（电工理论与新技术专业论文）软件无线电技术基带信号处理的研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rd e a l sw i t hs o f t w a r er a d i ob a s eb a n ds i g n a lp r o c e s s i n gb a s e do nt h e f p g a ，p r o p o s e st h em e t h o db yc h o i c ed i f f e r e n ts o f t w a r et or e a l i z es o f t w a r ea n d h a r d w a r em o d e la c c o r d i n gt ot h er a d i od u t ya t t r i b u t e ，d e s i g n st h eh a r d w a r e s t r u c t u r ea n dt h ee l e c t r i cc i r c u i to fs o f t w a r er a d i or e c e i v e r ，a n do b t a i n e dt h ec e r t a i n r e s e a r c hr e s u l t s a t t e n t i o ni sc o n c e n t r a t e do nt h er e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r er a d i o s i g n a lp r o c e s s i n gs u c ha sm o d u l a t ea n dd e m o d u l a t ew h i c ha f t e rt h ei n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n da db yf p g a t h es i m u l a t i o n sa n ds y n t h e s i z e sh a v e b e e nc a r r i e do u tu s i n gm o d e l s i m ，s y n p l i p ya n dm a t l a b s t u d i e sh a v es h o w nt h a tw h a tw ed os u i t st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n d e m a n do ft h es o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g i c a li nt h ef u t u r e ，a n dp r o v i d eag e n e r a l p l a t f o r mf o rs i g n a lp r o c e s s i n gi nt h eb a s eb a n d ；a l s oh a v et h ec e r t a i nr e f e r e n c e v a l u et ot h en e x tr e s e a r c h k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，f p g a ，m o d u l a t i o n ，b a s e b a n d ，i s p 1 i - 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着数字信号处理( d s p ) 技术、超大规模集成电路( v l s i ) 技术和计 算机技术的飞速发展，数字无线电以及软件无线电正在以迅猛的速度发展。软 件无线电( s r ) 的思想是将标准化，模块化的硬件单元以总线方式连接起来 构成基本硬件平台，并且通过软件加载的方式来实现各种类型无线电通信系统 的一种开放式结构。软件无线电涉及几项关键技术，例如开放式总线结构的实 现、智能宽带多频段天线、高速模数转换、数字下变频和高速信号处理部 分。采用d s p 技术完成高速信号处理是软件无线电的重要组成部分，d s p 技 术在各种信号处理设备中的应用必将发挥日益广泛的深刻的作用【l 5 】。 当数字技术开始进入快速发展的周期时，印刷版上的分立模拟器件便逐渐 被数字逻辑器件替代了。分立数字逻辑器件被用来实现人机接口、本地控制和 协议栈功能。随着微处理器的出现，分立的数字逻辑器件又被称之为“微控制 器”的微处理器和软件所代替、低速信号处理的模拟分立器件被数字逻辑器件 代替。其后，特殊数学功能模块嵌入到微处理器中，形成了数字信号处理器。 低速信号处理功能从分立数学逻辑发展到d s p 加软件。随着d s p 芯片处理速 度的迅速提高，直接从射频开始采用d s p 技术处理信号逐渐成为可能【6 j 。采 用d s p 技术后，模拟数字接口由高速a d c 组成，核心部分主要是一块高速 d s p ，但是根据奈奎斯特采样理论，要求信号必须以二倍于其频率的速率采样 ( 工程实际应保证在2 5 倍) 来保持信号的数据，这说明，4 0 m h z 的信号必 须以大于1 0 0 m h z 的速率进行采样。