（信号与信息处理专业论文）软件无线电在移动通信基站中的应用研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文：摘要 摘要 软件无线电可以使无线通信系统具有很好的通用性和灵活性，方便系统的互联 和升级。 本文对软件无线电在移动通信基站中的应用进行了深入研究。首先介绍了软件 无线电的概念、特点、基础理论和基本构成，推导了软件无线电的数学模型，然后 在此基础上详细讨论了基于宽带中频带通采样软 牛无线电结构的移动通信基站的 硬件和软件的设计方案。收发信机硬件设计主要包括：a d 、d a 转换器、数字下 变频器( d d c ) 、数字上变频器( d u c ) 以及d s p ，论文详尽介绍了a d 器件a d 6 6 4 0 、 d d c 器件a d 6 6 2 4 和d s p 器件t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 的设计和应用；收信机软件设计主要包 括；d d c 滤波器参数设计和d s p 的基带信号处理，给出了d q p s k 调制、解调算法的 d s p 实现。本文的研究工作对开展软件无线电的应用研究具有定的参考价值。 关键字： 软件无线电宽带中频带通采样软件无线电结构数字信号处理 基站模数( a d ) 转换器数字下变频( d d c ) 数字上变频器( d u c ) 西j i m 业大学硕士学位论文：a b s t r a c t a b s t r a c t i l s o f t w a r er a d i o ( s w r ) c a l lm a k et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v ea g o o d f l e x i b i l i t ya n dg e n e r a l i t y a l s o ，t h ei n t e r c o n n e c t i o na n du p d a t eo f t h es y s t e mw i l lh ev e r y c o n v e n i e n t i nt h i st h e s i s t h e a p p l i c a t i o n o fs w ri nt h eb a s es t a t i o nb a s e do nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ni ss t u d i e d f i r s t ，t h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fs w ri se x p o u n d e d ，t h e n s o f t - w a r ea n dh a r d w a r em o d e l so ft h eb a s es t a t i o n ，w h i c hu s et h es d rs t r u c t u r eo f w i d e b a n da n db a n d p a s ss a m p f i n gi ni f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) ，a r ep u tf o r w a r d t h e d e s i g no fh a r d w a r em o d u l ei n c l u d e sa dc o n v e r t e r d d c ( d i g i t a ld o w nc o n v e a e 0 ， d u c ( d i g i t a lu pc o n v e r t e 0a n dd s et h cd e s i g na n da p p l i c a t i o no fa d 6 6 4 0a n d a d 6 6 2 4a r ef u l l yd i s c u s s e di nt h i sp a r t t h ed e s i g no fs o f t w a r em o d u l ei n c l u d e st h e p a r a m e t e rd e s i g nf o rd d c f i l t e ra n dt h eb a s e - b a n ds i g n a lp r o c e s s i n go fd s ea n dt h e r e a l i z a t i o no ft h ed q p s km 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 mb yd s pa n dt h e s i m u 【l a t i o no ft h eb u r s ta tt h et r a n s m i t t e ra r ed i s c u s s e d i tc a np r o v i d es o m er e f e r e n c e w o r t ht od e v e l o pt h e a p p l i c a t i o n r e s e a r c ho f s w r k e