（通信与信息系统专业论文）软件无线电中样值定时调整的内插技术研究.pdf

摘要 软件无线电接收机是否能正确的解调接收信号，样值同步是需要解决的基本 问题之一，其好坏将直接影响系统性能。传统的数字通信接收机与软件无线电系 统最不同的地方是样值同步的实现方法。前者的样值同步是通过窄带滤波器加模 拟锁相环调整取得，它对定时误差不要求知道精确的数值，只要知道误差信号的 变化方向利用反馈环相应调整就可以了；而后者是采用开环结构，采样时钟是独 立于发送信号时钟，判决取样的最佳时刻不能通过直接采样获得，必须利用定时 误差估计值控制内插滤波器对独立采样到的信号样本值进行插值运算，以得到信 号在最佳判决时刻的近似值。可见插值滤波是软件无线电接收机的一种特殊处理， 它替代了锁相环的时钟调整功能，使独立时钟采样的全数字信号接收成为可能， 设计良好的插值滤波器成为全数字接收机设计的关键，这是本文研究的重点。同 时本文的研究内容属于导师的科研内容“软件无线电基带调制解调算法研究”的 一部分。 内插估值的实现方法是基于数值分析的插值理论而发展起来，其基本思想是 用原始的采样值构造插值函数，然后用插值函数求出未知点上的信号值，并以此 作为对真实值的逼近。本文在研究已有插值滤波器的基础上，利用一种全新的插 值函数构造新型的插值器，并研究了其在内插定时中的具体应用。在给定延时估 计参数的前提下，通过与几种典型插值器进行比较，发现这种插值器在结构的复 杂性、计算延迟和频谱特性上均得到较好的改进。 本文首先介绍传统的数字通信接收机、全数字接收机和软件无线电接收机基 本原理；接着介绍软件无线电接收机样值同步的原理，以便明确插值滤波的位置 和作用，其中重点介绍内插原理、内插滤波器的设计和典型内插滤波器的介绍； 最后是高效的内插技术研究以及和内插定时调整无直接关系但对数字上下变频的 抗混叠滤波技术有所改进的抗混叠数字滤波技术。 关键词：样值同步；定时恢复；内插器；多项式插值 t h er e s e a r c ho nt h em e t h o do f s a m p l et i m i n ga d j u s t m e n to n s o f t w a r er a d i or e c e i v e r a b s t r a c t s a m p l es y n c h r o n i z a t i o ni sab a s i cp r o b l e mw h e t h e rs o f t w a r er a d i or e c e i v e r s y s t e m sc a l ld e m o d u l a t et h er e c e i v e ds i g n a lc o r r e c t l y ，i ta l s oa f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h ei m p l e m e n t a r ym e t h o do fs a m p l es y n c h r o n i z a t i o ni sb i g g e s td i s t i n c t n e s s b e t w e e ns o f t w a r er a d i oa n dt r a d i t i o n a lr e c e i v e r t h ef o r m e ri sc o m p l e t e db yn a r r o w b a n d f i l t e ra n dp l l ，i tc a nb ei m p l e m e n t e dp e r f e c t l yb yf e e d b a c kl o o pi fo n l yt h ev a r i a t i o n a l d i r e c t i o no fs i g n a lh a sb e e nk n o w n , d o s e n tr e q u i r et h ee x a c tn u m e r i c a lv a l u e ；t h el a t t e r u s eo p e n e dl o o ps t r u c t u r ew h o s es a m p l i n gc l o c ki si n d e p e n d e n to f t h et r a n s m i r e ds i g n a l ， t h eo p t i m a ls a m p l ec a n tb eo b t a i n e d b yr e s a m p l e rd i r e c t l y , i ti sa c h i e v e db y i n t e r p o l a t i o nf o ro r i g i n a ls a m p l e su s i n gi n t e r p o l a t i n gf i l t e r ，w h i c hi sc o n t r o l l e db yt h e e s t i m a t e dv a l u