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西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 摘要 软件无线电是随着微电子技术的进步而迅速发展起来的新技术。由于 其自身的开放性1灵活性和可扩展性，它成为目前通信与电子技术领域最 重要、最活跃的研究领域之一。 本文对软件无线电系统中的信息处理方法和应用进行了 研究。首先介 绍了软件无线电的概念、特点、基拙理论和基本构成，推导了软件无线电 的数学模型。在此基础上讨论了数字滤波器、自 适应均衡器、d q p s k调制 解调算法以及卷积码的v i t e r b i 译码等内容， 并针对上述内容给出了部分 m a t l a b 仿真和d s p 实现的例子。 本文的研究工作对开展软件无线电的应用 研究具有一定的参考意义。 关键字: 软件无线电 信息处理 均衡 器 数字信号处理 数字调制解调v i t e r b i 译码 西北工业人学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 n abs tract s o f t w a r e r a d i o s y s t e m i s a f a s t d e v e l o p i n g t e c h n o l o g y a l o n g w i t h t h e b r e a k t h r o u g h o f m i c r o - e l e c t r o n i c s . i t i s b e c o m i n g t h e m o s t i m p o r t a n t a n d p r o m i s i n g r e s e a r c h f i e l d i n c o m m u n i c a t i o n a n d e l e c t r o n i c s c o p e f o r i t s o p e n s t r u c t u r e , fl e x i b i l i t y a n d s a l a b i l i t y t h i s t h e s i s i n v e s t i g a t e s t h e i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g m e t h o d a n d a p p l i c a t i o n i n s o f t w a r e r a d i o s y s t e m. f i r s t l y , t h e c o n c e p t , c h a r a c t e r i s t i c s , b a s i c t h e o r y , a n d c o m p o s i t i o n o f s wr a r e i n t r o d u c e d ; t h e m a t h e m a t i c m o d e l o f s wr i s a l s o p r o p o s e d o n t h i s b a s i s , d i g i t a l f i l t e r , a d a p t i v e e q u a l i z e r , d q p s k m o d e m a l g o r i t h m a n d t h e v i t e r b i d e c o d i n g o f c o n v o l u t i o n c o d e a r e d i s c u s s e d s y s t e m a t i c a l l y . f i n a l l y , s o m e s i m u l a t i o n a n d i m p l e m e n t a t i o n s b a s e d o n ma t l a b a n d d s p a r e p r e s e n t e d . t h i s t h e s i s c a n b e a g o o d r e f e r e n c e f o r t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f s wr . ke y w o r d s : s o f t wa r e ra d i o d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n gi n f o r ma t i o n p r o c e s s i n g e q u a l i z e rd i g i t a l mo d e m v i t e r b i d e c o d i n g 第一章 绪论 引. t无 线通信系 统的发展历程 随着赫兹( h e rt z ) 1 8 8 7年在实验室里的第一个无线电实验以及马可尼 ( m a r c o n i ) 1 8 9 9 年 和1 9 0 1 年 分 别实 现了 横 跨英吉 利 海峡 和 大西 洋的 通 信， 无线 通 信 的时代就此开始。