（信息与通信工程专业论文）星用中频发射系统的设计和实现.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 随着我国在航天技术上不断进步和军事航天的需要，卫星测控技术越来越受到各国的 关注。存测控系统中，星用中频收发模块作为联系基带信号与发射天线的纽带，对系统性 能有着十分重要的意义。长期以来，我国在这方面还一直沿用模拟中频收发模块，而数字 中频模块的研究j 刚刚起步。随着软件无线电技术、数字信号处理技术和微电子技术的蓬 勃发展，数字化技术已逐渐走向成熟，中频发射系统的数字化已同益成为一项紧要的任务。 软件无线电是无线电通信领域中的一次重大革命。它为无线通信系统的小型化和智能 化提供了理论基础。软件无线电系统是一种复杂的数字信号处理系统，它极大地拓展了数 字信号处理的研究领域。本文采用软件无线电思想，建立了系统实现模型，并论证了系统 模型的可实现性。 通过对国内外相关资料和现有技术研究的基础上，文章探讨了中频发射系统的组成、 结构和工作原理，采用f p g a 场可编程逻辑器件构建了发射系统的通用平台，应用v e r i l o g h d l 可编程语苦编写了核心处理模块的硬件丌发程序，削述了直接数字合成器( d d s ) 的工 作原理和实现方法，给出了基于软件无线电的相位调制系统关键技术的实现方案。主要内 容包括：基带信号的数字化、数字基带信号的正交化、d d s 调相设计、输出功能数控衰减 等。 【关键字】中频发射系统，f p g a ，v e r i l o gh d l ，相位调制，直接数字合成器( d d s ) 第1 贝 国防科学技术人学研究生院学i 奇论文 a b s t r a c t w j t ht h e d e v e l o p m e n to fa e r o s p a c e t e c h n i q u e p r o g r e s sa n dm i l i t a r y a e r o s p a c e sd e m a n d s ，e v e r y c o u n t r yp a y s m o r ea t t e n tio nt ot h es a t e ll it e s o b s e r v ea n dc o n t r o lt e c h n i q u e s int h eo b s e r v ea n dc o n t r o ls y s t e m ，s a t e l1it e b a s e d i fr e c e i v c ea n dt r a n s m i ts y s t e m ，w h i c hisa c t sa sa1i n kb e t w e e nb a s e b a n ds i g n a l a n dt r a n s m it t i n ga n t e n n a ，h a sv e r ys i g n i f i c a n tm e a n i n gt ot h es y s t e m p e r f o r m a n c e f o ral o n gt i m e ，o u rc o u n t r yt i l lu s i n gt h ea n a l o gi fr e c e i v ea n dt r a n s m i tm o d u l e ， d i g i t a lm o d u l ei sj u s tm a k e st h ef i r s ts t e p w it hg r e a ti m p r o v e m e n to fs o f t w a r e r a d i 0 t e c h n i q u e s ，d i g it a ls i g n a l p r o c e s st e c h n i q u e s a n dm i c r o e i e c t r o n i c t e c h n i q u e s ，d i g i t a li z et e c h n i q u eg r o w st ob ep e r f e c t ，t od i g i t a l i z ei ft r a n s m i t s y s t e mi sb e c o m i n gas e r i o u st a s k t h es o f t w a r er a d i oi sag r e a ti n n o v a t i o ni nt h ew ir e l e s se o m m u n i c a t i o nf i e l d w h i e hp r e s e n t st h e o r yf o u n d a t i o nf o r t h ew i t e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mt