（电路与系统专业论文）软件无线电用高性能模拟数字转换模块设计与实现.pdf

摘要 摘要 本课题研究的主要任务是应用软件无线电的研究方法，研制基于v x i 总线 技术的频谱监测接收机，要求该接收机能够在2 0 m h z 到3 g h z 的频谱范围进行 快速扫描监测，并通过d s p 技术对扫描频谱进行量化分析，找出异常频点，并 用软件在保证系统硬件结构不变的情况下，对指定频点进行解调分析。整个系 统强调软件无线电技术的应用，保证系统具有较强的未来适应性， 为了实现上述目标，作为整个监测接收机系统的重要组成部分，模拟数字 转换模块主要完成中频数字化的功能。本系统中，由于输入信号的带宽和中心 频率较高，模拟信号在进行数字化之前需要进行信号调理。为了实现高性能的 模拟信号调理通道，本系统的实现采用了全差分结构的放大器组。单端信号输 入首先经a d 8 3 1 8 转化成差分信号，该差分信号能够通过程控放大器进行放大 或衰减。为了能够较好的驱动模拟数字转换器，并考虑到系统今后的通用性 能，本系统在模拟信号进入转换器之前采用了a d 8 1 3 8 进行直流耦合驱动。这 种方案经过实测证明工作良好。 为了能给模拟数字转换器a d 6 6 4 4 a d 9 4 4 6 提供一个低抖动的差分采样时 钟，经过多种方案的实测，本系统最终采用了低抖动石英晶体振荡器和高频变 压器配合的方法。由于变压器不引入新的噪声，因而成为采样时钟生成过程中 单端到差分转换的良好选择。 宽带数字化监测接收机于对模拟数字转换器性能指标提出了较高的要求。 模拟数字转换器性能指标主要包括最高采样率，工作频率，信噪比以及其他非 线性指标等。在深入理解模拟数字转化器的性能指标的前提下，系统设计过程 中，本文作者选用了a d i 公司的a d 6 6 4 4 a d 9 4 4 6 模拟数字转换器，并根据这 类高性能转换器的要求设计了相应的外围电路。实践证明a d 6 6 4 4 在本系统中 的工作是正常的，经过理论计算a d 9 4 4 6 的性能完全能够达到本系统的设计要 求。 本系统中充分利用了f p g a 在数字信号处理方面的优势。在系统设计阶段， 考虑到系统扩展能力的需要，采用了a 1 t e r a 公司的c y c l o n e 高性能f p g a 进行 转换数据的预处理，特别是展宽降速电路的设计和实现大大降低了对于后端 d s p 的端口速率要求。 软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新，不 改变硬件的配置结构，实现新的功能。本系统正式在这样的思想指导下，采用 v x i 结构，模拟数字转换模块的是以v x i 模块的形式实现的。 关键词：宽带接收机软件无线电模拟数字转换v x i a b s t r a c t t h em a i nt a s kf o rt h i st h e s i si st od e s i g na n di m p l e m e n tas o f t w a r e d e f i n e dr a c l i o b a s e ds p e c t r u m m o n i t o r i n gr e c e i v e r i ts h o u l dh a v et h ea b i l i t i yt o a n a l y z et h e s p e c t r u mb e t w e e n2 0 m h zt o3 g h z t h i sr e c e i v e rs h o u l dp o i n to u tt h ea b n o r m a l f r e q u e n c i e sc o m p u t e d b yt h ed s p se m b e d d e di ni t t h ew h o l ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e me m p h a s i z e st h em a i ni d e ao fs o f t w a r e d e f i n e dr a d i o b a s e do na no p e na n ds t a n d a r da r c h i t e c t u r et ok e e pt h i ss y s t e me x t e n d a b l e t om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h eh i g h p e r f o r m a n c ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r m o d u l ei sa d o p t e dt od i g i i t i z i et h ew i d eb a n di n t e r m e d i u mf r e q u e n c y ( w b w ) s i g n a l f o rt h ew i d eb a n da n dh i 曲f r e q u e n c yp r o p e r i t i