vw o r d s ： v s o r w a r er a d i o ( s w r ) a dc o n v e r t e r d d c i g i t a l d o w n c o n v e r t e r ) t h es d rs t r u c t u r eo f w i d ea n db a n d - p a s ss a m p l i n gi ni f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d u c ( d i g i t a lu pc o n v e r t e r ) b a s es t m i o n 西北工业大学顿士学位论文：引言 第1 章引言 1 1 软件无线电的产生及其意义 无线通信在现在通信中占据着极其重要的位置，被广泛用于商业、气象、军事 和民用等领域。人们根据通信场合和通信要求的不同，制订了很多的通信模式以 满足人们的各种各样的需要。例如，卫星通信系统，蜂窝移动通信系统，无线寻呼 系统，短波通信系统，微波通信系统等等。这些系统一方面在工作频段上覆盖了 h f 、v h f 、u h f 、s h f 和e h f 等很宽的频率范围：另一方面在调制方式，基带波 形，帧结构，信道编码和多址方式等方面也有很大的差别。 这就给移动通信的互联互通带来了很大的不便，主要表现为：各种通信体制共 存，多种体制之间不能进行或是很难进行通信。在军用方面的例子有美国的沙漠风 暴行动。在沙漠风暴行动中，由于盟军联合作战，需要及时有效的通信联络，这大 大增强可通信保障的复杂程度，不得不借助许多额外的无线电台。才得以保证高效 的通信联络。在民用通信中也存在互通性差的问题。在欧洲的第一代模拟网发展过 程中，基本上各自为政，加入欧洲邮电会议( c e p t ) 的1 6 个匡i 家中，分别共使用 6 种不同的制式。这些模拟通信体制的制式，频率各不相同，不能互通，兼容。虽 然这些国家领土不大，但是车一出国电话就不通了，给喜欢周末驾车到邻国旅游的 人们带来极大的不便。第二代数字移动通信中，仍有许多种不同的通信体制，如 g s m ，a m p s ，e t a c s ，p d c ，d a m p s 。c t 2 等。这些体制互不兼容，无论给用 户还是给经营者都带来了极大的不便。为了能提供更宽、更灵活的业务，并能在不 同网络间无缝漫游的系统，国际电联i t u 推出了第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 的 概念。但由于各国从自身利益考虑以及市场争夺，使得第三代移动通信标准可能是 凡种标准长期并存。目前两大主流协议w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的竞争就是一个例 子。从候选的提案技术特点来看，c d m a 技术占据了绝大多数，宽带c d m a 技术 无疑是第三代移动通信系统无线接入技术的主流，而其典型代表是w c d m a c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 。 为了解决互通性问题，为了实现在不同场合都能够以最佳和最经济的方式进行 通信，1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的h o e m 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 0 1 的概念或称为软件可定义无线电( s o f t d e f i n e dr a d i o ) 。它是以现代通信理论 为基础，以数字处理为核心。以微电子技术为支撑。其中心思想是：构造一个具有 开放性，标准化，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 西北t 业大学硕士学位论文：引占 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，以研制出具有高度灵活性，开放性的新代无线通信系统。 软件无线电的思想经提出便引起了包括军事通信、个人移动通信、微电子以 及计算机等领域的巨大关注和广泛兴趣。其原因有二：一是软件无线电的各种功能 是用软件实现的，如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即 可，这样就降低了成本：二是软件无线电能形成各种调制波形和通信协议，故可以 与各种体制的各种电台通信，解决了互联互通的问题。因此有些人也把软件无线电 称为“超级计算机”。 1 2 软件无线电的发展及现状 自j o em i t o l a 提出软件无线电概念后，世界各国都在进行深入研究。目前有关 软件无线电的研究主要集中在两个方面：一是软件无线电通用硬件平台的研究。其 主要内容为软件无线电的体系结构。它大致经历了四个发展阶段，提出了四种结构 模型。分别是：传统软件无线电体系结构、总线型软件无线电结构、基于交换网络 的软件无线电结构和树型结构；另一方面便是软件无线电应用方面的研究。在军事 通信领域，美国军方制定了具体的发展计划，来研制三军通用软件无线电台，即基 于数字信号处理器，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。