ob e m i n i a t u r i z a t i o na n di n t e l l i g e n c e s o f t w a r er a d i 0s y s t e mi sac o m p l e xd i g i t a l d i g n a lp r o c e s ss y s t e m ，w h i c hg r e a t l ye x p a n d st h ei n v e s t i g a t i n gf i e l do ft h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s u s i n gs o f t w a r er a d i o ，t h isp a p e rs e tu pam o d e lo ft h es y s t e m ， a n dd e m o n s t r a t e st h er e a l i z a t i o no ft h em o d e l b ys t u d y i n gt h et e l e v a n tm a t e r i a lsa n dn o w d a y st e c h n i q u e s ，t h ep a p e rt a l k s a b o u tt h ec o n s is t s ，s t r u c t u r ea n df u n c ti o nt h e o r yo ft h e i ft r a n s m its y s t e m ， e s t a b l i s h e sau n i v e r s a lf l a t f o r m ，p r o g r a m m i n gam a i np r o c e s s i n gm o d e lf o r t h e h a r d a w r ee x p l o i t i n gp r o g r a mw i t ht h ev e r i l o gh d lp r o g r a m ml a n g u a g e ，e x p l a i n st h e f u n c t i o nt h e o r ya n da p p l ym e t h o do ft h ed i r e c td i g i t a l s y n t h e s is ( d d s ) ，p r e s e n t s as c h e m ef o rt h ep h a s em o d u l a t i o ns y s t e m sk e yt e c h n iq u e t h em a i nc o n t e n to f t h et h e s i si n c i u d e s ：t h ed i g i t i z a t i o no ft h eb a s e b a n d ，t h eo r t h o g o n a lo ft h e d i g i t a lb a s e b a n ds i g n a l ，d e s i g no ft h ed d sp h a s em o d u l a t i o na n dd i g i t i z a t i o n a t t e n d a n to ft h eo u t p u ts i n g a l k e y w o r d s i ft r a n s m i t i n gs y s t e m ，f p g a ，v e r i l o gh d l ，p h a s em o d u l a t i o n ，d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i s ( d d s ) 鞯1 1 负 国防科学技术人学研究生院学位论文 图表目录 图2 1n y q u i s t 信号采样 图2 2 抽样信号频谱 图2 3 抽取前后的频谱( d = 2 ) 图2 4 抗混叠抽取系统框图 图2 5 抽取前后频谱( d = 2 ) ， 图2 6 内插前后的频率( i = 2 ) ， 图2 7 零值内插方案系统框图， 图2 8 取样率为分数倍变换 图2 9 软件无线电发射机的基本组成 图2 1 0 信号调制数字模型 图2 1 l内插软件无线电发射机数学模型 图2 1 2 多通道软件无线电发射机模型， 图2 1 3 多通道全频段发射机模型 图2 1 4d d s 生成正弦波示意图， 图2 1 5d d s 原理结构图 图2 17 基带信号频谱特性图 图2 】8 抽取滤波器的频率响应图 图3 1 中频发射系统整体框图 图3 2 相干非相干状态选择逻辑。 