e so ft h ew b i f ，s i g n a lc o n d i t i o n c i r c u i ti sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d o n ea d 813 8i sa d o p t e dt oc o n v e r tt h es i n g l e e n d e dw b i fs i g n a lt oad i f i e r e n t i a ls i g n a l t h ed i f f e r e n t i a ls i g n a li sf e dt oaf i l l l d i f f e r e n t i a lp r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e rt oa m p l i f yo rt oa t t e n u a t et h ei n p u ts i g n a l t od r i v et h ea d 6 6 4 4 a d 9 4 4 6 a r l o t h e ra d 8 1 3 8i sa d o p t e da sad r i v i n ga m p l i f i e r t h i sd r i v i n ga m p l i f i e r se x c e l l e n tp e r f o r m a n c eh a sb e e np r o v e d t og e tal o tj i t t e rs a m p l i n gs i g n a l ，al o wj i t t e rc r y s t a lo s c i l l a t o rw i t ha h i g h - f r e q u e n c y t r a n s f o r m e ra r ec o m p o s e dt o g e t h e r ，t h eh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ri sa d o p t e dt o c o n v e r tt h es i n g l e e n d e ds a m p l i n gs i g n a lt od i f f e r e n t i a lo n e t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rt h ew i d e b a n dr a d i or e c e i v e ra r ea l lv e r yh i g h t h i s i n c u r sh i g hp e r f o r m a n c ef o rt h ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e rm o d u l ei n c l u d i n gs a m p l i n g f i e q u e n c y w o r k i n gb a n d w i d 1 s n ra n do t h e rn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s a d 6 6 4 4a n d a d 9 4 4 6a r ep i c k e do u tb yd e e p l yu n d e r s t a n d i n gt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s a d 6 6 4 4a n d a d 9 4 4 6a r ep r o v e dw o r kw e l la n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ew h o l es y s t e m h 1t h i ss y s t e m t h ea d v a n t a g e so ff p g ai nd s pa r e aa r ew e l la d o p t e d i nt h es y s t e m d e s i g ns t a g e a l t e rc y c l o n es e r i e sf p g a i su s e dt oi m p l e m e n tt h ep r e p r o c e s s i n gt a s k o f t h es a m p l e dw b 球t h eb i tw i d t he x p a n d i n ga n df r e q u e n c yl o w e r i n gc i r c u i ti sw e l l d e s i g n e dt om e e tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ed s p si op o r t sr e q u i r e m e n t s t h eo p e na r c h