eo ft i m i n ge r r or i ti so b v i o u st h a ti n t e r p o l a t i o ni st h es p e c i a ld i s p o s a li n s o f t w a r er a d i o ，i tr e p l a c e sp l lf o rt i m i n ga d j u s t m e n t t h u s ，i tm a k e sa l l - d i g i t a ls i g n a l d e m o d u l a t i o nc o m e st r u e t h ed e s i g n m e n tf o rb e t t e rp e r f o r m a n c ei si m p o r t a n tf o r a l l d i g i t a lr e c e i v e ro rs o f t w a r er a d i o ，i ti sa l s ot h em a i nw o r ki nm yp a p e r m yw o r k b e l o n g st om yp r o f f e s s o r sr e s e a r c h ，w h i c hn a m e d “t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n a l g o d t h mf o rb a s e b a n di ns o f t w a r er a d i o t h ed e v e l o p m e n to fi m p l e m e n t a r ym e t h o df o ri n t e r p o l a t i n ge s t i m a t i o ni sb a s e do i l n u m e r i c a la n a l y s i sp r i n c i p l e t h em a i ni d e ai st h a ti tc o n s t r u c t si n t e r p o l a t i n gf u n c t i o n b yo r i g i n a ls a m p l e s ，a n dc o m p u t e su n k r l o w ns a m p l e su s i n gt h i sf u n c t i o n ，t h ep a p e r r e v i e w ss o m et r a d i t i o n a l i n t e r p o l a t i n g f d t e r sw h i c ha r eb a s e do n l a g r a n g e p o l y n o m i a l ( a l g e b r a i cp o l y n o m i a l ) f i r s t l y , a n dc o m b i n e dw i mp o l y p h a s ed e c o m p o s i t i o n f o rs i m p l e n e s s ，i na d d i t i o no b t a i n i n gan e wi n t e r p o l a t i o nm e t h o d g i v e nt h el a t e n c y e s t i m a t i o np a r a m e t e r ，c o m p a r i n gw i t hs o m ec l a s s i c a li n t e r p o l a t o r si ti n d i c a t et h a tt h i s i n t e r p o l a t o ra c h i e v e st h eb e s tp e r f o r m a n c ea m o n g a l ls t a t e o f - t h e a nm e t h o d s i ti sa l s o d e m o n s t r a t e dt h a tt h i s a p p r o a c hp r o d u c e sap a r t i c u l a rs i m p l e i m p l e m e n t a t i o n s t r u c t u r e ，r e d u c e sc o m p u t a t i o nl m e n c ya n di m p r o v e st h ei n t e r p o l a t i o np e r f o r m a n c e f i r s t l y , t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e s o ft h et r a n d i t i o n a l d i g i t a l c o m m u n i c a t i o nr e c e i v e r ，a