同时d s p 处理一个采样信号大约需要 1 0 0 次运算，那么总共需要的运算速率为1 0 g o p s ，这给当前的d s p 器件带 来了很大的压力。 f p g a 是2 0 世纪9 0 年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着e d a ( 电子设计自动化) 技术和微电子技术的进步，f p g a 的时钟延迟可达到r l s 级，结合其并行工作方式，在超高速信号处理方面有非常广阔的应用前景。并 且f p g a 具有高集成度、高可靠性等特点，在电子产品设计中将得到广泛的 应用 7 】。基于f p g a 与高速a d c 的高精度接口并与d s p 结合实现s d r ，将是 一个很好的解决办法。f p g a 器件的另一特点是可用硬件描述语言h d l 对其 进行灵活编程，利用f p g a 厂商提供的软件可仿真硬件的功能，使硬件设计 1 西北工业大学硕士学位论文 软件无线电技术基带信号处理的研究 如同软件设计一样灵活方便，缩短了系统研发周期；利用j t a g 接口可对其进 行在系统编程i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) ，提高了系统的灵活性。随着芯 片集成度的提高，单片f p g a 内拥有大量的逻辑单元，并集成了r a m 、r o m 及i o 口等，从而使片上系统成为现实。h d l 是硬件设计者和电子设计自动 化之间的界面，用于数字电路描述、模拟和自动设计。在大规模数字系统的设 计中，它逐步取代逻辑状态表和逻辑电路图成为主要的硬件描述工具。 软件无线电的概念是基于通信需求丽提出来的，而且它也是未来通信乃至 无线电技术的发展方向 8 “l o l 。目前应用的各种电台基本结构相似，而信号的特 征差异很大，例如工作的频段不同，调制方式不同，波形结构不同，通信协议 不同，数字信息的编码方式不同等等。这些差异极大地限制了不同电台之问的 互联互通，需要实现一种能够兼容各种通信体制的软件无线电，但是由于器件 水平的限制，完全“软件化”的无线电还不能实现，当前研究实践的热点在中 频和基带上利用d s p 和f p g a 来实现部分的软件定义无线电( s d r ) 。随着 a d 转换器及d s p 、f p g a 器件的发展，数字化会发展到直接射频带通采样或 者是射频低通采样的理想结构，当前软件无线电技术在基带e 可以通过软件编 程来适应处理信号的不同方式，从而为它们的互联互通打下基础。 】2 软件无线电的产生及发展 1 2 1 无线电的发展现状及存在问题 自2 0 世纪9 0 年代以来，无线通信在全球范围内取得了突飞猛进的发展， 无论是军用还是民用的无线通信，在各种频段上都出现了许多新的系统和模 式，为人们提供了多种多样的服务，满足了社会上各种各样的需求。从调制方 式来分类，有a m 、f m 、q p s k 、q a m 、f s k 、m a s k 等：从多制方式分类 也有t d m a 、f d m a 以及c d m a 。与此同时，随着通信技术的不断发展，传 统的无线通信逐渐暴露出了种种弊端 新的通信体制和“标准”不断提出，通信产品的生存周期缩短，开发 费用上升。以民用蜂窝电话为例，已有多种系统投入使用，较为主要 的有g s m 、a m p s 、t a c s ，c d m a 等等。各国、各大公司为了争夺市 场，纷纷制定自己的标准，划定各自的势力范围。这对于“以任何 人，任何时间，任何地点”为目标的个人通信领域来说是很不利的。 而且竞争日趋激烈，使得产品生存期大大缩短，传统的通信体制很难 适应这样快速的变化。 各种通信体制的共存，对多种体制间互联的要求也日趋强烈。这一点 第1 苹绪论 在军事通信中表现尤为突出，由于军事通信的特点，不同军种、不同 级别、不同波段和不同用途的通信设备的种类非常多，互联互通以及 组网困难，甚至是不可能的。这也是软件无线电首先在军事领域得到 发展的主要原因。 无线频带越来越拥挤，对通信系统的频带利用率和抗干扰能力要求不 断提高。现在很难对频带重新规划，若采用新的抗干扰技术，需要对 系统结构作较大的改动。 在军事通信领域1 1 3 1 ，军用电台在技术上已经从模拟发展到数字，从点对 点通信，经过战斗网无线电到地域通信网；从无保密措施到今天采用跳频、直 接序列扩频和跳频直扩混合的抗干扰体制，以及采用白适应调零天线阵列和 突发通信等技术，保障了局部战争突发应急作战的指挥畅通。但是由于参战军 种的多样化和军用通信电台的多样性，使得各兵种之间的协调出现困难。 在民用通信领域，移动通信的出现给通信方式带来了革命性的变化，人们 的联系和交流不再受时间和空间的限制。移动通信经历a m p s ，n m t 模拟移 动通信到i s 一9 4 ，g m s 数字移动通信，再到c d m a 技术的实现。通信系统的 组网能力、移动性、安全性、可靠性都有了很大的提高，但是还不能实现各通 信系统的无缝通信。 1 2 2 软件无线电的产生 现代通信技术的飞速发展，通信业务的海量增加，无论是军用还是民用通 信，都希望出现新代的通信技术，解决协同通信的问题1 1 “”j 。