i t e c t u r ea n dp r o g r a m m a b l ec h a r a c t e r i s t i c sa r ee m p h a s i z e di ns d r d e s i g n n e wf u n c t i o n sa r ep r e f e r r e dt ob eo b t a i n e db ys o f t w a r e t h i si d e ai sw e l l e m b o d i e di nt h ew h o l ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h i ss y s t e m ， k e y w o r d sw i d e b a n dr e c e i v e rs d r a d cv x i 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一0 一、 签名： 基壹：日期：了仰f ，f b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印，缩印或其它手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：超导师签名：垃日期：2 。s 5 。 绪论 绪论 1 1 课题背景 本课题研究的主要任务是应用软件无线电的研究方法，研制基于v x i 总线 技术的频谱监测接收机o 。要求该接收机能够在2 0 m h z 到3 g h z 的频谱范围进 行快速扫描监测，并通过d s p 技术对扫描频谱进行量化分析，找出异常频点， 并用软件在保证系统硬件结构不变的情况下，对指定频点进行解调分析。整个 系统强调软件无线电技术的应用，保证系统的具有较强的未来适应性。 无线电频谱涵盖从9 k h z 到3 0 0 0 g h z 的电磁辐射频段，无线电频谱资源作 为一种自然资源，其可用范围是有限的。我国规定【1 】，无线电频谱资源属国家 所有，国家本着统一规划、合理开发、科学管理、有偿使用的原则，使有限的 频谱资源投入到无限的为人类服务中去，更好地满足各行各业的需要。 随着电信事业的快速增长，我国各类无线电台数量以每年2 5 以上的速度 飞速发展，空中信道十分拥挤。为了最大限度地开发利用有限的频谱资源、避 免电台之间的电磁波干扰、保证各类无线电台的正常工作，打击非法电台、维 护好空中电波秩序、进一步加强各类无线电设备的管理越来越重要。 无线电管理主要有三方面的内容。 1 统一规划。国家无线电主管部门代表国家对整个无线电频谱从宏观上作 出统一部署和长远规划。根据各种无线电业务的特点和需要，在国际电联总要 求下划分频段、分配频率。 2 合理开发。研究和开发尚未使用的无线电频段，增加频谱容量；同时努 力研究推广新技术，使无线电频率得以充分合理地利用。 3 科学管理。无线电频谱管理要科学化、自动化。保障无线电频谱资源的 充分、合理、有效利用；保障各类无线电业务的正常运行。为保护频谱资源， 我国采用了行政、技术、法律和经济四种手段加强对无线电频谱资源的管理。 在无线电台( 站) 数量迅速增加和无线电频率使用日益紧张的情况下，为充分 有效地利用宝贵的无线电频谱资源，运用自动化测试技术进行频谱测量、电磁 兼容分析、台站监督和管理已迫在眉睫。 1 2 频谱监测概述 1 2 1 频谱监测目的 频谱监测是实现无线电管理的技术手段，通过监测过程收集数据支持频谱 管理、频率指配和规划、台站监督。 频谱监测通过对监测频段内的所有发射信号监听，采集信号发射的基本参 数，如中心频率、带宽、功率、调制方式、信号源位置、信号出现时间、甚至 信号发射标识和内容等，从而计算信号的实际频谱占用度、核准发射参数偏离 北京工业大学工学硕士论文 值、合法及非法发射的位置和发射参数、发射信号之间的干扰等。通过信号测 量和分析，全面掌握电磁环境、查找非法电台和违章电台。通过对干扰源测向 定位排除干扰；频谱监测为建立和维护我国频谱占用情况数据库进行电磁环境 测试、为新建无线电台( 站) 的干扰协调计算、为测试边界场强和发射台 ( 站) 的有效覆盖、为合理有效地指配频率提供技术依据。 频谱监测所监测的频段包括已使用和待开发的各频段。无线电监测的目的 是保护合法电台、查找非法电台和非法占用频率，诸如未经许可就改用频率、 调高发射功率以及使用不符规定的天线型号等均属非法占用。频谱监测还涉及 国际间电台干扰的监测，保证我国境内合法电台不受国外电台的干扰。 频谱监测是频谱管理的技术手段，反过来频谱管理也支持监测工作，为它 提供完整的现行指配数据，并为监测活动指定特殊任务。 1 2 2 频谱监测站 无线电管理机构通过设立监测站进行频谱监测工作。监测站要在尽可能短 的时间内测量电磁发射的参数，其主要任务包括： 1 系统监测并测量无线电台的特性( 如频率，场强、带宽、调制参数) ； 2 干扰测量，确定干扰原因，识别干扰发射，提出消除干扰的步骤； 3 通过测向和信号分析，识别发射机及其发射类别： 4 无线电台站管理，参与国际监测等等。 1 2 2 1 频谱监测站的类型监测站类型主要有固定站、移动站和自动站，根据不 同需要进行配置。 