l l - d i g i t a lr e c e i v e ra n ds o f t w a r er a d i or e c e i v e r ；s e c o n d l y , i t i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fs a m p l es y n c h r o n i z a t i o ni no r d e rt ou n d e r s t a n d t h ep o s i t i o na n df u n c t i o no fi n t e r p o l a t o r ，a n di tp a ym o r ea t t e n t i o nt oi n t r o d u c e i n t e r p o l a t i o np r i n c i p l e ，t h ed e s i g n m e n to fi n t e r p o l a t o ra n ds o m ec l a s s i c a li n t e r p o l a t o r s i n t h i sc h a p t e r l a s t l y , i tr e s e a r c h san e we f f i c i e n ti n t e r p o l a t o ra n di n t r o d u c e san e w a n t i a l i a s i n gd i g i t a l f i l t e rt e c h n i c a lw h i c hi sn o tr e l a t e dt oi n t e r p o l a t i o n t i m i n g a d j u s t m e n tb u th a ss o m en e w i d e a l si ni t k e yw o r d s ：s a m p l es y n c h r o n i z a t i o n ；t i m i n gr e c o v e r y ：i n t e r p o l a t o r ；p o l y n o m i a l i n t e r p o l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ：筮住玉缮电虫搓值庭吐遢墼笪凼撞撞盔婴究：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：瑚导2 即石年雩月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密日( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：刻! 孚导师签名：勺名 日期护6 年弓月阢| 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 随着新的标准和协议的不断发布，无线通信正在以迅猛的速度进行发展。有 线因特网的迅速扩张导致无线因特网的需求，并要求其有更多的功能。人们期待 经得起考验的并且能够兼容的无线电系统出现，要求系统中的软件和硬件在随着 新标准的逐渐推广应用而不被放弃，这使得构建先进的无线因特网面临巨大的挑 战。综合的全球无缝隙覆盖要求无线电系统必须具有两个基本特征，一个是跨地 理区域的全球漫游和无缝隙覆盖，例如要求支持在不同的蜂窝标准( 如i s 9 5 和 g s m ) 之间进行切换的双模手机；一个是实现与不同的系统和标准之间的接口， 要求有与其他业务的接口能力( 如蓝牙或者i e e e 8 0 2 1 1 网络) ，从而保证在确定的 位置提供无缝隙覆盖。另外技术创新正在加速，无线通信设备制造商和电信运营 商应该随着技术的发展而不断作出响应，通过升级系统来集成新技术或者修正所 发现的技术错误。制造商和运营商们不希望反复进行重新设计，因为这样成本很 高，浪费时间，而且这样对最终的用户也带来不便，所以人们开始考虑经得起考 验的无线电系统。 为了解决这一日趋凸现的状况，1 9 9 2 年m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次明确 提出软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 的概念 i 】。所谓软件无线电，就是采用数字信 号处理技术，在可编程控制的通用平台上，利用“软件定义”来实现无线电台的 各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。即整个无线电 台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由“软件编程”来完成。随着数字 技术和微电子技术的迅速发展，数字信号处理器( d s p ) 等通用可编程器件的运算 能力成倍提高，而价格却显著下降，现代无线电系统越来越多的功能可以由软件 实现，这是软件无线电产生的必要条件。