（通信与信息系统专业论文）认知无线电中自适应调制解调器的fpga实现.pdf

摘要 随着无线通信技术的不断发展，人们对移动通信及宽带无线接入业务需求的 不断增长，无线频谱资源显得日益匮乏。因此，如何提高频谱利用率，一直以来 就是无线通信领域研究的主要任务。认知无线电的提出成为当下解决频谱资源稀 缺的一个有效方法。而认知无线电的特性要求认知无线系统必须具备一个可重构 的自适应调制解调器。因此，对于认知无线电平台中自适应可重构调制解调器的 深入研究具有重大的意义。 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，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，为设计自适应可重构调制解调器的设计提 供了理论基础。然后介绍了认知无线电系统的构成和基本工作方式，接着重点研 究了其中通信模块的f p g a 实现。在通信模块的实现中，研究了基于认知无线电 的b p s k 、r d 4d q p s k 、8 p s k 及1 6 q a m 调制解调技术，简要论述了他们的基本 概念和原理，并给出了设计方案。接着按信号流程逐一介绍了各个功能模块在 d s p + f p g a 硬件平台上的实现，并对得到的数据进行了分析，给出了性能测试结 果。在此基础上，结合认知无线电系统的要求，提出了可变调制方式，可变传输 带宽的自适应可重构调制解调器的设计方案，并对其中一些关键模块的硬件实现 给出了分析，同时给出了收端波特率识别的策略。最后，论文提出了一些新的自 适应技术，如波特率估计、信噪比估计等，并给出了应用这些技术的自适应调制 解调器的改进方案。 关键词：认知无线电自适应调制解调可重构波特率识别 a b s t r a c t f a c i n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , t h ew i r e l e s s s p e c t r u mr e s o u r c e sa r eb e c o m i n gd e f i c i e n ta l o n g w i t ht h ee v e r - i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s a n dh o w t oi m p r o v et h e s p e c t r a le f f i c i e n c yh a sa l w a y sb e e n am a i nc h a l l e n g ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n r e s e a r c hf i e l d c o g n i t i v er a d i oi sp r o p o s e da sa l le f f i c i e n tm e t h o dt or e s o l v et h i s p r o b l e m s i n c et h ea d a p t i v er e c o n f i g u r a b l em o d e mi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o g n i t i v er a d i o sf e a t u r e s ，t h er e s e a r c ho f i tb e c o m e sv e r ys i g n i f i c a n t s o f t w a r er a d i oi st h ei d e a lp l a t f o r mf o ri m p l e m e n t i n gt h ec o g n i t i v er a d i o t h i s t h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fs o f t w a r er a d i o e s p e c i a l l y , i n t e r p o l a t i o na n dd e c i m a t i o ni nm u l t i - r a t es i g n a lp r o c e s s i n g ，b a n d 。p a s s s a m p l i n g ，d i g i t a ld o w nc o n v e r t e ra n df i l t e r i n ga r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，w h i c hi s t h e t h e o r e t i c a lb a s i so fa d a p t i v er e c o n f i g u r a b l em o d e m si m p l e m e n t a t i o n a f t e rp r e s e n t i n g t h e a r c h i t e c t u r eo fc o g n i t i v er a t i os y s t e ma n db a s i cw o r k i n gm o d e s ，t h e t h e s i s i n v e s t i g a t e st h ei m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nf