监测h f 或更低的频段，用固定监测站可以轻易完成。目前，监测范围更 多集中在v h f 巧，s h f 频段。这些频率大多用于无线通信网，其特征是：视 频率、功率和天线功率情况，工作范围局限于视线距离或在数百公里左右。最 佳监测方案是在被监测的发射机视距之内设置监测站。在v h f 和u h f 频段， 发射覆盖仅几十公里，因此这个区域必须有一个固定监测站覆盖。固定监测站 天线尺寸、设备数量和等级可以不受限制，因此有较高的监测精度。 但在城市中，电磁环境复杂，固定监测站往往不能提供需要的数据或无法 辨别干扰、定位非法发射源。如3 0 m h z 以上频段里，发射机功率小、天线方向 性强以及特殊的传播特性使固定监测站无法进行各种有效的测量，此时需要使 用车载的移动监测站。移动监测站有更广的应用范围，如可用于广播业务以及 移动通信网络的覆盖范围测量，因此变得越来越重要。移动监测站典型的应用 是检测设备静止时测量场强，占用情况；设备移动过程中监测场强，误码率、 信道脉冲响应等。在有些情况下，移动监测站的主要目的是搜索空余信道并确 定频谱占用度以便分配信道和信道共享，因此精度要求比此类专业测量设备 低，有利于使用计算机控制的接收机和频谱分析仪进行自动化测量。 在频谱监测中，频谱占用度和发射机频偏测量耗时很大，解决办法是采用 绪论 自动监测站，通过程序控制和可编程设备完成测试功能。自动监测站还可以实 现遥控监测，从一个固定的监测站通过网络遥控自动监测站。监测操作的自动 化也可以使频谱监测速度更快从而频谱管理决策更快。 1 2 2 2 监测站的设备构成监测站需要配备的设备包括天线系统、接收机、各种 测量仪器、频谱分析仪、信号发生器等。 天线。 监测接收机：从天线接收的信号中选择一个信道，通过解调复现发送 信息。 频率测量仪器：通过与标准频率源比较测量信号频率，标准频率源精 确度直接决定测量精度，因此要求精确度好于1 0 4 s 日。 场强测量仪：测量天线接收的电磁场场强。 频谱分析仪：以时间和频率为函数的完整信号分析，如波形监测、调 制信号频谱特性、带宽测量。 识别设备：监测中的调制信号辨识工作非常困难，由于信号不经常发 射、使用了通信短语或非法呼号、使用移频、时分或码分等复杂发射 系统，使信号解码非常困难。因此只能采用数字处理技术软件解决。 必须具有的解调能力有a m 、c w 、s s b 、i s b 、f s k 和f m 。 测向设备：用于确定发射台的位置、识别未知的发射台。 信号发生器：产生频率、电平、调制特性已知的标准信号源，用来判 定接收机的性能。 可以根据具体需要选取设备。一般移动监测台采用的是最小配置：天线、 监测接收机和控制计算机。监测接收机完成基本测量功能：频率，场强和调制 分析，计算机在一段时间内进行发射机频率偏差和频谱占用度测量囡。 监测接收机是监测站的核心设备之一。具有分析运算能力、配置灵活的监 测接收机可以简化监测站设备，对建立移动监测站尤为有利。随着计算机、微 电子和数字信号处理技术的发展，软件无线电技术】为开发这种接收机提供了思 路。 1 3 本文主要研究内容 根据课题背景的要求，本文的主要研究内容为用于软件无线电监测接收机 的模拟数字转换模块及其数字预处理模块。经过调查研究和分析计算，所研制 系统结构如图l - i 所示。 由于扫描的频带较宽，在2 0 m h z 到3 g h z 的频带范围内，实现信号的高增益 接收，单一天线是很难实现的。本系统中使用了天线阵列。天线阵列能够根据 控制命令，切换接收波段和调整天线的方向角。天线输出的信号，经过天线调 节器的匹配进入v x i 一3 5 7 0 接收机，v x i 一3 5 7 0 的宽带中频输出端口输出中心频 率为2 1 4 m h z ，信号带宽为1 5 旧z 的宽带中频信号。该信号经过模拟数字转换 北京工业大学工学硕士论文 模块，进行中频模拟信号的数字转换。转换以后的数字信号，送入d s p 处理模 块进行频谱分析和信号解调。系统整体的连接方式如图所示，除监控计算机以 外系统各个部分皆是以v x i 模块的形式出现。 本文的主要研究内容为模拟数字转换模块及其高速数字通道的设计与实 现。本系统的最初设计模拟数字转换部分使用a g i l e n t 公司的e 1 4 3 7 a v x i ，但 是由于e 1 4 3 7 a v x i 的本地总线软件的保密限制，模拟数字转换模块决定自行研 制。 图 l - 1g x i 总线s i ) r 监测接收机系统构成 模拟数字转换模块结构如图1 2 ，模块主要包括线形相位抗混叠滤波器，单 端差分信号转换放大器，程控可变增益放大器，a d c 驱动差分放大器，高性能 模拟数字转换器，时钟生成电路，信号展宽降速电路以及系统电源。 v x i 一3 5 7 0 的宽带中频输出的信号，经过抗混叠滤波，馈入单端差分信号转 换放大器，将单端信号转换成差分信号以后，经过可编程放大器进行放大或衰 减并经过a d c 驱动放大器驱动后馈入模拟数字转换器，转换器在时钟产生电路 的控制下，将转换后的数字信号馈送给信号展宽降速电路，信号被展宽成6 4 b i t 1 4 采样频率的信号后传送给d s p 进行后续处理。 绪论 图1 2 模拟数字转换模块结构 本文将对模拟数字数字转换模块及后续数字处理的系统设计，各个部分的 设计，计算以及系统调试进行说明和分析。 