（通信与信息系统专业论文）基于fpga的多速率调制解调器的实现.pdf

摘要 随着人们对于高速无线数据业务的急切需求以及新的无线通信技术的发 展，频谱资源匮乏问题日益严重。无线频谱的紧缺已经成为限制无线通信与 服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电技术( c o g n i t i v er a d i o ) 改变了传统的固 定频谱分配方式，它以频谱利用的高效性为目标，允许非授权用户择机利用 授权用户的频谱空洞传输数据，以此来解决无线频谱资源短缺的问题。它是 具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技术。本文的目标是在 基于f p g a + d s p 的系统硬件平台上，以软件编程的方式实现认知无线电数据 传输的功能。 软件无线电是实现认知无线电的理想平台。本文首先阐述了软件无线电的 基本工作原理及关键技术途径，对多速率信号处理中的内插和抽取、带通采样、 数字下变频、滤波等技术进行了分析与探讨，为设计多速率调制解调系统提供了 理论基础。然后针对软件无线电的要求给出了基于f p f a + d s p 的系统设计硬件框 图，并对其中的部分硬件( f p g a 、a d 9 8 5 7 、a d 9 2 3 5 ) 做了简要的描述并给出其 初始化过程。在理解基本概念和原理的基础上，详细论述了在系统硬件设计平台 上实现的r d 4 d q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 调制解调技术。本文给出了调制解调系统 实现方案中的各个功能模块( 差分编、解码，加同步头、内插和成形滤波，下变 频，系统同步等) 具体的设计方案和通过硬件编程实现了板级的仿真和最后的硬 件实现，并对其中得到的数据进行分析，进一步验证方案的可行性。最后介绍了 通信板同频谱感知板协同工作原理，依据频谱感知板获取的各个信道状况自适应 的选择r d 4 - d q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 调制解调方式并在f p g a 上实现了其中部分 功能。 关键字：n 4 - d q p s k 8 p s k 1 6 q a m 自适应认知无线电 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dk e e n n e e df o rh i g hs p e e dd a t as e r v i c e s ，t h es h o r t a g eo fs p e c t r u mr e s o u r c e si sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u s w h a t sm o r e ，t h es h o r t a g eo fw i r e l e s ss p e c t r u mr e s o u r c e sh a s b e c o m e t h eb o t t l e n e c ko ft h e d e v e l o p m e n t o ft h ea d v a n c e dw i r e l e s s t e c h n o l o g y c o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g yh a sc h a n g e dt h ew a yo ft h e t r a d i t i o n a l g o v e r n m e n t - a u t h o r i z e du s eo ft h er a d i os p e c t r u m ，w h i c hi sw i t ht h ea i ma te f f i c i e n t l y u t i l i z i n gt h es p e c t r u m i no r d e r t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es p e c t r u mu t i l i z a t i o n ，i t p r o v i d en o n a u t h o r i z e du s e r st h eo p p o r t u n i t yt o u s et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mt h a t a u t h o r i z eu s e r sh a v en o tu s e dt e m p o r a l l ya n dg e o g r a p h i c a l l y t h em a i no b je c t i v eo f t h i st h e s i si si m p l e m e n t i n gt h ec o n m m u n i c a t i o nb a s e do nc o g n i t i v er a d i ot e c h n o l o g y b yu s i n gs o f t w a r ep r o g r a m m i n gb a s e do nt h ep l a t f o r mo