软件无线电的核心思想是将宽带模数 ( a f t 3 ) 及数模( d a ) 转换器尽可能靠近射频天线，并尽可能用软件实现无线 电功能。它充分利用了现代微电子技术、数字通信技术及软件技术，可以满足未 来移动用户的“无缝”接入。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理芯片， 以软件为核心的崭新的无线透信体系结构，是未来通信系统发展的趋势。 1 2 软件无线电的特征和优势 目前对软件无线电的确切定义还存在巨大争议，并且对于确定一个无线电系 统为软件无线电所必须具有的可重构能力级别，还没有达成一致意见。一个采用 软件来定义调制、纠错和加密过程的无线电系统显示出对射频硬件部分的某种控 制能力，并且能够被重新编程，这显然是软件无线电。一个好的软件无线电定义 是利用软件充分定义并且通过软件的变化能够有效改变其物理层行为的无线电系 统【2 】。可重构能力级别主要取决于无线电系统设计中许多普通问题之间的复杂相互 影响，包括系统工程、天线形状系数、射频电子线路、基带处理、硬件的处理速 度和电源管理等。软件无线电提供了一种灵活的无线电体系结构，可实时的改变 无线电系统的特性。体系结构上的灵活性可使电信运营商迅速升级基础设施并在 市场上推出新的业务。通过面向对象编程和对象代理等技术的实现，硬件体系结 构的灵活性和软件体系结构的灵活性相结合，使其自身能与多种网络进行无缝集 成，即使这些网络具有完全不同的空中接口和数据接口。从整体上看软件无线电 技术有五大技术优势： i 多功能性：软件无线电的可重构能力可支持统一系统中的各种业务功能。 2 全局移动性：其能实现全世界范围内不同地理区域的某些甚至全部标准。 3 紧凑性和功率有效性：其通过复用相同硬件模块来实现多个系统和接口， 不会随着系统功能的增加而变得庞大。 4 易于制造：因为其数字化程度高，所需模拟组件少便于制造。 5 易于升级：这是软件无线电的基本特点。 1 3 本文的主要研究内容 定时调整是软件无线电接收机实现开环定时恢复的关键技术，通常定时恢复 有两种结构：一种是闭环结构即采用数字锁相环来实现样值同步；另一种是开环 结构即采用本地定时时钟直接对基带信号进行采样。由于存在样值同步误差，故 得到的往往不是最佳时刻采样值。而开环结构软件无线电接收机的采样时钟是独 立于发送信号时钟的，判决取样的最佳时刻不能通过直接取样获得，必须利用定 时误差估计值控制内插滤波器对独立采样得到的信号样本值进行插值运算，以得 到信号在最佳采样时刻的近似值。可见，插值滤波运算是软件无线电和传统接收 机最大的不同，插值滤波器的设计也必然成为软件无线电设计的关键 3 1 。 本文在研究已有插值滤波器的基础上，找到一种改进的插值方法。在给定延 时估计参数的前提下，通过与几种典型插值器进行比较，发现这种插值器在结构 的复杂性、计算延迟和频谱特性上均得到较好的改进。 本文的具体结构分为以下六章： 第i 章为绪论，简介了无线通信的发展趋势，软件无线电的特点及其技术优 势，并在最后明确本文的研究内容。 第2 章介绍了传统的数字通信接收机、全数字接收机和软件无线电的基本原 理，并重点介绍了它们的区别和联系。 第3 章介绍软件无线电接收机样值同步的原理与结构，以便明确插值滤波的 位置和作用，并蓿重介绍了内插原理、内插滤波器的设计和典型内插滤波器的介 绍。 第4 章讨论了一种新的、基于三角多项式内插方法，本文把其成功应用在内 插滤波器中，并且对其高效实现结构做了研究。 第5 章介绍了改进的数字上下变频中高效的抗混叠数字滤波技术。 最后，对全文进行了总结。 第2 章软件无线电接收机的体系结构 2 1 三种通信系统的体系结构 本节将简单介绍三种通信系统的结构问题，它们分别是传统的数字通信系统、 全数字接收机系统和软件无线电系统。现在的移动通信系统无论是g s m 还是 c d m a 都是传统的数字通信系统。一个典型的无线电数字通信系统框图如图2 1 所示。到目前为止，无线通信使用的载波仍然是正弦波。调制就是用要传输的信 号控制正弦波的一个或多个参数。由于正弦波是模拟信号，所以无论调制信号是 模拟信号还是数字信号，调制后的信号必然是模拟信号。从数字通信的框图可知， 调制解调、变频、滤波以及天线和空中传播的电磁波都是模拟信号。图2 1 中标 示出模拟处理区和数字处理区，传统数字通信系统的数字处理区在a d 变换到调 制以及解调到d a 变换两个区间，也就是说信源编码、加密和信道编码是数字处 理的，其他的工作还是在模拟情况下完成的。可见，现在的数字通信并没有实现 全数字化，它的调制解调、上变频和下变频、功率放大和滤波处理等都是模拟的。 一数字处理 卜模拟处理 卜一_数字处理_ 三刮_ 一模拟处理 图2 1 传统数字通信系统 f i g 2 1t h et r a n d i t i o n a ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 二十世纪中后期全数字接收机概念被提出【4 石】，全数字接收机与传统的无线电 数字通信接收机不同，其在数字通信接收机的模拟处理区引入了数字处理技术。 