无线通信通常指利用无线电 波进行通信，术语 “ 无线”一般指 非广播通信，即使用便携式或移动式通信设备的个入之间的通信。无线电波不必 通过相互连接的线路就可在瞬间提供远距离的通信， 这种能力促使无线通信在电 子通信这一不断变化的 领域中 成为发展最快的一支。 第二次世界大战结束后不久， 美国电 报电话公司 ( a t 同时，为了解决互通性 问题，以 及实现在不同场合都能够以最佳和最经济的方式进行通信，支持多种模 式的接收机将是未来的必然趋势。世界各国在这个问题上进行了 积极的探索，努 力寻找一种好的解决途径。 1 . 2软件无 线电的发展及特点 当前无线通信领域主要存在以下矛盾:首先，新的通信体制和标准不断被提 出， 通信产品的生命周期在缩短、开发费用在上升、其次，各种通信体制并存， 对多种体制间的互联要求日 趋强烈; 第三，频带更加拥挤， 要求更高的频带利用 率和抗干扰能力。 现实及未来所能够预见的种种困 难促使人们对于无线通信系统 的根本架构进行更深入的思考与探索。 1 9 9 2 年5 月， m i l t r e 公司的j e o m i t o l a 首次明 确提出了软件无线电 ( s o ft w a r e r a d io ) 的 概 念。 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、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用软件控制和 再定义的电台。选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更 新，其硬件也可以像计算机一样不断地升级换代。由于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。 同时，由于它能形成各种调制波形和通信协议，故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， 也节约了开支。 软件无线电尽可能地把无线通信功能用软件来实现，以 d s p和 f p g a 取代 西北t 业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 要使用多种接收电路，这是很不方便的，人们期望能使用一种接收机完成多种接 收方式。由于各种原因，通信模式的统一是难以实现的;同时，为了解决互通性 问题，以 及实现在不同场合都能够以最佳和最经济的方式进行通信，支持多种模 式的接收机将是未来的必然趋势。世界各国在这个问题上进行了 积极的探索，努 力寻找一种好的解决途径。 1 . 2软件无 线电的发展及特点 当前无线通信领域主要存在以下矛盾:首先，新的通信体制和标准不断被提 出， 通信产品的生命周期在缩短、开发费用在上升、其次，各种通信体制并存， 对多种体制间的互联要求日 趋强烈; 第三，频带更加拥挤， 要求更高的频带利用 率和抗干扰能力。 现实及未来所能够预见的种种困 难促使人们对于无线通信系统 的根本架构进行更深入的思考与探索。 1 9 9 2 年5 月， m i l t r e 公司的j e o m i t o l a 首次明 确提出了软件无线电 ( s o ft w a r e r a d io ) 的 概 念。 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、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用软件控制和 再定义的电台。选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更 新，其硬件也可以像计算机一样不断地升级换代。由于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。 同时，由于它能形成各种调制波形和通信协议，故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， 也节约了开支。 软件无线电尽可能地把无线通信功能用软件来实现，以 d s p和 f p g a 取代 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 a s i c ，使系统中的专用硬件含量下降，提高系统设计的灵活性、兼容性和可升级 能力。软件无线电的硬件平台应具有开放性、通用性、软件可升级性、可替换性。 以上特性可以说既是软件无线电的基本要求，也是软件无线电的发展目标。 发展支持 信源集 1 0 集 -二 -加载执行 fai t谴 pa3ttr1 一 jctr;.tit if: ift11l- r f -。飞 广-一- 网络 if 跳频和常规方式下的上下边带信号( 调制信号频率为5 0 h z - 2 0 k h 劝 ; 常规方式下的振 幅键控信号( a s k ) 、 等幅 报( c w ) 调频普 通调 频 信号 ( 调 制 信号 频 率为5 0 h z 2 0 k h z ) ; 移频 键 控 ( 调 制信 号 频率 为5 0 h z - l 0 k h z ) ; 最小相移键控( m s k ) , 连续相 位移频 键控 ( c p f s k ) a 调相普通多 进制相移键控 ( 相位数目2 - 8 个 ) ; 跳频和常规方式下的差分， 正交相移键控: 交错正交相移键控。 