北京工业大学工学硕士论文 第2 章软件无线电及其常用平台结构 2 1 软件无线电的基本思想 随着通信技术的迅猛发展，通信系统中所涉及到的调制，解调方式，通信协 议越来越多，实现多个通信系统互通互联的软硬件成本越来越高。软件无线电 的思想就是在这样的历史环境下产生的。 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。功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、灵活性差的硬 件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠近天 线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变 硬件的配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总 线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。图2 - t 为一通用软件无线电系统 的硬件构成【i j 。 图2 - 1 通用软件无线电系统构成 2 2 软件无线电系统平台结构 软件无线电主要由天线、射频前端、高速a d - d a 转换器、通用和专用数 字信号处理器、以及各种接口和各种软件所组成。软件无线电的天线一般要覆 盖比较宽的频段，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。为便于 实现，可在全频段甚至每个频段使用几付天线，并采用智能化天线技术。 在发射时r f 部分主要完成滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大 等功能。实现射频直接带通采样，要求a d 转换器有足够的工作带宽( 例如 2 0 0 0 m h z 以上) ，较高的采样速率，而且要有较高的a d 转换位数，以提高动 态范围。 模拟信号进行数字化后的处理任务全由0 s p 和专用的可编程处理器的软件 来承担。为了减轻通用d s p 的处理压力，通常把a d 转换器传来的数字信号， 经过专用数字信号处理器件处理，降低数据流速率，并把信号变至基带后，再 把数据送给通用d s p 进行处理。通用d s p 主要完成各种数据率相对较低的基带 软件无线电及其常用平台结构 信号的处理，比如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的 实现等。还要完成经信源编码后的前向纠错( f e c ) ，帧调整、比特填充和链路 加密等算法。也有采用多d s p 芯片并行处理的方法，以提高其处理的能力。 软件无线电的结构基本上可以分为三种：射频低通采样数字化结构、射频 带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。 2 2 1 射频低通采用数字化结构 这种结构的软件无线电，结构简洁，把模拟电路的数量减少到最低程度， 如图2 所示。从天线进来的信号经过滤波放大后就由a d 进行采样数字化，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 常高的要求，同时对后续d s p 或a s i c ( 专用集成电路) 的处理速度要求也特别 的高，因为射频低通采样所需的采样速率至少是射频工作带宽的两倍。比如， 工作在i m h z 1 0 0 0 m h z 的软件无线电接收机，其采样速率就至少需要2 g h z ，这 样高的采样率a d 能否达到暂且不说，后接的数字信号处理器也是难以满足要 求的。 图2 2 射频低通采样数字化结构 2 2 2 射频带通采用数字化结构 射频带通采样结构的软件无线电可以较好地解决上述射频低通采样软件无 线电结构对a d 转换器、高速d s p 等要求过高，以致无法实现的问题。其结构 图如图2 3 。 北京工业大学工学硕士论文 、 a n t e n n a b a n d p a s s - _f ii t e r l a d c bm u i t i p ie x i e r a m o i i f ie r d s p p o w e r - in t e ，r ；p i o + l 。a ，t i 。r 呲胜 a m p ii f ie r 图2 - 3 射频带通采样结构 射频带通采样软件无线电结构与低通采样软件无线电结构的主要不同点是 a d 前采用了带宽相对较窄的可编程滤波器，利用带通采样定理，根据所需的处 理带宽进行带通采样。这样对a d 的采样速率的要求大大降低了，对后续d s p 的 处理速度要求也可以随之大大降低。使得系统的可实现性大大提高。 2 2 3 宽带中频采用数字化结构 宽带中频带通采样结构的软件无线电结构与目前的中频数字化接收机的结 构是类似的，都采用了多次混频体制或叫超外差体制，如图2 4 所示。这种宽 带中频带通采样软件无线电结构的主要特点是中频带宽更宽，所有调制解调等 功能全部由软件加以实现。中频带宽宽是这种软件无线电与普通超外差中频数 字化接收机的本质区别。