（通信与信息系统专业论文）软件无线电若干关键技术研究.pdf

嚣南交通大学硕职交生学位论文第l 页 摘要 f 、 卜软件无线l 乜”是近年来幽际上兴起的一颂新披术，被称为是自模拟过 渡到缎字之后无线通信领域的又一场革命，具有广闽鸵军用和民用前景。于 憩，软件无线电中的一些关键技术，铆知：调制解调技术，数字上交颁，数 字下变频等成为该领域的研究热点。丫 本论文对较箨无线漱戆死个关键技术进行了跑较深入静磷究。在基于中 频采样的软件无线电结构框架下，首先详细探讨了软件无线电的前提条件， 朝热舞对连续瞳阙售号遴行采搂霪诧，迸较分孝厅了死耱采样懿方式，其中最 为重要的是带通信号采样定理；然后探讨了软件无线电的一个匿要基础，即 多采样率信号处理，重点讨论其最基本憋薅个过程抽取秘内援戳及撼淑器寒 内插器的实现；接着介绍了结构简单、适用于级抽取的c i c 滤波器和适 用于做2 倍抽取的半带滤波器；再次纶文在总终了传统的调制解调基础上， 缡合软 串无线电器件酌特点，系统的探讨并实现了豢于正交思想的翎、 f g 、a s k 、f s k 、b p s k 、q p s k 的讵交调制解调算法。 锌黯论文设诗中灞戮靛两令院较蓬耍的器 季h s p 5 0 2 1 4 b 下交频器帮 l i s p 5 0 2 15j ：变频器，作了较为深入的研究f ：给出了洋坌h 1 1 的描述，包括撼本特 l l | 、雕甓络翰、筹1 - ：要郏分琢雕救蠡i 波跨t l ；的熊删：焱皱露4 瀑，逮过菠瞎 个短波无线电台，将前面的基础理论尤其是数字调制、解调及数字上、下 变频等应照于实践中，通过实供讨论话音数据传竣懿敬 譬无线怒实现缡掩及 设计方法，包括发射模块中的上变频调制和接收模块中下变频解调等，并在 b l u e w a v e 系统的s b 3 4 1 0 平台上运行验证，取得了较为满意的结果。 丽辩在论文的糯应部分，给密了秘确m a t l a b 仿真的结栗和系统设计所 得列的仿真结果。对软件无线r 1 的进步研究有定的参考价1 1 i ! i 。 笑司：刚溅忆耵卜弋螂删： 1 洳此燃：矿嗍甜 i m 能杖 破交调制解渊铭刘：、 嚣南交通大学硕士研究生学位论文第ll 页 a b s t r a c t ”s o f t 。d e f i n e dr a d i o s d r ”h a sb e e nan e wt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d r e c e n ty e a r s 。l th a sb e e nc a l l e da n o t h e rr e v o l u t i o ni nr a d i oc o m m u n i c a t i o n a f t e rt r a n s i t i o nf r o ma n a l o g u et od i g i t a l i th a sv a s tm i l i t a r ya n dc i v i lu s e a s ar e s u l t ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fs d rs u c ha sm o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ， d d ca n dd u ch a v eb e e nh o tt o p i c s i n t h i sp a p e r ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fs d ra r er e s e a r c h e dd e e p l y a l l i sb a s e do ns o f t w a r er a d i of r a m eo fi fs a m p l i n g f i r s t ，h o wt oc o n d u c ts a m p l e a n dq u a n t i f i c a t i o no fc o n t i n u o u st i m es i g n a lw h i c hi sp r i o rc o n d i t i o no fs d r i se x p l o r e di nd e t a i l ，a n dt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so fs o m es a m p l em o d e s a r eg i v e ni nw h i c hb a n dp a s ss i g n a ls a m p l i n gt h e o r e mi sm o s ti m p o r t a n t s e c o n d ，m u l t i s a m p l el a t es i g n a lp l + o c c n n i n gw h i c hi s i h li m p o l t a l l b a s i so i s d ri ss t