相位/ 幅度调制4 , 1 6 , 6 4 和2 5 6 q a m ( 数据速率为2 0 k b / s ) o 数 字调 制时 采 用r e e d s o l o m o n 码 ( 1 6 , 7 ) 和 ( 3 1 , 1 5 ) 及 卷 积 码 ( k = 7 ,r = 1 / 2 ,t = 1 2 2 , 1 7 7 ) 进行检错和纠错。除了上述普通波形外，还有 h f调制解调器 ( m i l - s t d - 1 8 8 - 1 1 0 a ) , h f自 动 链路 建立 ( m i l - s t d - 1 8 8 - 1 4 1 a ) , v h f的 跳频 话 音 和 数 据 通 信 ( p a c e r b o u n c e ) , u h f 频 段的 跳 频 话音 和 数 据通 信 ( h a v e q u i c k 1 / 1 1 ) 等专用模块， 这些模块己 在第一期计划中实 现。 在第二期工程中准备扩充的专 用波形有 l波段的g p s , u h f 频段卫星通信的时分多址、 增强型e p l r s 、无线通 信网接入( w n a ) , v h f 频段s i n c g a r s ,蜂窝电话等。 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 2 . 2软件无线电 理论基础 2 . 2 . 1基本采样理论一n y q u i s t 采样定理 n y q u is t 采 样定 理: 设 有一 个 频 率 带限 信号x ( t ) ， 其 频 带限 制 在 ( o h) 内， 如 果 以 不小于 f s = 2 f h 的 采样频率对 x ( t ) 进行等间隔 采样， 得到时间 离散的 采样信号 x ( n ) = x ( n t s ) ( 其中t s = l l f s 称为 采 样间 隔 ) ， 则 原 信号x ( t) 将 被 所 得到的 采样 值x ( n ) 完全地确定。 上述采样定理告诉我们， 如果以不低于信号最高频率两倍的采样频率对带限 信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。采样定理的意 义在于，时间上连续的模拟信号可以 用时间上离散的采样值来取代， 这样就为模 拟信号的数字化处理奠定了理论基础。 n y q u is t 采 样定 理 只 讨论了 其 频谱 分 布在 ( o ,f h ) 上的 基带 信号 的 采 样问 题， 但 在 实际 应用中 我们常遇到一 些带 通信号， 频率分布 在 ( f l , f h ) 上， 如果依据n y q u i s t 采 样定理，我们需要的采样频率必须达到f s - 2 f h 才能 确定原信号。当f h ;b = f h - f l 时， 也就是说当 信号的 最高 频率和 远 远大于其信号带宽b 时， 如果仍然按照n y q u i s t 采样率 来 采 样的 话， 则 其采 样 频 率 会很 高， 这 个时 候 不再 使用n y q u i s t 采 样定 理， 而是使用带通信号采样定理了。 2 . 2 . 2带通信号采样理论 带 通采 样定 理 设一 个 频 率带 限 信号x ( t) ， 其 频 带限 制 在 ( f l , 甸内， 如 果其 采 样频率 f % 满足: f s = 2 ( f , + f . ) / ( 2 n 十 1 ) ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中， n 取能满足f s - 2 ( f h - f l ) 的最大正整数( 0 , 1 , 2 ,， ) ，则用f s 进行 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 2 . 2软件无线电 理论基础 2 . 2 . 1基本采样理论一n y q u i s t 采样定理 n y q u is t 采 样定 理: 设 有一 个 频 率 带限 信号x ( t ) ， 其 频 带限 制 在 ( o h) 内， 如 果 以 不小于 f s = 2 f h 的 采样频率对 x ( t ) 进行等间隔 采样， 得到时间 离散的 采样信号 x ( n ) = x ( n t s ) ( 其中t s = l l f s 称为 采 样间 隔 ) ， 则 原 信号x ( t) 将 被 所 得到的 采样 值x ( n ) 完全地确定。 上述采样定理告诉我们， 如果以不低于信号最高频率两倍的采样频率对带限 信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。采样定理的意 义在于，时间上连续的模拟信号可以 用时间上离散的采样值来取代， 这样就为模 拟信号的数字化处理奠定了理论基础。 n y q u is t 采 样定 理 只 讨论了 其 频谱 分 布在 ( o ,f h ) 上的 基带 信号 的 采 样问 题， 但 在 实际 应用中 我们常遇到一 些带 通信号， 频率分布 在 ( f l , f h ) 上， 如果依据n y q u i s t 采 样定理，我们需要的采样频率必须达到f s - 2 f h 才能 确定原信号。