显而易见，这种宽带中频带通采用软件无线电结构是 上述三种结构中最容易实现的，对器件的性能要求最低，当然其可扩展性、灵 活性也受到了一定得限制的。 图2 - 4 宽带中频带通采样结构 。刊川一 堕 一甲图 七一 一 9 回好一 母里_ 圈里 软件无线电及其常用平台结构 2 3 软件无线电系统平台的开放性 由于软件无线电的硬件具有开放性，作为通用平台出现的系统硬件往往采 用了总线结构。工业控制总线的总线标准很多，比如i s a ，p c i ，e i s a ，v e s a ，v x i 等等。在工业和军用领域中，v x i 总线是以3 2 位微机为基础以卡式仪器为对象 的一种智能仪器总线标准，它的设计思想是采用彻底开放的标准使用户能以最 短的时间组建具有极高吞吐量的系统。目前在国防、航空航天等领域，数据测 量已由传统的堆叠式发展为卡式智能仪器，数据的采集、传输、分析处理、存 档都做到了实时和自动化。 v x i 总线的智能仪器以其优越的测试速度、可靠性、抗干扰能力、用户交 互性等优点成为迄今为止最好的虚拟仪器开发平台之一。v x i 总线标准1 9 8 7 年 由h p 等5 家测试仪器公司所组成的v x i 总线联盟发布，1 9 9 2 年被接受为 i e e e l l 5 5 “”标准，1 9 9 8 年颁布了2 0 版。它综合了两种不同领域总线的优 点，即广泛应用于微型计算机系统的v m e 总线和应用于测试仪器的g p i b 总线。 图2 - 5 显示了通用软件无线电系统平台的v x i 总线构成示例。 图2 - 5 基于v m i 总线的软件无线电系统示例 从图中可见，在v x i 总线上各功能模块都以v x i 插卡的形式出现。随着技 术的发展这些插扳也可不断地更新和升级：同时软件无线电中的软件也具有开 放性，可以不断更新或升级，而软件的加载或更新甚至可以通过无线传输来实 现，这样使用起来更加快捷和方便。 综上所述，软件无线电的基本思想有两点：将a d d a ( 模数模数转换) 功能 尽可能地靠近天线端；用软件完成尽可能多的无线电功能。软件无线电是将模 块化、标准化的硬件单元以总线的方式连接起来构成基本平台，并通过软件加 北京工业大学工学硕士论文 载实现各种无线通信功能( 包括不同频段、不同制式) 的一种开放式体系结构。 这使软件无线电系统具有开放性、模块化、标准化、实现灵活、软件升级、适 于大规模制造等诸多优点。 软件无线电利用多波段天线和宽带a d 、d a 转换技术，在尽可能宽的频段 上将模拟信号数字化，之后利用软件在通用处理器进行中频及基带数字信号处 理。传统无线通信系统用硬件将信号解调之后作a d 转换，再作基带数字信号 处理，因此在很大程度上限制了不同无线通信体制之间的互通性。如果能将 a d 转换提到中频之前，中频处理也可以通过软件实现，因而大大增加了系统 灵活性。总之，软件无线电具有下述优点： 具有可重配置性，实现灵活。r f 频率和带宽、信道接入方式、传输速 率、接口类型、业务种类及加密方式均可通过软件编程配置； 开放性、模块化和标准化： 具有集中性，多个信道共享射频前端和宽带a d 或d a 转换器，容易构 成多频段、多模式的无线通信系统。 软件升级，硬件无需改动，产品投入市场和升级快速； 软硬件间的联系减弱，对产品制造商的依赖程度降低，稳定性好。 在软件无线电中信道处理可分为3 部分：可编程r e 信道接入部分、中频 处理部分和调制解调部分；对于监测接收机，还包括频谱分析等扩展功能。 其中可编程射频信道接入部分是对多个射频段和其他可能的信道接入方式进行 自动接入；中频处理进行滤波、频率变换、波束形成等处理；调制解调部分包 含多种调制方式的调制和解调。 2 4 软件无线电的关键技术 软件无线电通信系统按照功能可以划分为三部分：射频部分、中频及基带 处理部分以及控制管理和支持部分，关键模块有：多波束智能天线、射频转 换、模数转换、数字中频和基带处理【6 】。 2 4 1 多波束智能天线 组合式多频段天线可以覆盖全部无线通信频段1 7 。利用智能天线和数字信 号处理对接受到的多径信号进行最佳合并，能够降低衰落、提高系统性能和频 谱利用率。 2 4 2r f 转换技术 r f 转换包括天线接收信号预放大、射频中频转换等。因为宽带射频a d 还 没有商用化，现阶段r f 变换采用模拟方式。 软件无线电及其常用平台结构 2 4 3a d 、d a 转换技术 信号的中频甚至射频数字化是实现软件无线电的关键之一，此功能通过宽 带a d 、d a 转换器实现。中频数字化给中频处理带来了灵活性，同时对a d 、 d a 的性能提出了很高的要求。 2 4 。4 数字中频处理 在软件无线电系统中，数字中频是连接射频和基带信号的纽带，它从多信 道宽带数字信号中提取所需信道并转换到基带。中频处理对d s p 芯片要求很 高，可以结合使用a s i c 、d s p 、f p g a 以及一些专用的c p u 来完成这部分功 能。在目前的软件无线电系统如移动通信基站中，往往采用多处理器硬件结构 【7 1 。 2 4 5 基带和比特流数字信号处理 比特流处理包括多个信源比特复合、比特流前向纠错、比特填充、比特加 密以及完成各种抗衰落、抗干扰算法。 