u d i e d e m p h a s i sa r ep u to nd e c j m a t i o na n di n t e r p o l a t i o nt h o s ea r e t h em o s tf u n d a m e n t a lp r o c e s sa n dt h er e a l i z a t i o no fd e c i m a t i o na n d i n t e r p o l a t i o nf i l t e r ，t h e n ，c i cf i l t e rt h a ti sa p p l i c a b l et of i r s tc l a s sd e c i m a t i o n a n dh bf i l t e rt h a ti s a p p l i c a b l e t od o u b l ed e c i m a t i o na r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r ，w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fd d ca n dd u c ，o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o na l g o r i t h m so fa m ，f m ，f s k ，b p s k ，q p s ka r ee x p l o r e d a n di m p l e m e n t e db a s e do nt r a d i t i o n a la l g o r i t h m s + h s p 5 0 214 ba n dh s p 5 0 215i sv e t yi m p o r t a n ti nt h i sp a p e r t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c s ，f r a m e w o r k ，p r i n c i p l e so fd o m i n a n tp a r t sa n da p p l i c a t i o no f t h o s ea r es t u d i e da n di l l u s t r a t e d a tt h el a s tc h a p t e r ，b yd e v i s i n gas h o r t w a v e r a d i os t a t i o na f o r e m e n t i o n e df u n d a m e n t a lt h e o r i e sa r ep u ti n t o p r a c t i c e e s p e c i a l l yd i g i t a lm o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ，d d c a n dd u ce t c t h e i m p l e m e n tf r a m e w o r k a n dd e s i g nm e t h o do fs d ra r ed i s c u s s e db yd a t a t r a n s m i s s i o no fv o i c ei n c l u d i n gd u cm o d u l a t i o ni nt r a n s m i tm o d u l ea n d d d cd e m o d u l a t i o ni nr e c e i v em o d u l e m o l e o v c l s a t i s f i e dr e s u l t sa r e o b t a i n e db yv a l i d a t i o no nt h es b 3 410p l a t f o r mi nb l u e w a v es y s t e m + t na d d i t i o n ，t h er e s u l t sw i t hm a t l a ba n ds y s t e md e s i g na r eg i v e n a n a l y s i ss h o w st h a tt h er e s u l t so ft h i st h e s i sa r ev a l u a b l et of u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：s d r ；d d c ( h s p 5 0 2 1 4 b ) ；d u c ( h s p 5 0 2 15 ) ；o r t h o g o n a l m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na l g o r i t h m 西南交通犬学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 以现代避 ? 