并且伴随着 无线通信的迅速发展，新的通信系统不断出现，产品的生存周期缩短，开发费 用上升，都使得原来以硬件为主的收发系统难以适应这种快速升级换代的局 面。其次通信技术和硬件的发展相当迅速，使得以硬件为主的无线电台的使用 寿命大大缩短，使用不了多久就面临新的系统的挑战。于是人们提出将硬件收 发系统作为基本平台、a d 转换尽量靠近天线，将尽可能的使用软件来实现无 线通信功能，这就是所谓的软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) ，或者称为软件可定 义的无线电( s o f t d e f i n e dr a d i o ) ，其基本思想是功能的软件化，要求减少功 能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理推进到天 线部分。它强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的升级更新改变 硬件的配置结构，实现新的功能。 1 9 9 2 年美国开始介绍s w r 在军事技术上的应用。美国国防远景规划局 ( d a r p a ) 的易通话第一期的发起人于1 9 9 5 年对软件无线电在军事通信的应 用进行了全面的介绍。易通话第二期有力地促进了创立于1 9 9 6 年3 月的模块 1 两北工业火学硕士学位论文软件无线电技术基带信号处理的研究 化多功能信息传输系统( m m i t s ) 论坛的发展。m m i t s 论坛致力于支持开发 和使用先进的开放式结构无线系统，目前m m i t s 论坛重新定义为s d r 论 坛，标志着软件无线电开放结构标准从侧重军用向侧重商用的转变。该论坛的 主要目标是： 在不同网络、多个标准和技术方案环境中实现各种功能的无缝综合； 加速软件无线电系统的扩展； 推进无线开放式结构的采用； 提高多功能系统的灵活性； 确保满足当前和未来用户在话音、数据、图像、多媒体等方面的需 求。 随着欧洲委员会于1 9 9 7 年5 月在布鲁塞尔成立软件无线电专题研究组， 欧洲个人通信产业中软件无线电的前景己明朗了许多。在此之前，实现软件终 端的数字信号处理( d s p ) 和无线射频( r f ) 技术的快速发展潜力在欧洲一 直备受争论。随后布鲁塞尔专题研究组根据第三代a c t s ( 先进通信技术和业 务) 移动通信委员会要求，于1 9 9 8 年6 月在希腊的r h o d e s 举行了第一届国际 软件无线电研讨会。大量相关的研究项目己在欧洲委员会的a c t s 计划中着 手进行。欧洲共同体在欧洲先进通信和a c t s 项目的研发中，资助软件无线 电的预先竞争。欧洲委员会目前正把软件无线电技术作为重要的研发项目。目 前s d r 的全球参与者包括：法国的a l c a t e l 、瑞典的e r i c s s o n 、日本的k e i o u n i v e r s i t y 、英国的m o t o r o l a 、芬兰的n o k i a 、德国的r h o d ea n ds c h w a r z 、韩 国的s a m s u n ge l e c t r o n i c s 和德国的s i e m e n s 等。 美国除了成功研制出易通话多功能多频段电台外，美国麻省理工学院计算 机科学实验室s p e c t r u mw a r e 项目从通用计算机实现软件无线电的角度出发， 引入了更多的软件成分，提出并试图实现“虚拟”无线电。m o t o r o l a 等公司对 软件无线电的基站进行了深入的研究，同时美国a i r n e t 公司已研制出可灵活 配置的基站。 亚洲有关软件无线电的研究直到1 9 9 8 年4 月，日本k e i o 大学成立第一个 亚洲专题组才广泛开展。但其研究的深度和广度与欧美相比，还存在着一定的 差距。 目前国外正在研究如何实现软件的即插即用( p l u ga n dp l a y ) ，并提出了 基于j a v a 的软件协议和标准( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公 一4 第1 章绪论 共对象请求代理体系结构) 。浚标准是由亟向对象管理集团( o m g ) 制定的。 它的思想是在“软件总线”的基础上，建立一个开放、易用的体系结构。所谓 “软件总线”与通常的“硬件总线”类似，就是将应用模块插入按标准做成总 线即可实现集成运行，从而支持分布式的计算环境。这种设计思想与软件系统 中软件的可重用性是一致的。 1 3 软件无线电的结构特点 图1 1 ：理想的软什无线电结构图 图1 1 所示的是理想的软件无线电结构，其功能是由软件来实现的，如果 要实现新的业务或者是调试解调方式只要增加一个新的软件模块即可。同时， 由于它能形成各种调试波形和通信协议，所以还可以与旧体制的各种电台通 信，大大延长了电台的使用周期，节约了开支。 理想软件无线电的主要特点可以归纳为： 具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块来增加新的功能，可以与其它任何现有 的电台进行通信，并可以作为其它电台的射频中继。 