（通信与信息系统专业论文）软件无线电的系统仿真.pdf

西北工业大学硕士学位论文 文摘 文 摘 本文应用软件无线电思想对全数字接收机中的几个关键技术进行了研究， 对其中的基本结构及基本模块进行了建模仿真，意在使软件无线电的系统结构 初具成型，为设计软件无线电的软硬件平台 建立基础，并着重对中频处理和基 带处理模块进行了研究， 建立了一种中频数字化的软件无线电接收机实用模型。 本论文利用软件无线电思想中的带通采样技术、 下变频技术以及抽取技术 对多频多路中频信号进行采样、下变频、 抽取、单路信号提取等中频处理，将 其变到基带，并对提取出的单路信号进行基带处理，基带处理包括信号调制样 式识别和数字解调。 其中对于信号调制样式识别这一模块， 对瞬时参数的提取作了一些修正和 改进并提出了一些新的识别参数，使得识别率大大提高。信号调制样式包括 s s b , d s b , p s k , a m , a s k , f m , f s k等。 本文的整个软件仿真过程是在m a t l a b 环境下进行的。 最后在软件无线电平 台d a q p c 上进行系统的开发。 关键词 软件无线电 带通采样 单路信号提取调制样式识别数字解调d s p 西北工业大学硕士学位论文 abs tract t h i s t h e s i s s t u d i e d s o m e k e y t e c h n o l o g i e s i n d i g i t a l rec e i v e r b a s e d o n s o f t w a re- d e fi n e d - r a d i o , e s p e c i a l l y t h e p a r t s o f i n t e r m e d i a t e f req u e n c y p roc e s s i o n a n d b a s e b a n d p roc e s s i o n .a f t e r m o d e le d a n d s i m u l a t e d t h e b a s i c m o d u l e s a n d f r a m e w o r k s , a n a p p ro x i m a t e l y s y s t e m s t r u c t u re i s p u t f o r w a r d , w h i c h p rov i d e d t h e f o u n d a t i o n t o c o n s t r u c t a s o f t w a re - d e f i n e d - r a d i o p l a t f o r m . t h i s s y s t e m t r a n s f o r m m i l t i f re q u e n c y a n d m u l t i a c c e s s s i g n a l s f rom i n t e r m e d i a t e f req u e n c y t o b a s e b a n d b y a p p l i c a t io n o f k e y t e c h n o l o g i e s i n s o f t w a re- d e fi n e d - r a d i o s u c h a s b a n d p a s s s a m p l i n g , d d c ,d e c i m a t i o n a n d a c c e s s e s s e p a r a t i o n .t h e re s e a r c h i n t h e b a s e b a n d i n cl u d e s i g n a l竹p e i d e n t i fi c a t i o n a n d d i g i t a l d e m o d u l a t i o n . i n t h e s i g n a l t y p e i d e n t i f i c a t i o n m o d e l ,s o m e n e w i d e n t i f i c a t e p a r a m e t e r s a re p u t i n t o p r a c t i c e o n w h i c h c a m e o u t a m o re p e r f e c t i d e n t i fi c a t i o n .t h e s ig n a l 灯 p e s i n c l u d e s s b , d s b , p s k , a m, a s k , f m, f s k e t c . t h e w h o l e s y s t e m s i m u l a t i o n i s e m p l o y e d u n d e r t h e s o f t w a re ma t l a b , a n d t h e f o l l o w w o r k s a re d e v e l o p e d o n t h e s d r p l a t f o r m d a q p c . ke y wo r d s o f t wa re- de f i n e d - r a d i o b a n d t h rou g h s a m p l i n g s i g n a l 竹p e i d e n t ifi c a t i o n d i g i t a l d e m o d u l a t i o n ds p 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 论 第一章绪论 1 . 