p g a i nt h i s s e c t i o n , s e v e r a lm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e si nc o g n i t i v er a t i os y s t e ma r e a n a l y z e d s u c ha sb p s k ，n 4d q p s k , 8 p s ka n d16 q a m a n d a f t e rt h i s ，t h et h e s i s i n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l eo ft h em o d e mb a s e do n d s p + f p g ah a r d w a r ep l a t f o r mi ns e q u e n c eo fs i g n a lp r o c e s s i n g b a s e do nt h ea n a l y s i s o fe x p e r i m e n td a t a , t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni s a l s o p r e s e n t e di n t h i ss e c t i o n a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t s ，t h et h e s i sp r o p o s e sa n e w l yd e s i g n e dm o d u l a t i o n 。v a r i a b l e ， b a n d w i t h - v a r i a b l ea d a p t i v er e c o n f i g u r a b l em o d e mt om e e t t h er e q u i r e m e n t so f c o g n i t i v er a t i oi nt h e f o u r t hs e c t i o n t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fs e v e r a lk e y m o d u l e si sd i s c u s s e d ，a n dt h er e c e i v e r sp o l i c yo fb a u dr a t ed e t e c t i o ni sa l s op r e s e n t e d i nt h i ss e c t i o n f i n a l l y , t h et h e s i sp r o p o s e ss e v e r a ln e w l ya d a p t i v et e c h n o l o g i e s ，l i k e t h ee s t i m a t i o no fb a u dr a t ea n ds n r a n dc o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n t s a l ea l s o d i s c u s s e d k e y w o r d s t c o g n i t i v er a d i o a d a p t i v em o d e m r e e o n f i g u r a t i o n b a u dr a t ed e t e e t i o n 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盈笠垫! 重 日期之：f ! ：! ：! 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。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。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 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：刍簦泣鱼日期丝l ! ：l ! 导师签名：日期丝 竺：! ：r 第一章绪论 第一章绪论 随着无线应用的范围不断扩展，数据传输速率的不断提高，频谱资源的稀缺 成为无线应用研究领域无法回避的重要问题。无线频谱是一种珍贵的自然资源， 而目前各国采用的基于静态( 固定) 频带分配的原则与方案造成的频谱浪费，成 为当今频谱资源日趋缺乏的一个主要原因。j o s e p hm i t o l a 博士提出的认知无线电 技术从频谱再利用的思想出发，能够对频谱资源达到有效利用并保持可靠通信能 力，成为当下解决频谱资源稀缺的一个有效方法。 1 1 认知无线电技术 “认知无线电”这个词最早是在1 9 9 9 年由j o s e p hm i t o l a 博士提出【1 j 【2 】，他描 述了认知无线电怎样通过一种称作“无线电知识表达语言( r k r i ，) 的新语言来 提高个人无线业务的灵活性。随后，m i t o l a 的博士论文【3 l 这样描述认知无线电： 无线数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面具有充分的计算智能来探测 用户的通信需求，并根据这些需求来提供最适合无线电资源和无线业务。