第一个软件无线电是易通话( s p e a k e a s y ) 系统中的l a c k e y 9 5 ，它替代由 十多个军用无线电设备组成的系统。 软件无线电在民用方面也有着极为广阔的应用前景，尤其是在移动通信领域。 特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热点。欧洲的a c i s ( 先 进的通信技术与业务) 计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动 通信系统中的：f i r s t ( 灵活的综合无线电系统和技术) 计划将软件无线电技术应 用到设计多频多模( 可兼容g s m 、d c s l 8 0 0 、w - c d m a 、现有的大多数模拟体 制) 可编程手机。这种手机可自动检测接收信号以接入不同的网络；f r a m e s ( 未 来的无线宽带多址系统) 计划的目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案 来满足u m t s 要求，方法之一是采用软件无线电技术；s o r t ( 软件无线电技术) 计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合 u m t s 的标准。美国也正在研究基于软件无线电技术的第三代移动通信系统的多频 带多模式手机与基站，同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合，为第三 代移动通信系统提供良好的用户界面，如麻省理工学院的s p e c t r u mw a r e 计划。 我国对软件无线电技术也相当重视，1 9 9 8 年7 月，我国向i t u 提交的第三代 移动通信提案t d s c d m a 中就采用了软件无线电技术，t d - s c d m a 的基站和终 4 西北工业大学硕士学位论文：引言 端设备采用高速d s p 和高速a d 变换器，处理速度高于5 0 0 0 万次秒，全部基 带信号的处理和变换都用软件来完成。软件无线电技术实现的功能包括采用i s 一9 5 或g 7 2 9 标准，实现编码速率8 k b s ，质量接近于6 4 k b sp c m 编码；直接序列 码分多址( d s - - c d m a ) 的调制和解调；同步检测和控制；天线波束的赋形( 智 能无线技术 ；自动控制频率、发射功率、接收增益和时延；用户定位( 确定用户 基站的方位和距离) ；处理空中接口u m 物理层；基带预失真，以降低对收发信机 线性的要求。软件无线电的主要特点可以归纳如下： 具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。可以与其他任 何电台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继。可以通过无线加载来改变 软件模块或更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的 软件模块。 具有较强的开放性 软件无线电由于采用了标准化，模块化的结构，其硬件可以随着器件和技 术的发展而更新或扩展，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，还能与旧体制电台兼容。这样，即延长了旧体制电台的使用 寿命，也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。 1 3 移动通信的发展现状 1 无线接口标准 移动通信已从第一代f d m a 模拟蜂窝移动通信系统发展到第二代数字蜂窝移 动通信系统( 如欧洲的g s m 系统和美国的窄带c d m a ( i s 一9 5 ) 系统) ，目前正在 向三代w c d m a 移动通信过渡。第三代移动通信的无线接口标准( i m t 2 0 0 0 ) 是 国际电联于1 9 9 9 年1 1 月确定的，其接口标准为5 个，分别为 i 【1 r 1 2 0 0 0c d m ad s对应w c d m a c d m a 技术i m t - 2 0 0 0c d m am c对应c d m a 2 0 0 0 i m t - 2 0 0 0c d m at d d对应t d s c d m a 和u t r at d d i r 卜2 0 0 0t d m as c对应u m c 1 3 6 t d m a 技术 i m t - 2 0 0 0f d m a 厂r d m a对应d e c t 表1 3 1 a ) i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( i m t - d s ) i m t - 2 0 0 0c d m ad s 是3 g p p 的w c d m a 技术与3 g p p 2 的c d m a 2 0 0 0 技术 的直接扩频部分( d s ) 融合的技术，仍称为w c d m a 。此标准同时支持g s m m a p 西北工业大学硕二l 学位论文：引言 和a n s i 一4 1 这两个核心网络。 mi m t - 2 0 0 0c d m a m c ( i m t - m c ) i m t - 2 0 0 0c d m a m c ，即c d m a 2 0 0 0 。