（微电子学与固体电子学专业论文）任意基带信号发生器的设计与实现.pdf

摘要 低轨小卫星短数据通信系统由于小型化、成本低、研制周期短在国民经济与 国防建设中有着很好的发展前景。在小卫星通信系统的研制中，收、发信机的调 试、测试是非常重要的工作，尤其收信机是其中的重点，也是难点。在收信机的 调试、测试工作中，一个标准的基带信号源的作用是十分重要的。 而在小卫星通信系统中，一般都存在多种通信体制，对应在不同的应用环境 下使用，不同的通信体制会采用不同的信源编码、信道编码、调制方式及码速率， 使得市场上已有通用产品难以满足需要，一个通用、灵活、易扩展、可靠、高性 能的能够满足多种通信体制收信机测试需要的任意基带信号源的研制就必不可 少。 本文针对这种应用需求提出了开发一种任意基带信号发生器的方案，并进行 了实现。全文分三个部分：第一部分具体分析了应用需求，在此基础上提出了软、 硬件结合的设计方案。第二部分对第一部分提出的方案进行了具体实现，包括计 算机软件部分、双向传输通道部分、外部电路部分。第三部分则利用测试设备对 实现后的系统进行了测试，并给出了性能指标。 系统在设计中借鉴了虚拟软件无线电的概念，并在实现中大量使用了数字处 理的方式和可编程逻辑器件设计等技术，提高了系统的性能与适用慧。而且由于 它具有可靠、高性能、灵活、易扩展等特点，除了“低轨小卫星通信系统”项目 外，也能对其它通信系统的研制起到一定的助益。 【关键词】基带，信号源，信道编码，码速率，调制方式 任意基带信号发生器的设计与实现 a b s t r a c t r u i y u a nt i u d i r e c t e db yy i l i nz h o u s h o r t - d a t at r a n s f e r r i n gv i al e om i c r o s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss e eag o o d f u t u r ei nd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m i ca n d d e f e n s e ，b e c a u s eo f m a n ya d v a n t a g e s i t t a k e s ，e g s m a l l s i z e t e r m i n a l ，c o m p a r a t i v e l y l o wc o s ta n ds oo n i nt h e d e v e l o p m e n to fl e o s a t e l l i t ec o m m u n i c m i o ns y s t e m ，t h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n go f t h et r a n s c e i v e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt a s k s ，e s p e c i a l l yf o rt h er e c e i v e r i nt h i s p r o c e s sa b a s eb a n d s i g n a lg e n e r a t o ri sn e e d e d g e n e r a ls p e a k i n g ，s e v e r a lc o m m u n i c a t i o ns c h e m e sc o e x i s ti nt h el e os a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，e a c ho f t h e m a d o p t sd i f f e r e n ts o u r c ec o d i n gs c h e m e s ，c h a n n e l c o d i n gs c h e m e s ，m o d u l a t i o ns c h e m e sa n dc o d er a t e s s ot h eg e n e r a ls i g n a lg e n e r a t o r s t h a th a v ea l r e a d ye x i s t e dc a n n o ts a t i s f ya l lt h e r e q u i r e m e n t si n t h ed e b u g g i n ga n d t e s t i n go ft h es a t e l l i t er e c e i v e r b e c a u s eo ft h i sau n i v e r s a l ，f l e x i b l e ，r e l i a b l ea n d h i g h p o w e r e db a s eb a n ds i g n a lg e n e r a t o