f f p g a + d s p s o f t w a r ew i r e l e s sr a d i oi sa ni d e a lp l a t f o r mf o ri m p l e m e n t i n gc o g n i t i v er a d i o t e c h n o l o g y t h i st h e s i sd e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r ya n dm a i na l g o r i t h m so fs o f t w a r e w i r e l e s sr a d i oa tf i r s t t h e nt h et e c h n o l o g i e so fi n t e r p o l a t i o ne x t r a c t i o n ，b a n a s s s a m p l i n g ，d i g i t a lc o n v e r s i o ni nt h em u l t i - r a t es i g n a lp r o c e s s i n gw h i c ha r et h eb a s i c i d e a sf o rd e s i g n i n gt h es y s t e mo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na r ea n a l y z e d t h e nt h e f l a t f o r mo fs y s t e mh a r d w a r eb a s e do nt h ep l a t f o r mo fd s p + f p g aw i t ht h ea i do ft h e s o f t w a r er a d i oi si n t r o d u c e d s o m ep a r t so ft h eh a r d w a r ea n dt h e i ri n i t i a l i z a t i o na r e d e s c r i b e dw h i c hi sf o l l o w e db yas t u d yo fm o d e mt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h eb a s i c c o n c e p t sa n dp r i n c i p l e so fn 4 一d q p s k , 8 p s k , 16 q a m b a s e d o nt h ep r o g r a mo ft h e t h r e em o d e ms y s t e m ，证l e i rd e t a i l e dp r o c e s sa n dd a t aw h i c hi sf r o md e b u g g i n ga r e g i v e n f i n a l l y , w ei n t r o d u c eh o wt oc h o o s em o d eo fn 4 一d q p s k ，8 p s k , 16 q a m a d a p t i v e l yw i t ht h eh e l po ft h es p e c t r u ms e n s i n gb r o a da n dh o w t or e a l i z i n gt h ef p g a p a r to ft h ep r o c e s s k e y w o r d ：删4 一d q p s k 8 p s k16 q a ma d a p t i v e c o g n i t i v er a d i o 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做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：屏二矽乙一 日期磁军乒弓二一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期丕芝2 丞兰：玉 日期一趔华耻 第一章绪论 第一章绪论 随着无线通信技术在人们日常生活中的广泛应用，频谱资源匮乏问题日 益严重。无线频谱的紧缺已经成为限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。 认知无线电技术( c o g n i t i v er a d i o ) 改变了传统的由政府授权使用无线电频谱 的方式，它以频谱利用的高效性为目标，允许非授权用户机会式利用授权用 户的频谱空洞传输，以此来解决无线频谱短缺的问题。本章首先综合阐述了 数字调制解调技术，然后在提出认知无线电的概念、软件无线电的概念、以 及无线电设备的软件无线电技术和认知无线电技术的融合，最后在此基础上 给出本文的主要工作。 1 1 现代数字调制解调技术 调制与解调是现代通信的重要手段。调制就是在发射端用一个载波来运载基 带信号，使载波信号的某一个( 或几个) 参量随基带信号的变化而变化。解调是 调制的逆过程，它是在接受端从已调制的信号中恢复出基带信号。 数字传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。