看出，( 3 一1 ) 式将采样频率划分成若干个区间，由r l 确定。1 2 越小，频 率区间范围越大，也就是说对输入信号频率或采样频率偏差的要求越小。并且随 着n 下降，采样频率越高，量化信号的频谱重复问距越大，对抗混叠滤波器带外 能最抑制特性要求降低；同时处理增益也越高，输出信噪比增加，但后级处理负 荷也越大。在设计时应当根据系统电路结构和应用场合折衷确定n 的取值。因此， 综合各方面因素，带通采样是比较合适的高速中频采样方法。 3 2 2a d c s 设备选择标准 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 设置在中频处理部分和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 北京邮i u 人学颂j ：学位论文软件无线电的数字中频处理技术 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。 嘲2 7a d 变挺的原理圈” a d 变换的原理图如2 - - 7 所示。a d c 前面的模拟带通( 抗混叠) 滤波器 作用是防i h 在采样过程中产生频谱混叠。理想情况下，滤波器中心频率为中频信 号的频率，带宽为抽样频率的2 倍，通带内幅度为i ，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。 带通采样对a d c s 指标要求与过采样有所不同，带通采样a d c s 的模拟输入 信号频率范围并不局限于 o f s 2 ，由a d c s 器件特性决定，a d c 信噪比与 输入信号频率矗。和采样频率f s 成函数关系，当f s 一定时，最大输出s n r 确定， 随着f s l g 的y t 高逐渐降低。当s n r 下降到比最大s n r 低3 d b 时所对应的信号频 率值称为有效分辨率带宽( e r b w ) 。这是一个重要的指标，因为它确定了a d c 所适用的模拟输入信号的频率范围。 3 2 3 信噪比 信噪比是通信领域应用中极为重要的一项指标，使用起来很直观。其定义为： 信号幅度的均方根值与噪声功率谱在全频带内( 0 f s 2 ) 积分的平方根之比。噪 北京f j f f i u 人学顾i 。学位论文 软件无线屯的数字中频处理技术 声谱包含所有的误差机制的作用，包括量化噪声、电路噪声、孔径效应和比较器 模糊等等。 理想状态下的a d c 的唯一误差源是量化。误差由在变化范围内可能取任何 值的模拟输入信号转化为有限精度的数字序列时产生。如果输入信号是个正弦 波，则量化噪声与输入信号是强相关的。在实际使用中，信号中含有包括噪声的 在内的大量频率分量，量化误差近似是随机的，并通常假设各种量化误差出现的 概率相等，则量化误差均方根值( r m s ) 为q 2 ，q 为最小量化步长。理想的a d c 的信噪比计算公式如( 3 ) 式，可以看到s n r 随n 和f s 的增加而提高，量化输出每 增加1 位，s n r 提高6 0 2 d b ；采样频率每提高1 倍，s n r 增加3 d b 。但是量化 输出位数的提高，意味着芯片制作困难增加：而采样频率提高到一定程度之后， 相应的电路设计工作也具有较大的挑战性。 s n r = 6 ，0 2 n + 1 7 6 + 1 0 1 0 9 ( f , 2 b ) 式( 3 2 ) 除此以外，a d c s 的性能还受到其它误差源的影响，所得到的信噪比往往小 于用( 3 2 ) 式计算得出的理想结果。在实际测量出信噪比后，可以推导出a d c 有 效的最化比特数( e n o b ) 表达式： e n o b = ( s n r b 1 7 6 1 0 + l o g ( 正2 b ) ) 6 0 2式( 3 3 ) 其中有效的量化比特数与标称比特数之间的差值表示了由于量化噪声以外 的其它洪茬源导致a d c s 信噪比降低的程度。 目前达到射频采样的a d c 器件还无法实现，所以通常都是采用在中频数字 化的方案，对射频信号进行一次或者两次混频，然后将信号搬移到中频上，再使 用a d c 器件进行数字化。但是由于采样精度和采样速率的相互制约，而中频数 字化之后需要做很多运算，如数字下变频、解调、信道编译码等，所以必须要保 证一定的数字精度，以免影响通信的质量。 3 2 4 数字下变频 以现代通信理论为基础，数字信号处理技术为核心，微电子技术为支撑的软 件无线电近些年取得了引人注目的进展。数字下变频技术作为软件无线电的一个 重要部分，其技术也有了长足的进展。 我们已经知道软件无线电的思想是将无线电收发信机的数字化点( a d i a ) 尽可能的靠近天线，理想情况是在天线的后端进行射频采样，数字化之后，所有 的处理都可以用很灵活的方法实现。如果直接在射频段进行采样，模拟输入带宽 无法满足要求。因此，目前可行的方案是在中频进行数字化，把整个射频段信号 通过混频，搬移到中频段，进行a d c 采样。然后对大数据量的信号处理，在中 北京1 1 1 1 j l l 2 人学坝j 学位论文 软件无线电的数字中频处理技术 频阶段接收的是整个系统的频段，所以要在中频进行转换，到后续的基带处理部 分是对某一个特定信道的信号进行处理，因此数字下变频有两个要完成的任务： ( 1 ) 将包含所有信道的宽带信号进行信道分离，分别提取出需要的窄带信号。 ( 2 ) 通过分离信号，大大降低了采样频率，也就是大大降低待处理的数据量，以 减轻基带处理部分的压力。 数字下变频( d d c - - d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ) 是a d 变换之后首先要完成的处 理工作。包括数字下变频、低通滤波和多次抽样，是系统数字处理运算量最大的 部分，也是最难完成的部分之一。该模块接收中频采样数据，根据中频输出带宽 和信号带宽等要求确定抽样次数和各个抽样因子，利用正交混频技术进行变频处 理，采用了滤波和抽取同步并行的方法。对信号进行快速抽取，降低信号数据采 样率。本模块输出为低采样率信号数据，提供解调模块后续处理之用。 现在通常的做法是先利用专用硬件数字下变频器( d d c ) 将采样后的数字 信号进行下变频处理，如1 9 9 6 年h a r r i s 公司推出的第一代数字下变频器专用芯 片h s p s 0 0 1 6 及1 9 9 7 年推出的下变频器专用芯片h s p 5 0 2 1 4 ，然后再使用d s p 软件模块处理基带数据。这样做可以减轻d s p 的处理负担，但却增加了额外的 硬件电路，降低了灵活性。如果采用通用数字信号处理器按照传统算法进行数字 下变频处理，由于数据速率高、运算量大，存在d s p 的计算能力“瓶颈”问题。 本文将讨论用软件实现数字下变频处理的高效算法和结构，这样将有可能避免使 用d d c 器件。 用软件实现d d c 的好处是充分发挥在算法上的优势，算法的设计不必局限 于硬件实现的方案。用软件实现的d d c ，它将抽取和滤波两种运算结合起来， 省去了计算频率搬移之后和滤波之前的中间信号，只需要直接计算抽取后的那些 样点，提高了运算效率。需要花费一定的存储空间来保存系数，但是换来了运算 量的大幅度降低。 中频下变频器的功能是将数字化的二中频单边带信号的中心频率变换到0 频率，同时将实中频信号变换为复基带信号。复基带信号的实数部分和虚数部分 分别用同相分量( i )