1课题的背景及意义 随着通信技术从模拟向数字化转变， 现代无线电系统越来越多的功能是靠 软件来实现的，因此产生了新一代的无线电 通信技术 软件无线电 技术。 软 件无线电技术可以视为继模拟到数字通信、从固定到移动通信这两次革命之后 的第三次革命，也是由 硬件向软件转化的又一次新变革。他主要是针对现在无 线通信领域存在的一些问题，如:多种通信体制并存、各种标准竞争激烈、频 率资源紧张等，例如，无线通信系统有陆地移动通信、移动卫星、无限局域网 等系统，而每一种系统都有多种标准，特别是无线个人通信系统的发展需要充 分利用频率资源，将多种通信体制综合在一起，适应多种标准，这使得以 硬件 为主的无线通信体制难以适应这种局面，软件无线电的出现正为这些问题的解 决提供了方法。 自从1 9 9 2 年5 月，在美国电信会议上j e o mi t o l a 首次提出软件无线电这个 概念以 来， 软件无线电 技术己 经越来越受到全世界无线电 领域的 重视。 1 9 9 5 年 5 月， 正e e 通信杂志出版了软件无线电的专辑， 进一步阐述了软件无线电的体 系结构， 预测了软件无线电的开发成本和未来发展方向， 综述了 模/ 数、 数/ 模转 换器中有关取样、动态范围理论和实际应用，并介绍了数字信号处理器的特点 以及软件无线电所用的多处理器结构中处理器件进行通信的基本原理，为软件 无线电中关键技术的研究提供了 理论基础。 软件无线电的概念最早应用在军事领域，因为长期以来，军用无线电台都 是针对某些特定用途而设计的，各种电台存在很大差别，如不同的工作频段、 调制解调方式等，这样使得电台之间不能相互通信，只有软件无线电 才能很好 的 解决 这 个 互 通问 题。 著 名的 美国 国 防 部 的s p e a k e a s y 战 术 通信 系 统 计 划 是典 型的软件无线电应用计划。 从1 9 9 2 年提出到现在， 世界各国进行了大量深入的 研究与实验，我国也己 将软件无线电纳入国家“ 8 6 3 高科技发展计划。 目 前软件无线电更多的是以一种概念和猜想的形式出现的，具体的定义和 体系结构尚无定论，而软件无线电 作为未来通信乃至未来无线电 技术的发展方 向，对其研究是极具实际意义的。 本论文对软件无线电的 基本结构及基本模块 进行建模仿真，使软件无线电的系统结构初具成型，为设计软件无线电的软硬 件平台建立基础。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪 论 1 .-2 论文的 研究内 容及所做工作 本文针对电 子战软件无线电仿真系统接收机部分的数字信号处理技术展 开研究，主要研究其中的中频处理和基带处理。 文章首先阐述了软件无线电 概念、 基本原理、 关键技术、 系统结构、 发展 前景;接着阐述软件无线电中关键的数字信号处理技术，包括中频处理中的下 变频技术、抽取技术以及带通采样技术，基带处理中的信号调制样式识别和数 字解调技术。本文尤其对信号调制样式识别模块中的识别参数以 及识别方法进 行了 改进研究，使得识别率大大提高。数字解调中 对b p s k和d p s k信号 进行 了解调研究。 在上述理论的基础上， 第四章利用m a t l a b 工具对整个系统中的 中频和基带处理进行了仿真。 对短波无线电的中频为3 6 - 4 8 mh z的多频多路信 号进行下变频、单路信号提取，并对提取出的单路信号进行信号调制样式识别 和数字解调。 信号调制样式包括s s b , d s b , p s k ,a m ,a s k , f m , f s k等。 最后第五 章在软件无线电平台d a q p c 上对整个系统进行了 开发。 第一章小结 这一章主要阐述了一下本论文的研究背景:软件无线电的产生、发展和应 用前景以及在此基础上论文的研究内容及所做工作。 西北工业大学硕士学位论文第二章软件无线电 简介 第二章 软件无线电简介 互 2 . 1 软件无线电基本原理 软件无线电的中心思想是: 构造一个具有开放性、 标准性、 模块化的通用 硬件平台，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， 并使宽带a / d和d / a转换器尽可能靠近天线， 即由 现在的基带移到中频甚至射频，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无 线通信系统。