基带传输系统要求信道具 有低通的传输特性。但是，实际无线信道大多数都具有带通的传输特性。因此， 在频带传输系统中，我们用数字基带信号对载波进行调制。与模拟调制相同，数 字调制通过基带信号也可以改变载波的幅度、频率或相位中的某个参数。但是由 于数字信号的特点一时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”， 称为“键控法”。三种基本的数字调制方式是：振幅键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) 。 上述三种调制方式是数字调制的基础。然而，这三种数字调制方式都存在不 足之处，如频谱利用率低、抗多径能力差、功率谱衰减慢、带外辐射严重等。为 了改善这些不足，近几十年来人们不断地提出一些新的调制解调技术，以适应各 种通信系统的要求。 正交振幅调制( q a m ) 和正交频分复用( o f d m ) 方式在恒参信道中有高的 频谱利用率。因此正交振幅调制在有线电视网络高速数据传输和卫星通信等领域 得到了广泛应用，面正交频分复用在高清晰数字电视广播系统和宽带无线接入等 领域得到了成功应用。 高斯最小移频键控( g m s k ) 和r d 4 一d q p s k 具有较强的抗多径衰落性能，带 外功率辐射小等特点，因而在移动通信领域得到了应用。高斯最小移频键控用于 2 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 泛欧数字蜂窝移动通信系统( g s m ) ，r d 4 。d q p s k 用于北美和日本的数字蜂窝移 动通信系统。随着信息电子技术和工艺的突飞猛进，更新的调制解调技术会不断 出现。虽然调制解调方式多种多样，但是有一点是肯定的，那就是未来的调制解 调技术都是朝着一个方向发展的：使通信变得更可靠和更高速。 随着无线通信技术在人们日常生活中的广泛应用，频谱资源匮乏问题日 益严重。解决这问题的方法有许多种，其中有：一、采用高效的调制技术 ( 主要指多进制移相键控( m p s k ) 和多进制幅度调制( m q a m ) ) 或自适应 调制解调技术。自适应调制解调能根据信道特性的变化随时调整信道的比特信息 数，达到最优的传输性能。二、认知无线电技术，认知无线电改变了传统的由政 府授权使用无线电频谱的方式，它以频谱利用的高效性为目标，允许非授权 用户机会式利用授权用户的频谱空洞传输，以此来解决无线频谱短缺的问题。 1 2 认知无线电与软件无线电 1 2 1 认知无线电的概念 认知无线电是指具有自主寻找和使用空闲频谱资源能力的智能无线电技 术。认知无线电技术的提出，为解决不断增长的无线通信应用需求与日益紧 张的无线频谱资源之间的矛盾提供了一种有效的解决途径。认知无线电 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) 的概念起源于1 9 9 9 年j o s e p hm i t o l o 博士的奠基性工作， 其核心思想是c r 具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该 空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。c r 的学习能力是使它从概念走 向实际应用的真正原因。有了足够的人工智能，它就可能通过吸取过去的经 验来对实际的情况进行实时响应，过去的经验包括对死区、干扰和使用模式 等的了解。这样，c r 有可能赋予无线电设备根据频带可用性、位置和过去的 经验来自主确定采用哪个频带的功能。随着许多c r 相关研究的展开，对c r 技术存在多种不同的认识。最典型的一类是围绕m i t o l a 博士提出的基于机器 学习和模式推理的认知循环模型来展开研究，他们强调软件定义无线电 ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，s d r ) 是c r 实现的理想平台。 认知无线电又被称为智能无线电，它以灵活、智能、可重配置为显著特征， 通过感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，有目的地实时改变 某些操作参数( 比如传输功率、载波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接 收到的无线信号的统计变化，从而实现任何时间、任何地点的高可靠通信以 及对异构网络环境有限的无线频谱资源进行高效地利用。认知无线电的核心 思想就是通过频谱感知( s p e c t r u ms e n s i n g ) 和系统的智能学习能力，实现动 第一章绪论 态频谱分配( d s a ：d y n a m i cs p e c t r u ma l l o c a t i o n ) 和频谱共享( s p e c t r u m s h a r i n g ) 。认知无线电技术改变了传统的由政府授权使用无线电频谱的方式， 它以频谱利用的高效性为目标，允许非授权用户机会式利用授权用户的频谱 空洞传输。 认知无线电的数据传输部分的功能模块包括数字调制解调、上下变频、 滤波等都可以在系统硬件平台上以软件的方式来实现。 