具有较强的开放性 由于软件无线电采用了标准化、模块化的结构，所以其硬件可以随着器 件和技术的发展而更新换代或扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线 电不仅能和新体制电台通信，还能与旧体制兼容。 具有设计的简易性 传统的无线电设计要求设计者具有多年的设计实践经验，而开发具有市 场要求的产品需要的时间是现代工程设计应该考虑的关键事项。软件无线电的 实现减少了新产品的设计周期，这使得工程师较少考虑有关模拟器件的设计和 调试。 具有研制的简易性 e 一 西北工业大学硕士学位论文软件无线电技术基带信号处理的研究 没有两个模拟器件具有完全相同的性能，然而相同的输入，两个运行相同 软件的数字处理器能够同时产生相同的输出。基于数字信号处理的处理技术给 软件无线电的设计带来了很大的方便。 正是由于软件无线电具有的这些优越特性，使之成为未来通信乃至无线电 的发展方向。 1 4 软件无线电的关键技术 1 4 1 宽带智能天线技术 理想的软件无线电系统的天线应该能覆盖全部无线通信频段，要能在很宽 的工作频率范围内实现无障碍通信。电台工作频率应尽可能覆盖2 2 0 0 0 m h z 的频率范围，天线应该能满足1 0 倍频程。目前采用的是多频段组合式天线， 即在全频段甚至每个频段使用几付天线组合起来形成宽带天线。 宽带天线被视为是实现理想软件无线电系统的最佳天线方案，但是也被认 为在目前技术条件水平下是不能实现的。近年来发展的r f 微型机电系统是一 种高度小型化的器件，可作为小型开关取代天线中的高成本、大体积的二级 管、超宽带场效应晶体管和真空继电器，是一种实现宽带可重构天线设计的、 具有突破性的技术。 智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 是在软件无线电基础上提出的天线设计新概 念、是数字多波束形成( d b r ) 技术与软件无线电完美结合的产物。一方面，软 件无线电为智能天线的实现提供了一条切实可行的技术途径，另一方面智能天 线也为软件无线电的发展起到了推动作用。软件无线电与智能天线相互渗透、 相互促进，不仅将在未来无线通信中获得广泛应用，而目r 也将推广到其它无线 电技术领域。 1 4 2 高速a d 和d a 转换 软件无线电结构的基本特征之一就是使a d 变换尽量靠近射频端，所以 a d 和d a 转换器在软件无线电系统所处的位置是非常关键的，它宜接反映 了软件电台的软件化程度。对于理想的软件无线电而言，a d 变换器的动态范 围必须在1 0 0 1 2 0 d b 之间，最大输入信号频率要在1 5g h z 之间。就目前的 技术发展水平，很难实现这些技术要求。近两年来，随着现代深亚微米技术的 第l 苹绪论 应用，出现了多种a d 变换器结构：结构和管状结构。结构a d 变换 器的优势在于能提供较大的动态范围和高线性度，但变换速度有限。要提高速 度，关键一点是改进结构，如降低重复取样速率，减少多比特环路和高阶环路 稳定度问题以及优化所需的放大器的带宽等。 1 4 3 高速d s p 及f p g a 技术 d s p ( 数字信号处理器) 是限制软件无线电发展的瓶颈问题，其数据处理 速度和精度直接关系到软件无线电台能否实现。目前采用的技术方案主要是数 字信号处理技术d s p 、专用集成电路a s i c 、现场可编程门阵列f p g a 以及这 几种技术的结合。高速d s p 芯片是软件无线电的核心部分。随着微电子技术 的发展，数字信号处理器件在速度和性能上有了很大的提高。d s p 采用了一 种精简指令集计算结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各 d s p 厂商纷纷改进：卷核，并将几个d s p 芯核、m p u 芯核、专用处理单元，外 围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为d s p 系统级集成电路。 f p g a ( 现场可编辑逻辑门阵列) 是可重编程器件，所实现的功能大大超 过今天的d s p 微处理器，包括实现软件的可编程性、高速的硬件，并可实时 重构。事实上，f p g a 是真正的“软”硬件，能在定制硬件和灵活的全软件方 案之间折衷。近年来f p g a 无论是在规模、处理速度还是功耗上，都得到了 长足的进步，成为软件无线电实现的一个有力的硬件基础。 d s p + f p g a 的结构是目前软件无线电硬件实现的理想结合。f p g a 能够被 用作与d s p 和通用处理器接口的协处理器，从而提供更高的系统性能和更低 的系统成本，拥有自由选择在哪里实现基带处理算法的权利，从而为实现 s d r 算法增加了灵活性。 目前由于硬件器件的限制，软件无线电的数字化实现主要是在中频段。随 着器件的更新和换代，理想的软件无线电必将实现。 1 5 本文所做的主要工作和意义 软件无线电当前研究实践的热点在中频和基带上利用d s p 技术来实现部 分的软件无线电。随着a d 转换器及d s p 器件的发展，数字化会发展到直接 射频带通采样或者是射频低通采样的理想结构。