经融合后，只含多载波方式，即l x 、 3 x 等。此标准也同时支持g s mm a p 和a n s i - 4 i 这两个核心网络。 c 1i m t - 2 0 0 0c d m a t d d ( i m t - t d ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d 目前包括了低码片率t d s c d m a 和高码片率u t r a t d d 两个技术。 d ) i m t - 2 0 0 0t d m as c 是在美国的i s 1 3 6 基础上发展的u m c 一1 3 6 标准，而 i m t - 2 0 0 0f d m a y t d m a 是在欧洲d e c t 的基础上提出的e p d e c t ，这两个标准离 开了具体地区基本没有使用价值。 2 无线空中接口参数 t d s c d m aw c d m ac d m a 2 0 0 0 复用方式 t d df d df d d 厂r d d 每载波时隙数 1 01 5 基本带宽 1 6 m h z5 m h z1 2 5 或3 7 5 m h z 码片速率 1 , 2 8 m c h i p s3 8 4 m c h i p s 1 2 2 8 ，3 ，6 8 6 4 m c h i p s 帧长 1 0 m sl o r e si o 5 i t i s 信道编码卷积编码、t u r b o卷积编码、t u r b o卷积编码、t u r b o 码等码等码等 数据调制q p s k 和8 p s kq p s k 、h p s kq p s k 、b p s k 扩频方式 q p s kq p s kq p s k 扩频因子 4 - 5 1 24 5 1 2 功率控制开环+ 闭环功率控开环+ 闭环功率控开环+ 闭环功率控 制，控制步长l d b 、制，控制步长l d b 、制，控制步长l d b ， 2 d b 、3 d b2 d b 、3 d b可选o 5 0 2 5 d b 分集接收方式r a k e 接收技术r a k e 接收技术 基站间同步关系同步同步或非同步需要g p s 同步 智能天线在基站端由八个天 线组成天线阵 多用户检测使用使用 使用 业务特性对称和非对称对称和非对称 对称和非对称 核心网 g s m m a pg s m m a pg s m m a p 表1 3 2 西北工业大学硕士学位论文：引言 3 频谱的划分 1 9 9 2 年，i t u 在w a r c 9 2 大会上为第三代通信业务划分出2 3 0 m h z 带宽： 1 8 8 5 2 0 2 5 m h z 作为i i v i t - 2 0 0 0 的上行频段，2 1 1 0 2 2 2 0m h z 作为下行频段。其中 f d d ( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ) 的上行使用1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，下行使用 2 1 1 0 2 1 7 0 m h z 。t d d 方式( 包括t d - s c d m a 和u t r a t d d ) 使用2 0 1 0 2 0 2 5 m h z ， 不区分上下行。1 9 8 0 , - - 2 0 1 0m h z 和2 1 7 0 - - 2 2 0 0m h z 分别作为移动卫星业务的上、 下行频段。 下行信道上行信道总带宽信道间隔 ( m h z )( m h z )( m h z )( k h z ) a m p s8 7 0 - 8 9 08 2 5 - 8 4 5 2 03 0 t a c s9 3 5 9 6 08 9 0 - 9 1 5 2 52 5 d c s l 8 0 01 8 0 5 1 8 8 01 7 l 1 7 8 5 7 52 0 0 p c s l 9 0 01 9 3 0 1 9 9 0 1 8 5 0 1 9 l o6 02 0 0 g s m 9 3 5 母6 08 9 0 9 1 52 5 2 0 0 t d s c d m a2 0 1 0 2 0 2 5 1 5 w c d m a2 1 1 0 2 1 7 0 1 9 2 0 1 9 8 06 0 c d m a 2 0 0 0 2 1 1 0 2 1 7 01 9 2 0 1 9 8 0 6 0 移动卫星 2 1 7 0 2 2 0 01 9 8 m 之0 1 0 3 0 表1 3 3 1 4 软件无线电基站的研究现状 1 9 9 6 年十一月美韩合资的a i r c o m 公司在北京召开的国际通信展览会上展出 了它的软件无线电基站。a i r c o m 公司的基站采用了开放式的硬件和d s p 软件结 构，从而使得基站的体积大大减小，功能可扩充性得到了加强，通过配置不同的软 件，便可以工作在g s m 、a m p s 和t a c s 等系统中a 1 9 9 7 年美国在d a m p s 系统上进行“智能天线”实验。该实验中，基站采用 了软件无线电结构，大多数的通信与控制功能由软件在通用d s p 平台上完成，但 中频处理由专用的数字硬件实现。 我国也已将软件无线电基站列入了“8 6 3 ”通信高技术项目中。 