1 2 2 软件无线电的概念 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托， 通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设 计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的 硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠 近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新 改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放 式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线 电系统。简称s w r 。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电， 并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频( r f ) 波段、信道接入方式和信道调制。 1 2 3 无线电设备的软件无线电技术和认知无线电技术的融合 认知无线电( c r ) 同软件无线电( s d r ) 的区别：根据电子与电气工程 师协会( i e e e ) 的定义，一个无线电设备可以称为s d r 的基本前提是：部分或 者全部基带或r f 信号处理通过使用数字信号处理软件完成；这些软件可以在 出厂后修改。因此，s d r 关注的是无线电系统信号处理的实现方式；而c r 是指无线系统能够感知操作环境的变化，并据此调整系统工作参数。从这个 意义上讲，c r 是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、 政策、规则和目标进行推理和规划的高层功能。另外软件定义无线电( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ，s d r ) 同时也是c r 实现的理想平台。 1 3 本文的主要工作 数据传输技术对于c r 实现利用空闲频谱进行通信，从而整体上提高频谱 利用率的主要目标非常关键。由于c r 可用频谱可能位于很宽的频带范围，并 4 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 且不连续，因此c r 数据传输技术必需能够适应可用频谱的这一特性。 认知无线电的数据传输技术有2 个基本途径：采用多载波技术或采用基 带信号发射波形。在多载波传输技术中，正交频分复用( o f d m ) 是最佳候选技 术。本文中采用的是基带信号发射波形。由于作者的主要工作偏向于在f p g a 上实现调制和解调系统，所以可以认为是在一个通用的开发平台( f p f a + d s p ) 上，以软件编程的方式实现认知系统的数据传输部分功能。 本项目来自“8 6 3 ”的一个认知无线电的一个预研课题。整个项目发射和接 收部分各包含3 块硬件板：频谱感知板、通信板( d s p + f p g a ) 、射频板。 频谱感知板通过感知周围环境来获取可利用的空闲的频谱资源，并将之告知 通信板，通信板中的d s p 根据频谱感知板给于的信息来选择具体的载波频率 并将之告诉射频板，然后射频板将载波频率调到该值。 图1 1 认知无线电实现的总框图 发射机：计算机通过串口发送数据给通信板的d s p ，d s p 对其进行交织， 重新组帧，然后将组帧好的数据发送给f p g a ，f p g a 对数据进行调制后将其 发送给射频板。 接收机：射频板将接收到的信号下变频到中频并将其发送给通信板，通 信板中的f p g a 对该信号进行下变频及解调处理，最后将处理完的数据发送 给通信板的d s p ，d s p 对其进行解交织等处理并通过串口发送给计算机。 作者的主要工作是在通信板中的f p g a 中实现调制解调( 包含d q p s k ， 8 p s k ，1 6 q a m ) 。具体的工作主要有： 1 d s p + f p g a 硬件平台即通信板的设计和调试。 第一章绪论 2 多速率调制解调以及自适应调制解调在硬件平台上的实现，完成 了f p g a 中v e r i l o gh d l 代码的编写工作。 本文的各主要章节安排如下： 第二章软件无线电的概念和关键算法：主要介绍软件无线电的一些理论 和技术，包括：带通采样定理、内插、抽取、f i r 滤波器、数字下变频等等， 这些理论或技术最后都应用到了f p g a ( 主要实现基带信号的调制和解调工 作) 中。 第三章系统硬件平台的设计：首先介绍了系统硬件平台的总体构架，然 后对系统采用的部分硬件及其外围接口进行描述，最后给出这些硬件的初始 化过程。 第四章多速率调制解调系统的设计与实现：介绍了r d 4 d q p s k 、8 p s k 、 1 6 q a m 三种调制解调的原理，对这三种调制解调方式在f p g a 设计过程的各个 功能模块做了详细的描述。给出了下板调试中得到的数据，并做了进一步的分析。 第五章自适应调制解调系统设计与实现：在第四章的基础上，给出了在 频谱感知板的配合下，通信板自适应的选择调制解调方式的实现原理及其在 f p g a 部分的实现过程。 第二章软件无线电的概念及关键算法 7 第二章软件无线电的概念及关键算法 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编 程的软件方法实现所需要的无线电系统。