目前应用的各种电台基本结构 相似，而信号的特征差异很大，例如工作的频段不同，调制方式不同，波形结 构不同，通信协议不同，数字信息的编码方式不同等等。电台之间的这些差异 西北_ ：【：= 业火学硕士学位论文 软件无线电技术基带信号处理的研究 极大地限制了不同电台之间的互联互通。软件无线电技术在基带上可以通过软 件编程来适应处理信号的不同方式，从而为它们的互联互通打下基础，这样就 要求基带组件必须具有足够的灵活性，以便使软件无线电能够支持相同标准的 增强版本或者完全不同的标准。 在论文研究期间，主要完成如下工作： 针对软件无线电的结构特点，立足于当前硬件条件，提出合理的中频 数学化模型和结构，制定了软件无线电基带信号处理平台实现方案。 研究多种数字及模拟调制算法，并进行仿真。 完成f p g a 硬件语言的描述。 设计软件无线电接收机硬件平台。 本论文的意义在于研究设计基带信号处理可以为将来更深入的研究理想结 构打下基础，为不同的电台在基带提供一个通用的平台：在课题研究中掌握软 件无线电的开发过程和方法，对软件无线电的开发和实际虚用作进一步的开 拓，为软件无线电的真f 实现作探索。 1 6 本章小结 本章分析了当前无线电技术发展的现状及不足，给出了软件无线电的关键 技术，最后交待了本论文所做的工作和意义。 第2 章软件无线电的理论基础 第2 章软件无线电的理论基础 软件无线电是一种以微电子技术的发展为依托，以现代通信理论和现代数 字信号处理为基础的无线通信技术。本章介绍软件无线电的理论基础 1 4 】，主 要包括信号采样理论、多速率信号处理理论以及正交变换等。 2 1 信号采样理论 2 1 1 奈奎斯特采样定理 采样定理是信号数字化传输的理论基础，它告诉我们：如果对某一带宽的 有限时间连续信号( 模拟信号) 进行采样，且在采样率达到一定数值时，根据 这些采样值可以在接收端准确地恢复原信号。也就是说，要传输模拟信号不一 定传输模拟信号本身，只需传输按采样定理得到的采样值就可以了。 奈奎斯特采样定理：对一个频带限制在( o ，岛) 内的时间连续信号r e ( t ) ，如 果以1 ( 2 厶) 的间隔对其进行等问隔采样，则m ( t ) 将被所得到的采样数据完全 确定。即采样速率大于等于信号带宽的两倍就可保证不会产生信号的混迭。 1 ( 2 ) 是采样的最大间隔，也称为奈奎斯特间隔。 其意义在于时间上连续的模拟信号可以通过时间的离散的采样值来替代， 这为模拟信号的数字化处理奠定了理论基础。 2 1 2 带通信号采样定理 奈奎斯特采样定理讨论的是频谱分布在( 0 ，厶) 上的基带信号的采样问 题，若信号的频谱分布在某一有限的频带( 万，厶) 卜时，根据奈奎斯特采 样定理，应当以正2 厶的频率进行采样，但是当矗 b = 厶一兀时，采样 频率就会很高，以至于a d 转换器难以实现，或者是基带处理单元d s p 的处 理速度也满足不了要求。同时由于带通信号本身的带宽不一定很宽，那么能不 能采用比奈奎斯特采样率更低的速率来采样呢? 这就是带通信号采样定理要回 答的问题。 西北_ i l = 业大学硕士学位论文软件无线电技术基带信号处理的研究 x 【t ) 叠 。 ”f hf of 。 o f lf o 7 图2 - 1 带通信号采样前后的频谱 带通采样定理：设一频率带限信号为x ( f ) ，其频带限制在( 兀， ) 内，如 果其采样频率满足： 矗寻2 ( 五+ 磊) ( 2 n + 1 ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，n 取能满足z 2 ( 厶一五) 的最大正整数，则以正进行等间 隔采样所得到的信号采样值x ( n e ) 能准确地确定原信号x 0 ) 。 显然，当正= 0 时，取n = 0 ，? 上式就成为奈奎斯特采样定理。 另外，式( 2 1 ) 也可以用带通信号的中心频率厶和频宽b 来表示： 必= 4 f o ( 2 n + 1 ) ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，f 0 = ( 厶+ 正f ) 2 ，n 取能满足毋2 b = 2 ( 厶一正) 的最大正 整数。当频带宽度b 一定时，为了能用晟低的采样速率对带通信号进行无失 真采样，带通信号的中心频率必须满足 f o = f 2 n + 1 ) b 2 ( 2 3 ) 也就是说信号的最高频率是带宽的整数倍，如图2 2 所示( 图中所画的只 是正频率部分，负频率部分是对称的) ，位于图中的任何一个中心频率为 兀。= o ，1 ，2 ，3 ) ，带宽为b 的带通信号均可以用同样的采样频率z = 2 b 对信 号进行采样，这些采样均能准确地表示位于不同频段( 中心频率不同，而带宽 相同的) 原信号x o ( t ) ，x 。( f ) ，x 2 ( f ) ，。 但是应该指出的是，带通采样定理应用的前提条件是只容许在信号空间中 的一个频段上存在信号，如果不同的频段上同时存在信号，就会引起信号的混 叠。例如当在( 2 b ，3 b ) 频带上存在信号时，那么在其它频带上就不能有信 号存在，如果在其它频带上存在信号，就要求在采样前先进行滤波，将其它频 带的信号都滤除掉，只剩下感兴趣的菜一中心频率的带通信号再进行采样。 