目前有许多国家许多厂家在从事软件无线电基站的研究工作，如海天天线、 中兴通信等。 西北工业大学硕士学位论文：引言 1 5 本文研究内容 本文从软件无线电理论出发，结合移动通信，特别是第三代移动通信的特点， 对移动通信的基站从硬件和软件两方面进行分析和研究。硬件部分主要包括：a d ， 数字下变频和d s p ，在给出了整体框架设计方案的同时，对a d 器件，数字下变 频器( d d c ) 进行了详细的设计和研究。软件方面包括d s p 编程和系统仿真，d s p 主要用于基带信号的处理，d q p s k 的调制、解调。 本文的内容安排：第一章引言，简述软件无线电的概念和发展；第二章软件无 线电的数学模型，介绍软件无线电理论、组成结构和数学模型：第三章基于软件无 线电基站的设计方案，给出了基于软件无线电基站的硬件设计方案，并计算了基于 软件无线电基站的关键参数。第四章软件无线电基站的硬件实现，首先介绍了硬件 元件的选取原则，然后根据设计需要选取了元器件，最后绘出了电路原理图、构造 了硬件平台。第五章软件无线电基站的软件实现，用软件实现了d q p s k 调制、解 调。 一型! 三些查兰堡：! 竺堡堡苎! 竺竺垂垡皇塑墼堂堡型 一9 第2 章软件无线电的数学模型 上一章简要的叙述了本文的研究背景、发展现状，这一章将着重介绍软件无线 电的重要理论及其数学模型。 2 1 软件无线电的重要理论 1 带通信号的采样理论 奈奎斯特采样定理告诉我们，如果要对频带为( o ，厶) 的带限信号z o ) 进行采 样，其采样速率必须满足兀2 厶，那么所得离散采样值x ( 门) 就能准确地确定原信 号r p ) 。但是如果信号的频率分布在某一有限的频带( ，厶) 上时，如果仍以 五2 厶来采样，则其采样频率会很高，以致很难实现。这时就需要用带通采样定 理来进行采样。 1 1 内容 设一个频率带限信号x ( t ) ，其频带限制在( 几，厶) 内，如果其采样频率兀满 足： 兀= 镶导 ( 2 ) 式( 2 1 1 ) 中，n 取能满足兀2 ( 厶一厂l ) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ，则用 进行等间隔采样所得到的信号采样值x 0 五) 能准确地确定原信号x ( f ) 。 1 2 说明 式( 2 1 1 ) 用带通信号的中心频率五和频带宽度b 也可表示为； 兀= 熹 叫) 式( 2 1 2 ) 中，0 ：毕，n 取能满足兀 2 8 ( 口为频带宽度) 的最大正整数。 显然，当厶= 厶2 、b = 厶时，取h = 0 ，式( 2 1 2 ) 就是n y q u i s t 采样定理， 即满足： = 2 厶a 由公式( 2 1 2 ) 可见，当频带宽带b 定时，为了能用最低采样 频率即两倍频带宽度频率( 兀= 2 b ) 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须 满足： 五：粤望日( 2 或 + 厶= ( 2 n + 1 ) 占( 2 1 4 ) 也即信号的最高( 或最低) 频率是带宽的整数倍，如图2 1 1 所示( 图中只画了正 两北工业大学硕士学位论文：软件无线电的数学模型 1 0 频率部分，负频率部分是对称的) 。也就是说位于图2 1 1 任何一个中，t l , 频率为 。 ( n = o ，1 ，2 ，3 ) 带宽为b 的带通信号均可以用同样的采样频率兀= 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) 的原信号 x 。( f ) ，羔l ( f ) ，x 2 ( f ) ，。 bf o i益f o z 图2 ，1 1 带通信号的频谱 带通采样的结果是把位于( n b ，( i 1 + 1 ) b ) ( h = o ，1 2 ) 不同频带上的信号都用位 于( o ，b ) 上相同的基带信号频谱来表示，但要注意的是这种表示在糌为奇数时，其 频率对应关系是相对中心频率“反折”的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的 低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量，而对于h 为偶数时，其 高频分量和低频分量同基带是一一对应的关系。这些对应关系如图2 1 2 所示。 图2 1 2 带通信号采样的频翠对_ | 互关系 带通采样实际上是将频域分为若干个宽为兀2 的频带，只有当无和厶分为 b 的整数倍时，才能以 = 2 b = 2 ( 一，l ) 的采样率采样，否则应设计信号频带 落在兀2 的频率带内 当对信号进行带通采样时，有一点值得注意：虽然在理论上，可以用两倍于带 宽的频率进行采样，但是此时其他频带上不能再有信号，否则在采样时便会发生频 率混叠。因此在采样前一般先用带通滤波器滤出感兴趣的频带，然后再进行采样， 如图2 1 3 所示。 x， 一 西北工业大学硕士学位论文：软件无线电的数学模型 i i f o n _ 半b f s - 2 b x - ( t ) 图2 1 3 带通信号的采样 带通采样定理是软件无线电理论的基石，它在软件无线电中起到非常重要的作 用，贯穿了本设计的自始至终。 2 多速率信号处理 从带通采样定理的叙述可知，带通采样定理的应用大大降低了所需的采样速 率。