软件无线电的基本思想是以一个通 用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种 功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实 现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把 数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的 开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。 软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断 升级和扩展。本章主要叙述了调制解调算法f p g a 实现过程中所用到的软件 无线电部分理论。 2 1 带通信号采样定理 当采样信号的频率分布在某一有限的频带( 无厶) 上时，如果按照n y q u i s t 采样定理，则采样频率有可能会很大，以至很难实现，或者后续处理过程的速率 满足不了要求。这时就要按照带通信号采样定理来设置采样频率，其具体定义如 下： 设一个频率带限信x ( t ) ，其频带限制在( 无厶) 内，如果其采样速率石满 足： 石= 鼍暑 期) 式中，n 取能满足石2 ( 厶一无) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ，则用五进行等间 隔采样所得到的信号采样值工( n 互) 能准确地确定原信号x ( t ) e 1 1 。 当已知中心频率兀：五 矗，带宽为b 时，式( 2 1 ) 可化简为： 五= 石4 f 石。 式( 2 2 ) 显然，当f o = 厶2 ，b = 厶，以= 0 时，z = 2 f h ，即带通采样定理包括了 n y q u i s t 采样定理。根据带通采样定理，可以得到采样频率的采样范围。但是在实 际中，采样频率的最终确定还需综合考虑a d 转换速度、后级滤波器的工作频率 以及设计的难易程度等因素，因此采样频率存在一个最佳值。 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 2 2 1 整数倍内插 2 2 多速率信号处理中的内插与抽取 内插理论是软件无线电发射机中数字上变频技术的理论基础。内插是在保持 信号频谱不变的情况下提高信号采样率。内插的方法很多，一个最简单的方法就 是在每个有效的输入采样之间插入i 1 个零值，再通过低通滤波器把零值采样点 处的值转化为实际输入相应位置的近似，使原信号采样率增加i 倍。i 为一正整数， 称为内插因子或内插率。 设有序列x ( n ) ，i 倍内插后得序列y ( m ) ，其表达式为： 咖) = d 鬟兰篓釜 蛔) 如图2 1 所示。 内插后的序列y ( m ) t = 2 ：。 ) 0 0 ， ) 霸 p 睦，、 ： i 巡 箩： ： 必 。 图2 1 整数倍内插不恿图 根据式( 2 1 ) ，对序列y ( m ) 进行z 变换，可推导出： 】，( z ) = y ( m ) z 一= y ( m i ) z 刊 m = m = = x ( m ) z 嗍7 m = o = x ( z 。) 把z = e p 代入式( 2 2 ) ，得到内插前后信号的频谱关系为： r ( e 归) = x ( e 归。) 式( 2 - 4 ) 式( 2 5 ) 1 b 6 4 2 0 2 4 6 8 1 0 0 0 0 0 0 0 0 第二章软件无线电的概念及关键算法9 由式( 2 5 ) 可见，内插后的信号频谱为原始序列谱经i 倍压缩后得到的谱。 在y ( e ) 中不仅含有x ( e 删) 的基带分量，而且还含有其频率大于万，的高频成 分( 称其为x ( e 归) 的高频镜像) 。因此，只要对内插的信号进行去镜像滤波( 低 通滤波器的带宽为刀1 ) 就能恢复出原始谱。经滤波后，原来插入的零值点就变 为x ( ，z ) 的准确内插值。由此可见，内插可以大大提高了时域分辨率【l 】。这也正是 在调制器电路设计中引入内插模块的原因，即通过提高时域分辨率来提高信号的 采样速率。通过上述分析得到一个完整的i 倍内插器的结构如图2 2 所示。 2 2 1 整数倍抽取 图2 2i 倍内插器的结构 抽取理论【1 1 是软件无线电接收机中数字下变频技术的理论基础。所谓整数倍 抽取，就是当信号a d d 采样后的数据流速率很高时，为降低速率以便处理和计算， 把原始采样序列x ( ，z ) 每隔( d - - 1 ) 个数据取一个，以形成一个新序列y ( m ) ，即 y ( m ) = x ( m d )式( 2 6 ) 式中正整数d 称为抽取因子。如图2 3 所示。 图2 3 整数倍抽取示意图 假设一个新的信号x 。( 刀) ，当力= o ，d ，2 d ，时，工( ，z ) = x ( n ) ；当n 为其他 值时，工( 刀) = 0 。下面对式( 2 6 ) 两边进行离散傅立叶变换，推导过程如下： 1 0 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 】，( z ) = y ( m ) z 一= x ( m d ) z 叫 佃枷 一肌 = x ( 聊d ) z 一= x ( 聊) z 万 = 卦腕，盼等驴 = 净p z 刁 把z = e ，? 