渊n 娩y , j 肚 i i l i ，以数h 。il j 处理为饮心，以微i 也f 妓术为支 撑瀚软髑：无线屯( s o f t w m cr a d i o ) j 戈搿杯为软件 j 定义拍兜线 毡( s o f t d e f i n e dr a d i o ) 是i 压年来网际卜兴起的+ 项新拽术被辨为足九模拟时代 遥渡翻数字瓣代之甏，无线逶穰领域的义溺革命揶l ，它突酸了传统瀚无线 1 u 台功能单，川扩j 隧性蕉的以 i ! l ! 件为核心的改计局限性，强调以开放性的 最麓疆传必逶霸平台，尽可能豹嗣霹秀级，t 虿重醚鬟鼓惑瘸较髂寒实魂长耱 无线电功能的设计新思路，引起了包括军潦通信，个人移动通信，微电予以 及计算机等嚷子领域的巨大关注和广泛兴趣。黪以，对软传无线电耀关技术 的研究具有熬要意义。本章首先综述了软件无线电的研究背景及羽内外研究 现状，然后在此基础上给出了论文的主要研究工作。 1 。1 研究背景及阑内外现状 1 1 1 研究背景 工作频段不同，调制方式不嗣，波形缡梅不鼹，通信蜘 义不网，数字债 息酌编码方式不闷，加密方式不嗣等等这些差异极大的限制了通信设备之间 的互涟互通。因此，互通性已成为通信中擞为重要的问题之一。例如在格林 纳这冲突中，美军备耱通信设备静不兼容襁暴露无遗；在“沙漠风暴”彳亍动 中，由于盟军联合作战，需要及时有效的通信联络，这大大增强了通信保障 鲍复杂程度。为了瓣决互遴瞧运题，各謦都送行了鼗投黪探索，1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次明确提出了软件无线电( s o f t w a r e r a d i o ) 的概念。其中心思想是：构造一个具有开放性，标准亿，模块化戆 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，通信 协议等用软传来完成，并使宽带a d ，d a 转换器尽可能的靠近天线，以研 赣密鼹有高度灵活馁，开放性的新代无线通信系统。软件无线电这一新概 念一缀提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。其理想的结构框图如 图1 1 辨示： 西南交通大学硕士羲开究生学位论文第2 页 幽1 1 射频低通采样数字化的理想软f i ：无线 u 结构 扶天线避来的信号经过滤波放大后就由a d 送行采样数字化，这种结 构不仅对a d 转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非 常毫豹要求，嚣露瓣惹续d s p 或a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 的处理速度要求也特别的商，因为射频低通采样所需的采样速率至 少是射频王俘豢宽的援售。予是，人们提出了缦多摄中救方法，n 魅频繁逶 采样软件无线电结构和软件无线电的中频数字化结构，虽然对器件的性能要 求降低了，假离理想的软件无线电的要求却远了。 1 。 。2 圈内铃动态 添癸魂态：软待无线邀 乍为未寒j 藿翁乃至来米燹线 毪援零魏发矮方羯， 世界备国都在进行深入的研究，美圈是第一个建立实用软件无线电系统的国 家。美军的“s p e a k e a s y ”葶珏窳省理工躲“s p e c t r u m w a r e ” 6 l 蓑次证实了 软件无线电的可行性和优越性，并成为软件无线电系统研制中存在的两种体 系结构的代表。其中由美国军方研制的三军通用软件无线电台，即基于数字 信号簸理、软件可编程、模块化、多频段、多模式并具有波形重新配置能力 的电台一一s p e a k e a s y ( 易通话) 的初期工作已经结束，目前正在进行第二阶 段懿磷究工 率：魏辨，国舞纂秀究久员正着手繇究翔 霉佼翔软箨无线毫实现 g s m 凝站。 濯内动态：藿终逶绩器对软 牛无线电壤念静提囊，零| 趣了基波嚣行懿褰 度重视，1 9 9 6 年软件无线电技术被列入国家“8 6 3 ”计划通信主题的研究项 目，1 9 9 9 年被列为国家自然科学基金的重点资助颂垦。谯国内，软件秃线 电研究最多的是实现软件无线电系统的方案，主要集中在以下的两个方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 一方面是集中在剥民用移动通信系统进 j ：软件无线电实现的研究上，如对目 | j l l q 内二 乏川的g s m 及c i ) m a 姐仃- k 徉忭训究：j力i i il i 婴址化! ，f 川j 上，为满足0 i 队备灭利一之川，各通俯系统之叫的且通, f i t 1 l , 容性j | j j ：! | ! 行的软件 无线r 1 1 研究。1 9 9 74 1 ，f i i j 华人微波，敬，j j 竹披术豸( r t i 史验i 抛 了利- j 二交换删络f | ，j j 欠r f ：i 几线i 【1 1 小系。构j i ：j j | j i ：j 。0 j 阶j ，：ij 。