但是软件无线电却要求，带通采样的带宽应越宽越好，这样对不同信号有更好 的适应性。带宽的变宽必然导致采样速率的提高。这样就会使采样后的数据流速很 高，导致后续信号处理速度跟不上，因此必须对采样后的数据流进行降速处理。而 多速率信号处理就为这种降速处理提供了理论依据。 2 1 抽取 抽取是指减少抽样率以去掉多余数据的过程，如图2 1 4 所示。 旦圉迎= 旦曰鸳 幽2 1 4 设x ( 行) = x ( f ) l 。，如果要将抽样频率兀减小m 倍，那么，最简单的办法是将x ( 月) 中每m 个点中抽取一个。抽取后所得新序列用x ( n ) 表示，那么可以证明抽样前后 的频谱关系为： 石( p 。) = - - j i x ；。( e 。一2 “”) 2 1 5 式( 2 1 5 ) 中( e j 。) x ( e 。) 分别是一( ”) 和x ( n ) 的d t f t 。这样，x ( p ”) 是原信号频谱x ( e j “) 先作m 倍的扩展再在轴上每隔2 r c m 的移相叠加，如图 2 1 5 所示，图中m = 3 。 由抽样定理，在第一次对x ( r ) 抽样时，若保证兀e 1 ，那么抽样的结果不会 发生混叠。对x ( 疗) 作肼倍抽取后得x7 ( h ) ，若保证能由x ( ) 重建x ( f ) ，那么， z ，0 - m ) 的一个周期( 一r t l m ，z l m ) 也应等于x ( e 。) ，这要求抽样率兀2 m f h 。 堕! ! 三些查兰塑主鲎垡堡塞! 竺竺垂垡皇竺塑兰堡型旦 如果不满足，那么x ( p 。) 将发生混叠。但是m 是可变的，所以很难要求在不同的 m 下都保证兀2 m f h 。为此我们可在抽取之前先对x ( n ) 作低通滤波，压缩其频 带，然后在抽取，如图2 1 5 f 所示。 ( e ) ( d 图2 1 5 信号抽取 2 2 插值 信号的插值是指增加抽样率以增加数据的过程。如果要将x ( n ) 抽样频率兀增 图2 1 6 信号插值 加，倍，得v ( n ) ，v ( n ) 即是对x ( n ) 的插值。插值的方法很多，最简单的方法就是在 x ( ) 每相邻两个点之间补工一1 个零，然后在对该信号作低通滤波处理。可以证明： x ( e ) = x ( e 仲”) = v ( e ”)( 2 1 6 ) 因为，的周期为2 石，所以，的周期就为2 石，。上式说明，v ( e ”) 在( - x l i ，n 1 1 ) 内等于x ( e ，。) ，这等于将x ( e ”) 作了周期压缩。如图2 1 7 所示。图中，= 3 。 可以看出，插值以后，在原，的一个周期内，v ( e ”) 变成了l 个周期，多余 西北工业大学硕上学位论文：软件无线电的数学模型1 3 的三一1 个周期称为x ( p 。”) 的映像。当j 甜，f z 上时，矿( 。一) 单一地等于( f ，。) 。 原始信号 工( 哟 ( a )m 1 1 f t r ，i 插入零值点后的信号 f b )一一l 。1 一i 一一1 一一1 一一7 一一1 一一1 ，一一 插值后信号 ( c ) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 f 1 1 1 1 1 1 m m 一 一t- 阿 x ( e ”) 。 i i ： 一 7 r栅0 3 插入零值点后的信号凝谱 八，人m 跖协m 捕但后悃苛强糟 i+ - 呵协 图2 1 7 内插过程 为此，我们在插值后仍需使用低通滤波器以截取矿( e ”，) 的一个周期。滤波器的表 达式为： ( 。，川。l 其i l o ，它l l - 一2 b - - - - 2 r b a 堕 图4 1 1 滤波器矩形系数示意图 2 ) 选用采样分辨率较好的a n 3 器件 西北工业大学硕士学位论文：软件无线电基站的硬件实现2 7 因为器件的分辨率越高，所需的输入信号的幅度越小，对前端放大量的要求也 就越小。而a d 的分辨率又由转换位数以及器件的信号输入范围来决定。尽可能选 择输入范围小的a d 器件，这样有利于减轻前端放大器的压力。另一方面转换位数 尽可能地高。 3 ) 其他 还有其他的一些原则，比如说环境参数，接口特征等等都影响a d 器件的选择。 2 器件的原理与应用 本次设计综合各种因素，选择了a d 公司的a d 6 6 4 0 作为a d 转换器件。 a d 6 6 4 0 是一种单片式的1 2 模数转换器，内含采样保持电路和基准源。它由单电源 供电，t t l c m o s 兼容电平输出，采样频率可达6 5 m s p s ，信噪比的典型值为6 8 d b ， s f d r 值为8 0 r i b ，对完全差动输入级电路可达到7 0 m h z 频率，即能够进行“中频 采样”。其内部电路结构框图如图4 1 2 所示。 图4 1 2a d 6 5 4 0 的内部功能框图 2 1a d 6 6 4 0 的工作原理 a d 6 6 4 0 模拟转换器采用两级转换模式，这种设计方法可以在低功耗下满足1 2 位的精度，而不必采用激光修整，从功能框图可以看出，a d 6 6 4 0 有互补的两个模 拟输入引脚a n 与彳w 。每个模拟输入都以+ 2 4 v 基准为中心，并围绕这个基准 电压可以有0 5 v 的摆幅波动。因为a n 和a n 是1 8 0 。反相的，所以差分模拟输 入信号可有2 v 的峰峰值。 