图3 3 不同调制方式下的性能比较 图3 1 低频分量产生流程图， 图3 2 射频信号合成图， 图4 1 中频发射机的硬件结构 图4 2t p s 7 5 5 0 1 引脚图， 图4 3t p s 7 5 5 0 1 典型电路图， 图4 4t p s 7 5 5 0 1 内部功能图 图4 。5a d 9 2 2 3 内部结构。，。， 图4 6a d 9 2 2 3 典型应用电路 图4 7f p g a 结构框图 图4 8t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 结构图 图4 9a d 9 8 5 6 引脚分配 图4 1 0a d 9 8 5 6 内部功能框图 图4 1 l1 2 b i t s 输入突发模式， 图4 1 21 2 b i t s 输入连续模式 图4 l 3h e 7 5 1 引脚图， 图4 1 4h e 7 5 1 典型电路 图5 1 系统软件整体框图 图5 2 相干模式选择 图5 3 非相干模式选择 图5 4 测距音断。， 图5 5 测距音通 图5 6a d 9 8 5 6 命令串口写时序 第i i i 贝 0 0 0 ，0 0 0 0加m心挖坞婚坫坩坞加盟弱盯嬲嬲嬲鹊叭弛弘鸥站弘踮。w盯w盯勰 国防科学技术人学研究生院学位论文 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 表3 1 表4 1 表5 1 表5 2 表6 1 表6 2 a d 9 8 5 6 命令串口读时序 a d 9 8 5 6 控制字写入时序 a d 9 8 5 6 功能框图 i o 数据与t x e n a b l e 的时序 相限判断流程图 a d 9 2 2 3 采样时序 a d 9 2 2 3 采样仿真时序 功率控制时序 调制处理模块时延 d d s 输出信号的主频谱特性图 延时叠加法的实现方案框图 调制方式性能比较 h e 7 5 l 引脚定义 串口指令帧格式 a d 9 8 5 6 内部寄存器功能说明 发射系统主要技术参数测试表 收发系统总时延的测试指标 第j v 负 嬲粥的如铊铊鸲鹕蛎蛎趴弘勰勰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含 其他人已经发袁和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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谢意 学位论文题目：星围主蒸筮越盘缝鲍遮盐量塞煎 学位论文作者签名：星翘墨日期：加) 妒年，月， 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档。允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进 亏检索、可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本投权书) 学位论文题目：垦围圭躯基射丞统煎遮进曼塞窭 学位论文作者签名：羔至塾圣 作者指导教师签名：二烨 日期：耐年f ，月， 日 日期：妒年lf 月归 国防科学技术人学研究生院学何论文 第一章绪论 1 1 课题的来源 长期以来应答机中频收发模块采用模拟电路的方式实现，存在性能不完善、输入动念 范围小，不能适应中心频率大范围变化、体积大等问题。为了解决上述问题，加快航天技 术进步，研制和丌发通用化、综合化、智能化的应答机中频收发模块，可在一个标准化的 硬件平台上，通过上位机注入命令，实现对载波中心频率、环路带宽、输出功率、调制度、 相干非相干控制指令、测距音通断控制等参数的改变。 在通信系统中有一个十分重要的问题需要权衡。为了传递信息，发射机和接收机可以 采用简单的硬件，但是，这种方法要占据较宽的频谱，将要限制用户的数量；另一方面， 较复杂的发射机和接收机可以在较窄带宽内发送同样的信息，而这种为了在频谱上更有效 发射技术要求较复杂的硬件，复杂的硬件难以进行设计、测试和制造。这种权衡存在于通 信的方方面面，遍及于无线和有线、模拟和数字之中。 软件无线电的兴起，是现代通信体制的一项深刻的变革，是无线通信领域从模拟通信 到数字通信、从固定通信到移动通信后的第三次变革。它使通信硬件设备跟上无线电技术 迅速发展的步伐，也使得无线电设备具有更好的通用性和可升级性。以软件无线电思想为 核心，基于可编程器件的卫星中频发射模块的设计，是未来中频发射机的研制方向。 1 2 国内外星用中频收发模块的发展情况“_ 2 ， 以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑，利用软件无线电的思想设计电路已经 成为当今各国科技发展的必然趋势。国外在这方面已经取得了很大的进步。上世纪8 0 年 代美国率先在军事系统中n 丌始了无线电的研究、丌发和实验。1 9 9 5 年美国就已经研制成功 第一台软件无线电系统。现在发达国家在这方面的技术已大大超越了其他国家的技术能 力。