最基本的全数字接收机是接收机的解调器前插入a d 变换器，把接收机下变频后 的模拟信号变为数字信号如图2 2 示。输入到解调器的信号是数字信号不再是模 拟信号，因此可以用全新的数字技术实现信号的解调，称这种技术为全数字解调 技术7 1 。全数字接收的目标是a d 变换器尽可能的靠近天线，这样数字化的程度 变高，同时要求数字处理的速度也就相应提高，实现难度增大。 圈2 2 最基本的全数字接收机 f i g 2 2t h eb a s i ca l l - d i g i t a lr e c e i v e r 全数字接收机要求用数字技术实现解调、滤波、变频等原来用模拟器件完成 的功能，它不能模仿模拟信号的处理方法而且必须在处理方式上有新的突破。虽 然通信中最佳接收机理论原则上也适用于全数字接收机，但是当调制后的信号被 离散和数字化后，引出了一系列新的问题。通信中的最佳接收机理论必须适应信 号全数字化的条件，由此相应产生了全数字化的接收机理论。 在全数字接收机的基础上软件无线电的概念被提出来，它将全数字接收机的 思想作了两方面推广：一是数字化区域由接收机推广到了发射机，软件无线电的 发射机和接收机框图如图2 3 所示。可以看出在理想概况下只有从发射天线经过 电磁波传播到接收机天线是模拟区域，其它部分全部是数字化。第二，信号处理 部分，包括调制解调、上变频下变频、滤波等全部构建在硬件平台上用软件实 k 一数字处理# 模拟处理 i 一数字处理# 模拟处理 图2 3 软件无线电发射机和接收机结构框图 f i g 2 3t h ea r c h i t e c t u r eo f t h e t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rf o rs r 现。软件无线电借鉴计算机的结构和发展思路，它把硬件作为公共的平台，然后 在这个公共平台上安装不同的软件就构成了不同功能的接收机，基于这一理念的 软件无线电接收机结构如图2 4 所示。 数据 传真 基地台 图2 4 基于可编程硬件平台的软件无线电结构框图 f i g 2 4t h ea r c h i t e c t u r eo f s rb a s e do np r o g r a m m a b l eh a r d w a r ep l a t f o r m 2 2 三种接收机的区别和联系 传统的数字通信接收机与全数字接收机的有着本质的不同，而软件无线电是全 数字接收机的推广应用，所以后两者在本质上是基本相同的。所以就三者的区别 而言主要讨论全数字接收机和传统的数字通信接收机即可。经比较两者主要有以 下几方面的不同： 首先根据通信中的最佳接收理论，对数字调制信号进行解调本质上是一个联 合的检测与估计问题，几乎均可以应用最大似然准则对接收信号进行最佳解调。 但是如何应用最大似然准则对数字化的信号进行最佳解调，这个问题本身就构成 了全数字接收机的基本理论，也是通信中的最佳接收机理论的推广和发展，其对 全数字接收机解调器的结构实现和研究有重要意义。 其次，在数字通信中，载波同步和样值同步是其关键技术，而且主要利用锁 相技术实现。其主要特点是：其一将载波相位误差和时钟相位误差信息反馈分别 ， ：a 1 0 )。 _ - 、 广1 ”。l一l “ 上w t 同一阳滤波器卜陋；恢： 划l r r f iq 一1 l 判决 图2 5 传统接收机框图 f i g 2 5t h et r a n d i t i o n a lr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e 息 去控制本地载波压控振荡器( v c o ) 和本地压控时钟( v c c ) 以达到同步；其二 是同步的性能受到环路滤波器性能的影响，是有偏估计并且在理论上分析是十分 困难的，因此这种技术的使用是十分困难的。传统数字通信接收机的框图如图2 5 所示。相反全数字接收机主要采用开环结构，解调用的本地参考载波和采样时钟 都震荡于固定的频率，这样可以克服传统接收机需要将信号参数反馈到前面进行 控制以及采用高速传输方式时锁相环设计的困难，如图2 6 所示。但是采用开环 结构的全数字接收机其相位误差和时钟误差估计算法比较复杂，而采用传统技术 的锁相环接收机不需要计算相位和时钟误差的精确数值，只要知道误差信号的变 化方向即可。因此设计全数字接收机必须首先解决三个误差估计的问题即载波频 率误差( 即相位变化的误差) 估计、样值定时误差估计和载波相位误差估计。准 确的频率误差和相位误差数值求出后，可以用相位旋转器进行校正；但是定时误 差的纠正就不能使用传统的方法了，这就引出了全数字接收机固有的插值滤波问 题。 图2 6 基带取样开环软件无线电接收帮i 框幽 f i g 2 6t h eo p e n - l o o pa r c h i t e c t u r eo fs r f o rb a s e b a n ds a m p l i n g 插值滤波是全数字接收机和软件无线电接收机中的特殊问题，它完成了样值 的内插定时调整，其在一般的接收机中是不存在的。在传统的数字通信接收机中， 利用样值同步的锁相环，样值时钟误差信号以前向和后向方式控制压控振荡器相 位的调整，直至锁相环稳定最后锁定在最佳采样点处，从而直接得到了最佳采样 点的值。