这被认 为最终会演进成一个扩展的软件无线电( s d r ：s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 平台一 一一个根据网络或( 和) 用户要求完全重新配置通信功能、参数的无线黑盒子。 认知无线电又被称为智能无线电【4 】，它以灵活、智能、可重配置为显著特征。 它能感知周围环境，运用“理解构建 的方法学从周围环境中获取信息，并通过 实时改变诸如传输功率、载频、调制方式等传输参数来适应运行环境的变化。认 知无线电的两个最主要目标是高度可靠的通信方式以及高效的频谱利用效率。认 知无线电应当具备的两大主要特征是认知能力( c o g n i t i v ec a p a b i l i t y ) 和重新配置 能力( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 。认知能力能够使认知无线电与周围环境进行交互活动， 进而决定适合的通信参数来适应环境的无线频谱资源；重新配置能力能够不改变 任何硬件部分而调整传输功率、载频、调制方式等发射参数。从认知方面来看， 认知无线电看起来像是信号处理和机器学习过程；从重新配置方面来看，认知无 线电像是软件无线电在执行通过认知能力获得的任务。 基于以上介绍，认知无线电需要具备自适应调制解调( a d a p t i v em o d e m ) 的 能力，这就是指认知无线电能够根据可用的频谱机会调整传输参数。自适应调制 解调技术能够修改传输特性和波形，从而提高频谱接入和频谱利用率。认知无线 电能够根据法定用户特定的传输系统选择合适的调制方式。比如，根据法定用户 的情况，认知无线电能够在不同的信道接入方案如码分多址( c d m a ) 和时分多 2 认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 址( t d m a ) 之间切换。自适应调制解调技术还应包括根据可用频谱及传输速率 的要求动态地选择传输带宽、调制方式等。另外，认知无线电也可以应用一些新 的调制方式，比如将信号分成几个部分，每一部分占据不连续的频带等。 1 2 现代调制解调技术 调制与解调是通信系统的关键环节。所谓调制，就是用基带信号去控制载波 信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输，而解调是 调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。 数字传输系统分为基带传输系统和频带传输系统。由于基带数字信号往往包 含丰富的低频分量，甚至直流分量，所以只能在某些具有低通特性的有线信道中， 特别是传输距离不远的情况下进行传输。而大多数信道，如各种无线信道，都是 带通型的，基带信号必须进过载波调制，产生各种已调数字信号。与传统模拟调 制相同的是，利用基带信号改变载波的幅度、频率或相位中的某个参数，即能产 生相应的数字振幅调制( a s k ) ，数字频率调制( f s k ) 和数字相位调制( p s k ) 。 以上三种调制方式是数字调制的三种基本方式，它们是数字调制的基础。然 而这三种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。为了弥补这些不足，我们可以利用数字基带信号同时改 变载波幅度、频率或相位中的某几个参数，产生新型的数字调制，以适应各种通 信系统的要求。 高斯最小移频键控( g m s k ) 和x 4 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 泛欧数字蜂窝移动通信系统( g s m ) ，x 4 d q p s k 用于北美i s - 1 3 6 数字蜂窝系统、 日本的( 个人) 数字蜂窝系统( p d c ) 和美国的个人接入通信系统( p a c s ) 中【5 。 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中大容量数字微波通信系统、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，而正交频分复用在高清晰度电视 h d t v 的地面广播系统和宽带无线接入等领域得到了成功应用【6 j 。 随着通信技术的发展，更新更有效的调制解调技术会不断涌现，使得通信系 统更加高效更加可靠。然而，鉴于无线频谱的日益稀缺，我们不但应研究更先进 的调制方式，更应该采用动态的调制解调方式。结合前面介绍的认知无线电技术， 设计一套具有自适应动态改变调制参数的调制解调器，显得尤为迫切。 本文就是对认知无线电中自适应调制解调技术加以研究以及一定功能的实 现。 第一章绪论 1 3 本文主要工作 结合项目的需求，本人的主要工作是在d s p + f p 6 a 平台上设计一套自适应调制 解调器。基于这样一个要求，作者查阅了大量文献资料，深入研究了b p s k 、兀4 d q p s k 、8 p s k 及1 6 q a m 调制解调技术以及自适应传输技术，并在m a t l a b 中进行了 相关算法的仿真；同时，通过对软件无线电的学习，熟悉了多速率信号处理方法、 内插抽取理论、滤波器设计以及数字上下变频技术，最终在平台上实现了一个速 率可变、调制方式可变和带宽可变的调制解调器。论文安排如下： 第一章，介绍了认知无线电的产生和发展以及现代调制解调技术，提出了自 适应调制解调器在认知无线电中的必要性。 第二章，详细介绍软件无线电的基本原理和主要技术。 第三章，介绍基于软件无线电的调制解调器的仿真与具体实现。