第2 章软件无线电的理论基础 l 五l t j x o ( t ) x 【( t ) x 2 ( t ) 公公、羚公二 0 f 0 0 b f 0 1 2 8 f 0 2 3 8 f 0 3 如一 2 2 多速率信号处理 图2 - 2 带通信号采样后的频谱对应关系 对于低复杂度的数字信号处理应用，采用单抽样频率就能够完成整个实 现。但是对于高复杂度的应用，为了减少所需计算复杂度，以及能够采用低成 本的数字信号处理结构，常常需要在系统的不同处理阶段改变抽样频率，使用 可变抽样频率来实现数字信号处理应用，就称为多速率数字信号处理( m u l t i r a t ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 。 多速率数字信号处理技术能够提高软件无线电的灵活性。例如，为了实现 多个接收机，一个多模式的接收机就可以共享同一个a d 和使用同一种抽样 频率。然而对于其中的任意一个接收机，都存在一个最优的抽样频率和抽样 精度。在接收机端，通常以远远高于信号带宽度的频率对信号进行数字化，这 样就可以减少对抗混叠滤波器的要求。但是在信号处理端，为了减少额外的计 算量，应直接将抽样频率降低到最小抽样频率。此外为了保证接收机与输入数 据同步，通常要求样本速率正好是符号速率的整数倍，否则符号可能会丢失或 者重计。在发射机端，为了减少额外的计算量，需要以最小的抽样频率来生成 信号，而在数模转换之前为减少对内插滤波器的要求又需要提高抽样频率。所 以，在软件无线电系统中，需要在很多部分应用抽样速率的变换。 2 2 1 样本速率转换原理 对数据流进行样本速率转换是数字信号处理的重要内容，数据流可以进行 下抽样，以获得更低的抽样频率，或者进行上抽样以获得更高的抽样频率。图 2 3 表示了样本频率的转换过程。抽样频率为只。的信号x ( n ) 通过抽样频率转 换器，输出信号是抽样频率为c 。的波形y ( m ) 。抽样频率转换器可以看作是时 变滤波器h ( n ，m ) 。 ! f 吐 i 样弯挚率葶换l _ 里咄 l! ! ! ：! ! 图2 3 样本频率的转化过程 西北r 业大学硕士学位论文软件无线电技术基带信号处理的研究 抽样频率转换器的转换因子( 拜，m ) 表示为两个互质数之比，时变滤波器 h ( n ，7 7 2 ) 是一个速率转换器，其抽样比可由下式决定： 生：三 ( 2 4 ) k y d 式( 2 4 ) 中，和j d 分别是相应的内插和抽取因子。 2 2 2 整数倍抽取 整数倍抽取就是把原始采样信号序列z ( n ) 每隔( d 一1 ) 个数据取一个，以形 成一个新序列b ( m ) ，即： b ( 拼) = x ( m d ) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，d 为正整数，抽取过程表示如图2 - 4 所示 1 5 1 。 3 2s 2 1 5 塞 1 鑫o s 0 - 05 一， 15 o 1 0 3 0 等敬时蒿。鬻7 0 加1 蚓2 - 4 整数倍( 4 倍) 抽取示意图 第2 章软件无线电的理论基础 下面从数学推理的角度来说明整数倍抽取的过程。 首先定义一个信号： ，、fx 俐，向= 0 ，口2 d ， 叫圳2 1 0 ，其他 ( 2 6 ) 根据恒等式： 吉；d 2 ”l n 0 1 嚣如+ 2 n ， 则x 例可表示为： x = x j 去姜ej 警f 眈- 8 ， 由于z 。倒= x ( d 圳= x 佃矽， 则x d 俐的z 变换倒为： x 。= x 。例广= 石。( m ) z - r ( 2 9 ) 由于x 俐除了m 为d 的整数倍时不为零外，其余均为零，所以上式可以 重新写为： 将一例表达式带入可得 x 。阿= 一例z i 删= 外啦去 ：i 1 乞d - i 艺k 譬 i ，0 = 1 去料扎1 ，2 m ed 把z = p ”代入上式可得到抽取序列x d ( ”) 的离散傅立叶变换为 ( 2 1 0 ) 如( e 4 ) = 面1 刍d - i r 旷2 叫 ( 2 1 1 ) 由此可见，抽取序列的频谱( p ”) 为抽取前原始序列频谱x0 ”) 经频 移和d 倍展宽后的d 个频谱的叠加和。图2 5 给出了抽取前后的频谱变化结 构图。 m、目j 曲北工业大学硕十学位论文软件无线电技术基带信号处理的研究 0 口 2 9 a 图2 5 抽取前后的频谱结构( 出现频率混叠) 由图2 5 可见，抽取后的频谱x 。( e 一) 产生了严重的频率混叠，使得在 ，( p 一) 中已无法恢复出j ( e 一) 中所感兴趣的信号频谱分量。但是如果首先用 一数字滤波器( 滤波器的带宽为万d ) 对x ( e 一) 进行滤波，使得x ( e j 4 ) 中只 含有州d 的频谱分量，再进行抽取，则抽取后的频谱就不会发生混叠，如图 2 6 所示。 x p 4 ) 八、，入八价八，入 一3 z ：。一2 汀 一 ? #2 声3 z r 乙 瞳：) ll l i l ? )矿d 乙 k 。( b7 一) 入h1川入八。 一2 厅 一万 j ) 打2盯 3 石 乙 。x 。( 87 4 ) 丫八 图2 - 6 抽取前后的频谱结构( 无频率混叠) - 1 4 第2 章软件无线电的理论基础 在图2 - 6 中，x 。( p 7 8 ) 中的频谱成分与x ( 8 。