在第一个跟踪保持放大器前，有两个模拟输入的缓冲放大器。当e n c o d e 脉 冲处于高电平时，置t h l 为保持模式。t h l 的保持值被加到一个6 位的粗转换a d c 西北工业大学硕士学位论文：软件无线电基站的硬件实现2 s 电路上。粗转换a d c 的数字输出驱动一个6 位d a c ，该d a c 精度为1 2 位。6 位 d a c 输出t h 3 输出端，被t h 2 输出的模拟值减去，以便产生个剩余差信号。t h 2 作模拟流水工作是为了抵消前一个6 位a d c 产生的延迟。 剩余的查信号在下一个时钟周期通过保持放大器t h 3 ，经a 2 放大后由7 位精 转换a d c 电路产生7 位数据代码。6 位粗转换代码与7 位精转换代码在数字纠错 逻辑中合并并加以校正，产生1 2 位输出代码，以二进锘t j + b 码方式输出，输出逻辑 与c m o s 兼容。 2 2a d 6 6 4 0 的应用 编码信号输入：驱动e n c o d e 引脚的信号源必须是干净的，无振荡的。我们 使用低过冲的t t l 信号通过一个小电阻，如1 0 0q 电阻接到高频变压器初级，变压 器的次级接到e n c o d e 与e c o d e 引脚。 模拟输入驱动：驱动a d 6 6 4 0 的模拟信号源应采用交流偶合的方式加到模拟输 入引脚，为了产生比较好的效果，我们使用4 ：1 的变压器。 电源：选用线性电源，每个电源引脚都应用0 1 “f 的片电容去耦，且接点应 尽可能靠近电源引脚和地引脚。数字+ 5 v 电源与模拟+ 5 v 电源应分离，尽管可以连 接在一起，但是分开是有益的，因为快速数字振荡可能将转换噪声耦合回模拟电源 中去。 输出负载：a d 6 6 4 0 后串接3 4 8 q 电阻再接7 4 l c x 5 7 4 的电路。 在数模转换过程中，衡量d a 转换的性能指标有静态指标和动态指标两类。静 态指标有分辨率、转换精度等，动态指标有建立时间、转换速率、毛刺脉冲等。 图4 1 3a d 6 6 4 0 电路原理图 其中d a 转换器的分辨率指标与a d 转换器的灵敏度指标类似。d a 转换器的精 西北工业大学硕士学位论文：软件无线电摹站的硬件实现 度主要取决于转换位数的多少，但与外围电路有关。影响d a 转换器精度的主要因 素有零点误差、增益误差、非线形误差等。d a 转换时间是指从数字量输入开始直 到d a c 输出建立在某个确定的误差范围内所需要的这段时间。转换速率又称刷新 速率通常定义为建立时间和传输延迟的倒数，如果过快的刷新d a 转换器，输出就 会产生误差。综合以上因素本次没计选择了a d 公司的a d 9 7 7 2 。该芯片采用单电 压供电( 3 1 v 3 5 v ) ，1 4 位数据输入，内部带有两倍内插滤波器、倍频器。其功能 方框图见图4 1 4 。 c l k + c l k c l k c o m c l k v d d 叭o o om o d lr e s e tp l l l o c kd i v 0o i v c 枷l o c k m o d i d s e s e t r i b l u e c t t i o n h ：龌咎 j 甄= 甄叮e 。磊一 e d g e - 门2 x f i r r e g - e 甬e d i n i k h u 他峭h - ? f 器n d c o md v d da c o 瞄a v d dr e f l 0 图4 ，1 4 a d 9 7 7 2 内部原理框图 4 2 数字上、下变频 p l l c o m l p f p l l v d d i o t r r a i o u r b r e f l 0 f s & d j 1 数字下变频 1 1 器件的选择 通过第三章的叙述可知：数字下变频部分主要是降低信号速率，以减轻后续的 数字处理的压力，从而实现实时处理。这几年来，数字下变频技术发展迅速，已有 专门的数字a s i c 来实现数字滤波、抽取等功能。数字下变频器的组成与模拟下变 频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡器( n c o ) 和低通滤波三部分组成，如 图4 2 1 所示。 图4 2 1 数字下变频器简单示意图 目前很多公司已经提供了d d c 产品，例如i n t e r s i l 公司的h s b 5 0 2 1 4 b 和a d 鬻 当 a 苫 言量嚯 西北工业大学硕士学位论文：软件无线电基站的硬件实现 公司的a d 6 6 2 4 、a d 6 6 3 4 等产品，这些产品都采用了高精度的数字n c o 与输入信 号相乘，完成频率的进一步降低，再采用级联积分梳状滤波器c i c 和可编程的f i r 滤波器完成抽取前的滤波。本文主要采用a d 公司的a d 6 6 2 4 来完成数字下变频的 功能。 1 2a d 6 6 2 4 的原理 a d 6 6 2 4 的主要特征有以下几点：8 0 m s p s 的宽带输) k ( 1 4 个线性比特加上3 个 r s s i ) ，双路高速数据输入端口，单片集成四个独立的数字接收通道，可编程抽取 f i r 滤波器和增益控制。a d 6 6 2 4 的原理框图如图4 2 2 所示。 