2 4 6 开放式标准总线 开放性是软件无线电的优点之一，只有采用先进的标准化总线，软件无线 电才能发挥其适应性广、升级换代方便等优点。总线结构必须高速宽带和支持 多处理器。为了保证处理数据的迅速交换，软件无线电要求其总线有极高的数 据传输和i o 吞吐能力，传输率要求在每秒5 0 m b 以上。极高的数字信号处理 计算能力要求总线结构能保证多个异种c p u 并行协调工作，并能有效地共享系 统资源。 2 5 本章小节 本章中主要介绍了软件无线电技术的基本思想，常用平台结构及其关键技 术。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。其常用平台结构主要包括射频低通采样数字化结构、射频带 通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。根据本系统的设计要求， 结合软件无线电的特点，选择合适平台结构，解决系统设计和实现中的关键问 题是本文需要解决的问题。 北京工业大学工学硕士论文 第3 章软件无线电用模拟数字转换模块 3 1 模拟数字转换器在体系结构中的位置和作用 模拟信号通过时域上的采样和幅度上的量化转化为数字信号，这一过程由 a d 转换器完成。数字信号的处理方法具有模拟信号所没有的优点，如处理通 过程序实现，系统灵活性强，功耗低。 由第2 章可知，根据模拟数字转换器的位置的不同，软件无线电系统结构 可以分为三种，本系统采用哪种结构需要根据本系统设计的实际条件来决定。 首先需要对v x i 一3 5 7 0 接收机的性能和其中频特性进行一定的了解。 射频模块采用美国c u b i c 公司生产的v x l 3 5 7 0 接收机，它是符合v x i 标准 的模块化接收机。3 5 7 0 接收机是消息基的v x l 从机( s e r v a n t ) ，通过v x i 总 线与外界通信。v x l 3 5 7 0 是单信道数字化监测接收机，具有信道扫描和频谱扫 描功能，也可以对几种调制方式解调。但其中频数字化带宽仅为0 5 m h z ，经 3 5 7 0 单信道窄带处理后输出的数字零中频信号带宽最大只有2 4 0 k h z 。在进行全 景频谱扫描时步进频率间隔不能大于2 4 0 k h z ，因此扫描速度慢，也可能无法捕 捉到短时信号，限制了频谱监测的性能。 v x l 3 5 7 0 接收机具有中频点2 1 4 m h z 带宽1 5 m h z 宽带中频输出，对此中频 输出进行宽带数字化就可以进行大步进快速频谱扫描和大概率信号截取( p o i ： m a x i m u mp r o b a b i l i t y o f i n t e r c e p t ) 。因此本系统采用v x l 3 5 7 0 作为调谐器 和混频器，将2 0 m h z 到3 9 h z 的信号变换为固定的2 1 4 m 宽带中频输出。 本系统采用v x l 3 5 7 0 接收机作为r f i f 变换模块，其宽带中频前的结构如 图3 一l 所示。 w 日i fo u t p u t 2 1 牛m h z b w = 1 5 m h z a p p r o x + 2 1 d 8 f r o ml n p u t 1 s tl o 1 6 2 1 4m h zt o 2 8 2 1 4m h z 口3 d 日m 旷 a m p c o 楠。l 吣4 2 0 俐m h z 。h 厩刭。芝0 。：h 嚣黼： 7 销! 4k 知r b w 1 5 “h z i ：g 炉 18 明洲剁2 1 , 4 7 m h z h 。，1 1 3 r16 2 1 4m h z 图3 - 1v x l 3 5 7 0 接收机r f i f 变换模块结构 射频中频变换采用两级混频完成，宽带天线接收的信号经1 1 个子带的预 选带通滤波器组筛选出希望接收的射频子带带通信号，通过射频放大器阻隔本 喙 软件无线电用模拟数字转换模块 振和天线，避免本振信号通过天线形成干扰。由于射频频带涵盖2 0 m h z 3 0 0 0 m h z ，因此第一中频采用了两个频率点，1 2 0 0 m h z 以下采用上混频至 1 6 4 2 。i m h z ；以上采用下混频至4 2 1 4 嘲z 。随后经第二本振混频得到宽带中频 输出。 v x l 3 5 7 0 射频模块涵盖了v h f u h f 频段，宽带中频输出1 5 m h z ，灵敏度优 于一9 1 d b m ，噪声系数典型值为1 4 d b 。互调抑制i p 3 大部分频率范围内在l o d b m 以上，最低为3 d b m 。频谱扫描速度每秒可达到1 0 0 个中频带宽以上。v x l 3 5 7 0 的宽带中频输出滤波器矩形系数好于1 5 ， v x i - 3 5 7 0 的窄带中频带宽较小，只有2 4 0 k h z ，不能适应检测接收机对于扫 描速度的要求。其宽带中频中心频率为2 1 4 m h z ，带宽1 5 m h z ，如果能对这个中 频信号进行数字化处理，则既能充分发挥v x i 一3 5 7 0 射频模拟通道良好的性能， 又能使得最终的系统有较好的扫描速度，充分体现软件技术在最终系统中的作 用。 根据v x i - 3 5 7 0 接收机的特点，本系统实现采用了宽带中频带通采样结构的 软件无线电结构，其整体结构如图3 - 2 所示。