软件无线电的标准结构如图2 - 1 . 用户应用 门 )s p 靳 带处理 图2 - 1软件无线电标准结构 值得指出的是，软件无线电不是简单的将硬件功能用软件来实现，它是一 种基于宽带a i d器件，高速d s p 芯片，以软件为核心 ( s o f t w a r e o r i e n t e d ) 的 全新体系结构， 与基于a s i c , f p g a以及其他基于软件的数字系统相比 有其独 特的优点，即整体的可编程性，依靠这种性能它能够在单一的结构中多模工作 和自适应的工作。开放式的系统结构是软件无线电的另一个重要特点，它可灵 活的配置系统，系统功能的改变或通过软件做适应调整，或更改具有开放互连 结构 ( 总线接口)的功能模块，不需要重新设计系统， 特别是硬件系统。 a / d变换后的所有处理都用可编程芯片d s p ， 依靠软件编程来实现。 因此， 这种体系结构具有很强的通用性，是实现多频段、多工作模式和多用户通信的 最佳途径。 2 . 2 软件无线电的关键技术 软件无线电能带来很多好处，同时也提出了许多问题需要解决。下面分别 讨论一些关键技术和实现的难点。 i) 宽带/ 多频段天线 为了适应接收信号带宽很宽的要求，软件无线电台覆盖的频段从 2 2 0 0 0 西北工业大学硕士学位论文第二章软件无线电 简介 第二章 软件无线电简介 互 2 . 1 软件无线电基本原理 软件无线电的中心思想是: 构造一个具有开放性、 标准性、 模块化的通用 硬件平台，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， 并使宽带a / d和d / a转换器尽可能靠近天线， 即由 现在的基带移到中频甚至射频，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无 线通信系统。软件无线电的标准结构如图2 - 1 . 用户应用 门 )s p 靳 带处理 图2 - 1软件无线电标准结构 值得指出的是，软件无线电不是简单的将硬件功能用软件来实现，它是一 种基于宽带a i d器件，高速d s p 芯片，以软件为核心 ( s o f t w a r e o r i e n t e d ) 的 全新体系结构， 与基于a s i c , f p g a以及其他基于软件的数字系统相比 有其独 特的优点，即整体的可编程性，依靠这种性能它能够在单一的结构中多模工作 和自适应的工作。开放式的系统结构是软件无线电的另一个重要特点，它可灵 活的配置系统，系统功能的改变或通过软件做适应调整，或更改具有开放互连 结构 ( 总线接口)的功能模块，不需要重新设计系统， 特别是硬件系统。 a / d变换后的所有处理都用可编程芯片d s p ， 依靠软件编程来实现。 因此， 这种体系结构具有很强的通用性，是实现多频段、多工作模式和多用户通信的 最佳途径。 2 . 2 软件无线电的关键技术 软件无线电能带来很多好处，同时也提出了许多问题需要解决。下面分别 讨论一些关键技术和实现的难点。 i) 宽带/ 多频段天线 为了适应接收信号带宽很宽的要求，软件无线电台覆盖的频段从 2 2 0 0 0 西北工业大学硕士学位论文第二章软件无线电 简介 mh z ，就目前水平而言研制出一种全频段天线是不可能的。而对于大多数系统 只要覆盖不同频程的几个窗口，不必覆盖整个频段，故可以采用组合式多频段 天线的方案. 2 )宽 带a/ d变换部分 软件无线电体系结构的基本特征之一就是将 a/ d变换尽量靠近射频天 线， 对a/ d的要求主要是采样速率和位数。 采样速率主要由信号带宽决定( 一 般至少取信号带宽的2 .5 倍) ，同时必须考虑到采样后处理精度的要求。 对于 软件无线电台而言， 要求具有高抽样率和高性能的a d c 。 就目 前的水平，a i d 器件的性能还不能实现理想的 射频采样结构，因而采用中频采样结构，即在射 频天线和a d c / d a c之间加入一个中频变换模块。如图2 - 2 所示。 用户应用 射频 部 分 甲 卫朋 变 换 a d c / d a c d d c / u u c d s p 基 带处理 图2 - 2软件无线电中频采样结构框图 3 )数字下变频 ( d d c ) 数字下变频 ( d d c )是a/ d变换后首先要完成的处理工作，它的基本功 能是从输入的宽带数字信号中提取所需的窄带信号，并将其下变频为数字基带 信号， 包括数字下变频、 滤波和二次采样， 是系统数字处理运算量最大的部分， 也是最难完成的部分。例如，要较好地进行滤波等处理，需要每采样点1 0 0次 操作。 对于一个系统带宽为1 o m h z 的系统， 采样率要大于2 5 m h z ，即 需要2 5 0 0 m i p s 的 运算能 力。 4 )高速数据处理部分 这部分主要完成数字处理算法， 包括各种f f t算法， 调制解调、 信源编码、 信号编码等各种通信软件，也包括方式控制、信号控制和数据交换软件。由高 速并行d s p 完成。 