代入式( 2 7 ) 可得抽取前后信号的频谱关系： y ( 纱) = 土d 窆1 = ox e ( w - 2 , a ) o 式( 2 7 ) 式( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 表明，抽取后序列的频谱为抽取前原序列的频谱经频移和d 倍 展宽后的d 个频谱叠加和。显然，抽取后的频谱会发生混叠现象，使得无法从 y ( e 归) 中恢复出原信号的频谱分量。但是如果事先对x ( e j ) 进行抗混叠滤波处理 ( 低通滤波器的带宽为z c l d ) ，使得z ( p 加) 中只含有小于万d 的频谱分量，经过 d 倍抽取后，信号的频谱就不会发生严重的混叠现象。为此，一个完整的d 倍抽 取器结构如图2 4 所示。 图2 4d 倍抽取器结构 2 3 积分梳状滤波器 高分解速率滤波器【1 】的一种非常有效的结构就是由h o g e n a u e r 引入的“级联积 分器梳状( c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b ，c i c ) ”滤波器。c i c 滤波器已经被证明是在 高速抽取或者插值系统中非常有效的单元。 所谓积分梳状滤波器，是指滤波器的冲激响应如下形式： ，、i1 ，0 n d l 乃( 咒) = o ：其他 式( 2 9 ) 式中，d 为c i c 滤波器的阶数。频率响应为： 第二章软件无线电的概念及关键算法 n h ( p p ) = f 1 - e 歹- j 加d 其中，幅频响应为1 日( p 归) l = 已 刁 ： 忠= e - 至 一等【d 一1 ) = e ( 式( 2 1 1 ) ) ，如图2 5 所示。 岔 器0 已 器1 2 l 00 20 40 60 81 n o r m a l i z e df r e a u e n c vf 仉r a d s a m p l e l 式( 2 一l o ) 图2 5c i c 滤波器的幅频特性和相频特性( d = 1 0 ) 由上图可以得出，c i c 滤波器的第一旁瓣只比主瓣低了不到2 0 d b ，这意味着 阻带衰减很差，一般是难以满足实用要求的。为了降低旁瓣电平，可以采用多极 c i c 滤波器级联的办法来解决。级联后的幅频特性为： l h ( d 。) l = s i n ( 警) ，彩、 s i n 一 、2 7 式( 2 1 2 ) 下面通过公式推导出级联后的c i c 滤波器的阻带衰减计算公式。 对于单级c i c 滤波器，由式( 2 1 0 ) 可以得到，当0 3 = 0 时，主瓣的电平为d ； 当缈= 1 5 丝d 时，第一旁瓣的电平4 为i 2 d 。从而可以得到第一旁瓣电平与主瓣 电平的差值善( 用d b 表示) ： 丝上p ，一 n嘶一星 1 2 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 = 2 0 l g 百d = 2 0 l g 了3 7 1 = 1 3 4 6 d b 式( 2 1 3 ) 那么级联后的c i c 滤波器的阻带衰减计算公式为 = 1 3 4 6 工。当d - - 2 ，l = 5 时，五级c i c 滤波器的阻带衰减就有6 7 d b ，基本能满足实际要求。其传输函数 见式( 2 1 5 ) ，幅频特性如图2 6 所示。 单级c i c 滤波器传输函数( d = 2 ) 为： 日( z ) = 1 + z 。1式( 2 - 1 4 ) 5 级c i c 滤波器传输函数( d = 2 ) 为： h ( z ) = l + 5 z 。1 + 1 0 z 一2 + 1 0 z 。3 + 5 z 。+ z 。 式( 2 一1 5 ) m 刁 、_ 一 奄 3 息 仁 仍 芝 f r e q u e n c yr e s p o n s e f o rt h ec i cd e c i m a t i o nf i l t e rl - - - 5 n o r m a l i z e df r e a u e n c vf 氕r a d s a m p l e 图2 65 级级联c i c 滤波器的幅频响应 一般c i c 滤波器主要由两部分组成：积分滤波器( i n t e g r a t o r ) 和梳状滤波器 ( c o m b ) 。在实际应用中，对于级联的c i c 滤波器一般采用如图2 7 所示的结构 实现：前端为n 级积分滤波器，中间为m 倍抽取器，后端为n 级梳状滤波器。 值得注意的是，在实现c i c 滤波器时，只需要加减运算，不需要乘法运算，故运 算量极小。正是因为它能用简单的结构、较少的资源灵活地实现输入、输出数字 信号的速率变换，所以c i c 滤波器往往在d d c 中用作第一级处理。 第二章软件无线电的概念及关键算法 1 3 i n t e g r a t o r 单元c o m b 单元 图2 7 积分一梳状级联结构 2 4f i r 数字滤波器 数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种：有限长冲激响应 滤波器( f r ) 和无限长冲激响应滤波器( i 瓜) 。所谓有限冲激滤波器( f 瓜) 是 指对单位冲激的输入信号的响应为有限长序列的数字滤波器。无限长冲激响应滤 波器( 己) 是指对单位冲激的输入响应为无限长序列的数字滤波器。 