我国和大多数发展中国家的卫星发射系统还是采用模拟方式，体积庞大，操作繁杂。 采用数字信号处理方式，以大规模数字集成电路为核心，将多种功能集成在一个或多个芯 片中实现卫星收发系统的小型化、多功能化、易于操作化，已成为世界各国卫星收发系 统追求的目标。我国正成为航空大国，随著航天事业的发展。适应未来航天测控要求的数 字化星用卫星发射系统已成为迫切的需要。 1 3 本文的内容安排、创新成果和应用价值 星用中频发射系统外与天线相接，完成正向信号的发送，内与指令与控制分系统、遥 测处理分系统、数据处理分系统相连接，完成卫星内部指令、遥测遥控信息以及数据信息 国防科学技术人学研究生院学位论文 的发送。随着航天测控系统的飞速发展，目前的星用中频发射系统将不能适应将来的测控 任务，国外在这方面的研究已经取得了较大的成就，国内的发展相对较慢，因而研制新型 的发射系统具有重要的应用价值。 课题的研究旨在研制一套实用的星用中频发射系统，该系统将对我国航天测控技术的 进步有重要的意义和价值。 本文的内容围绕数字化、软件化的思想进行分析论证，主要为解决以下几个问题： 1 利用软件无线电的思想，在中频实现数字化，提高系统的灵活性和适用性，同时实 现系统的小型化、智能化。 2 利用l u t 算法实现正交信号。 3 输出功率数控衰减。 本文内容安排为：第一章为绪论；第二章介绍软件无线电的基本原理和d d s 数字化的 核心技术；第三章介绍中频发射机的硬件设计；第四章介绍中频发射机的软件设计和性能 分析。 第2 负 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章软件无线电基本理论 软件无线电的核心思想就是将宽带a d ，d a 尽可能地靠近射频天线部位，最大限度 地通过运行一系列数据信号分析、处理、优化算法软件，完成传统模拟无线电电台通过具 体硬件实现的各种功能。因此，软件无线电系统是无线通信技术与数字信号处理理论的高 度融合，而数字信号处理理论则为软件无线电技术可行性的研究奠定了坚实的理论基础。 2 1 信号采样理论1 软件无线电的核心思想是对由天线感应的射频模拟信号尽可能是真接进行数字化，将 其变换为适合于数字信号处理器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。所以如何对信号进行采样是软件无线电需要 处理的首要问题。 2 1 1 n y q u i s t 采样基本理论 n y q u i s t 采样定理是指，设有一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( o ，厶) 内，如果 采样时钟，f 以不小于2 厶的采样速率对x ( f ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 x ( t ) = x 0 i ) ( 其中t = ，称为采样间隔) ，则原始信号x ( t ) 将被所得到的采样值x ( h ) 完 ， 全地确定。 设采样信号的为理想冲击函数序列，则采样信号的数学表达式为： p ( ，) = 艿( 卜n i ) ( 2 1 ) 将采样函数用傅里叶级数展开得： 。i 娶。t p ( r ) = 印 ( 2 2 ) 其中 e ：軎b ) 叼夸曲 代入式( 2 2 ) 可得 1 = 一 i 1 = = 一 i 6 ( f ) e d t ( 2 3 ) 第3 贝 ：玉：j三： 国防科学技术人学研究生院学位论文 p ( f ) ：导艺。争 所以对工( f ) 用采样频率z 进行抽样后得到抽样信号可表示为： t ( ，) = p ( r ) x ( t ) = 降争卜， = 辩譬似r ) 对x 进行抽样如图2 1 所示。 0t 图2 1n y q u i s t 信号采样 设x ( f ) 的傅里叶变换为x ( r o ) ，则根据傅里叶变换的性质有： e 。州x ( o 付x ( c o 一) 所以t ( f ) 的傅里叶变换可表示为： 砷，= 专茎砌一和 = 軎x 一n q ) 其中，略= i 2 7 r = 2 x f , 由式( 2 - - 6 ) 可见，抽样信号之频谱为原信号频谱经频移后的多个叠加。 的频谱如图( 2 a ) 所示，则抽样后的信号的频谱如图( 2 b ) 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 如果原信号 第4 贞 国防科学技术人学研究生院学位论文 图2 2 抽样信号频谱 由图( 2 ，2 ) 可以看到，置( 脚) 中包含有( 甜) 的频谱部分，而且只要满足： n 2 0 j h s y c f , 2 f h 则抽样后的频率之间不会产生混叠。这里，只需要一个带宽不小于国。的滤波器，就可 以滤出原来的信号。 2 1 2 带通采样理论 带通采样定理的表述为：对中心频率为五、带宽为b 的带通信号，记其上下截止频率 分别为厶：f o + 罢和 ：二一i b ，根据采样值不失真地重建信号的充要条件是采样率z 满 足： ， 2 盟f 2 且( 2 - - 7 ) m m l 其中，m _ 1 ，2 ，m 。