ri si n d i s p e n s a b l e t h i st h e s i sf o c u s e so nh o wt o d e s i g n a n d i m p l e m e n t t h eb a s eb a n d s i g n a l g e n e r a t o r i tf i r s tm a k e sag l o b a l d e s i g n ，t h e nt h eg l o b a ld e s i g ni sr e f i n e dt og u i d et h e f o l l o w i n g d e t a i ld e s i g n ，a n da tt h ee n do f t h et h e s i s ，t h es y s t e mi sv e r i f i e d t of u l f i l la l lt h e s ea i m s ，w er e f e rt ov i r t u a ls o f t w a r er a d i oi no u r d e s i g nt om a k e i t m o r ef l e x i b l e a l s ot h ed e s i g nt a k e sa d v a n t a g eo f f p g a t e c h n o l o g ya n dl a r g e s c a l e i n t e g r a t i n gt e c h n o l o g y t om a k e i tm o r er e l i a b l e k e yw o r d s b a s eb a n d ，s i g n a lg e n e r a t o r ，c h a n n e l c o d i n g ，c o d er a t e m o d u l a t i o n 2 笙二兰! ! 曼 一 第一章引言 本章将介绍有关任意基带信号发生器的开发背景及性能指标。现今市场上己 存在多种通用任意波形发生器，这些通用仪器在一些特殊应用中往往表现出局限 性，会增加调试、测试的难度。为解决l e o 小卫星通信系统研制过程中的这一 问题，提出了任意基带信号发生器的研制计划，并结合已有的及以后可能会有的 功能需求提出了任意基带信号发生器的性能指标。 1 1 背景概述 随着社会对信息交流的需求日益增加，信息高速公路的建设越来越为人们所 重视。其中，个人通信的无缝覆盖漫游连接及多媒体通信显得尤为重要，成为人 们设想的下一代实现目标。而卫星通信系统由于其覆盖面积大、实现灵活等特点 无疑将会在未来全球通信中扮演重要的角色。 图1 1i t u 对2 1 世纪的通信方式的预见 l e o 小卫星通信系统是在二十世纪8 0 年代末期国际上兴起的一种全新概念 的通信系统。它强调采用“一体化”的设计思想尽量提高卫星功能密集度从而 增加系统的性价比。相比传统的g e o 通信系统而言，由于轨道高度的差别l e o 系统的信号传输延迟将大大减小从而具有更好的实时性；由于体积、重量及应用 定位的差别，l e o 小卫星所需的研制成本与发射成本将远小于g e o 系统。尽管 它同时还存在一些缺点，如覆盖面积不如g e o 卫星等，总的来看，l e o 小卫星 通信系统还是具有很好的发展前景。 从目前的相关资料来看，l e o 小卫星移动通信系统通常具有以下几个特点： 堡童茎堂笪兰垄生壁竺坠生皇壅翌一 ( 1 ) 具有全球区域覆盖能力，以适应未来个人化业务连接需要。 ( 2 ) 利用极地轨道或网状覆盖倾斜轨道，一方面可弥补同步轨道资源的不 足，另一方面又可支撑更优良的装备实施与业务性能的需要。 ( 3 ) 通信业务向多样化、综合化方向发展，以期与未来多媒体高速信息传 输相沟通。 ( 4 ) 由于可能与全球个人业务相连接，用户终端可使用类似或兼容于陆地 蜂窝移动系统的蓄电池供电的小型手持机。 ( 5 ) 系统设计及网络结构可提供进入或组合于现有公用通信网及陆地移动 通信网的能力。 ( 6 ) 网络设计、系统构成、星间协调、星星处理等充分利用现代通信智能 化、数字化及多媒体化的最新技术，以技术优势换取市场竞争和性能价格比上 的优势。 ( 7 ) 除轨道资源扩充外，对频率资源亦进行积极扩充，包括利用或混合利 用k u 、k a 甚至e h f 等高频段，以及光频段开发，以满足高吞吐量宽带业务传 输及馈线链路和星际链路的构成需要。 从以上特点不难看出，l e o 小卫星通信系统的兴起不仅仅是对卫星设计思 路的革新，更是代表了通信多样化、综合化的发展趋势，具有广阔的应用前景。 由于小卫星通信系统业务的多样化不同类型的业务会对系统的服务质量提 出不同的要求。为满足系统工作灵活的需求，在l e o 小卫星通信系统中一般会 采用不同的通信模式并存的方式。如图1 2 所示的小卫星通信系统，各个终端工 作环境各不相同，就对通信系统性能提出不同的要求：用户1 工作环境良好，可 采用一般的窄带通信模式；用户2 工作环境恶劣，有可能遭到非法用户的窃听或 干扰，这时用户2 就需要采用保密性好、抗干扰能力强的扩频通信，还可以对数 据加密后再进行通信：用户3 要求能够提供高速率的通信模式；而信关站和卫星 之间涉及到卫星的控制等工作，要求更高可靠性的工作模式。