从性能上来说，i i r 滤波器传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方，因 此可用较低的阶数获得高的选择性，所用的存贮单元少，所以经济而效率高。但 是这个高效率是以相位的非线性为代价的。选择性越好，则相位非线性越严重。 相反，f i r 滤波器却可以得到严格的线性相位，然而由于f i r 滤波器传输函数的 极点固定在原点，所以只能用较高的阶数达到高的选择性；对于同样的滤波器设 计指标，f i r 滤波器所要求的阶数可以比i i r 滤波器高5 1 0 倍，结果，成本较高， 信号延时也较大；如果按相同的选择性和相同的线性要求来说，则政滤波器就 必须加全通网络进行相位较正，同样要大增加滤波器的节数和复杂性。 从结构上看瓜滤波器必须采用递归结构，极点位置必须在单位圆内，否则 系统将不稳定。另外，在这种结构中，由于运算过程中对序列的舍入处理，这种 有限字长效应有时会引入寄生振荡。相反，f i r 滤波器主要采用非递归结构，不 论在理论上还是在实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题，运算误差也较小。 此外，f i r 滤波器可以采用快速付里叶变换算法，在相同阶数的条件下，运算速 度可以快得多。 传统的f 瓜表达式： 其结构如图2 8 所示。 一l 少( 刀) = h ( k ) x ( n - k ) k = 0 1 4 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 r 一 h ( o ) h ( 1 ) h f 1r j r 。1r z 1 ) z l ，7 h ( n - 2 )h ( n 1 ) 1r 1， y ( n ) 图2 8f i r 滤波器的直接型结构 具有线性相位因果f i r 滤波器的系数具有对称性质，即h ( n ) = h ( n 一1 - n ) 。 所以图2 8 中的结构可变为图2 9 中的结构： x ( n )z - iz 一1z 一1z 一1 图2 9 线性相位的f i r 滤波器 f i r 滤波器在具体的f p g a 实现过程中，如按图2 9 所示的结构来实现，那 么f p g a 中所使用的乘法器的个数可以减少为n 2 ( n 为偶数) 。从而大大的减少 了所使用的硬件资源。 2 5 数字下变频技术 数字下变频( d d c ) 技术是软件无线电的核心技术之一。其在数字接收机中 要完成两大任务：第一，将中频信号变为基带信号；第二，由于中频采样频率很 高，从而产生很高的数据速率，使后面的数字处理器件难以承受，d d c 必须通过 抽取、滤波以实现数据速率的下降。数字下变频的算法原理框图如图2 1 0 所示。 数字下变频器的组成与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡 器( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e do s c i l l a t o r - - n c o ) 和低通滤波器三部分组成。数字 下变频的工作原理与模拟下变频是一样的，就是输入信号与一个本地振荡信号的 乘法运算。本地振荡信号是由数字控制振荡器产生的，它在d d c 中相对来说比 较复杂，也是决定d d c 性能的最主要因素之一。下面将介绍数字控制振荡器的 工作原理及实现。 第二章软件无线电的概念及关键算法 1 5 基 带 信 号 n c o 处 理 图2 1 0 数字下变频的算法原理框图 n c o 的目标是产生一个理想的正弦或余弦波( 下面用正弦来通称正弦或余 弦) ，更确切地说是产生一个频率可变的正弦波样本，如式( 2 1 7 ) 。 ， s o ) = c o s ( 2 z r 粤托) ( 以= o ，1 ，2 )式( 2 1 7 ) 1s 式中，厶为本地振荡器频率；兀为d d c 输入信号的采样频率。 n c o 的实现方法有实时计算法和查表法等多种方法。实时计算法的正弦波样 本需要通过实时计算的方法产生，由于计算需要占用时间，所以它只能产生频率 较低的正弦波，而要用此方法来产生高频率的正弦波是比较困难的。因此在实际 应用中一般采用最有效、最简单的查表法，即事先根据各个n c o 正弦波相位计 算好相位的正弦值，并以相位作为地址信息在存储器里存储该相位的正弦值数据。 其工作原理：通过相位累加产生地址信息，输出当前时刻的相位值对应的正弦值。 n c o 结构框图如下图所示。 弦值输出 图2 1 1n c o 结构框图 n c o 的频率控制字f c w 由本地振荡频率z 、输入信号的采样频率兀和相位 累加器的位数，z 决定。它们之间的关系见下式： ， f c w = 孚2 “式( 2 1 8 ) js 影响数字下变频器性能的主要因素有：表示数字本振、输入信号以及混频 乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差；数字本振相位的分辨率不够而 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 引起数字本振样本数值的近似取值。因此，在设计n c o 时要全面的考虑上述因 素，只有这样才能设计出性能好的数字下变频器。 第三章系统硬件设计 1 7 第三章系统硬件设计 3 1 系统硬件平台简介 本系统硬件平台( 通信板) 设计主要目标是实现认知无线电的数据传输功能。 