主要包括方 案的设计，各个模块的仿真实现，同时给出了相关结果。 第四章，介绍认知无线电中自适应调制解调器的相关需求指标，接着讨论方 案的设计以及实现，最后提出了一些可供本系统利用的相关自适应技术，并给出 了相应的改进方案。 第五章，给出了作者的工作总结及下一步的工作安排。 第二章软件无线电基本原理【7 】 第二章软件无线电基本原理1 j o s e p hm i t o l a 博士指出认知无线电是软件无线电的扩展【3 1 。从认知无线电的可 重新配置能力来看，认知无线电就是在软件无线电上执行通过认知能力获得的任 务。软件无线电是以通用性、可扩展性的最简硬件为平台，通过加载各种应用软 件来适应不同用户、不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能。它包含了 一些新的理论和技术，如多速率信号处理和数字变频等。 2 1 1n y q u i s t 采样定理 2 1 软件无线电中的采样理论 n y q u i s t 采样定理：设有一个带限信号x ( t ) ，其频带限制在( o - 厶) 内，如果以 不小于z = 2 厶的采样速率对x ( t ) 进行等间隔采样，则x ( t ) n - - y由采样信号t ( t ) = x ( n t s ) 唯一的确定。 抽样信号频谱是原信号频谱搬移后的叠加和。原信号x ( t ) 和抽样信号t ( t ) 的 频谱比较如图2 1 所示，其中= 2 x 厶。 jl x ) r 。1， 一h 0 c o n j x s ( o j ) 厂 、厂 、一 1 门 一l 一h 0hs 图2 1 抽样前后的信号频谱 由图2 1 可以看出，鼍细) 中包含有x ) 的频率成分。只要满足以下条件： q 2 或z 2 厶 就只需用一个带宽不小于的滤波器就能还原出原来的信号x ( t ) ，实现信 6 认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 号的重建。 n y q u i s t 采样定理的意义在于，时间上连续的模拟信号可以用时间上离散的采 样值来代替，这就为模拟信号的数字化处理奠定了理论基础。 2 1 2 带通采样定理 当待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： 设一个频率带限信号x ( ，) ，其频带限制在( 无厶) 内，如果其采样速率石满 足： 石= 鼍鲁 ( 2 1 ) 式中，n 取能满足石2 ( 厶一无) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ，则用石进行等间 隔采样所得到的信号采样值x ( z ) 能准确地确定原信号r x ( t ) 7 1 。 当已知中心频率石：五姜矗，带宽为b 时，式( 2 1 ) 可化简为： 石= 石4 f 石o ( 2 2 ) 显然，当石= 厶2 ，b = 厶，刀= 0 时，z = 2 厶，即n y q u i s t 采样定理是带 通采样定理的一个特例。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。 同时，上述带通采样定理要求：只允许在其中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，否则将会引起信号混叠，这就要求采样之前需 要在前端加一个跟踪滤波器。 带通采样定理是软件无线电中的最基本的理论之一。在软件无线电中使用带 通采样可以使得无线接收系统直接在射频或者中频采样，大大降低了采样率理论 值，因而大大降低了对a d 和d s p 的要求，为后面的实时处理降低了难度。 第二章软件无线电基本原理 7 l 2 2 多速率信号处理 软件无线电所基于的最基本的理论是带通采样理论，为了增强系统的适应性 和处理多信号的能力，以及提高采样量化的信噪比，带通采样速率应该尽可能地 选得高一些，以使瞬时采样带宽尽可能地宽。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会很高，从而导致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，如果其数据吞吐率太高是很难满 足实时要求的，所以很有必要对a d 后的数据流进行降速处理。多速率信号理技 术为这种降速处理的实现提供了理论依据。本章将专门介绍多速率信号处理的一 些基本概念和基本理论，其中最为重要也是最为基本的理论是抽取和内插，深入 理解和掌握抽取和内插理论对软件无线电的研究和数字变频的应用开发都是至关 重要的。 2 2 1 整数倍抽取 抽取理论订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 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 ( n ) 每隔( d 一1 ) 个数据取一个，以形成一个新序歹1 jy ( m ) ，即 y ( 历) = x ( m d ) ( 2 3 ) 式中正整数d 称为抽取因子。如图2 2 所示。 图2 2 整数倍抽取示意图 假设一个新的信号x ( ，1 ) ，当甩= o ，d ，2 d ，时，x ( 甩) - - - x ( 甩) ；当，z 为其他 值时，x ( 聆) = 0 。