不同的工作模式涉 及到的原始数据编码方式、信道编码方式、数据速率等各不相同，对系统的开发、 测试等工作也就提出了更高的要求。 第一章引言 图12 小卫星通信系统 1 2 通用信号发生器 在现在的市场上，已经有许多公司提供各种型号的信号发生器，如a g i l e n t 3 3 2 5 0 ，n i5 4 0 1 及t e k t r o n i xa f g 3 2 0 等任意波形发生器。它们针对普通的用户设 计，可以完成常见的功能需求。下面以a f g 3 2 0 的几个典型应用为例以说明通用 任意波形发生器的功能。 1 ) 输出标准波形 2 ) 建立扫频信号并输出波形 图1 3a f g 3 2 波形输出验证系统 3 ) 创建用户波形并输出波形 ： ：袋滁孝譬 图1 4 用户波形 a f g 3 2 0 任意波形发生器可以编辑 简单的波形并存储在仪器内的存储区 点盐 内以在将来进行调用，例如图1 4 所 任意基带信号发生器的设计与实现 示的波形。 4 ) 从其它仪器输入波形 可以将示波器存储器中获取的波形传入a f g 3 2 0 的编辑存储器并可在需要时 进行调用。 通用任意波形发生器的功能能够产生常用的简单波形，满足大量一般的应用， 无法或很难满足较高的要求。 1 3 系统需求 在中科院“创新一号”小卫星通信系统的研发及后续工作中，无论信关站、 便携式终端以及卫星本身都需要大量调试、测试的工作。而在收发信机中，收信 机是我们调试、测试的重点，也是难点。在收信机的调试、测试工作中，信号源 是必需的工具。在卫星通信中同一部收信机可以工作在不同的通信体制下，采用 不同的信源编码、信道编码、调制方式及码速率，市场上已有通用产品难以满足 卫星收信机在调试、测试中的需要，一个通用、灵活、易扩展、可靠、高性能的 能够满足多种通信体制收信机调试和测试需要的任意基带信号源是必需的。 根据以上需求，利用工程部现有仪器设备，测试系统的设计构成为：一个基 带处理的信号源，输出特定的基带信号到h p 信号发生器h pe s g d 3 0 0 0 a ，进 行调制后生成需要的信号送给待测设备。 图1 5 测试系统结构 综合考虑“创新一号”小卫星及以后续系统的性能特点，对任意基带信号发 生器提出以下性能指标要求： 正确接收计算机发送的数据和命令； 无延时正确执行命令； 第一章引言 扰码、卷积、差分等编码并可增添新的编码方式； 采样率8 1 6 可变及滚降系数0 。1 可变的根升余弦滚降滤波； 编码后成型前信号速率o 2 m b p s 可调： 信号速率精度优于1 0 ； 信号可无限循环； 信号各段无缝衔接，即连接时各段信号间无波形失真； 操作方便，波形速率及分段等全通过软平台进行设定； 应用可扩展性强、灵活性高； 两种工作模式：连续模式，整个信号一直循环发送；突发模式，整个信 号只发送一次； 上述指标不但可以保证此任意波形发生器满足当前“创新一号”小卫星通信 系统及后续项目的需求；在经少量改动扩充后，可以满足更广泛用户的需求。 堡璧鳘至堡! 垄圭塑塑壁生兰壅銎 第二章整体设计 在任意基带信号发生器的设计方案中，有几种方案可供选择，一是以软件为 主，即各种编码及成型滤波在计算机中完成，硬件部分只需进行d a 转换，把 结果转化成波形；二是以硬件为主的方式，将各种编码及成型滤波都在硬件上完 成，计算机只负责传送原始信号文件，发送命令：还有就是软、硬件结合的方式， 在这种方式中编码等工作放在计算机中完成，而成型滤波等工作则在硬件部分完 成。 在设计中还需要考虑到实时与非实时的要求，实时系统要求任意波形发生器 实时地把原始数据分帧、编码、成型并输出，而非实时系统则是把原始数据或分 帧、编码后的数据存储起来，在适当的时候再进行成型输出。 在设计中无论是采取哪种方案，都要结合系统的性能指标要求和市场上现有 的软、硬件所能提供的性能进行考虑，同时还要综合成本、开发周期等各个方面 的因素。 2 , 1 软件无线电 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，图2 1 就是通用的软件无线电结构图。一般对软件无线电有两种理 解方式，综合两种理解方式可以对软件无线电的概念得到一个比较深入的理解。 一种是传统无线电工程师的理解模式：用宽带模数及数模变换器( a d 及 d ，a ) 、大量专用通用处理器、数字信号处理器( d s p ) 构成的一个硬件平台，并尽 可能地靠近射频天线：在硬件平台上尽量利用软件编程技术来实现无线电的各种 功能模块，以及将功能模块按需要组合成无线电系统。例如，利用宽带a d c 通 过可编程数字滤波器对信道进行分离；利用数字信号处理技术在数字信号处理器 ( d s p ) 上通过软件编程实现频段( 如h f 、v h f 、u f 和s h f 等) 的选择，完成信 息的抽样、量化、编码解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及其 选择( 如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等) ，实现不同的保密结构、 兰三至丝竺墼生 网络协议和控制终端功能等。 