高性能低运算量的信号处理技术对软件无线电的实现具有非 常重要的意义， 它可以 节约系统处理与存储资源， 提高系统性能与可编程程度。 5 )信令处理 当用软件无线电实现多模互联时， 实现通用信令处理是很必要的，这需要把 现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成几个标准的层次，开发出标准 的信令模块，研究通用信令框架。 西北工业大学硕士学位论文 第二章软件无线电简介 另外，如何使具有不同的双工/ 多址方式的系统互联也是一个重要的问题。 ) 系统的功耗、 体积和成本 这是软件无线电实用化的关键问题， 它的解决很大程度上依赖于硬件工艺 水平的发展。 2 . 3 几种基本的软件无线电结构 系 统 根据a / d 的 位 置不同 和 采 样 方式 的 不同 形 成三 种软 件 无 线电 结 构 l 射频全宽开低通采样结构、射频直接带通采样结构和宽带中频采样结构。 射频全宽开低通采样结构是最接近理想软件无线电结构的，结构框图如图 2 - 3 。 从天线进来的 信号 经过滤波方 乞 大 后就直 接由a / d进行 采样数 字化， 采样 基于 乃 奎斯 特( n y q u is t ) 定 理的 低 通采 样。 这种 结 构 不 仅 对a / d 转 换器的 性能 提出了很高的要求，而且对后续的数字信号处理速度要求也特别高。由于受目 前器件水平的限制，此结构是不现实的，即使从长远看实现的难度也非常大。 di 其 次，窄带电调滤波器目 前的工作带宽还不够宽，如果要求工作带宽很宽，则必 须分频段来实现:另外射频直接带通采样需要多个采样频率， 增加了系统的复 杂程度。 第三种结构宽带中频带通采样软件无线电结构与常规的超外差式接收机是 类似的， 见图2 - 5 。 但两者的本质区别是中 频带宽不同， 常规接收机是窄带结构， 而软件无线电接收机是宽带结构。这种软件无线电结构的射频前端 ( a i d前) 比较复杂， 它的主要功能是把射频信号变换为适合于a / d采样的中心频率适中、 西北工业大学硕士学位论文 第二章软件无线电简介 另外，如何使具有不同的双工/ 多址方式的系统互联也是一个重要的问题。 ) 系统的功耗、 体积和成本 这是软件无线电实用化的关键问题， 它的解决很大程度上依赖于硬件工艺 水平的发展。 2 . 3 几种基本的软件无线电结构 系 统 根据a / d 的 位 置不同 和 采 样 方式 的 不同 形 成三 种软 件 无 线电 结 构 l 射频全宽开低通采样结构、射频直接带通采样结构和宽带中频采样结构。 射频全宽开低通采样结构是最接近理想软件无线电结构的，结构框图如图 2 - 3 。 从天线进来的 信号 经过滤波方 乞 大 后就直 接由a / d进行 采样数 字化， 采样 基于 乃 奎斯 特( n y q u is t ) 定 理的 低 通采 样。 这种 结 构 不 仅 对a / d 转 换器的 性能 提出了很高的要求，而且对后续的数字信号处理速度要求也特别高。由于受目 前器件水平的限制，此结构是不现实的，即使从长远看实现的难度也非常大。 di 其 次，窄带电调滤波器目 前的工作带宽还不够宽，如果要求工作带宽很宽，则必 须分频段来实现:另外射频直接带通采样需要多个采样频率， 增加了系统的复 杂程度。 第三种结构宽带中频带通采样软件无线电结构与常规的超外差式接收机是 类似的， 见图2 - 5 。 但两者的本质区别是中 频带宽不同， 常规接收机是窄带结构， 而软件无线电接收机是宽带结构。这种软件无线电结构的射频前端 ( a i d前) 比较复杂， 它的主要功能是把射频信号变换为适合于a / d采样的中心频率适中、 西北工业大学硕士学位论文第二章软件无线电 简介 窄带电调 滤波器 放大器 a / d d s p 双工器 窄带电调 滤波器 软件 功放 0 ”内 插上变频 d / a 图2 一 射频带通采样软件无线电结构 带宽适中的宽带中频信号， 给后续的a / d采样数字化大大减轻了负担。 这时与 前面两种软件无线电结构相比不仅不需要第一种结构所要求的超高速采样，也 不要求第二种结构所需的高精度、 高工作带宽所要求的采样保持放大器， 使a m 大大简化， 这是射频前端复 杂性所带来的 好处。 在a m器件无法满足要求的 情 况下，增加一点复杂性也是值得的。这种结构无疑是近期软件无线电一种较可 行的设计方案，也是本文所讨论的中频数字接收机系统的设计思想。 图2 - 5 宽带中 频带通采样软件无线电结构 第二章小结 本章对软件无线电做了一个简单介绍， 包括他的基本思想、关键技术以及 三种基本结构，并比 较了 三种结构的 优缺点和可实现度。 结合目 前可达到的 硬 件水平，本文的结构系统采用了系统灵活性和硬件可实现程度的折衷方案 软件无线电的中频数字化结构。 西北工业大学硕士学位论文第二章软件无线电 简介 窄带电调 滤波器 放大器 a / d d s p 双工器 窄带电调 滤波器 软件 功放 0 ”内 插上变频 d / a 图2 一 射频带通采样软件无线电结构 带宽适中的宽带中频信号， 给后续的a / d采样数字化大大减轻了负担。 