下面对式( 2 3 ) 两边进行离散傅立叶变换，推导过程如下： 8认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 】，( z ) = y ( m ) z 一= x ( m d ) z 叫 = x ( m d ) z 一= x ( m ) z - - f f = 外聊，盼i = 0 等护 亿4 ， m 2 l i l j j = 去剖e 等z 刁 把z = p 弦代入式( 2 4 ) 可得抽取前后信号的频谱关系： 】，( 纱) = 历1d 脚- 1 i e j ( w - 2 ，r 1 ) o ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 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】， 问) 中恢复出原信号的频谱分量。但是如果事先对x 0 归) 进行抗混叠滤波处理( 低通 滤波器的带宽为万d ) ，使得x ( p ，) 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 3 所示。 2 2 2 整数倍内插 内插理论7 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，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： y ( m ) = 丢坍7 d ：i 爱圭；：兰二：圭： c 2 6 ， 如图2 4 所示。 第二章软件无线电基本原理【7 】 9 内插后的序列y ( r n ) 1 = 2 ：筛穗j： 骊爹| | ， 跫步 ： 多 ! ? ： 图2 4 整数倍内插不意图 根据式( 2 6 ) ，对序列y ( 聊) 进行z 变换，可推导出： y ( z ) = y ( m ) z 一= y ( m i ) z 叫 = x ( 朋) z 一 ( 2 7 ) = x ( z 7 ) 把z = e 归代入式( 2 7 ) ，得到内插前后信号的频谱关系为： y ( e 弦) = x ( e 删。)( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可见，内插后的信号频谱为原始序列谱经i 倍压缩后得到的频谱。 在y ( e p ) 中不仅含有x 0 扣) 的基带分量，而且还含有其频率大j ：z i 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1 c i ) 就能恢复出原始谱。经滤波后，原来插入的零值点就变 为x ( 刀) 的准确内插值。由此可见，内插可以大大提高了时域分辨率7 。这也正是 在调制器电路设计中引入内插器的原因，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 5 所示。 图2 5i 倍内插器的结构 1 8 6 4 2 0 2 4 6 8 1 0 o 0 o 0 0 0 0 l o认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 2 2 3 积分梳状( f i e ) 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： 坳，背嚣肛1 ， 式中，d 为c i c 滤波器的阶数。频率响应为： h ( 扩) = f 1 - e 歹- j w d p ，l 塑l = ，i 叫) l l u j w l 血( 钏 岔 已 口 三 芒 芝 i h ( 扩) i - 岔 0 口 器1 嵋 1 3 ( 2 1 1 ) 。2 0 0 壶苦广百 1 等_ n o r m a l i z e df r e a u e n c y ( x xr a d s a m 口l e ) 图2 6c i c 滤波器的幅频特性和相频特性( d = 1 0 ) 由图2 6 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 级c i c 滤波器级联的办法来解决。级联后的幅频特性为： 第二章软件无线电基本原理 7 】 l h ( e j w ) 1 -( 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 9 = 0 时，主瓣的电平为d ； 当= 1 5 考时，第一旁瓣的电平4 为瓦2 d 。从而可以得到第一旁瓣电平与主瓣 电平的差值毒( 用d b 表示) ： 印o l g 詈= 2 0 l g - 萼- = 1 3 4 6 妇 ( 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考1 3 4 6 。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 叫( 2 1 4 ) 5 级c i c 滤波器传输函数( d = 2 ) 为： h ( z ) = l + 5 z 一1 + 1 0 z 。2 + 1 0 z 弗+ 5 z 。4 + z 。5 ( 2 1 5 ) 3 口 j 名= c 西 仍 乏 f r e q u e n c yr e s p o n s ef 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 o u e n c yf zr a d s a m p l e ) 图2 75 级级联c i c 滤波器的幅频响应 1 2认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 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 8 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。 