计算机工程师对软件无线电的理解：软件无线电的概念类似于p c 机，硬件 平台设计采用基于标准总线的硬件结构：软件设计采用基于开放系统互联参考模 型的分层软件体系，支持面向对象的、开放式的模块化设计，实现一些基本的算 法及功能模块。灵活应用基本软件模块，可使其具备自适应能力( 包括频率、功 率、速率及多径分集等的自适应) 、抗干扰能力( 包括自适应天线调零、自适应干 扰抵消、扩频及跳频等) 以及灵活的组网与接口能力，并可以满足用户的多种业 务需求( 包括话音、传真、数据及图像等) 。 崔 涸躔芦 ， 多摹 - 1 1 i 直孟 、r 1 ， 穿 n - 璧 语音 圈皇 售赛 斗姐 一岛 t 丰嚣号 天臻，e f 瞪高鼋赴瞿暖鼍毒廷理暖 图2 1 软件无线电结构框图 软件无线电的硬件具有开放性，其硬件必将采用总线式的结构。工业控制总 线的总线标准很多，例如v m e 、e i s a 、p c i 等。同样，软件无线电的软件也具 有开放性，可以不断更新或升级，而软件的加载或更新可以通过空中接口实现， 所以使用起来更加快捷方便。 软件无线电计算机化是现在软件无线电的发展趋势之一，可以为通信系统提 供更强的灵活性、网络性与良好的人机晁面。计算机化是指软件无线电需要与计 算机技术相结合。软件无线电的特征之一是实现模块化。模块化是建立在总线结 构的基础之上。软件无线电采用了总线结构，使得无线通信系统中各功能部件之 间的相互关系变为面向总线的单一关系。这样使无线通信产品易于实现模块化、 标准化、系列化和通用化。p c 机的发展速度很快，功能强大，用p c 机来实现 控制与软件编程将使软件无线电的技术更加快速发展。目前软件无线电与计算机 结合体现在两个方面：一是提供友好的人机对话界面( m m t ) ：二是利用p c 机进 行通信系统的基带处理。如虚拟软件无线电，就是充分利用计算机进行基带信号 处理a 它依靠高性能的模数转换做成硬件插卡，采用p c i 总线，工作在高速的 p c 机上。将宽带信号数字化后，在p c 机上进行数字信号处理而不是d s p 上。 堡璺苎堂堕呈垄竺塑塑丝生兰茎翌一 这方法允许我们充分利用p c 机硬件与软件资源，用新的方法来进行信号处理， 采用新的方法来构造系统，虚拟软件无线电的结构如图2 2 。 图2 2 虚拟软件无线电结构图 在我们的设计中就可以借鉴软件无线电的概念，构造一个通用的硬件平台， 利用软件编程实现各个功能，这样可以保持最大的灵活性；利用计算机实现基带 信号处理，充分利用计算机的强大功能。 2 2 系统分析 下面将根据系统的性能指标，分析在各个方案中可能遇到的问题，在此基础 上对各方面进行均衡考虑，完成设计方案。 1 ) 控制命令 在此系统中，性能指标中要求码速率可调，编码方式可调，成型滤波中升余 弦脉冲的滚降系数可调及采样率可调，这就表明用户需要对系统有较强的干预控 制功能；在此基础上，还要求用户可以选择原始数据的输入方式，可以采取文件 输入的方式或者是直接手工输入的方式。控制的繁杂需要系统具有友好的人机交 互接口，以达到系统具有优良的可操作性。 2 ) 数据分帧 在系统中，需要按照待测系统通信帧格式将原始数据分帧、打包，这样的数 据才会为待测系统所识别，但是各待测系统的帧结构的差别是很大的，即便是同 一待测系统，工作在不同的工作模式下其帧结构也会有差异。在系统中可提供三 种解决方案；一是直接将分帧、打包后的数据作为原始数据输入系统，系统不承 担此项任务；二是针对待测项目开发特定分帧模块，将其嵌入系统中；三是提供 第二章整体设计 帧结构配置表，由通用分帧模块按照用户配置对原始数据进行分帧。三种方案一 起提供可使系统具有最大的灵活性与可扩展性。 3 ) 编码方式 在系统中需要实现对原始数据的扰码、卷积、差分等各种编码方式；同时还 要考虑系统的可扩展性，不但已有的编码方式的参数会有所调整，而且在基本保 持系统不变的情况下，增添新的编码方式，才能够满足现在和将来应用的需要。 在不同的实现方案下有不同的解决方法，在软件为主和软、硬件结合的实现方案 中，可以将编码作为单独的软件模块；在硬件为主的实现方案中，可以将编码方 式实现放在可编程器件的程序中解决，当需要调整已有编码方式的参数或增添新 的编码方式时，就需要重新编写并下载程序，显而易见，这种方式的系统扩充成 本就远远大于以软件实现的方式。 4 ) 成型滤波 在成型滤波中，需要能够调整升余弦脉冲成型滤波器的滚降系数的值，并且 能够调整升余弦脉冲中一个波瓣内的采样点的个数。 5 ) 数据速率 在现有的应用中，窄带信道信息速率为2 4 k 或1 9 2 k ，经1 2 卷积编码后码 速率为4 8 k 或3 8 4 k ，在成型滤波后，设升余弦脉冲中一个波瓣内的采样点的 个数为1 6 ，则速率变为7 6 8 k 或6 1 4 4 k ：扩频信道信息速率2 4 k 经l 2 卷积编 码后码速率为4 8 k ，如经2 5 5 长度的扩频序列进行扩频编码后码速率变为 1 2 2 4 m ，这是在成型滤波前的速率，在成型滤波后，设升余弦脉冲中一个波瓣 内的采样点的个数为1 6 ，则速率变为1 9 5 8 4 m 。 