0 叫命i “”， 1 9 9 9 年，该实验室义承担起幽家i 刍然料学綦金重点项目“软件无线电理论 、剃技术及3 l - d ：个人通信i 由应川iz 。陔j 贝1i n1 i 婴仙务灶研制+ 套软什尤 线i 1 试验系统，基木刚爪足能够j k 窬多1 ；i l 一愉休制，能和1 ：ir l f n f 输纠i 制l j 输入输出话音和数据，做到双向传输、两信道同时工作的要求。 软件无线电突破了传统的无线电台功能单一、可扩展性差的硬件为核心 的设计局限性，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能地用可升级、 可重配置的应用软件来实现各种无线i b 功能的设汁新思路。凶此，软件儿线 电在各兵种协同通信方面有重要意义，并将逐步渗透到民用及其它方面。 1 2 本论文主要工作 软件无线电的提出是为了解决多兵种司通信的问题，这就决定了软件 无线电是一种多频段、多模式的电台，软件无线电必须能够完成多种调制解 调方式，它的基本思想是在一个通用的硬4 q ：- ：t z - 台上，通过安装不同的软件来 实现不同的通信功能。在统一的硬件半台上川软件实现多种调制方式具有很 多优点。首先，因为硬件平台足统一的，所以具柏通川性。其次，山_ j 二全部 功能都出软件实现，所以升级和增加模式非常方便，只需增加相应的软件就 可以了，具有灵活性。第三，由于丌发软件比开发硬件所需周期相应较短， 便于及时应用新出现的技术和理论，具有先进性。由于具有上述的优点，所 以有必要进行算法软件化，通过软件实现各种功能。 本设计主要研究的内容有： 调制解调算法的软件实现，包括：a m ，f m ，a s k ，f s k ，b p s k ， q p s k 等； 在软件无线电的框架下，采样尽量往射频高端搬移m ”，受到d s p 处 理能力的限制，d s p 难以实时处理a i ) 出来的高速数据流，如何解决高速 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 a d 与d s p 处理能力的矛盾，将是本项研究的重点之一，即数字下变频技术 d d c ( d i g il a l d o w l lc o l l v c f l c f ) 。 在发划l j 、j ，为减轻d s i ，处耻迷皮的址力，在u s i 和d a 端之m 浆 f j 数宁i ：变频技术d u c ( 1 ) i g i t a lu pc o i l v c t t e l ) 完成数。，n c o ( n u m c t i c a l l yc o n t r o l l e do s i l l a t o l ) 、j 啦；簪谚 负ri j , i 捅) ，j _ ：2 ：f ij , 将t | j i j f 彬| - 究的重点之一： 在完成上述理论设计工作后，为验证设计是否正确，在软件无线电丌 发硬件平台进行验证。 西南交通大学硕士研究生学 赢论文第5 页 2 1 采样 第2 肇基本数字化理论 对连续时删信号进行采样齄化，变为数，信= = ( 序列) 进 ：处理，是软 1 ，l ：无线屯f 门前抛。 采样是将连续时闻信号转换成离散小l n 信号鲍一! i | l 物理过糕，司分 兔： 1 ) 理想采样与采样定理 设连续时间信号为x ( f ) ，其频谱为爿) ，理想采样信号为周期性冲激 躲狰穰号e ( ) ，葵溺弱妥瓦，频率为，= l ，瓦，颤港先c 。) c ( f ) = 8 ( t - n e ) ( 2 1 ) c ( c o ) ：i 2 r e 妻蚕油- - l e l 致) ( 2 - 2 ) t 一 采样过程为x ( ，) 与c ( f ) 相乘的过程，即采样后得到离散时间信号x 。r ) 为： x 。t ) = x ( t ) c ( t )( 2 3 ) 由频域卷积定理缛2 4 式： 1 x ，( 脚) = i x ( c o ) 女c ( 缈) 】 z 7 。x ( 础一, v o ) ，) ( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学俄论文 第6 页 可见理慧袋样厉的频落变为x ( ，) 嬲溺甥延摄顾港。霞灏率为m 。为 使频谱不发生混叠，要求 ) 的最高频潜分最矗蔓f 2 ，这即魑奈奄撕特 采榉定磷，。池髂为奈爱簸特累徉频率。躞煞l 袋$ t 舔瓣努l 遴没务灸囊。 2 ) 带通信号的采样定删 似定一一个怅通信号的小心频率为六，骷宽为b ，则微抛杂搬斯特采样 定理，对于这个带通信号的采样率应为f 2 ( l + b 2 ) ，如栗丘很高，那 么六也势必很离，这样就绘系统后端处理带来了很大的压力，因此有必要 讨论一下带通僚号的采样定理，由于融孵缀多瀚文献对此律出了深入的研 究，本文就不详细的介绍其推导过程，黼直接介绍其绪论。 假定一个带遥信号的中心频率为。，带宽为b ，刚其上下裁止频率分 别为 = 正+ b 2 ，z = 六一b 2 。根据采样值不失真地重建信号的充要条 件是采样率z 满足式( 2 - 5 ) ： 2 m 工2 _ ，；( m 1 ) ( 2 - 5 ) 其中1 m m 。，m = f b ，【x 】表示不大于x 的最大整数。 