通信板主要实现的功能有：一、完成信号的数字调制解调，二、信号从基带到中 频的变化及其逆过程，三、负责同频谱感知板的通信来获取当前的信道状况信息 并以此来决定在信息传输时具体采用哪种调制解调方式，四、通过串口完成与数 据终端的通信、五与射频板的数据通信。通信板主要由d s p ( t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 型号的芯片) 、f p g a ( a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列的 e p 2 c 5 0 f 4 8 4 c 8 型号的芯片) 、数字上变频器( a d 9 8 5 7 ) 、模数转换器( a d 9 2 3 5 ) 、 串口芯片( s t l 6 c 5 5 0 ) 、网口芯片( d m 9 0 0 0 ) 、以及语音口芯片( 4 8 8 0 1 ) 构成。 其硬件结构如图3 1 所示。 图3 1 通信板的硬件结构图 系统的大部分功能都是由作为通信板构成的主体的d s p 和f p g a 来实现的， 这体现了软件无线电的思想。 d s p 主要负责的工作有： 1 与频谱感知板及射频板的交互的工作。 2 负责同作为数据终端的计算机进行通信，对串口发送过来的比特信息进行 交织、c r c 校验以及重新组帧。 3 对f p g a 发送过来的解码后的比特信息进行解交织、c r c 检测。 4 对上变频器a d 9 8 5 7 、串口芯片等进行初始化。 f p g a 主要负责的工作按其功能可以划分为发送部分和接收部分，其中： 1 发送部分：对d s p 发送过来的数据根据所采用的调制解调方式进行星座 基于f p g a 的多速率调制解调器的实现 映射、加帧同步头、内差、f i r 成型滤波等操作，然后将成形滤波后的数 据送入上变频器a d 9 8 5 7 实现上变频。 2 接收部分：对模数转换器( a d 9 2 3 5 ) 采样下来的数据进行下变频、c i c 滤波、f i r 滤波、帧同步、位同步、a f c ( 自动频率控制) 、反映射、解码 等操作。 由于作者主要负责f p g a ，上变频器，模数转换器( a d c ) 等方面的硬件设 计，下面将对这三个器件及其接口、初始化过程作一下简单的介绍。 3 2 部分硬件及其接口设计 3 2 1f p g a 同d s p 的接口设计 1 f p g a 简介 现场可编程门阵列f p g a 有集成度高、体积小、灵活可重配置、实验风险小 等优点，在复杂数字系统中得到了越来越广泛的应用。与传统的逻辑电路和门阵 列( 如p a l ，g a l 及c p l d ) 相比，f p g a 具有不同的结构，f p g a 利用小型的 查找表( 1 6 1r a m ) 来实现组合逻辑；每个查找表连接到一个d 触发器的输入 端，触发器再来驱动其他的逻辑电路或i o ，由此构成了即可实现组合逻辑功能 又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元：这些模块间利用金属连线互相连接或连 接到i o 模块。f p g a 的逻辑是通过向内部静态存储器单元加载编程数据实现的， 存储在存储单元的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与i o 间 的连线方式，并最终决定了f p g a 所实现的功能。目前世界最大的两家f p g a 生 产厂商是x i l i n x 和a l t e r a 。l a t i i c e 、a c t e l 、q u i k l o g i c 相对小一点。 系统设计中f p g a 的主要功能是完成基带信号的调制解调工作。本系统硬件 平台采用了a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列的芯片，其型号为e p 2 c 5 0 f 4 8 4 c 8 。 该型号芯片有5 0 5 2 8 个逻辑单元( l e s ) 、并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式 1 8 比特x 1 8 比特乘法器、专用外部存储器接口电路、1 2 9 个4 k b i t 嵌入式存储器 块( 5 9 4 4 3 2 b i t s ) 、4 个锁相环( p l l ) 和高速差分i o 能力。总管腿数为4 8 4 个， 其中用户可用的管腿数是2 9 4 个。核心电压为1 2 v 。配置芯片采用e p c s l 6 ，即 该配置芯片有1 6 m b i t s 的存储空间。 2 f p g a 同d s p 的接口 d s p 同f p g a 的接口连线如图3 2 所示。f p g a 与d s p 的连接使用了e m i f 的 c e l 空间，地址空间从0 x 2 0 0 0 0 0 到0 x 3 f f f f f 。d s p 通过片选信号c e l 、写信号 w e 以及读信号r e 实现了对f p g a 信号的读写控制。i n t l 为d s p 发送中断， i n t 0 为d s p 的接收中断，接收中断的优先级高于发送中断。具体的数据交互的 第三章系统硬件设计 1 9 过程见4 1 小节。 c e l ，w l e r 、 a 1 5 ：o 】 ： 矿 “ t d a t a j 5 ：o 】 ，j d s p 腓-f p g a ，i t e ，i n t o 图3 2f p g a 与d s