6 ) 接口速率 在任意波形发生器的硬件部分与计算机之间的接口可供选择的常用接口有： 串口、并口、u s b 、p c i 。串口与并1 3 一般用于速率比较慢的数据的传输，串1 2 1 的速率的量级一般为十k ，并口的速率的量级一般为百k ；u s b l ，0 的速率一般 为1 m 左右；p c i 接口的速率一般为i o m 量级，可达到3 0 m 4 0 m 。 7 ) 数据存储 当采用实时方式时不涉及这个问题；当采用非实时方式时：如果保存的是分 帧数据，则以1 9 2 k 窄带数据为例，1 0 秒数据需要1 9 2 k 位的存储空间，1 0 0 秒 堡童兰堕堡昱丝生翌塑堡生兰兰婴一 数据需要1 , 9 2 m 位的存储空间；如果保存的是编码之后的数据，以经长度为2 5 5 的扩频序列扩频之后的数据为例，1 0 秒数据需要1 2 2 4 m 位的存储空间，1 0 0 秒 数据需要t 2 2 4 m 位的存储空间；如果保存的是成型之后的数据存储空间的要求 就更大了。 综合以上所考虑的各个因素，从数据存储这一因素考虑应采用实时方式：从 编码方式、数据速率与接口方式这几方面，应采用软、硬件结合的方式，把编码 部分用软件实现，而脉冲成型这一部分采用硬件实现：综合考虑数据速率与接1 5 1 方式，选择采用p c i 接口。 2 3 系统设计 根据以上分析，整个基于软件无线电概念的任意基带信号发生器框架设计如 图2 2 所示。在设计中，整个系统可分为三部分： 1 计算机软件部分：根据所提供的信道原始数据，完成信道编码、扩频等功能， 并根掘用户的要求产生各种控制信号，比如说原始数据的码速率、升余弦脉 冲的滚降系数的值、采样率，编码方式等： 2 p c i 总线作为计算机与外部硬件系统进行数据及控制命令的信号传输的接口 部分：这一部分受外围电路的控制核心控制，向外围硬件传输控制命令和已 完成数据分帧、信道编码、扩频编码等处理的数据； 3 以f p g a 作为外围硬件电路核心的外部硬件部分：在这部分中，将p c i 总 线提供的已完成原始数据分帧、信道编码、扩频编码的两路数据串转并，成 型滤波，最后经d a 转化后滤波输出； 从以上的分析可以看到，整个系统结构为实现系统的各性能指标打下了良好 的基础，但在整个设计方案的具体实现过程中有一些需要注意的事项： 1 计算机软件部分的结构要求非常清晰而且易于改动，因为系统灵活的可扩充 性基本上都是通过修改这一部分进行实现： 2 系统需要各种频率的时钟，比如说数据码速率控制的时钟、成型滤波时钟、 d a 时钟等等，这些时钟既有稳定度的要求，又要求各个时钟之间保持同步， 而且时钟频率要求可根据控制命令的要求在不同的频率之间进行切换： 第二章整体设计 3 中心控制部分的可编程硬件的资源是有限的，虽然在系统设计的过程中已经 有所考虑，将编码实现放在计算机软件部分进行实现，但是中心控制部分不 但要完成控制功能、成型滤波功能，还需要留有一定的资源供将来升级使用， 因此要尽可能降低中心控制单元耗用的可编程硬件的资源。 4 作为提供标准信号的测试仪器，要求仪器提供的信号的性能指标是稳定可靠 的。 在以后的章节中，将详尽的介绍任意基带信号发生器的各个部分，以及上述 注意事项的解决方法。 图2 3 任意基带信号发生器系统结构 任意基带信号发生器的设计与实现 第三章计算机前端 在任意基带信号发生器中，计算机前端部分实现了人、机接口、原始数据分 帧、分帧数据编码等功能。另外，码速率的选择、升余弦脉冲f i r 系数的计算等 也是在计算机软件部分实现的，但是因为这几部分的功能同外围电路，特别是外 围电路中心控制单元的关系更加密切，所以将会在介绍外围电路的章节中详细介 绍。 在运行操作系统平台的选择方面，w i n 2 0 0 0 通过结构的修改，操作系统的稳 定性得到了增强。结构的修改主要集中在保护操作系统的内核和共享内存上面， 包括：1 内核模式的写保护，这有助于阻止错误的代码干涉操作系统的工作；2 w i n d o w s 文件保护，阻止新的软件安装替代基本的系统文件；3 w i n d o w s2 0 0 0 使 用d r i v e rs i g n i n g ( 驱动程序数字签名) 来识别通过了w i n d o w sh a r d w a r eq u a l i t y l a b s 测试的驱动程序，并且在用户将要安装没有数字签名的驱动程序时对用户 提出警告。而且w i n 2 0 0 0 作为m i c r o s o f t 公司w i n d o w s 系列的产品之一，有大量 的技术文档、开发资源可供查阅、使用，且为广大用户所熟悉。因此，w i n 2 0 0 0 作为前端软件运行的操作系统平台是一个良好的选择。图3 1 就是在此平台下开 发的任意波形发生器的软件部分的界面。 图3 1 前端软件人机交互 第三章计算机前端 3 1 软件结构 从人机交互界面可以看出，界面体现了软件所实现的功能，在软件结构的设 讨中，软件结构按照功能划分，以保证各个子模块功能独立、结构清晰，便于将 来扩充、升级。 