这时与 前面两种软件无线电结构相比不仅不需要第一种结构所要求的超高速采样，也 不要求第二种结构所需的高精度、 高工作带宽所要求的采样保持放大器， 使a m 大大简化， 这是射频前端复 杂性所带来的 好处。 在a m器件无法满足要求的 情 况下，增加一点复杂性也是值得的。这种结构无疑是近期软件无线电一种较可 行的设计方案，也是本文所讨论的中频数字接收机系统的设计思想。 图2 - 5 宽带中 频带通采样软件无线电结构 第二章小结 本章对软件无线电做了一个简单介绍， 包括他的基本思想、关键技术以及 三种基本结构，并比 较了 三种结构的 优缺点和可实现度。 结合目 前可达到的 硬 件水平，本文的结构系统采用了系统灵活性和硬件可实现程度的折衷方案 软件无线电的中频数字化结构。 西北工业大学硕士学位论文 第三章 应用于全数字接收机中的软件无线电理论技术 第三章:应用于本数字接收机中的软件无线电理论技术的研究 全数字接收机的中频和基带处理其实质就是数字信号处理。中频部分包括 带通采样、多速率信号处理、数字下变频等理论以及在实现这些技术中很关键 的数字滤波器的设计，基带部分主要包括信号调制样式识别和数字解调等。 数 字滤波器的设计中， 在基于软件无线电中比较常用的积分梳状 ( c i c ) 滤波器 和半带滤波器的设计基础上提出了一种补偿滤波器的设计方法。此补偿滤波器 采 用内 插二 阶多 项 式 ( i n te r p o l a t e d s e n c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l s ) 滤 波 器0 11 ( 6 2 1 级连在c i c滤波器后面， 可以有效补偿c i c滤波器通带内的衰减。 在基带部分 的信号调制样式识别中， 提出了一系列有助于准确提取三个瞬时值的补偿措施 和用来识别的新参数，从而使识别率大大提高。 互 3 . 1 多速率信号处理 软件无线电的核心思想是采用尽可能靠近天线端的宽带a d c和d a c , 所 以 理想的软件无线电结构需要a d c的采样率很高。 但是随着采样随率的提高带 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。这就需要用到多速率信号处理中的抽取和内插技术。 工 1 . 1 整数倍抽取技术 整数倍抽取即 把原始 采样序列x ( n ) 每 d个数据取一个， 形成一 个新 序列 x d ( n ) ，即 x , ( m ) = x ( - d ) . . . . . . . . . . . . . .3 . 1 d为正整数。 其对应离散傅立叶变换为: x d (e ) - 痣x le (.-2d)id 卜， 可以 看出， 抽 取 序列的 频谱x d ( e ) 为 抽 取 前原 始 序 列 之 频谱x ( e ) 经 频 移 和d倍 展宽 后的d个 频 谱的 叠加 和。 如 果x ( n ) 序 列的 采 样 率为人， 则 其 无 模 糊带 宽 为f , / 2 。当 以d 倍 抽 取率 对x ( n ) 进 行 抽取 后 得到 的 抽 取序 列x d ( m ) 之 采样率为f , / 1) ， 其无 模糊带宽为f / ( 2 d ) ，当x ( n ) 含 有大于f / ( 2 d ) 的 频率分量 西北工业大学硕士学位论文 第三章 应用于全数字接收机中的软件无线电理论技术 第三章:应用于本数字接收机中的软件无线电理论技术的研究 全数字接收机的中频和基带处理其实质就是数字信号处理。中频部分包括 带通采样、多速率信号处理、数字下变频等理论以及在实现这些技术中很关键 的数字滤波器的设计，基带部分主要包括信号调制样式识别和数字解调等。 数 字滤波器的设计中， 在基于软件无线电中比较常用的积分梳状 ( c i c ) 滤波器 和半带滤波器的设计基础上提出了一种补偿滤波器的设计方法。此补偿滤波器 采 用内 插二 阶多 项 式 ( i n te r p o l a t e d s e n c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l s ) 滤 波 器0 11 ( 6 2 1 级连在c i c滤波器后面， 可以有效补偿c i c滤波器通带内的衰减。 在基带部分 的信号调制样式识别中， 提出了一系列有助于准确提取三个瞬时值的补偿措施 和用来识别的新参数，从而使识别率大大提高。 互 3 . 1 多速率信号处理 软件无线电的核心思想是采用尽可能靠近天线端的宽带a d c和d a c , 所 以 理想的软件无线电结构需要a d c的采样率很高。 但是随着采样随率的提高带 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。这就需要用到多速率信号处理中的抽取和内插技术。 工 1 . 1 整数倍抽取技术 整数倍抽取即 把原始 采样序列x ( n ) 每 d个数据取一个， 形成一 个新 序列 x d ( n ) ，即 x , ( m ) = x ( - d ) . . . . . . . . . . . . . .3 . 1 d为正整数。 其对应离散傅立叶变换为: x d (e ) - 痣x le (.