但是全数字接收机中则不同，因为a d 采样的时钟是固定的，接收机采 样时钟与发送的信号时钟是相互独立的，这样最佳采样点的值不能通过直接采样 得到，当采样时钟与基带信号时钟不同步时，就需要在非同步的抽样信号值之间 进行插值，来获得同步的信号样值。值得注意的是在全数字接收机和软件无线电 中，通过定时误差估计值控制内插滤波器对采样得到的信号样值进行插值运算， 从而得到信号在最佳采样时刻的近似值，所以最佳时刻的信号样值是估计出来的， 只能不断的接近最佳样值但是不可能相等。所以内插器的性能好坏直接影响到整 个系统的性能，设计良好的内插器是全数字接收机和软件无线电的关键。本文重 点研究的内容就是内插定时调整。 最后，全数字接收机的信号采样问题也比普通接收机复杂。采样的目的是用 数字信号代替原来的模拟信号，这就要求采样信号含有被采样信号的所有信息。 但是由于无线电接收机中调制后的信号频率是非常高的，特别是在下变频前信号 频率在几百m 甚至是几g 的数量级，采用奈奎斯特准则取样是不现实的。必须研 究带通取样、抗混叠滤波等问题，还必须解决窄带中频取样、宽带中频取样和射 频采样中的一些特殊问题。对于全数字接收机和软件无线电接收机的宽带中频取 样和直接射频采样，由于采样频率很高，采样后的数据率更高，这对后面的适时 解调处理造成很大困难，甚至无法实现。实际的调制信号的速率是低速的，一般 只有几k 或几m ，所以取样信号只要包含调制信号的信息就足够了。这就涉及到 了采样率变化处理的问题，形成了多速率数字信号处理理论。本文在后面的章节 中简单介绍了多速率的理论并着重介绍了研究中有所创新的抗混叠滤波的问题。 事实上全数字异步接收的体系结构是在f m g a r d n e r 等学者研究基础上发展起 来的 8 母 ，其间经历了很长时间。研究表明，在异步采样的前提下，本地采样时钟 与发送端的样值时钟是不相关的，必须采用内插的方法并利用信号样值对最佳采 样点进行估值，才能获得与发送端一致的传输样值。也就是说必须通过内插运算 在信号样值上实现时钟调整，以及最优采样点的估计值。显然g m d n e r 等人的研究 瞄准了全数字接收机发展中的一个关键问题即采用插值滤波器实现样值时钟调整 的问题。 2 3 软件无线电接收机的采样结构 2 3 1 基带信号采样的开环结构 最基本的软件无线电接收机接收机的解调器之前直接对下变频后的基带取 样，如图2 7 所示。其中，中频信号首先同一个工作在中频上的本地固定频率的 自由振荡器( f x f r o ) 进行中频混频，得到基带信号，基带信号再由一个f x f r o 进 行采样量化，输出送至数字信号处理部件进行处理。所有的载波相位校正和时钟 相位补偿均由数字信号处理部件完成，如图2 6 所示。这种结构称为开环结构( o d e n l o o p ) ，它不包括反馈回路，所有的信号都是向前流动的。由于没有反馈环路，也 就是没有一个自适应的调整和跟踪过程，数字信号处理器要自动的从信号中提取 信号样值其算法将会复杂的多。首先，数字信号处理器必须直接准确的估计出载 图2 7 基本的软件无线电接收机结构 f i g 2 7t h eb a s i cs rr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e 波的频率误差和相位误差的绝对大小，而不是估计出应该调整的方向和趋势：其 次，采样的时钟自由振荡在一个固定的频率上，因此同发送的信号时钟之间必定 存在着频率和相位上的差异。故开环结构软件无线电接收机中的数字信号处理部 件包含两类特殊的子功能单元：一是估计单元，它准确的估计出载波与时钟的频 率和相位误差的大小；二是校正单元，根据准确的估计误差进行相应的校正，已 完全消除误差，如图2 6 所示。对每一种调制方式来说，都有其不同的载波和时 钟估计算法，故误差估计单元的结构往往是不同的；但是它们可以采用相同的误 差校正单元。具体来说对载波频率和相位误差可以通过复数乘法器或者相位旋转 器来进行校正；对于时钟频率和定时相位误差必须进行多抽样率变换，通过内插 和抽取来消除采样频率和定时相位误差。从2 6 图中还可以看出采用开环结构的 软件无线电接收机的载波相位误差校正和时钟相位误差校正能够完全独立的进 行，而不像反馈结构的传统接收机那样往往形成嵌套的环路，这也是全数字接收 机和软件无线电接收机另一个显著特点，其好处是能更快的获得同步。 另外值得注意的是通常文献中直接对符号的定时调整进行研究，其与信号样 值之间的关系有以下几点需要说明： 1 符号和码元在样值同步问题上是等价的。它们的不同在于码元是没有调制的0 、 1 数字序列的表示，而符号是码元被调制后的正弦波：对正弦波形式的符号进 行采样就得到了符号样值，即样值的同步就等价与符号的同步，而符号的同步 又等价一码元的同步，所以样值、符号和码元三者之间是必然的联系并不矛盾。 2 当码元是二进制的时候信息的度量单位是比特，四进制或更多进制时则信息的 度量单位是波特，不同进制间的转换关系是对数关系。 