，小m “。l 等| ，【x 】表示为不大于x 的最大整数h 1 。 带通采样定理适用的是只有一个频带上存在信号，而在其它频带上不允许存在信号， 否则将引起信号混叠。如果想将同时存在的不同信号进行采样，可以通过先将信号通过带 通滤波器滤出需要的信号，而其他的信号将被滤掉。带通采样的结果是把位于( n b ，( n + 1 ) b ) ( n = 0 ，l ，2 ，3 ) 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，但要注意的是这种表示在n 为奇数时，其频率对应关系是相对中心频率反转的，即奇 数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分 量。而偶数频带与采样后的数字基带频谱分量是一一对应的。 2 2 多速率信号处理川5 1 带通采样定理大大地降低了信号采样速率，但是对于一个频率很高的射频信号采样 时，如果采样频率取得太低，对提高采样量化的信噪比不利，所以在可能的情况下，带通 采样通常尽可能地选得高一些。而过高的采样速率又使得数据率过商，对后面处理器件要 求严格，使得处理上难以实现实时处理的要求。通常对这种窄带信号进行降速处理，其中 最为基本的方法是抽取和内插。 2 2 1 整数倍抽取 使采样速率降低的变换称为抽取，也称为采样速率的压缩，所谓整数倍抽取是指把原 第5 贝 国防科学技术人学研究生院学位论文 始采样信号序列x ( n ) 每j 辅d 一1 ( d 为正整数) 个数取一个，以形成一个新序列y ( m ) ，即： y(州)=x(dm)(2-8) n y q u i s t 采样定理知，当采样信号序列x ( n ) 的采样速率为，时，其无混叠带宽为五2 ， 当以d 倍抽取率对x ( n ) 进行抽取后得到的抽取序列y ( m ) 的采样速率为台。则其无混叠带 宽相应的变为嘉，所以，当x ( n ) 中含有大于嘉的频率分量时，y ( m ) 所对应的频谱必然产 生混叠现象。如图2 3 所示。 1 ( n ) 砒旦讼衄兰 x ( e ”) 图2 3 抽取前后的频谱( d = 2 ) 由关系式 y c m ，= 悟瓮“砘+ 1 + 2 对x ( n ) 、y ( m ) 进行傅里叶变换，可得： x ( e “) = f t x ( n ) 1 = x ( n ) e “ y ( e 心) = y ( m ) e ” = x ( d m ) e ”2 ” 式中，q = 等为x ( n ) 的数字频率。 炉器n y ( m ) n 数字n n ，且确= d 屿。 又： 上d 静争= 氛“矗2 。怠1 0 ，其它 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 第6 负 蛾 卫 m 国防科学技术人学研究生院学侮论文 共甲a 为帚额。 将式( 2 - - 1 1 ) 代入式( 2 - - 1 0 ) 得： m 一= 薹睫x ( n ) e j 和卜” = 搿炒州p =土纠。楫31(2-12)d岔ij 上式表明，抽取序列的频谱为抽取前原信号所对应频谱经频移和d 倍展宽后的d 个频 谱的叠加和。 由图2 3 可知，y ( p m ) 存在混叠现象，因此随意对x ( n ) 进行抽取是不行的，只有在抽 取后仍能满足采样定理时才能恢复出原来的信号。为此，通常在抽取之前，先对信号进行 低通滤波，把信号频带限制在2 j _ _ d 2 s 以下，这种抽取系统如图2 4 所示。 世匹乎叫掣 图2 4 抗混叠抽取系统框图 图2 4 中h ( n ) 为抗混叠滤波器，它的输出v ( n ) 的最高频率已经被限制在寺以下。图 中各点信号在时域和频域中的示意图如图2 5 所示。这种方法虽然把x ( n ) 中的高频部分滤 掉了，但由于抽取后避免了混叠，所以在y ( e ”2 ) 中完好地保留了x ( e7 n ) 中的低频部分， 可以从y ( p ”) 中恢复出的x ( e ”) 低频部分。如果x ( p 埘) 本身就小于嘉，则前置抗混叠 滤波器可以省略。 1 0 i x ( e ”) i 龇旦譬 吼址旦凸世h 吐址旦幽妇凸譬 第7d 国防科学技术人学研究生院学位论文 2 2 2 整数倍内插 所谓整数倍内插是指在两个原始抽样点之日j 插入( i - - 1 ) 个零值，若设原始抽样充列 为x ( n ) ，则内插后的序列y ( m ) 为： y 。，。，： x ( 予 ，c m = 。，z ，- ， 。：一， l o ，其它 设x ( n ) 的频谱为x ( e s ”) ，y ( m ) 的频谱为r ( e 。) ，则有： y ( p 叽) = y ( m ) e 2 “ = x ( n ) e 1 岫 =x(e。471(2-14) 由上式可知，内插后的信号频谱是原始序列频谱经i 倍压缩后得到的，如图2 6 所示。 