后续章节将详细介绍本系统的具 体设计细节和实现。 图3 - 2 模拟数字转换模块结构 3 2 采样方式的选择 3 2 i 低通采用定理嘲 如果x ( o 为一带限信号，即当川 0 ) m 时，x o c o ) = 0 。当使用信号 p ( f ) = e 5 ( f 一 正) 对x ( t ) 进行采样时( 如图3 - 2 所示) ，如果采样频率s 2 0 ) u ，则采样信号x 。( t ) = x ( t ) 町一n t ) 可以完全决定x ( t ) 。 北京工业大学工学硕士论文 图3 - 3 低通采样 3 2 2 带通采样定理“” 由n y q u i s t 采样定理可知，对连续信号x ( t ) 等间隔采样实际上是幅度调制过 程，载波为频率的周期冲激函数序列p ( f ) = 占( f n i ) 。设采样后的信号 为x 。( t ) ，则有： x s ( t ) = x ( t ) - p ( t ) = x ( t ) 8 ( t 一吐) = x ( n z ) 8 ( t - n t s ) n ； n _ r 调幅过程是调制信号频谱被线性搬移的过程，调制信号的频谱由以零频为 中心搬移到以载频为中心的位置。与普通调幅不同的是，采样信号p ( t ) 是一个 多频信号，也就是载频点为o ，乓，2 乓3 + 4 f s 。，所以调制以后的频 谱如图3 - 3 所示： - 2 f ：一f ：- - f h 0 f h f 。2 f ： f 图3 4 采样后的频谱 图中实线部分与调制信号频谱形状相同，虚线部分为己调后频谱搬移到各载频 点的情况。在频谱的幅值上x ( 0 有加权因子。若采样信号频谱为x 。( f ) ，则 有： 兰 x 。( 0 = t x ( f 一f s ) 即采样信号的频谱为原信号频谱频移后的加权叠加和。如果采样率大于基带 信号截止频率f h 两倍，采用理想低通滤波器就可以不失真地恢复原信号。 当信号是分布在( f l ，f h ) 上的带通信号时，对采样率要求将小于2 f n ，带 通信号在( o ，f l ) 频率范围内没有能量分布，采样后的频谱会产生无穷多个没 软件无线电用模拟数字转换模块 有信号能量分布的区间( nf l ，nf l + f l ) ，如能合理运用这段频率空间就可以降 低对的要求。 带通采样定理；信号x ( t ) 的傅氏变换为x ( 0 ，若x ( 0 仅当f l i fi f h 时有 非零值，即信号带宽为b = f n f l ，则能够不失真利用采样信号x 。( t ) 重构x ( t ) 的最 小采样频率为2 b 4 b 。 令o 1 使兀= b - i n t ( - 等- ) + 手 成立，其中i n t ( ) 为取整数部分运算，可得 带通信号对最小采样率的要求： ， 2 b e i n t ( l ) + 孝 厶。等2 奇 妈。 从上式可知，当f i 为b 的整数倍f c = n b 时，m j 。取得最小值2 b 。带通采样定理表 明，对于中心点不在零点的带通信号也可以采用n y q u i s t 间隔采样，但f l 和f h 必须是b 的整数倍，对于最恶劣的情况一1 ，i n t ( f l b ) = l 则采用4 b 的采样率 就可以满足不丢失信息的要求。 只有f l - - = 1 a b 成立时，才能够以f s = 2 b 的采样率带通采样，图3 - 4 的情况表 示当f l = 0 5 b 时仍以2 b 采样率采样，频谱产生混叠的情况。频率域上出现了没 有x ( 0 镜像频谱分布的区域，在基带( 0 ，b ) 上小于o 5 b 的频率段没有x ( 0 的 镜像，而大于0 5 b 的频率段却发生了镜像x ( f - f s ) t 边带和原信号上边带之间的 混叠。对于f l 的其他情况，上下边带将逐渐错开，直到再次为b 整数倍时完全 错开。因此如果采用f s = 4 b 的采样率采样，将完全避免混叠。 图3 - 5e = o 5 b 时采样后形成的频谱重叠 3 3 采样频率的选择 由于在市场上可以得到的模拟数字转换器的限制，所选用的器件必须在转 换精度和转换速度之间做出权衡。这种权衡并不是没有依据的。对于监测接收 机，系统要求有较高的信号幅度动态范围的适应能力。我们可以根据以下情景 进行分析。 当接收的频带内有两个信号，一个是需要接收的信号p ，另一个为强度较 大的阻塞信号p b ，系统要能够在p 。存在的情况下正常的接收信号p 。典型的情 况是，对于g s m 接收机需要能够在阻塞信号p 。的强度相对于需要接收的信号p ， 萤享 1 篷昭 一一 鼎驾佰鏖 f 一 洲 1 北京工业大学t 学硕士论文 目_ pl i _ 蕾皇墨_ | 墨量蔓量量舅e 舅曼璺皇簟皇皇曼皇 为8 5 d b 时正常接收到p ，。在给定需要接收信号p ，的信噪比的情况下，经过分析 可以得出需要的模拟数字转换器的最低精度。 6 m 。：1 0 9 2 1 s b w s n r m m p b j ( 3 2 ) = ，l 丽f j ( 一2 ) 其中 b 。为需要接收的信号p 。的带宽； 鼢限。为所需的信号r 的最小信噪比； b 昂分别为需要接收的信号和阻塞信号的功率； f 为采样频率 当接收信号带宽为1 0 m