-2d)id 卜， 可以 看出， 抽 取 序列的 频谱x d ( e ) 为 抽 取 前原 始 序 列 之 频谱x ( e ) 经 频 移 和d倍 展宽 后的d个 频 谱的 叠加 和。 如 果x ( n ) 序 列的 采 样 率为人， 则 其 无 模 糊带 宽 为f , / 2 。当 以d 倍 抽 取率 对x ( n ) 进 行 抽取 后 得到 的 抽 取序 列x d ( m ) 之 采样率为f , / 1) ， 其无 模糊带宽为f / ( 2 d ) ，当x ( n ) 含 有大于f / ( 2 d ) 的 频率分量 西北工业大学硕士学位论文第三章应用于全数字接收机中的软件无线电 理论技术 时 ， x . ( - ) 就 必 然 产 生 频 谱 混 叠， 导 致 从x q ( m ) 中 无 法 恢 复x ( n ) 中 小 于九 / ( 2 d ) 的频率分量信号。 抽取前后 ( d = 2 )的频谱结构 ( 混叠和无混叠) 如图3 - 1 和图 3 - 20 x ( e ) / / 入 厂、 一t i c 2 nw w - 2 + r ) / d 一2 兀 一 万 水 /厂了 十 / 一2 m 图3 - 1抽取前后 ( d = 2 )的频谱结构 ( 混叠) x ( e ) o w n才 p f/ d岔 z ( e ) 0 t x n ( e ) 图3 - 2 抽取前后 b 二 f h 一 f l ) 。 如 果 仍 按 照n y q u is t 采 样率 来 采 样的 话， 其采样率会很高，以至很难实现，或者后续处理也满足不了 要求。 但是一般带 通信号本身的带宽并不一定很宽， 所以用带通采样是比较理想的选择。带通采 样不但可以大大降低采样频率，同时还可以 完成频谱下搬移即下变频的过程。 这种数字下变频方法无需混频就可以直接实现信号的下变频，运算量少， 处理速度快，但是对中频抗混叠滤波器的要求比较严格，实现起来比较困难。 带通采样定理在大量文献中都有描述， 其中比较准确的带通信号的采样定 理 应 描述 为: 对 一中 心 频率 为f 0 ， 带宽 为b 二 ( 几一 人 ) 的 带 通 信号，由 采 样 值 不失真地恢复原信号的均匀采样率可表示为 2f_2几 上 二 hf 上 二 乞 ， . ， . . . . . . . . . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 1 8 nn一 1 廿、曰 二 、，_ _ ， 九1 ra t -r t d , # k w r牛， 、 二竺二_ 的。十敝新 其中，n 是由 式l s n s i 誉 i 确定的整数， x 为小于等于x 的最大整数。 “b - 当 立刚 好 为 整 数 ， 且 。 二 b 立时 ，人就 可以 用最低 采样速率即 两倍带宽 速率 对 带 通 信 号 进 行 采 样 。 此 时 ， 带 通 信 号 的 中 心 频 率 必 须 叔、 一 2n - 12 ， 或 人+ f , - ( 2 n + 1 ) b ， 也即 信 号 的 最高 或 最 低 频率 是 带宽 的 整 数 倍。 应用带通采样时有两个值得注意的问题。一个值得注意的问题是:带通采 样定理的使用是有前提条件的:只允许在一个频段上存在信号， 而不允许在不 同的频段上同时存在信号，否则将会引起信号频谱混叠。为了满足这个条件， 可以 采用跟踪滤波器的方法来解决，即 在采样前先进行滤波，也就是当需要对 某一个频段内的带通信号进行采样时，就先把跟踪滤波器调到与之对应的频段 上，滤出感兴趣的带通信号。 第二个值得注意的问 题是:带通采样的结果是把 位于( ( n - 1 ) b , n b ) ( n = 1 , 2 . . ) 不同 频带 上的 信号都 用( 0 , b ) 上相同 的 基带 信号频谱来表示，但当n为偶数时，其频率对应关系是相对中心频率 “ 反折” 西北工业大学硕士学位论文第三章应用于全数字接收机中的软件无线电理论技术 成本是值得的. 3 .2 .2 基 于 带 通 采 样 的 数 字 下 变 频 2 9 ) 实际 应用中 的 信号 大多 数 都 是 带通 信号， 即 信号的 最高 频率f h 远远 大于 其 信号 带宽b( f h b 二 f h 一 f l ) 。 如 果 仍 按 照n y q u is t 采 样率 来 采 样的 话， 其采样率会很高，以至很难实现，或者后续处理也满足不了 要求。 但是一般带 通信号本身的带宽并不一定很宽， 所以用带通采样是比较理想的选择。带通采 样不但可以大大降低采样频率，同时还可以 完成频谱下搬移即下变频的过程。 这种数字下变频方法无需混频就可以直接实现信号的下变频，运算量少， 处理速度快，但是对中频抗混叠滤波器的要求比较严格，实现起来比较困难。 带通采样定理在大量文献中都有描述， 其中比较准确的带通信号的采样定 理 应 描述 为: 对 一中 心 频率 为f 0 ， 带宽 为b 二 ( 几一 人 ) 的 带 通 信号，由 采 样 值 不失真地恢复原信号的均匀采样率可表示为 2f_2几 上 二 hf 上 二 乞 ， . ， . . . . . . . . . ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 1 8 nn一 1 廿、曰 二 、，_ _ ， 九1 ra t -r t d , # k w r牛， 、 二竺二_ 的。十敝新 其中，n 是由 式l s n s i 誉 i 确定的整数， x 为小于等于x 的最大整数。 “b - 当 立刚 好 为 整 数 ， 且 。 二 b 立时 ，人就 可以 用最低 采样速率即 两倍带宽 速率 对 带 通 信 号 进 行 采 样 。 此 时 ， 带 通 信 号 的 中 心 频 率 必 须 叔、 一 2n - 12 ， 或 人+ f , - ( 2 n + 1 ) b ， 也即 信 号 的 最高 或 最 低 频率 是 带宽 的 整 数 倍。 应用带通采样时有两个值得注意的问题。一个值得注意的问题是:带通采 样定理的使用是有前提条件的:只允许在一个频段上存在信号， 而不允许在不 同的频段上同时存在信号，否则将会引起信号频谱混叠。为了满足这个条件， 可以 采用跟踪滤波器的方法来解决，即 在采样前先进行滤波，也就是当需要对 某一个频段内的带通信号进行采样时，就先把跟踪滤波器调到与之对应的频段 上，滤出感兴趣的带通信号。 第二个值得注意的问 题是:带通采样的结果是把 位于( ( n - 1 ) b , n b ) ( n = 1 , 2 . . ) 不同 频带 上的 信号都 用( 0 , b ) 上相同 的 基带 信号频谱来表示，但当n为偶数时，其频率对应关系是相对中心频率 “ 反折” 西北工业大学硕士学位论文第三章 应用于全数字接收机中的软件无线电理论技术 的。 如图3 - 6 所示， 位于i m到2 m频 带内 的 信号 经 过几 = 2 m的 带 通采 样， 变 到基带后的频谱与原来i m到2 m内的频谱是反折的。而当n 为奇数时，基带 谱的频率分量与带通谱的频率分量是一一对应的。 带通采样。 采 样颐书 z m。 0 1 2m hz 带通采样. 采 样烦 案 z m. mhz 裕通聚样 采 样翰率7 m。 0 1 2 3 m hz 带通采样。 采 择频率z m。 m hz 图3 - 6 带通采样后频谱对应关系 西北工业大学硕士学位论文第三章应用于全数字接收机中的软件无线电 理论技术 互 3 3高效数字滤波器 由前几节的介绍可以知道，如何比较理想的实现数字下变频以及取样率的 变换 ( 抽取和内插)的关键是数字滤波器的设计， 滤波器性能的好坏将直接影 响取样率变换的效果及实时处理能力。 这一节讨论了 几种适合于d s p 实现的高 效滤波器的设计。 在基于软件无线电中比 较常用的 积分梳状 ( c i c ) 滤波器和 半带滤波器的设计基础上提出了一种补偿沱波器的设计方法。此补偿滤波器采 用内 插二阶多项式 ( i n t e r p o l a t e d s e n c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l s ) 滤波器a ll 4 2 j ， 级 连在c i c滤波器后面， 可以有效补偿c i c滤波器通带内的衰减。 仿真结果表明 效果良好。 3 3 . 1半带滤波器 半带滤波器 ( h a l f - b a n d f i l 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 倍的抽取， 而且计算效率高， 实时性强。 所谓的半带滤波器是指其频率h ( e l ) 响应满足以 下关系的f i r 滤波器: w a . 万 一 w c. . . . ， . . . . . . . . . . . 3 . 1 9 6 p s s 式中 ， w 。 为 通带 截 至 频率， w ， 为 阻 带 起始 频 率， 6 ， 为 通 带 波动， a : 为阻 带 衰 减。 也 就是 说 半带 滤 波器的 阻 带 宽 度二 一 ， ， 和 通 带 宽 度w 。 是 相 等的 ， 且 通 带 阻 带波纹也相等，如图3 - 7 所示。 h( e ) h ( e ( - ) ) 1 / 2 - - - 一 0 w , )r1 2 w a ; r w 图3 一 7 半带滤波器 半带滤波器具有如下性质: 西北工业大学硕士学位论文第三章应用于全数字接收机中的软件无线电 理论技术 互 3 3高效数字滤波器 由前几节的介绍可以知道，如何比较理想的实现数字下变频以及取样率的 变换 ( 抽取和内插)的关键是数字滤波器的设计， 滤波器性能的好坏将直接影 响取样率变换的效果及实时处理能力。 这一节讨论了 几种适合于d s p 实现的高 效滤波器的设计。 在基于软件无线电中比 较常用的 积分梳状 ( c i c ) 滤波器和 半带滤波器的设计基础上提出了一种补偿沱波器的设计方法。此补偿滤波器采 用内 插二阶多项式 ( i n t e r p o l a t e d s e n c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l s ) 滤波器a ll 4 2 j ， 级 连在c i c滤波器后面， 可以有效补偿c i c滤波器通带内的衰减。 