1 “xr e j 一，) 呲卫丛j 厶 ( n y ( e j 。2 ) 呲旦巫必亡 图2 6 内插前后的频率( i = 2 ) 这时l ，( p j 4 ) 中不仅含有原始频谱，还含有频率大于等的高频成分。为t j a y ( e j a b ) c o 恢 复原始频谱，必须对内插后的信号进行低通滤波，要求其带宽为予。此时完整的系统框图 如图2 7 所示。图中h ( n ) 为低通滤波器。 也砸丑地砸弘 图2 7 零值内插方案系统框图 2 2 3 取样率为分数倍变换 假设分数倍变换的变换比为：r = 号，显然分数倍变换可以通过先进行i 倍内插再进 行d 倍抽取来实现。如下图所示。必须内插在前，抽取在后，以确保其中间序列s ( k ) 的基 第8 贞 国防科学技术大学研究生院学位论文 带频谱宽度不小于原始输入序列x ( n ) 、输出序列y ( m ) 的基带频谱，否则将会引起信号失真。 出。臣丑- 恒耍芦尘匝囹叶互p 蛙 也k 匝卜毒蛊卜叫掣 ( b ) 图2 8 取样率为分数倍变换 从图2 8 可得，两个级联低通滤波器h ( e ”) 、凰( p ) 工作在相同的取样速率，所以 h 。( e 。) 、h ：( e ”) 可以用一个组合滤波器h ( e ”) 来代替，如图2 8 ( b ) 所示，组合滤波器 h ( e j 。) 的频率特性应满足： h ( 。，。) ：，i l m i n ( 号，虽j ( 2 一。5 ) i o ，其它 2 3 软件无线电发射机数字模型“删 软件无线电发射机是软件无线电两大组成部分之一，它的主要功能是把需发射或传输 的用户信息( 话音，数据或图像) 经基带处理( 完成诸如f m 、a m 、f s k 、p s k 、m s k 、q a m 等调制) 和上变频，调制到规定的载频( 中心频率) f 。上，再通过功率放大后送至天线， 把电信号转换为空间自由传播的无线电信号，发向空中或经传输介质( 如电缆，光缆等) 送到收方的接收机前端，由其进行接受解调。 软件无线电发射机的基本组成如图2 9 所示。 图2 9 软件无线电发射机的基本组成 2 3 1 单通道软件无线电发射机数学模型 我f f j 失n 道，任何一个无线电信号都可以表示成下式： s ( r ) = a ( t ) c o s 2 9 f o ，+ 妒o ) 】 ( 2 - 1 6 ) 其中d ( f ) 为信号的幅度调制信息，p ( f ) 为相位调制信息。厶为信号的中心频率。而相 位调制与频率调制都可以看作为角度调制，且它们之问有如下的关系： 邝) ：掣 对式( 2 - 1 6 ) 数字化： 第9 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 s ( n r ) = a ( n l ) c o s 2 7 r f o n t , + 妒( ”t ) ( 2 1 7 ) l = 为采样间隔 ) s 将上式简化，得 s ( n ) = a ( n ) c o s o o n + 妒( n ) 1 ( 2 1 8 ) c o o = 2 万d o l 为数字角频率 利用三角公式。将上式展开后得： s ( n ) = a ( n ) c o s ( c o o n ) c o s 妒( n ) 一a ( n ) s i n ( c o o n ) s i n 妒( 行) ( 2 - 1 9 ) 谢jj ( ) = a ( n ) c o s 妒c n ) 吸1 q ( h ) = 一a ( n ) s i n ( o ( n ) 则( 2 - - 1 9 ) 可表示为： s ( 柙) = l ( n ) c o s ( c o o n ) + q ( n ) s i n ( o o n ) ( 2 2 0 ) 由( 2 2 0 ) 可以看到，任何调制方式都可以化为正交信号与正交本振相乘后求和， 即可得到调制信号s ( n ) 。 信号调制数字模型如图4 1 所示。 s in ( un ) 图2 1 0 信号调制数字模型 图2 1 0 所示的调制模型实际上是软件无线电发射机的基本数字模型，这种软件无线 电发射机由于受器件处理速度的限制，其最高工作频率一般是做不高的。通过采用内插技 术实现数字上变频就可以使输出的频率达到需要的工作频率。 基于内插的软件无线电发射机数学模型如图2 1 1 所示。 c o s ( ”n ) s i n ( u n ) 图2 il内插软件无线电发射机数学模型 第1 0 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 由上述的分析可以看出，发射系统的软件化在理论上是完全可能的。软件无线电的最 大优势是灵活性和可扩展性，如何构造合适的信号调制通用模型是中频发射系统研发的主 要目的。 2 3 2 多通道软件无线电发射机数学模型 所谓多通道软件无线电发射机实际上就是由多个单通道发射机构成的并行发射机，如 图2 1 2 所示。 