工的取值范围由m 。个互不重合的区间s 。= 2 l m ，2 工( m - 1 ) 】组成。 最低不失真采样频率为兵。= 2 l m 。s ：，a ，s 。对应不失真欠采样频率 范瀚。不失真欠采样存在的充要条件是m 。、 1 ，郧兀，b 2 ，工b 。 值得一提的是“欠采样”和“过采样”这两个概念并不是截然对立的。 一般认秀，对予窄豢售号，菪工 2 8 ，称为“过采撵”；对予带遥菇号， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 若厂 2 l ，称为“欠采样”。因此对于帘带带通信号，若2 ： f 2 l ， 则相对于载频，它足欠采样，4 f ，即过采样 3 0 4 4 。软件无 线电中采用过采样技术的原因是多方面的。比如模拟前端要适应多通道宽带 信道的要求，对于某一窄带通道而言，宽带a d c 必然是一种过采样；另 外，过采样本身具有许多优点，比如上。1 ，提到的过采样和噪声整形可大幅 度降低量化噪声，还可降低对a d c 前的抗混叠滤波器的要求等，但过采样 潜在的优点能否体现出来以及体现的程度将取决于后续处理，即抽取滤波器 的设计，这即是多采样率信号处理【2 4 i 。多采样率信号处理是软件无线电的一 个重要基础，在定时与相位同步、滤波器优化设计等方面也有重要应用。下 面仅讨论其最基本的两个过程：抽取和内插。 2 2 ，1 抽取 先讨论l 倍采样率降低器，对x ( 肝) 每隔l 个采样取1 个，其余l 一1 个 采样去掉，得到的序列的采样率为六= l ，如图2 - 1 所示， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 x ) x ( n j 了_ 汇习：户 h2i 们1 7 t1 附1 1 ：出 叫得：x ( n ) = 石( 。) h 。= x 。( ) 采样昔夏降低等同于别数宁信 ；。( ，7 ) 弧新震样，将原水的奈拿斯，”m 铂 ( 一f 2 ，2 ) 变换到( 一六z ，六2 ) ，则得( 2 - 15 ) ： 砌= 士塾( f - m l ) ( 2 - 15 ) 即肖( 厂) 为x ( 厂) 在z 整数倍处的周则重叠。 若x + ( 厂) 的频谱已被限制在( 一f 2 , l 2 ) ，则采样率降低不会引起混叠 发生，但这个条件很难满足，例如x ( ”) 一般是过采样得到的，x ( ”) 的量化 噪声频谱分布在( 一2 ，2 ) ：a d ci 仃的抗混叠模拟滤波器一般有较宽的 过渡带使( 六2 ，2 ) 的频潜不可能为零。w 此为了避免采样牢降低历的周 期性频谱重叠可能引起的混叠，存抽取mx 。( ”) 必须经过一一个数宁低通滤波 器，即抽取滤波器。抽取滤波器与采样率降低器合称抽取器，如图2 2 所 示。 x ( ，) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 a f = 厂、。，一，j 。= ( l 一1 ) ，： ( 2 18 ) 显然l 越大，过渡带越宽，执泓斡模拟滤波器| ，| 勺复力叩i ：，哒低。川反 若t 。= 1 ，a 厂= 0 ，这种苛刻职求足卅：川能州w i l j 2 2 2 内插 经数字处删历，数宁信号需乖新恢砭为1 = 5 ：f 拟佑i 扎返d a c 用j j _ j l 镜像 模拟低通后置滤波器完成，滤波器截j l 频率为，：2 ，如图2 - 5 所示， 塑主堕三，雨竺塑竺厂1 两堡苎塑堂 叫! 全! 卜而叫盐巍竖r 一 图2 5 模拟重建器 d a c 变换器一般具有s i n x x 响应，可去掉部分镜像，后置滤波器完整 低完成这一功能。阶梯型d a c 变换器与后置滤波器的总效果相当于一个理 想的重建模拟滤波器。如图2 - 6 所示。其中。个虚线框代表一个理想重建滤 波器。 汛八八r 刀? 图2 - 6 理想重建器 理想重建器要求后罱滤波器有陡峭的过渡带，这足难以实现的，为了降 低对后置滤波器的要求，方法是提高采样率，由六提高到，：= l f , ，这 一过程称为采样率提高，如图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 x ( 月) 址山x ( h ) 序列历个采样点之n u 琐允l 一1 个零仙褂剑，t , l j x ( 玎) = j 工( 肝) 、7 0 月= n l 其它 ( 2 1 9 ) 为了得到填充的l - - 1 个零值的真实值，必须将x ( 1 ) 经过一个滤波器 该滤波器称为内插滤波器，采样率提高器j 内捅滤波器合称为内插器。 从频域上看，内插滤波器的实质是要去掉x ( ) 在，范围内的频谱镜 像，因此，内插滤波器为一截止频率为工2 的低通滤波器，如图2 - 8 所示 内插滤波器h ( ，) 、 弧八w、汛八弧、 ， 一l f 。一2 f ，一f jf ? 2 f“f 图2 - 8 内捕滤波器 内插滤波器的频响周期为，它不能丢掉，整数倍处的频谱镜像，这须 由后面的抗镜像模拟滤波器完成，l 倍内插后的模拟滤波器的频响如图2 - 9 所示。 、 l t 日1 冢 八，一一。芗 够模拟滤波器 v “、。