图4 2 2p t d 6 6 2 4 的原理框图 a d 6 6 2 4 内部的信号处理包括以下四部分：频率变换器、二阶的重抽样级联积 分梳状滤波器( r c l c 2 ) 、五阶的级联积分梳状f i r 滤波器( c i c 5 ) 以及一个r a m 系数 f i r 滤波器( r c f ) 。 1 ) 频率变换器 图4 2 3 给出了一个a d 6 6 2 4 宽带输入频段频率变换示意图。 频率变换部分包含两个乘法器和一个3 2 - b i t 复数数控振荡器( n c o ) 。进入这一 部分的实数据被分成i 路和q 路两部分。它的功能是完成中频信号到数字基带的转 换( 图4 6 所示) 。a d 6 6 2 4 的每个通道都有一个独立的n c o 。n c o 作为正交本振， 可产生c l k 2 到c l k 2 ”的振荡信号，分辨率达到c l k 2 ”( c l k 为a d 6 6 2 4 西北工业大学硕士学位论文：软件无线电基站的硬件实现 主时钟) 。n c o 的频率值是个3 2 一b i t 无符号整数，被存储在0 x 8 5 和0 x 8 6 两个寄 图4 2 3 宽带输入频段频率变换示意图 存器中。n c o _ f r e q 为控制字，为了将中心频率为f c h 的信号变换到d c ，可用下 式计算该控制字： ， n c of r e q = 2 ”m o d 丝生 f 4 2 c l k 当f c h 大于采样频率c l k 时，模函数( r o o d ) 去掉该数的整数部分，使之可以存 放在3 2 - b i t 的n c o 频率寄存器中。 与频率变换部分相关的寄存器还有n c o 频率延迟计数寄存器( 0 x 8 4 ) ，此寄存 器主要是为了实现频率的跳变；相位偏移寄存器( o x 8 7 ) ，此寄存器是为了增加一个 偏移量到n c o 的相位累计器中；n c o 控制寄存器( o x 8 8 ) ，主要是完成对n c o 工 作方式的配置，为了提高n c o 的杂散性能，a d 6 6 2 4 提供的相位抖动和幅度抖动 选项就是通过此寄存器配置完成的，其他的配置还包括是否屏蔽n c o ，输入使能 ( 1 e n ) 方式控制，输入端d ( r n a 或i n b ) 选择以及外部同步管脚( s y n c ) 选择等等。 2 ) r c l c 2 抽取滤波器 r c i c 2 是一个二阶c i c 固定参数抽取滤波器，作为重采样滤波器。r c i c 2 重采 样使用了一种特有的不需要高速时钟的技术，允许主时钟和数据输出速率有非整数 倍关系。内插率和抽取率分别高达5 1 2 和4 0 9 6 。r c i c 2 的重采样因子l 为9 b i t 整数， 抽取因子m 为一1 2 b i t 整数。速率变化为分数形式( 式( 4 2 2 ) 。对r c i c 2 的唯一限 制，是l m 应小于或等于1 ，即月m 2 1 。 ， 尺h y ( ，2 = ( 4 2 2 ) 西北工业大学硕上学位论文：软件无线电基站的硬件实现3 2 重采样因子l 的使用使得重采样过程明显增大了输入采样频率，它使用0 来填 充输入的采样数据序列。紧接着重采样过程的是一个二阶c i c 滤波器。整个r c i c 2 滤波器的特征由l m 决定。抽取因子m 被存储在寄存器o x 9 0 中，而重采样因子l 被存储在寄存器o x 9 1 中。对于一定值的l m ，一般使用l ，m 最简单的组合，比 如说为了实现l m = o 2 5 ，l 和m 有多种组合( 1 4 ，2 8 或者4 1 6 ) ，i 4 比4 1 6 能 得到更好的动态范围。r c i c 2 的输出速率为： r， 矗2 = 墨罟地丝 ( 4 2 3 ) n r c i c 2 r c i c 2 的频率响应函数由式( 4 2 4 ) 给出。 r 竺m 2 即，= 两1 瓦i 警l lj 式( 4 2 4 ) 中，s 。：是一个可编程的5 b i t 的刻度因子， 是作为r c i c 2 的衰减器用，能使r c i c 2 的增益降低6 d b 。 3 ) c i c 5 抽取滤波器 ( 4 2 4 ) 能从0 0 1 中取值，主要 c i c 5 是一个比r c i c 2 滤波特性更为陡峭的固定参数抽取滤波器。其输入频率 为f s a m 2 ，最大输入频率由下式限制： 山2 等 ( 4 2 5 ) 式( 4 2 5 ) 中，f c l k 为系统时钟，n c h 等于2 时为分集信道实输入模式，否则n c h 等 于1 。为了满足这个式子限制，通常可以增加m o c 2 ，减少n c h 或者是增加f c l k 。 抽取因子m c i c 5 能够通过编程实现，范围从2 到3 2 ( 所有的整数) 。c i c 5 的输 出频率为： s 瓦j s a ”2 4 硐 c i c 5 的频率响应函数由式( 4 2 7 ) 给出。 日( z ) ：古1 - z - u c k 2 ( 4 硼 式( 4 2 7 ) 中，s 。，是一个可编程的刻度因子，能从0 - 2 0 中取值，主要是作为 c i c 5 的衰减器用。 4 ) r a m 系数滤波器 r a m 系数滤波器是乘积求和可编程系数抽取滤波器，图4 2 4 给出了其简化框 图。 西北工业大学硕士学位论文：软件无线电基站的硬件实现 3 3 图4 2 4r a m 系数滤波器结构框图 数据存储器i - r a m 、q r a m 存储了1 6 0 个最新的复采样值，其分辨率为2 0 b