“) 中的频谱成分时一一对应的。 这时对x 。( g - 。) 的处理等同于对x ( e 。8 ) 的处理，但前者的数据量只有后者的 1 d ，大大降低了对后端处理速度的要求，减轻后端器件的压力。 2 2 3 整数倍内插 所谓整数倍内插就是指两个原始抽样点之间插入( 一1 ) 个零值。若设原始 抽样序列为z ( h ) ，则内插后的x ，( m ) 的序列为： z ，( 搬) ：工( 予) ，( 卅= o ，j ，监，) 其中i 为正整数。 ( 2 1 2 ) 【0 ， o t h e r s 内插过程的仿真表示如图2 - 7 所示： 图2 7 整数倍( 4 倍) 内插示意圈 西北工业人学硕士学位论文 软件无线电技术基带信号处理的研究 由于一( m ) 除了卅为i 的整数倍处为工f 等l 外，其余都为零，所以有： j 工心) = x ，( m ) z 一= x ( m ) z “7 ( z 7 ) ( 2 1 3 ) ? 一 把z = g 一代入式( 2 。1 3 ) 可得到内插后的信号频谱为： x ，( e j 万) = x ( e 倒) ( 2 1 4 ) 图2 - 8 内插前后的频谱结构图 从图2 8 可以看出，内插后的信号频谱；( p 一) 为原序列谱j f ( p - 。) 经，倍 压缩后得到的谱，其中不仅含有x ( e 一) 的基带分量，而且还含有其频率大于 z z 的高频分量，为了从x l ( p 一) 中恢复原始谱必须对内插后的信号进行低 通滤波( 滤波器的带宽为刀i ) ，滤波后的频谱结构如图2 8 最下图所示： 多速率数字信号处理的优点很多，所以在许多系统中都得到应用，例如数 字滤波、频谱分析、语音编码和数模转换等。多速率技术在高速数据获取和存 储应用中是必需的，它减少了对抗混叠滤波器的需求，并且保证了对具有不同 抽样速率的不同类型信号的处理，为实现软件无线电的符号同步和上( 下) 变 频提供了灵活性。 2 3 数字正交变换 正交变t 匕理论表明，从一个实信号的复解析信号中可以很容易的得到信号 的三个特征参数：瞬时幅度、瞬时频率和瞬时相位，而这三个基本的特征参数 第2 章软件无线电的理论基础 是数字信号分析、参数测量、调制方式识别以及解调的重要对象。一个实信号 的解析表示在信号处理中有着极其重要的作用，是软件无线电的理论基础之 一。本节讨论数字信号的正交变换。 2 3 1 实信号的解析表示 自然界的物理可实现信号都是实信号，实信号x ( f ) 的频谱具有一个显著的 特点即共辘对称性，即满足： x ( 力= x 4 ( ，) ( 2 1 5 ) 也就是说信号的正负频率分量是对称的，而其相位分量正好相反。所以对 于一个实信号，只需要其正频率( 或者负频率) 部分就可完全表示，不会丢失 任何的信息量，也不会产生虚假的多余信号。例如只取正频部分得到一个新信 号z ( f ) ，由于z ( f ) 只含有正频分量，故z ( f ) 不是实信号，而是一个复信号，其 频谱z ( f ) 可以表示为： 1 2 x ( 力，厂 0 z ( f ) = ( ，) ，f = 0 ( 2 1 6 ) io ，f 0 的分量能量是加倍的，为了使z ( f ) 与原信号x ( o 的能量相当，引入一个阶跃滤波器： i1 ，厂 0 ( - 厂) = 0 ，f = 0 ( 2 1 7 ) 1 1 ，f 0 则式( 2 1 6 ) 可写成： z ( f ) = ( ，) 【1 + 日( 厂) 】 ( 2 1 8 ) 如果设阶跃滤波器h ( f ) 对应的冲击函数为而( f ) ，则根据式( 2 1 8 ) ，可表 示成： z o ) = 工o ) + x ( r ) + h ( t ) ( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 中+ 表示卷积运算。冲击函数 o ) 可求得： 1 ( f ) = ，二 ( 2 2 0 ) 7 f 所以= ( ，) 可重写为： 西北工业大学硕士学位论文 软件无线电技术基带信号处理的研究 z ( ，) ：x ( f ) + ，三r ”塑勤r ( 2 2 1 ) 定义： h i x ( f ) _ ! r 。兰盟出 ( 2 2 2 ) 称为x ( ，) 的希尔伯特变换，则有： z ( t ) = x q ) + j h x ( 0 j ( 2 2 3 ) 由此可得到以下结论：一个实信号x ( ，) 的正频率分量所对应的信号z ( ，) 是 一个复信号，其实部为原信号z ( ，) ，而虚部为原信号x ( f ) 的希尔伯特变换。将 = ( ，) 称为实信号的解析表示。同时将。o ) 的实部叫做x ( ，) 的同相分量，将2 ( f ) 的 虚部叫做x ( t ) 的正交分量，之所以将它的实部与虚部称为正交的，是因为： e 加阿瞰州西= e 加) 【e 差r d t = e x ( 疹【e ；x 一( t 。) m a t 。 ( 2 2 4 ) = 一e x ( 咖【e ；挚 出= 一e x ( 咖研工( o l d r 由式( 2 2 4 ) 可得： i 。z ( ) h x ( t ) a t 2 0 ( 2 2 5 从而证明z ( ) 的实部x ( f ) 与其虚部h 【x ( f ) 】是正交的，或者说一个实信号的 希尔伯特变换与该信号是正交的。 