、八、 ， 一l 一f | f |tff 图2 - 9 l 倍内插对后冒滤波器的要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 模拟滤波器的通m 剃附边缘频；钲为 厶。2 。珀l。= 氓一f 。1 2 过渡带为 a ，2 凡，i 。、一( ，1 ) ： ( 2 - 2 0 ) f 2 - 2 i j 2 2 3 内插和抽取滤波器 内插和抽取滤波器的设计m 】是内插器和抽取器的关键，这两种滤波器在 模型上是一致的，工作于高采样率，截l l 频率为，= 厂2 。 下面以内插滤波器为例，定义对工的归一化频率为 = 2 矿f( 2 - 2 2 ) 对的归一化频率为 g o = 2 形f = 三 ( 2 - 2 3 ) 则 。= 万，。= ，r 三( 2 - 2 4 ) 理想的内插数字滤波器如图2 1 0 所示，其通带增益为l ，冲激响应为 m ) = 即) e w , t 鲁= 等竽 ( 2 - z s ) b 洄。) l ? 厂 厂 门、 一2 口一冗朔l 础l 丌2 x 图2 - 1 0 理想内捕数字滤波器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 其近似实现方法有f i r 直接形式、 计中所采用的多级实现方法。 内插滤波器可采用多级结构实现， 率抛j 岛倍数，! c 图2 一i1 所爿。 多棚结构及多级实现。下而讨沧_ 术i ： 各级采样率提高倍数相乘为总的采样 薯团茬擎甄疆麓鼍瘟醪 i 璺| 2 一i i 多级实现 f o = l o ，e = e l i ，e l = e 一2 l h = 三 每一级内插滤波器去掉其输入采样率整数倍( 但不包括输出采样率整数 倍) 处的频频。 前面讨论理想内插滤波器时假定通带和阻带边缘频率为f 2 ，即过渡带 为零，事实上这是不可能的。假设过渡带为a f ( a f f 2 ) ，即通带边缘为 工1 2 一厂1 2 ，可以得到各级内插滤波器h 的通带与阻骷边缘频率： k 。= 鼍一2 (2-26) 厶j ，哏一手+ 笠2 ( 2 - 2 7 ) m = ( 只一一1 ) 工+ ，( 2 - 2 8 ) 可见最前面一级内插滤波器过渡带最窄，要求最高，最后一级内插滤波 器过渡带最宽，实现也最容易。多级实现可减少总计算量。 2 3 数字下变频 数字下变频器由正交输出n c o 、数字乘法器和f i r 抽取器组成。n c o 采用直接数字合成( d d s d i r e c td a t as y n t h e s i z e ) 方法形成，要求有高分 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 辨率和较大的s f d r ( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ) 。下而晕点介绍两种常 h j 的f l r 低通抽教滤波器。 2 3 1c lc 滤波器 当内插和抽取率很大时，常采用多级实现，工作在高采样率级的滤波器 的丛奉要求足l 岛效、简j 秕u j 需婴的粜法器数世辟坠少，存储单7 二烬量短， c i c ( c a s c a d e di n t e g r a t o r c o m b ) 滤波器l u 满足这婴求。幽2 - 1 2 烛c i c 滤波器的结构。 ：。： 第l 级第n 级；第l 级第n 级 + 累积单元；f s r !梳状单元 幽2 1 2c i c 滤波器 c i c 滤波器的积分部分包括n 个理想积分器级，工作在高采样率， 每一级为单极点滤波器，反馈系数为1 。即单个积分器传递函数为： 训加古( 2 - 2 9 ) 梳状部分工作于低采样率正r ，r 为整数，它包括n 个梳状级，每一 级延迟m 个采样，m 可用于控制滤波器响应。单个梳状级传递函数( 参考 于高采样率，) 为 目。0 ) = 1 一z - ( 2 3 0 ) 则c i c 的传递函数为 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 弧妒呲峨= 疑等 ：陧t ” 【2 - 。- ) k ：0 l ：式袤州：c i c 滤波器锋效为n 个f m 滤波擀缎暇常胤峡帆力、- i i 何 一级需r m 个存储窬行器，而采川彩采十r ；社斤洗川，何缈八需班m 个存 储寄存器。设f 为对f 月的归化频率，令 则滤波器功率谱为 若r 很大，则 p ( ，) = i - ( z ) j 2 j p ( 厂) f 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 一 删等 ”邮 寺 p s 。， 图2 - 13 为n = 4 ，m = 1 ，r = 7 时的p ( 厂) 。 悸l2 一i3 ( i ( 1 粕i 爷1 1 i u 脚示意h 零点存在于f = 1 m 整数倍处， 将被折叠进入通带引起混叠，对于 像。 对于c i c 抽取滤波器，零点附近区域 c i c 内插滤波器，这些区域将引起镜 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 设正为通带边缘频率，则混叠镜像带为 ( f 一，：) 厂i + 厂i = 1 , 2 ，3 ， ， r 2 ( 2 3 5 ) i 段最大混替噪声频游分翳处的频牢为，符：1 2 m ，川 厂，= i 一。 ( 2 3 6 ) 设正处的通带衰减为a ，厶，处的池叠似度为b 。a 、b 是c i c 滤波器 的2 个重要特性参数，可通过改变r 、m 、n 、正等设计参数来改变。 c i c 滤波器的优点是不需乘法器，滤波器参数为单位增益，无需存储， 中间延迟寄存器数量也少，结构简单。其缺点是调节参数较少，只有r 、 m 、n 三个，频率响应不理想，通带衰减较大，需要后续的滤波器来进行通 带整形。 2 3 2 半带滤波器 设国，、，分别为归一化通带、阻带边缘频率，占矿瓯分别为通带、阻 带波纹，尤：满足式( 2 3 7 ) , f lj ( 2 3 8 ) m ，= 厅一。 ( 2 - 3 7 ) 占。= 占。= 占( 2 3 8 ) 根据滤波器等波纹最优化设计方法，则 h ( e ”) = 1 一h ( e “)( 2 3 9 ) 即滤波器频率响应关于c o = 口2 对称，n h ( e ”“) = o 5( 2 4 0 ) 这种滤波器称为半带( h a l f - - b a n d ) 滤波器，其理想冲激响应为 = 百s i n ( z k 2 ) ( 2 - 4 1 ) 半带滤波器常被应用于2 倍抽取和内插。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 4 信号调制解调算法 目前常用的模拟调制方式主要有：a m ，f m ，s s b 等，而数字信号通信的 通信方式却非常多，如a s k ，f s k ，p s k ，q p s k 等等。如果按照常规的方 法，产生每一利，信号就需要一个硬件电路，甚至一个模块，那么要使一部通 信机i l i j “ _ t - ：j l , p i ，十j l l l 通信信i 扎j e i u 跚就会及j e 复石：，0 7 婴增加种新 的调制方式也就非常困难。 软件无线电中的各种调制信号是以一个通用的数字信号处理平台为支 撑，利用各种软件来产生的。每一种调制算法都做成软件模块形式，要产生 某种调制信号只需调用相应的模块即可。凶此可以不断地更新调制模块的软 件来适应不断发展的调制体制，具有相当大的灵活性和开放性。 2 4 1 调制算法 在当代通信中，通信信号的种类很多，从理论上来说，各种通信信号都 可以用正交调制的方法加以实现，如图2 1 4 所示。 图2 - 1 4j e 交调制通用模型 根据图2 1 4 可以写出它的时域表达式： s ( t ) = i ( t ) c o s ( w 。r ) + q ( t ) s i n ( w j ) ( 2 - 4 2 ) 其中，w c = 2 7 吮为载波角频率。渊：l ij l f i 、il ? 的信息他含在l ( l ) 和q ( l ) 内。在数字域内实现时要对上式进行数字化，即 s ( n ) = l ( n ) c o s ( n w 。w ，) + q ( n ) s i n ( n w 。w 。) ( 2 - 4 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 峨为采样频率的知频率。在刈洲制伯l j 刷绒波频率进j j ：数字化时，其 采样频率l u 能小+ 样。这小多川滤波j j1 - 嘤作川肌址川水摊“数 ：l l ：澌“n 泶 样速率，使得调制信号的采样速率和载波的采样速率一致。 2 4 2 解调算法 尽管调制样式多种多样，但实质上调制不外乎用调制信号去控制载波的 某一个( 或几个) 参数，使这个参数的按照调制信号的规律而变化的过程。 载波可以是正弦波或脉冲序列，以正弦型信号作为载波的调制叫做连续波调 制。在这里只讨论连续波调制信号的解调。 软件无线电的解调同样也用软件的方法来实现，一般采用相干解调的方 法。正交解洲法从耻论上来说j 以尉儿p t i 的洲制样成进行解渊，如图 2 15 所示。 解 调 算 法 图2 一i5 数字正父解稠j 通用模 已调信号的数字表达式为： s ( 胛) = 爿( ”) c o s w ( n ) n + 口( h ) ( 2 - 4 4 ) 调制信号可以分别“寄生”在己调信号的振幅a ( n ) 、频率w ( n ) 和相位 曰( ”) 中，相应的调制就是调幅、调频及调相这三大类熟知的调制方式。由 于频率与相位有着一定的关系，为便于分析，可将式( 2 4 4 ) 改写为： s ( h ) = a ( n ) c o s w 。 + ( ”) 】 ( 2 - 4 5 ) 式c i 一，w 。表示载波的角频率。 所咀， s ( ”) = a ( n ) c o s 庐( n ) c o s ( w 。h ) 一a ( n ) s i n b ( n ) s i n ( w 。n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 式小， 爿，( h ) = a ( n ) e o s l 妒( ，1 ) j ( n ) = a ( ，? ) s i n ( n ) 】 l 2 ，1 7 ) ( 2 4 8 ) 这就足我们所希望扶得的川川刷i l i 交心个分量，根抛x ，( n j 、x 。