3 由于符号速率和码元速率是等价的，而通常对码元的生成通常不是理想的方波 而是采用生余弦，并且为了防止码间干扰实际的码元速率通常比理想的码元速 率高，故若要对信号样值迸行内插调整，除了理论上采样率必须高于调制带宽 的2 倍之外即应高于符号速率之外，还应根据内插器的实现难度和复杂度将采 样率相应提高。一般情况下，采用开环结构的软件无线电接收机其采样率通常 要求较高，一般为2 倍或4 倍的符号速率，这是开环结构的又一特点。 2 3 2 窄带中频采样的开环结构 中频采样开环结构和基带取样开环结构基本相同，只不过其对中频直接采样， 如图2 8 所示。实际上中频采样开环结构的软件无线电接收机的基带处理部分与 基带采样结构没有本质区别，只不过在基带信号处理之前有一个数字下变频 ( d d c ) 的处理。数字下变频完成了两个任务：一是将中频信号变为基带信号： 图2 8 中频开环软件无线电接收机 f i g 2 8t h eo p e n - l o o pa r c h i t e c t u r eo f s rf o ri f 二是由于中频采样频率很高，从而产生了很高的数据率，使后面的数字处理 器难以承受，数字下变频就是通过抽取和滤波使数据率下降。典型的数字下变频 结构框图如图2 9 所示。x 倒是数字化后的中频信号，n c o 是数控振荡器乘号表示 数字相乘器( 数字混频器) ，c i c 是积分梳状滤波器，h b 为半带滤波器，f i r 是有 限长冲击响应滤波器。本文后面还将单独介绍我在研究中有所创新的抗混叠数字 滤波技术，但是这一部分与本文研究的主要内容无直接联系但是其对数字下变频 的抗混叠很有帮助。 中频输入 图2 9 数字下变频的算法原理 f i g 2 9t h ep r i n c i p l eo f a l g o r i t h mf o rd d c 宽带a d 变换 d d c 信道选择 d d c 信道选择 d d c 信道选择 d d c 信道选择 雯，掣 处理厂7 雯，攀 处理厂7 丽f 攀掣 处理厂7 霭秽处理厂一7 图2 1 0 软件无线电中频宽带开环采样结构 f i g 2 1 0 t h eo p e n - l o o pa r c h i t e c t u r eo f s r f o r i f w i d e - b a n ds a m p l i n g 2 3 3 中频宽带采样开环结构 中频宽带采样开环结构通常是多信道接收系统，如图2 1 0 所示。这里多个信 道公用一个接收机前端，在中频进行宽带采样。采样后的中频信号为包含多个信 道的数字中频信号，然后再进入各自独立的数字处理器中，经过d d c 讲行倩前谶 择并降低速率，再送到基带信号处理器。 第3 章软件无线电中样值定时调整的基本原理 数字通信系统的接收机要正确地解调出所传输的数字信号，有两个基本的问 题需要解决即载波同步和样值同步。对软件无线电接收机来说，传统的利用锁相 环进行同步捕捉和定时调整的方法已经不能适应新的系统要求，必须利用插值滤 波器调整接收机的采样时刻，是接收机的采样时钟与发射机的样值时钟同步。软 件无线电机是基于全数字接收机发展起来，其样值同步的研究分为两个主要部分： 一是误差定时调整的插值技术研究，这是软件无线电与传统接收机最大的不同点； 二是样值同步的定时误差估计，通过信号样值处理计算出基本指针和分数间隔并 用其控制插值滤波器，使其调整采样时刻以接近最佳采样值。本文的主要研究在 前者。 3 1 采样与恢复的基本原理 3 1 1 采样与恢复原理 n y q u i s t 采样定理：设有一个带限信号x ( o ，其频带限制在( o ，尼) 内，如果以 不小于五= 蕊的采样速率对x ( o 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 x ( n ) = x ( n t s ) ( 其中t s = l 循称为采样间隔) ，则原信号x ( o 将被所得到的采样值x ( n ) 完全地确定。对x ( 0 采样前后的信号频谱关系为 置( 出) = 砉圭z c 一等n j 2 i 1 ，墨z ( m 一啪矽 ( 。- ) 理想的信号抽样恢复公式为 x ( t ) = x ( h ) s r f ，t 一聊) ( 3 1 2 ) 从公式( 3 1 2 ) 中可见对理想的信号熏建来说理想低通滤波器的作用就是一个完 美的内插滤波器，允许从带限信号x ( 0 的抽样中恢复出x ( o 的任何值。但是，很显 然这种内插器是无法实现的，实际内插恢复只能无限的逼近它，但却永远无法达 到理想程度。研究内插恢复的目的就在于找到最好的插值器。 31 2 采样率变换的时变性质 采样率变换的过程是将以周期t 对原始信号z ( 0 抽样的得到的序列x ( m ) 变换 成以周期l 对缸0 抽样得到另一个序列“p 的过程。最直接了当的方法是从抽样序 列x ( m ) e e 恢复原始信号记为y ( o ，然后再用周期z 对_ y 进行重新抽样得到y 阳。 