仿真结果表明 效果良好。 3 3 . 1半带滤波器 半带滤波器 ( h a l f - b a n d f i l 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 倍的抽取， 而且计算效率高， 实时性强。 所谓的半带滤波器是指其频率h ( e l ) 响应满足以 下关系的f i r 滤波器: w a . 万 一 w c. . . . ， . . . . . . . . . . . 3 . 1 9 6 p s s 式中 ， w 。 为 通带 截 至 频率， w ， 为 阻 带 起始 频 率， 6 ， 为 通 带 波动， a : 为阻 带 衰 减。 也 就是 说 半带 滤 波器的 阻 带 宽 度二 一 ， ， 和 通 带 宽 度w 。 是 相 等的 ， 且 通 带 阻 带波纹也相等，如图3 - 7 所示。 h( e ) h ( e ( - ) ) 1 / 2 - - - 一 0 w , )r1 2 w a ; r w 图3 一 7 半带滤波器 半带滤波器具有如下性质: 西北工业大学硕士学位论文第三章 应用于全数字接收机中的软件无线电 理论技术 h ( e l ) 二 1 一 h ( e ; (n _ w ) ) ， ， ， . . ， . ， . ， . . . . . 3 . 2 0 h ( e ; a n ) 二 0 .5 . _ 3 21 k二 k . 0 . . . ， . . . 3 . 2 2 s 2 , s 4 , . . . 目1魂esl - 伏 h 也 就是说半带 滤波器的 冲激响 应h ( k ) 除了 零点不为 零外， 在其 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，只需一半计算量，有很高的 计算率，特别适合于进行实时处理。 根据前面抽取的讨论，进行2 倍抽取时的理想抽取滤波器应满足: 1 州 s ic / 2 . . . . . . . . . . 3 .2 3 0其他 !玉it 口 脚 亡 了.、 讨 h 如图3 - 8 - a 所 示。 而 现 在的 半 带 滤 波器( 如图3 - 8 - b ) 在( 76 / 2 ) -w e 区 间 仍 不为 零， 是不满足无混叠抽取条件的， 如图3 - 8 - c 所示。由图可见， 经2 倍抽取后的 信 号 在2 w c n 区 间 是 混 叠 的 ， 位 于 这 一 频 段的 信 号 经2 倍 抽 取 后 是 无 法 恢 复 的。 但是我们注意到只要半带滤波器满足图3 - 8 - b 之特性， 抽取后在其通带即0 - 2 w 。 仍 无混 叠， 或者 说 采用 半 带 滤 波 器 进 行2 倍 抽 取 后， 位 于 通 带内 的 信 号( 0 - w c ) 仍然 是 可以 恢复的 。 所以 就 其 通带 信号 而 言， 完 全 可以 采 用半 带 滤 波器 进 行2 倍抽 取， 我 们只 要 根 据 抽 取前 后的 抽 样 速率 和 信号 带宽 对w c , w ， 进 行仔 细设计就行了。 西北工业大学硕士学位论文第三章 应用于全数字接收机中的软件无线电理论技术 万“ ( 尸) 0 x1 2 m h( e ) 3 i r 1 2 2 1 r 0 w , x 1 2 w , i t hn ( e 产 ) 0 2 w , z 2 w , 2 ; r4 , r w c ) 图3 - 8 半带滤波器用作2 倍抽取滤波器时的混叠情况 前面讨论了用单级半带滤波器实现2 倍抽取的方法，当 抽取率为2 的幂次 方时， 即: d = 2 ， 就可以 用m个半带滤波器完成抽取率为d = 产的高 倍数抽取， 如图3 - 9 所示。 . 分c 二 卜 枢 舀 傲三 互 二 卜 洲 工 亘 二 一 .二 道 二 图3 - 9 多级半带滤波器级联 3 .3 .2积分梳状滤波器 当抽取因子为2的幂次方时用若干个半带滤波器就可以 解决滤波问 题， 但 是一般实际的抽取系统中抽取因子 d往往不恰好是 2的幂次方，而是表现为 d = m * 2 m 的形式 ( m* 2 ) ，这时前面 m倍整数抽取就可以用积分梳状滤波器来 实现。 所谓 积 分 梳 状 滤 波 器 ( c a s c a d e d i n te g r a t o r - c o m b , 简 称为c i c ) ， 是 指 该 滤 波 器的冲击响应具有以下形式: 西北工业大学硕士学位论文第三章 应用于全数字接收机中的软件无线电理论技术 万“ ( 尸) 0 x1 2 m h( e ) 3 i r 1 2 2 1 r 0 w , x 1 2 w , i t hn ( e 产 ) 0 2 w , z 2 w , 2 ; r4 , r w c ) 图3 - 8 半带滤波器用作2 倍抽取滤波器时的混叠情况 前面讨论了用单级半带滤波器实现2 倍抽取的方法，当 抽取率为2 的幂次 方时， 即: d = 2 ， 就可以 用m个半带滤波器完成抽取率为d = 产的高 倍数抽取， 如图