，( 月j ， 就可以对各种调制样式进行解调。对具体的调制样式的数字正交解调将在 4 2 节详细探讨，这里就不再讨论了。 2 5 本章小结 木帝行先详a i l 探洲了软什无线i n 胁j 灶条什，h j j 采虫刈连续州n u 信号进行采样量化，并比较分析了几种采样的方式，其中最为熏要的足带通 信号采样定理；然后探讨了软件无线电的一个重要基础，即多采样率信号处 理，重点讨论其最基本的两个过程抽取和内插以及抽取器和内插器的实现； 接着介绍了结构简单适合于一级抽取的c ! c 滤波器和适合于做2 倍抽取的 半带滤波器；最后比较详细的探讨了软件无线电中的正交调制解调算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章h s p 5 0 2 1 4 b 和h s p 5 0 2 1 5 原理及应用 3 数字下变频器 牛h s p 5 0 2 14 8 3 1 1h s p 5 0 2 1 4 b 的基本特征及应用 h s p 5 0 2 1 4 b 楚i n t e r s i l 公司针对通信领域的要求面推出的数字下变频 器，该器释其蠢戮下特蔹： 最高可以达到6 5 m s p s 的前端处理速率( c l k i n ) 和5 5 m h z 的后端 处理速率( p r o c c l k ) ，飘两个时钟可以异步工作； 最高可以达到2 5 5 接头的可绽程f i r 滤波器； 总瀚镰l 歉阂r 范 1 5 1 l 以从4 矧1 6 3 8 4 ： 用于载波跟踪和通道选择的3 2 位n c o ； 输出速率为1 2 9 4 m s p s 时的基带带宽大约为9 8 2 k ； 。豢有焉予德纯输出售号分瓣率魏数字a g c 可逃学溷定或囊动数增益 调节： 带有用于调整输出采样率的重采样滤波器； 具有串行崴接输出、并行直接输出和1 6 位f i f o 输出模式； 其毒坐标变换，矮予a f c 强趣频率鉴频及对a m ，f m ，f s k ，d p s k 的解调能力； 带有支持外部中频a g c 的输入电平检测器： 出于它在功能上具有灵滤变通的特性，所以它具裔很广的应用领域。主 要廉建有： 单通道数字软件无线彀接收机； 基站：a m p s ，n at d m a ，g s m 及c d m a ； 同h s p 5 0 2 1 0 一起可以究成用予p s k 接收的数字锁期环的设计； 傲可瘟露瓣译话板； 下面就来介绍h s p 5 0 2 1 4 b 的基本原燃及它在本设计方案中的腹用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 1 2h s p 5 0 2 1 4 b 的基本工作原理 倒3 1h s p 5 0 2 l4 3 的结构框图 3 1 2 1h s p 5 0 2 1 4 b 的基本结构 h s p 5 0 2 1 4 b 可编程下变频器是一个灵活的数字解调器，它可以满足多 种通信工业标准的需要。p d c ( p r o g r a m m a b l ed o w n c o n v e r t e r ) 具有从被 采样后的i f 信号到数字基带信号的处理能力。包括本振产生混频，抽耿滤 波，可编程f i r 滤波，带限滤波，重采样，自动增益控制( a g c ) ，频率鉴 频和检测以及多片同步等。h s p 5 0 2 1 4 b 可以直接与同一标准的d s p 进行接 口，以传送基带数据和状态数据。 h s p 5 0 2 1 4 b 的基本结构框图如图3 1 所示，该框图显示了主要的结构 模块，这些模块中基本上都带有用于实现多种数据路径的多路复合器。 h s p 5 0 2 1 4 b 可以分成同步器，输入单元，输入电平检测，载波混频器数字 n c o ，c i c 抽取滤波器，半带抽取滤波器，2 5 5 抽头可编程f i r 滤波器，自 动增益控制，重采样器半带滤波器，时序n c o ，笛卡尔到极坐标变换器， 鉴频器及输出单元等模块。所有这些模块都可以通过微处理器接e 1 加以配 置。 h s p 5 0 2 1 4 b 有三种时钟输入，其中的两种是必须的，而另外一种可选 可不选。输入电平检测单元，载波n c o 及c i c 抽取滤波器都是工作在输入 时钟c l i k i n 的上升沿。而半带滤波器，可编程f i r 滤波器，自动增益控 制，重采样器半带滤波器，时序n c o ，鉴频器，及输出单元都是工作在时 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 钟p r o c c l k 的上几沿。筇= i ，| = l | i i , l 钟，r i i f c i 。k ，足川j ：j “：e l i 定州以芹信 息，所f j l l , 1 钟t j 以九j j j ；1 1 9 竹况j 、i f 1 。 31 22i i s p 5 0 2 1 4 b 的： ：要祁分牡- 小原川。介纠： 1 ) 输入单元 输入