广1 厂 厂 叫丽1h 1 l m h ( 1 - z - 1 ) 卜 广弋广_ 弋、 2 2 4f i r 滤波器 i n t e g r a t o r 单元 c o m b 单元 图2 8 积分一梳状级联结构 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 i r ) 和无限长冲激响应滤波器( i i r ) 。所谓有限冲激滤波器( f i r ) 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( i i r ) 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 l o 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i i r 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阶数和复杂性。 从结构上看i i r 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傅里叶变换算法，在相同阶数的条件下，运算速 度可以快得多。 第二章软件无线电基本原理【7 】 传统的f i r 表达式： 其结构如图2 9 所示。 n - 1 y ( 托) = h ( k ) x ( n - k ) ( 2 1 6 ) z 一1 ) z l r h ( n - 2 ) h ( n - 1 ) 1r1， y ( n ) 图2 9f 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，即力( 刀) = h ( n 一1 一玎) 。 所以图2 9 中的结构可变为图2 1 0 中的结构： x ( n )z 一z 一1z 一1z 一1 图2 1 0 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 1 0 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 3 数字上下变频技术 数字上变频( d u c ) 技术是软件无线电的核心技术之一。其在数字发射机中 主要完成由基带信号到中频信号的变换。d u c 必须通过内插滤波等一系列信号处 理以达到与载波相匹配的速率，才能完成其上变频的功能。数字上变频的算法原 理如图2 1 l 所示。 1 4认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 基 带 信 号 一困一一止叫一 图2 1 1 数字上变频的算法原理框图 数字下变频( d d c ) ，与上变频相对应的是，它在数字接收机中完成中频信 号到基带信号的变换。为了降低后续数字信号处理的压力，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 2 所示。 基 带 信 号 图2 1 2 数字下变频的算法原理框图 如图2 1 1 和图2 1 2 所示，d u c 和d d c 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。两者的 工作原理都是输入信号与一个本地振荡信号的乘法运算，只不过是两个相逆的过 程。本地振荡信号是由数字控制振荡器( n c o ) 产生的，它在d d c 、d u c 中相 对来说比较复杂，也是决定二者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。 n c o 的目标是产生一个理想的正弦或余弦波( 下面用正弦来统称正弦或余 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 ) 。 厂 s ( ”) = c o s ( 2 7 r ! 睾己刀) ( 刀= o ，l ，2 )( 2 1 7 ) 3s 式中，厶为本地振荡器频率；石为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，并按相位作为地址信息存储该相位的正弦值数据。其工作原 第二章软件无线电基本原理 7 】 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 构框图如图2 1 3 所示。 弦值输出 图2 1 3n c 0 结构框图 n c o 的频率控制字丸硎由本地振荡频率厶、输入信号的采样频率石和相位 累加器的位数刀决定。它们之间的关系见下式： ， 丸。村= 等2 刀( 2 1 8 ) js 影响数字上下变频器性能的主要因素有：( 1 ) 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；( 2 ) 数字本振相位的分辨率不够 而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上下变频器。 2 4 本章小结 本章从数字信号处理中最基本的n y q u i s t 采样定理入手，介绍了带通采样定 理，并对软件无线电中处于极为重要地位的抽取和内插理论进行了简要的分析， 接着介绍了软件无线电中的数字高效滤波，包括c i c 滤波器和f i r 滤波器，最后 介绍了数字上下变频技术，并探讨了其中的关键部分n c o 的原理。 第三章调制解调器的设计与实现 第三章调制解调器的设计与实现 认知无线电系统应该能够与环境的进行交互，分析无限频谱环境信息，通过 改变自身的运行参数，以更高的效率利用有限的频谱资源。