幽3 2 功能结构图 ( 1 ) 原始数据输入 可以通过选择输入指定的文件或直接在数据文本框中进行输入，在不同的 应用场合可通过对帧结构配置表进行配置、修改分帧软件模块等方法实现数据分 帧或直接输入分帧后原始数据。 ( 2 ) 滚降系数及采样率调整 滚降系数o l 可调，步长为o 1 ；采样率预设8 、1 2 、1 6 等几个值可供选 择。系统等用户设好所选各项值点击“计算系数”按钮后开始计算成型滤波f i r 滤波器系数并通过p c i 接口传给外围电路的中央控制单元。 ( 3 ) 码速率调整 取得用户所希望的数据码速率并通过p c i 接口传给外围电路的中央控制单 元，中央控制单元利用此码速率控制外围电路工作时钟频率以得到所要求的码速 任意基带信号发生器的设汁与实现 率。 除以上几个功能外，还有信道编码及扩频编码，这是任意基带信号发生器的 核心功能，图3 3 就是前端软件的工作示意图。所有的编码均在“f o r m m c o n y h ” 及“f o r n l a u o n v c 中实现。为了保证系统的灵活与易扩展，可通过 “p a r a m e t e r c o n f ”对各编码方式的参数进行重配置，新的编码可通过在 “f o r m m c o n y h ”和“f o r m a t c o n v c ”中添加新方法轻松实现。 3 2 信道编码 图3 3 前端软件工作示意 任意基带信号发生器的一项重要性能指标就是纠错编码及扩频编码的实现。 纠错编码是为了抗击传输过程中的各种干扰，人为地在传输信息中增加一些多余 度，使其具有自动检错或纠错能力而进行的编码。图3 , 4 就是现代数字通信系统 的一般模型，我们所关心的就是其中的信道编码器、信道译码器部分。 3 2 1 信道编码定理 图3 4 数字通信系统模型 每个信道具有确定的信道容量c ，对于任何小于c 的码率r 。存在有速率为r 塑三垩生竺! ! 堕曼 码长为n 的分组码及( 。，k o ，m ) 卷积码，若采用最大似然译码，则随着码长的增加 其译码错误的概率p 可任意小，即 p a b e 一。 ( 3 1 ) 和 p 曼爿，e 一“ 8 = a c e 一“f 8 ( 3 2 ) 式中，4 和4 为大于0 的系数，e b ( r ) 和e 。( r ) 为正实函数，称为误差指数， 它与r 、c 的关系如图3 5 所示。图中c ，和c 2 为信道容量，且c l 岛。由信息 论的基本知识可知，在高斯白噪声信道时，信道容量 c - w l o g , _ 1 + 彘脚 ( 3 3 ) r 图3 ，5e ( r ) 与r 的关系 式中，w 是信道能够提供的带宽，只= e ；t 是信号的功率，e 是信号能量，t 是分组码信号的持续时间即信号宽度，只i w 是单位频带的信号功率，n o 是单位 频带的噪声功率，只i ( w n o ) 是信噪比。 为了满足一定误码率的要求，可以用以下两种方法来实现：1 增加信道的容 量，从而使e ( r ) 增加；2 。如果r 定值，增加数据的冗余度，即通过增加校验纠 错比特，从而使得e ( 脚增加。增加信道容量受到各方面因素的制约，比较困难， 堑堂兰堕堕呈垄皇堡堕堡生量壅型一 一般只能通过第二种方法来提高接收性能，即采用信道编码的方式。 3 2 2 编码基础 1 有限域( g a i o i s 域) 在编码中，最重要的数学概念为伽罗瓦域。令f q 表示q 个元素的伽罗瓦域， 则有限域f 2 的元素可以表示为 o ，1 ) ，如果q = 2 n , 则有限域，2 。中的元素可以表 h i 示为n b i t 的二进制数。有限域中的a 元素可以表示为：a = d 。卢2 其中a i f 2 ， 口一 2 加法结构 有限域g f ( 2 “) 的加法是一个简单的运算。两个多项式系数相加后模2 可以用 一个按位的x o r 函数实现。 有限域中的a 、b 元素可以表示为 a + b = ( 口，o 6 f ) 。 4 = a ，卢，b = 也卢，则 3 乘、除法结构 域中的所有非0 元素构成a b e l 乘法群，所有元素构成a b e l 加法群。若为有 限域，则元素的个数为有限。因此，所有非0 元素全体一定构成一个有限乘法群， 群中每个元素的级为有限，并且必定由一个元素生成且是循环群。在任何m 阶 有限域中能找到一个生成元素a ，它的级为m 1 ，能生成域中所有i n 一1 个非0 元 素，从而俗称一个循环乘法群g ( a ) ：1 ，a ，a 2 ，a q ，a q = 1 。 设a ( y ) ，b ( y ) 是有限域中g f ( 2 “) 的元素，则a ( y ) b ( y ) = c ( y ) r o o d q ( y ) 可以 表示为： c - i y ”_ 1 + + c o = ( 以。一l ，“十十a 0 ) ( “一l y “- 1 + + b ；) m o d q ( y ) 2 0 一 笙三里堡兰盟萱塑 一 _ - _ _ _ 一一 其中q ( y ) 为既约多项式。