这一过程的实现框图如下 模拟 堡量壁焦，id a 止塑_ | h l ) a 卜_ 一 x 俐 模拟滤波器 h i 模拟插值 信号 y k 堕堑 y 承) 图3 ，1 用模拟撼坡器实现的采样翠转换模型 f i g 3 1t h em o d e lo f r a t ec o n v e r s i o nu s i n ga n a l o gf i l t e r 对任何的k ，) ，内的值可以由下式得到 y ( 七) = x ( 讥蝎= 黑x ( 卅z 溉( 蝎一m i ) ( 3 1 3 ) 其中m 和m 分别代表计算y 例时涉及的t n 的最小值和最大值。上式中求和的上下 限是由所不等于零的范围决定的，若假定h i ( t ) 在时间上持续的范围是f 。 t f ：即 h i ( k r , 一m r , ) 0 ，当t 蝎一m z 乞 ( 3 + 1 4 ) 相应有 盟蔓 州 生丝( 3 1 5 ) y ；l ； 通过对( 3 1 5 ) 式两端分别取整得到 m _ 警 m 降k z i - t 1j c s ， 其中l z j 表示小于或者等于x 的最大整数，x 表示大于或者等于x 的最小整数a 可以看出重采样样值y 例的确定用到的原始采样x ( 聊) 的集合是采样率变换前后的 采样周期l 和t 、有限长滤波器时间上的两个端点和t ：以及被抽样序号k 的复杂 函数。实现抽样率变换的一个重要问题是对于确定每个重采样值y 时涉及的内插 滤波器 ，似的抽样集合，其实质是时变的滤波系统即由 ，倒的不同抽样集合确定 y 例。为了揭示这一问题的实质这里引入变量代换如下 以= ( 3 1 7 ) 础上式代人( 3 1 3 ) 式得 小越n = k x 蚓一n 弘卜即刁 慨m ， 重新排列上式得 小卜铷针h 灿训i 扭， 其中坑的定义为 玩鲁一引 。， 即瓯对应于数娶与它最接近而又小于它的整数之差，故有 0 玩 1 ( 3 1 儿) 从( 3 1 8 ) 式可见求解y 内时涉及 删的这样一些抽样，它们相隔z 并偏置了一个 小数抽样时间皖t ，其中最是随着膏而变化的函数。有趣的是当巧= i 时，( 3 1 9 ) 式就变成了我们熟悉的时不变系统即 y ( ) ：釜x ( 一以h ( ，z ) ( 3 1 1 2 ) 再次使用( 3 1 4 ) 式确定变量代换后的k j 和k 2 ，k 的范围是 芎一坑出专一瓯( 3 i 1 3 ) 把( 3 1 1 0 ) 式代入上式并对上式取整后得到求和范围如下 耻b 一洲等j 慨。， k = b 坑心一针倒 踟 1 4 值得注意的是在软件无线电接收机系统中采样率变换比通常是整数比即有理数， 这样对其研究的范围就更加明确了。令m 和l 均是正整数，那么z 和z 的关系通 常可以表示为 zm f 上 ( 3 1 1 6 ) 把上式代八( 3 1 1 0 ) 式进一步简化对疋的表不为 瓯= - 枷e 1 爿 = 舭一例刁 ， = ( 肼) o 上 从这个关系式可见，对所有后值来说瓯只能取三个唯一的值即o 、 、季、旦。 lll 这样就把h i ( t ) 的抽样 ，分解成工个不同的集合，并表示成歌( 每个瓯值对应一 个集合) 。可以把这个过程理解为首先对设计好的模拟滤波器 删进行均匀抽样， 便形成了一个数字滤波器的单位抽样响应 ，之后把 ，倒分解成三个不同的集 合具体用戤倒( 每个坑值对应一个集合) 。舭倒是该系统在输出抽样时间k 时的响 应，它对应的是输入抽样时间倒一n 时的输入，抽样率变换实际上是一仫陛时 不变和两个线性时变的组合运算，因此整个系统是线性的但是时变的。可以进一 步把y 表示为 小卜纠恻一n 如 ，- 岛( n ) = 啊 ( n + 刚z ( 3 1 1 9 ) 由于职倒可以表现为l 个不同的数值集合，其对k 来讲是周期性的，即 毋( n ) = + 。( n ) 其中r = o ，l ，2 ， ( 3 - 1 - 2 0 ) 因此姗俐是一个线性的、数字的、周期的时变的系统。 3 2 样值同步的结构原理 现有的接收机样值同步恢复有三种方式：模拟方式、混合方式和数字方式如 图3 2 所示【8 】。在传统的数字通信系统接收机中时钟同步和最佳判决取样时刻是通 过锁相环调整取得的。开环结构的软件无线电接收机一般采用数字方式，其采样 时钟是独立于发送信号时钟的。在这种情况下判决取样的最佳时刻不能通过直接 采样取得，必须利用利用定时误差估计值控制内插滤波器对独立采样到的信号样 本值进行插值运算，以得到信号在最佳判决取样时刻的近似值。可见，插值滤波 器是软件无线电接收机的一种特殊处理，也是和传统的接收机最不同的地方并且 插值滤波器的性能直接影响到接收机的系统性能，设计性能良好的插值滤波器成 为软件无线电接收机设计的关键。 ( a ) 模拟恢复 ( b ) 混合恢复 ( c ) 数手恢复 图3 2 定时恢复的三种基本方法 f i g 3 3t h et h r e eb a s i cm e t h o df o r t i m i n gr e c o v e r y 从图3 3 可以看出全数字接收机的实现框图中插值滤波器的位置。其中载波 恢复单元和样值时钟恢复单元没有固定的先后关系，依赖于调制方式和解调算法 而定。其中，( 红) 是接收信号的采样序列，采样时钟独立于接收信号的采样时钟。 利用信号检测与估计的技术求得样值时钟的定时误差后，再利用样值时钟确定基 本指针和分数间隔段，然后控制插值滤波器，调整采样时刻使其接