c o s ( n ) 图2 1 2 多通道软件无线电发射机模型 由图可见，由三个单通道基频发射机产生的个信号s ( n ) ，s 。( n ) ，一s ( n ) 经合路 器相加后统一送到d a 转换器转换成模拟信号，然后由高速接零开关进行内插上变频，由 镜频滤波器滤出所需频段的多个信号。很显然图2 1 2 所示的这种多通道发射机同时发射 的这多个信号只能位于图2 1 2 中的某一频段内，即要求满足： ，r ( 脚一1 ) 等 z ，厂：，五 m 等 二二 m ：1 ，2 ，i ，i 为内插因子。对这一点也是容易理解的。如果需要在1 个频带中的任何一个 频带上出现，则需在接零开关后同时接l 个窄带电调滤波器，以滤出可能在1 个频带上出 现的l 个信号。这时对窄带电调滤波器有较高的选择性要求，即要求该滤波器对相邻的信 号应有足够的抑制，或者要求f 。，f ：，f ，这l 个频率l e j 隔不能太小，否则就有可能产生在 不同的载频上发射同一信号的不正常现象。这种可以在不同频带上同时发射多路信号的发 射机如图2 1 3 所示。 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 3 多通道全频段发射机模型 2 4 数字d d s 的设计”1 “1 直接数字频率合成( d d s ) 的理论依据是时域抽样定理，即一个频带限制在( o ，罢) 范围 z 1 内的时i b j 信号f ( t ) ，如果以瓦= 的间隔对它进行等间隔抽样，则信号将被所得到的抽样 。 值完全地确定。也就是说，此信号f ( t ) 可以由其采样值完全的恢复过柬。d d s f 是基于这 样一个原理而形成的，它将一个阶梯化的信号( 采样信号) 通过一个理想的低通滤波器，就 得到原始的连续信号f ( t ) 。 2 4 1 数字d d s 理论模型 任意波形的信号在某一时刻的幅度值都可由对应的相位唯一确定，d d sj 下是从相位的 概念出发，对于某时刻相位给出相应的幅度，从而合成所需波形，再经过数模转换器( d a c ) 后得到所需要的频率。 狲 么i ! 、t ，过7 图2 1 4d d s 生成f 弦波示意图 如图2 1 4 所示，当单位圆半径绕圆连续旋转，我们可以得到连续正弦波。如果半径不 是连续转动而是像按照一定步长绕圆周转动，我们就得到了阶梯式正弦波，步长的大小决 定了频率的多少。如改变步长的增量疗，就可得到不同频率的输出。步长越小，所得到 的信号越接近实际的正弦信号。 国防科学技术人学研究生院学位论文 r 。箱砸赫菇一j - - 一j 图2 1 5d d s 原理结构图 d d s 的基本原理结构如图2 1 5 所示。先出频率字寄存器存储一个对应于输出频率的控 制字，将该频率控制字送入相位累加器来生成实时的相位信息。相位信息通过查找正弦表， 将相应的相位信息转换为正弦信号的幅度信息，经数模转换和滤波后得到模拟u f 弦信号。 频率字寄存器存放频率控制字f c w ，对应于相位步长口，每个时钟将频率字与前一时 刻相位相加的到当前相位。当系统时钟为r e f c l k ，频率控制字字长为lbj t s 时，有 口：2 万f c w( 2 2 1 ) 2 “ 可以看到，频率的切换时间仅仅决定于系统时钟。 相位累加器对频率控制字进行累加得到当前相位，实质上相位累加器将 o ：2n 的 相位区间量化为( 0 ，l ，2 ，2 l - - 1 ) ，它是基于lb i t s 的模2 l 特性进行溢出运算模 仿正弦函数的模2n 特性，以实现从相位到波形的f 常转换。相位累加器的溢出频率就是 输出信号的频率，从而得到如下关系式： s i n ( 2 f t 三掣生) = s i n ( 2 石掣) ( 2 _ 2 2 ) 式中， 。表示对数取模2 ，累加器的累加溢出的过程，就相应于个数字积分器 后加一个模2 运算器。由此得到输出频率五与频率控制字f c w 的关系为： 五：f c 。w f m ( 2 2 3 ) 由式( 2 2 3 ) 可以看出，由于频率控制字f c w 为2 的整数次幂累加和，因此只能取整 数，所以当f c w = 1 时，就得到了最小频率分辨率： ，= 等 ( 2 2 4 ) 由d d s 参考时钟= 1 8 6 8 2 0 m h z ，l = 3 2 b i t s ，则a f o 0 4 3 5 h z ，其合成信号的精度 已远远超过了其它信号合成方式。 根据n y q u i s t 定理，当系统时钟为c m 时，可输出的最高频率j , j _ 1 。1 k 。从d d s 的工作机 制来说，直接数字波形合成过程就是采样的逆过程，以固定的时钟将波形还原出来。但 受低通滤波器非理想特性的限制，在工程上一般取： 缸= 0 4 ( 2 - - 2 5 ) 第1 3 页 国防科学技术入学研究生院学位论文 由) d s 参考时钟c * = 1 8 8 6 8 2 m h z ，所以最大输出频率为瓦。