可利用图3 6 所示的多项式相乘相除电路实现上式 的功能。 图3 6 多项式相乘相除结构 4 复合有限域( c o m p o s i t e g a l o i a sf i e l d ) 复合有限域o f ( ( 2 “) ) 可以用n 和m 这两个度来表示。域中的元素可以表示 为g f ( 2 ”) 上最大度为m - l 的多项式。 3 2 3 线性分组码 分组码是把信源输出的信息序列，以k 个码元划分为一段为 m = + 埘。， ，称为信息组，通过编码器把这段k 个信息元按一定的规 则产生r 个校验元，输出长为n = k + r 的一个码组c ， 陬。g 1 c = m g = b 。，m 。，m 。】： i l ( 3 4 ) l 鼠一- 反，o j 其中g 称为【n ，k ，d 】码的生成矩阵，d 为此生成矩阵决定的码字空间的最小距 离。若g = tp ，这样的码称为系统码。若存在矩阵h ，使日c 7 = 0 ，称h 为 n , k ，d 】码的校验矩阵。显然s = r h 7 = ( c + e ) h 7 = e - 日7 。循环码、b c h 码、 r s 码等都属于线性分组码。 在信号发生器中线性分组码编码的实现，首先从配置文件“p a r a m e t e r c o n f ” 中读入分组码编码必需的参数n 、k 与矩阵g ，然后运用公式3 4 即实现了编码。 堡童兰芷笪呈茎兰璺塑坠盐皇壅婴一 3 2 3 1 循环码 个n 重子空间k 。圪，若对任何一个矿= ( 口。，a 。，“。) 恒有 k = ( 。，。，一，。，口。) 则称。为循环子空间或循环码。g f ( q ) ( q 为素 数或素数的幂) 上的循环码中，存在有唯一的n k 次多项式 g ( x ) = x “+ 晶十l x “一1 + + gl x l + g 。，而且此多项式一定是x ”一1 的因式，而 且存在校验多项式 ( x ) = 。”- ( 。) 。 设系统码的码多项式为c ( x ) = x ”1 + c n _ 2 x ”2 + + cl x l + c 。= q ( x ) g ( x ) ，则 h ( x ) c ( x ) = q ( x ) g ( x ) h ( x ) = 日( x ) ( x ”一1 ) = q ( x ) x ”一q ( x ) ，由于a c ( x ) = h 一1 ， a g ( x ) = n k ，a ( x ) = k 一1 ，所以在 ( x ) c o ) 的乘积中，x n - 1 ) x ”2 ，x 次的 系数应为0 ，从而得出： i c 一f = 一c 。h ，其中i = l ，2 ，n k ； ( 3 5 ) j = o 循环码的译码一般分三步：1 计算r ( x ) 的伴随式s ( x ) ；2 根据伴随式s ( x ) 找出估计错误图样应( x ) ；3 0 n ) = r ( x ) 一e ( z ) ，得到估计码字0 。 系统中，循环码编码有两种方式：1 借助线性分组码编码模块实现；2 运用 公式3 5 实现，实现流程如图3 7 所示。 i读入循环码参数 运用配置参数进行编码 图3 7 循环码编码流程 改入循环码参数是从配置文件“p a r a m e t e r e o n f ”中读入编码必需的参数，即h 、k 与多项式 ( x ) = x + 丸一x “1 + + h i x + h 。的系数。有了这些参数，运用公式3 5 苎三翌生竺! ! 塑堡一 即实现了编码。 3 2 3 2b c h 码 b c h 码是纠正多个随机错误的循环码，可以用生成多项式g ( x ) 的根表示。给 定任一有限域g f ( q ) 及其扩域g f ( q m ) ，其中q 是素数或素数的幂，m 为某一正整 数。若码元取白g f ( q ) 上的一循环码，它的生成多项式g ( x ) 的根集合r 中含有以 下6 1 个连续根：r 佃“，口 1 ，“。 时，则由g ( x ) 生成的循环码称为q 进制b c h 码。设m ，( x ) 和e ，分别是口”，( i = 0 ，j 一2 ) 元素的最小多项式和级，则 b c h 码的生成多项式和码长分别是： g ( x ) = l c m ( m o ( z ) ，m 1 ( z ) ，一，m d 一2 ( z ) ) ( 3 6 ) ”= l c m ( e o ，8 l j 一，8 5 2 ) ( 3 7 ) n = q r f l 一1 的b c h 码称为本原b c h 码。 取m o = 1 ，6 = 2 t + 1 ，又设q 是g f ( 2 “) 的本原域元素，而在g f ( 2 ) 域上，q 22 的最小多项式与q 的相同，所以公式3 6 也可写为g ( x ) = m ( x ) ：“) 卅：。0 ) ， 码的校验矩阵是： h = 口“一i ( 口3 ) 卜 ( 口2 1 ) n - i ( 口2 1 ) ” 对任何整数1 3 1 和t ，一定存在一个二进制b c h 码，它以口，a 1 ，口2 1 为根 其码长n = 2 一1 或是2 m _ l 的因子，能纠正t 个错误，校验位数目最多为a g ( x ) = m t 个。