另外，复信号。o ) 可用极坐标表示为： z ( f ) = a ( t ) e 9 。 ( 2 2 6 ) d ( f ) 表示z ( ，) 的瞬时包络，可由f 式给出： d ( f ) = 4 r e 2 【z ( r ) 】+ i m 2 z ( f ) = x 2 ( f ) + h 2 x 0 ) 】 ( 2 2 7 ) 妒( f ) 表示：( f ) 的瞬时相位，可由一f 式给出： 刚，= a r c 伽 罢黜) = a r c 协 等等 2 s ， 而复信号z ( f ) 的瞬时角频率m ( ，) 可表示为： 国= 掣= 妄卜a n 掣， ：型掣产z ， 第2 章软件无线电的理论基础 2 3 2 窄带信号的正交分解 一个实窄带信号可表示为： x ( t ) = a ( t ) c o s g o t + 口( f ) 】 ( 2 3 0 ) 其对应的频谱x ( ，) 如图2 - 9 所示，图中b 为信号带宽，满足b 厶。( 正为信号的载波频率，丘为调 制信号的最大频率分量) 的条件下，有如下近似的表达式： 础h r h ( 。n ) 沁s i n 0 8 ( w 篇2 f i t 。( n 蛉) c 觚o s ( 掣m 。n ) 。， l。”) 】a 一 ”。” 因此，下边带信号j ( 月) 的h i l b e r t 变换为： s ( 功= m ( n ) s i n ( w 。n ) 一, h ( n ) e o s ( w 。n ) ( 3 5 ) 则有： s ( n ) c o s ( w 。，z ) + s ( n ) s i n ( w 。”) = m ( n ) c o s 2 ( 万。n ) + r e ( n ) s i n 2 ( 刃。”) = r e ( n ) ( 3 6 ) 3 2 4 调频( f m ) 一个未调载波可以表示为：c ( t ) = a c o s ( i 口。h 口) ，其中幅度4 ，角频率吼 和相位目都可以用来携带信息而构成已调信号。前面提到的各种调制方式都是 将信息加载到幅度上实现的。调频是将信息加载到频率上实现调制的。需调制 的信号为1 厂( f ) ，调频信号的瞬时角频率为刃= 口。+ k f ( t ) 。调制后的信号j ( ，) 为： s ( f ) = a c o s ( n r 。t + k ，l ，( f 弦) 】 ( 3 7 ) 将式( 3 7 ) 展开并化简得： j ( f ) = 4 c 。s ( 疗。，) c o s ( 足，ff ( t ) d t ) 一as i n ( 口。f ) s i n ( 足，j ，( f 坤) ( 3 8 ) = a c o s ( w t ) c o s 巾一a s i n ( w j ) s i n 中 式( 3 8 ) 中：吼为载波角频率，中= k ，l f ( t ) d t 。 当f ( t ) 为单频正弦的特殊情况时f ( t ) = a 。c o s ( d 9 。f ) ，调制后的信号s ( f ) 5 ( f ) = a c o s d r 。r + 删。f c 。s 盯j d o = a c 。s 【矾t + p s i n 万，明 ( 3 9 ) = a c o s ( a t j ) c o s ( f l s i n f ( t ) ) 一a s i n ( d r c t ) s i n ( f l s i n f ( t ) ) 其中= k a 。珂。，称为调频指数。剧。为最大角频率偏移，记为 酊。矾。 这里需要介绍一下调频信号和调相信号的关系，调频信号和调相信号的产 生有直接法和间接法两种，例如对于调频波来说，如果j r ( f ) 直接对载波的频率 进行调制，则为直接调频；如果对( f ) 先积分，后进行调制，称为间接调频。 同样的道理，如果f ( t ) 直接对载波的相位进行调制，则为直接调相；如果对 f ( t ) 先积分，后进行频率调制，称为间接调相。直接调频、间接调频、直接调 相、间接调相的示意图如图3 _ 8 所示。 z 叫万巫举他匝 1 堕困趔 ( 副直接调频 ( b ) 间接调频 ! 啊掣坦囊回一厣邓 ( c ) 直接碉相 ( d ) 问拔调相 图3 - 8f m 与p m 之间的关系 这里介绍一下间接调频的方法( 如图3 - 8 ( b ) ) ，先将，( f ) 积分然后再对 载波进行相位调制，产生一个窄带调频信号，然后再经n 次倍频器，通过倍 频得到需要的宽带调频信号，其方框图如图3 - 9 所示。 ，坠j 磊森。 一一 图3 - 9 间接调频框图 j ( ，) 还可以表示为如下的形式： s ( t ) = a c o s ( 日 c + k a 。c o s 日 。t ) t ( 3 1 0 ) 从式( 3 7 ) 可以看出，调制后的信号频率随( f ) 的幅度而变化。单频正 弦调频前后的波形及调制后的信号频谱如图3 1 0 所示。 第3 章基带信号处理的数学分析与仿真 05 01 0 01 5 02 2 5 03 0 03 5 04 0 0 【一一f m 频谱i 撤划 0卯1 0 01 5 02 2 5 03 0 03 5 04 0 0 图3 1 0 单频正弦信号调频波形 f m 的解调方法很多，这是介绍一种常用的锁相环解调