作为认知无线电系统 的一个重要组成部分，本章主要介绍的是通信模块即调制解调器的具体设计方案 及实现。该调制解调器仅完成基本的数据传输功能，而可改变传输参数的自适应 调制解调器将在第四章介绍。 3 1 认知系统概述及硬件组成 3 1 1 认知无线电系统概述 本文实现的基于d s p + f p g a 的通信模块硬件系统平台是认知无线电系统的 一个重要组成模块，整个系统由认知业务模块、通信模块、射频模块三个部分来 实现，系统框图如图3 1 所示： 图3 1 认知无线电系统框图 认知功能模块是使用软件无线电硬件平台构建的认知业务功能模块，主要完 成频谱环境的感知分析、频谱资源的管理和分配、简单m a c 接入以及对射频模 块的指令控制等功能。 通信模块是以软件无线电平台构建的通信调制解调功能板，主要完成在不同 q o s 下，认知信息的交互和数据业务的发送和接收。 射频功能模块完成中频以上部分的实现，即无线信号的接收、射频信号的下 变频和宽带滤波等工作。根据宽带中频带通采样软件无线电结构设计的射频模块 1 8 认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 包括接收支路和发送支路，通过r t 开关( 即t d d 方式) 控制共用天线的收或 发，发送支路采用直接上变频模式，考虑到认知功能模块和通信模块各有一个中 频接口，且中频频率不同，所以接收支路采用二次变频方案，第一次下变频的输 出同时送到认知功能模块，用于频谱感知。第二次变频后将中频信号送至数据传 输模块，完成数据接收。 ， 总的来说，对系统的一个简单的功能描述就是：认知功能模块通过对射频模 块采样的信号分析得到周围无线信道的状态信息，检测到频谱空洞后反馈给通信 模块，通信模块利用此信息根据定的准则选择合适的传输参数进行数据的调制， 射频模块根据频谱认知管理模块的要求将通信模块发送过来的数据搬移到相应的 频点，完成业务数据的传输。 3 2 2 通信模块概述及硬件组成 通信模块主要完成认知无线电系统中数据传输的功能。该模块主要由d s p 和 f p g a 构成，其中d s p 采用了德州仪器公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，f p g a 采用了 a l t e r a 公司的低成本c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 5 0 f 4 8 4 c 8 。上变频器件和a d 采样器 件分别选用了模拟器件公司的a d 9 8 5 7 和a d 9 2 3 5 。通信模块的硬件构成图以及 与其它功能模块互连的接口关系如图3 2 所示： ， 图3 2 通信模块的硬件构成图 其中d s p 主要负责的工作有： 1 与频谱感知管理模块的信息交互( 通过总线a ，采用的是m c b s p 接口) ， 完成通信的控制功能； 2 与终端( p c ) 的业务数据传输( 通过总线b ，接口可选择串1 2 1 、网口或 第三章调制解调器的设计与实现 1 9 语音口) ： 3 对上变频器a d 9 8 5 7 、串口芯片等进行初始化； 4 完成业务数据的交织解交织、c r c 校验及组帧等。 f p g a 主要负责的工作有 1 发送部分：对d s p 发送过来的数据根据相应的方式进行星座映射、加帧 同步头、内插、f i r 成型滤波等操作，然后将成型滤波后的数据送入上变 频器a d 9 8 5 7 实现上变频； i 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、逆映射、解码等操作。 3 2 调制解调器的参数设计 作为自适应调制解调器的一个初步研究，本章介绍的是一个基本的调制解调 系统的实现，其基本技术指标是： 1 实现了四种调制方式 2 传输速率：四个等级 3 传输带宽固定； 4 中频为3 6 8 6 4 m h z 。 图3 3 给出了一个数据传输时调制解调器的一个基本功能框图。 一 - 国 一医丑 一卧 射频 网一网一 阴 测 模块 倒一凼1y 一 图3 3 调制解调器的信号处理流程图 功能框图描述：发送端数据通过r s 2 3 2 接口输入到d s p ，经过c r c 校验、 交织、组帧后送入f p g a 中完成基带信号处理，包括星座映射、加同步头、内插 及滤波等，然后上变频芯片把基带信号搬移到中频，经d a 变换后送到射频。接 收的时候，首先由刖d 器件对射频送过来的中频信号进行采样，然后下变频至基 带信号，进行抽取、滤波、同步、定时以及判决后将数据送入d s p ，d s p 中数据 去帧头后进行解交织，然后进行收端的c r c 校验，并通过r s 2 3 2 口把数据回传 到终端( p c ) 。 认知无线电中自适应调制解调器的f p g a 实现 3 2 1 调制器的总体架构 3 3 调制模块的设计实现 一j 出 图3 4 调制器的总体架构图 调制器的信号处理流程如图3 4 所示。其主要包含两部分，即基带信号处理部 分和数字上变频部分。其中基带信号处理主要包括信号的星座映射、内插及成型 滤波；上变频主要包括内插和正交调制。下面分别加以介绍。 3 2 2 基带信号处理 1 ) 星座映射 6 1 在移动通信中，接收到的信号受到严重衰落时，提取的载波质量往往达不到 要求，特别是在多普勒效应等引起的频偏环境下更是如此。同时为了简化系统的 设计，采用了相对简单的差分相位调制。 所谓差分相位调制，就是利用前后相邻码元的载波相位相对的变化来表示数 据信