= 0 4 1 8 8 6 8 2 = 7 5 4 7 3 m h z ，完全满足合成信号频率7 0m h z 4 m h z 的范围。 由d d s 的理论模型可以看出，d d s 极易实现各种调制。调幅时直接在正弦表中对幅 度的输出进行控制，调相时在相位累加器输出端直接加上调制信号即可，调频时可通过改 变频率控制字获得，在实现c h i r p 调制时，在频率控制字前再加一个累加器即可。由于d d s 中的相位幅度都是数字的，也非常容易实现高精度的数字调制，如p s k 、f s k 等，而且易 于实现高精度的正交调制。出此可以看到，如何构造一个合适的正弦表或相位表，是d d s 实现各种调制的关键。 2 。4 2 半带滤波器 半带滤波器( h l a f b a n d f il t e r ) 在多速率信号处理中有着特别重要的位置。因为 这种滤波器特别适合于实现d = 2 ”倍( 即2 的幂次方倍) 的抽取或内插，而且计算效率高， 实时性强。 所谓半带滤波器是指频率响应h ( 。，m ) 满足以下关系的f i r 滤波器：i ? 2 ：一警 1 2 0 r2 0 或者说半带滤波器的阻带宽度一) 与通带( 。) 是相等的，且通带阻带波纹也相 等。其频率响应如图所示。 图2 1 6 半带滤波器频率响应 半带滤波器具有如下性质： h ( e 。) = 1 一h ( e m ”) h ( e 2 ) = 0 5 = 1 1 。, ，k k = ：0 2 ，“ 也就是说半带滤波器的冲激响应h ( k ) 除了零点不为零以外，其余偶数点全为零，所以 采用半带滤波器来实现取样率变换时，只需要一半的计算量，有很高的计算率，特别适合 于进行实时处理。 第1 4 负 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4 3 积分梳状滤波器( c i c ) 梳状滤波器的阻带很窄，并以甜= 警( n 为抽取因子) 为中心周期重复，故可用于多 级抽取的第一级抽取滤波器。为了说明这一点，首先分析一下多级抽取过程中对第一级滤 波器特性的要求。设第一级的输入抽样率为，抽耿比为m ，相应的输出抽样率为 正= 告。假设数字信号的基带频谱特性如图2 1 7 所示。 w i x ( r l 图2 1 7 基带信号频谱特性图 其中，e 为基带频率该基带的频谱等于接收端模拟信号的频谱。为了使该基带信 号在抽取过程中不混叠，仅需要滤去那些有可能混进( o c ) 频带内的信号，如果将滤波器 的过渡带也算作保护频带，那么所要滤去的频带位于螺c ( k = l ，2 ，m ) 之间，如图 2 1 8 所示。此时将阻带分为真f 的阻带和不管带区( 妒带) ，过渡带可由后续的滤波器处理。 阻带肿b 频鞫寿目当于数字频率为q 瑙磅= 簪相应的阻带宽度船等。 1 日f ，1 图2 1 8 抽取滤波器的频率响应图 誊 为了获得足够的阻带衰减，降低混叠影响，在信号带宽b 一定的条件下，应尽可能 她增大c i c 滤波器的输入采样率工，这就意味着c i c 抽取滤波器一般要用在抽取系统的 第一级。 梳状滤波器是一种最简单的f i r 滤波器，其单位冲击响应厅( h ) 全为l ，也就是说由n 个1 ，构成的一个序列，则n 为滤波器的节数，它的传输函数为 国防科学技术人学研究生院学位论文 脚) ：n - i z ：g ( 2 瑙) 肚0 1 一 由此可求得其频率响应为 s i n ( 型、 h ( e j m ： 2 ：p 一丁“( 2 2 7 ) s i n ( 罢) 为了使滤波器的直流增益为1 ，在上式加入归一化因子1 n ，得到滤波器的幅频响应为 ( 2 2 8 ) 可以很容易地得出梳状滤波器在频率点。= 2 z n ，k = l ，2 ，n 1 处的幅值为 零，也就是说在q 附近形成了多个阻带。设阻带宽度为2 a 6 0 ，则阻带最小衰减占为 j = 2 0 i g ( 2 2 9 ) 经归一化的求和形式变成 脚，= 专= 专苦 cz 蝴， 如果这样实现的滤波器的阻带衰减还不能满足要求，可以采用修正的梳状滤波器的形 式 脚h 专卜砖苦，。( 2 - - 2 9 ， 引入k 以后，其阻带衰减成k 倍增大，并且通带边缘变得更为陡峭，使滤波器的特 性变得比较好。当采用k 阶修正结构时，滤波器的阻带衰减变为d = k 6 。一般来说，梳 状抽取滤波器的抽取因子m 选定之后，其阶数也就随之确定了，阶数就等于抽取因子， 所以c i c 滤波器的阶数为n = m 。 2 5 软件无线电在系统设计中的应用 软件无线电的中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台， 将各种功能，如工作频率、调制解调类型、数据形式、加密模式、通信协议等用软件来完 成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、丌放性的新 一代无线通信系统。通过对软件的升级更新和硬件的升级换代，就可