在b c h 码译码问题中，目前用得最普遍，实用上最重要的是时域上的迭代 泽码法。 b c h 码既是线性分组码又是循环码，实现可以借助线性分组码编码模块或循 环码编码模块实现。 h 广口 任意基带信号发生器的设计与实现 3 2 3 3r s 码 r s 码是一类有很强纠错能力的多进制b c h 码，g f ( q ) ( q 2 ) 上，码长n = q 1 的本原b c h 码称为r s 码。r s 码最显着的特点之一是码元取自g f ( q ) ( q 2 ) 上，而它的生成多项式的根也在g f ( q ) ( q 2 ) 上，所以r s 码是码元的符号域与 根域一致的b c h 码。 因为x 9 1 = 丌( x 一盘) ，a2 的最小多项式m ，( x ) = x 一口。所以，长为 a 1 g ，( 目) n = q - l ，设计距离为6 的r s 码，为q 进制的 q 1 ，q 6 】r s 码，有最小距离6 。 由于线性码的最大可能的最小距离是校验元的数目加1 ，所以称r s 码为极大最 小距离可分码。 r s 码的编码实现可利用公式3 5 实现，比如：距离6 = 5 ，a g f ( 23 ) 为本 原域元素厂( x ) = x3 + z + 1 根，生成多项式为g ( 石) = x 4 + 口3 戈3 + x2 + 黜+ 1 的 八迸制r s 码( 7 , 3 , 5 ，其6 ( x ) = 。7 瑶( 。) 2 z 3 + a3 x 2 + a 2 z + 口4 ，实现如图3 8 所示。 一输入 图3 8 7 , 3 ，5 r s 码编码 实现时首先从“p a r a m e t e r c o n f ”中读入f ( x ) 的系数、q 、h ( x ) 的系数等各项参数 再构造类似图3 8 所示的结构实现r s 码编码。 3 2 4 卷积码 在分组码编码时，本组中的n k 个校验元仅与本组的k 个信息元有关，而与 其它各组码元无关。分组码译石弓时，也仅与本码组一t - r 的码元内提取有关译码信息， f 町与其它码组无关。而在卷积码编码中，本组的n o - k 。个校验元不仅与本组的。个 第三章计算机前端 信息元有关，而且还与以前各时刻输入至编码器的信息组有关。同样，在卷积码 译码过程中，不仅从此时刻收到的码组中提取有关信息，还充分从以前或以后时 刻收到的码组中提取有关信息。此外，卷积码中每组的信息位k o 和码长月。，通 常也比分组的k 和月要小。 出于卷积码在编码的过程中，充分的利用了各组之间的相关性，且女。和n 。也 比较小，在与分组码同样的码率r 和设备复杂性条件下，无论从理论上还是从实 际上均已证明性能至少不比分组码差，且实现最佳的准最佳译码也不分组码容 易。所以，从信道编码角度看，卷积码是一种非常有用，能达到信道编码定理所 提出的码类。但是由于卷积码各组之间相互相关，因此在卷积码的分析过程中， 至今未找到有效的数学分析工具，性能分析也比较困难，往往借助计算机搜索符 合要求的码。 卷积码各组的k o ，月。均比分组码小，译码比分组码要容易。卷积码有三种比 较好的译码方法：( 1 ) 门限译码，1 9 6 3 年由m a s s e y 提出：( 2 ) 序列译码，1 9 6 1 年由w o z e n c r a f t 提出；( 3 ) v i t e r b i 译码，1 9 6 7 年由v i t e r b i 提出，这是一种最佳 的概率译码算法，一般常用的泽码方法为v i t e r b i 译码。 卷积码编码需要效率r 、约束长度k 、生成多项式g ( x ) 等各项参数，比如说 1 个尺= ，k = 7 ，生成式为 的卷积码的实现结构为 图3 9 卷积码编码 6 x、 3 x 石 + + ， 2 石 x + ： r 茁 + + = = d 曲( (q 暖 任意基带信号发生器的殴计与实现 系统实现时，从“p a r a m e t e r c o n f ”中r 、k 、g ( x ) 系数等各项参数后，即可构造 类似图3 9 所示的结构而实现卷积码编码。 3 2 5t u r b o 码 t u r b o 码是c b e r r o u 等人在i c c 9 3 国际会议上提出的一种并行级联码的编、 译码方案，因具有优异的性能和适中的解码复杂度而成为近年来编码理论上的一 个研究热点。在加性高斯白噪声的环境中，采用编码效率= 1 1 2 的t u r b o 码，经 1 8 次迭代后，在e b 斛o = o 7 d b 时，其误码率已低于l o ，与香农极限只差0 7 d b 。 图31 0 所示是典型的t u r b o 码编码器结构图，输入的一帧数据序列a k = a k t o ， a k ，2 ，a k n t ) ，n 是一个偶数，a k 直接输入r s c l 进行编码产生校验序列b k ，同 时经交织后输入r s c 2 ，产生另一个校验序列c k ，则可经压缩后输出d k i b k o c k ”，b k ，n 2 ，c k * 1 ) ，交织器使2 个r s c 编码器的编码过程趋于独立，对码重 量谱整形的