当f h ;b = f h - f l 时， 也就是说当 信号的 最高 频率和 远 远大于其信号带宽b 时， 如果仍然按照n y q u i s t 采样率 来 采 样的 话， 则 其采 样 频 率 会很 高， 这 个时 候 不再 使用n y q u i s t 采 样定 理， 而是使用带通信号采样定理了。 2 . 2 . 2带通信号采样理论 带 通采 样定 理 设一 个 频 率带 限 信号x ( t) ， 其 频 带限 制 在 ( f l , 甸内， 如 果其 采 样频率 f % 满足: f s = 2 ( f , + f . ) / ( 2 n 十 1 ) ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中， n 取能满足f s - 2 ( f h - f l ) 的最大正整数( 0 , 1 , 2 ,， ) ，则用f s 进行 西北工业大学硕士论文:软件无线电 系统信息处理方法研究 等间隔采样所得到的 信号采样值x ( n t s ) 能准确地确定原 信号x ( t ) o 式( 2 - 1 ) 用带通信号的中 心频率f o 和频带宽度b也可表示为: f s = 4 f o/ ( 2 n - 1 ) ( 2 - 2 ) 式( 2 - 2 ) 中， f o = ( f i.+ f h ) / 2 , n 取能 满足f s ? 2 b ( b为频带宽度) 的最大正整数。 显然， 当f o = f h / 2 , b 二 c h 时， 取n 0 0 ， 式( 2 - 2 ) 就是n y q u i s t 采样定理， 即满足: f s = 2 f h 。由 式 ( 2 - 2 ) 可见，当 频带宽 带b一定时， 为了 能 用最 低采样频率即 两倍频 带宽 度频率( f s = 2 b ) 对带 通信号 进行采样， 带通信号的中 心频率必须满 足: f o = ( 2 n + 1 ) b / 2 ( 2 - 3 ) 或f ,+ f h = ( 2 n 十 1 ) b ( 2 - 4 ) 也即 信号的 最高 ( 或最低 ) 频率是带宽的 整数倍， 如图2 .2 所示 ( 图中 只画了 正频 率 部分， 负频 率 部分 是对 称的 ) 。 也 就 是 说 位于 图2 .2 任何 一 个中 心 频 率为f o n ( n = 0 , 1 , 2 , 3 - : 带宽为b的带 通信号 均可以 用同 样的 采样频率f s = 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 0 ( t ) , x i ( t) , x 2 ( t ) , ，x i ( t ) x 0 ( t )x i ( t )x 2 ( t ) 一 一 一 一 厂 f o o b f a t 图2 .2 2 b f 0 2 3 b 带通信号的频谱 f o a 4 b 带通 采样的结果 是把 位于 ( n b , ( n + 1 ) b ) ( n = 0 , 1 , 2 , 不同 频带上的 信号 都用 位于( 0 , 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n 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 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 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 n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 .3 所示。 x ( f ) 3 日一 f 图2 . 3 带通信号 采样的 频率对应关系 带通采样实际上是将频域分为若干个宽为f s / 2 的频带，只有当几 和f h 分别为 b 的 整数 倍时 ， 才能以f s = 2 b = 2 ( f h - $ ,) 的 采 样率 采样， 否 则 应设 计 信号 频带 落 在f s / 2 的频率带内。 有一点对于带通采样是值得一提的，虽然在最好的情况下，可以 只采用两倍 于带宽的频率采样，但是要注意到其它频带不能再有信号，否则会发生混叠。如 图2 .4 所示，一般在采样前先进行对感兴趣的频带进行带通滤波，再进行采样。 x . ( t ) x i ( t ) f o . 2 n + 1 - 万 - - b f s = 2 b 图2 .4 带通信号的 采样 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 2 . 3软件无线电的结构及组成 2 . 3 . 1软件无线电原理框图 软件无线电是基于一个通用的硬件平台，其功能主要分为两大部分，无线电 部分和数字信号处理部分。传统的无线电被认为是天线后面的所有部分，它们只 能完成单一的功能，而软件无线电的无线电部分是用来完成对空中无线电信号的 接收、采样、滤波和下变频，包括宽带天线、射频前端、a / d转换器、专用数字 下变频芯片;信号处理部分得到的是有待进一步处理的 信号，要做的工作包括: 解调、信道均衡、自 动增益控制、解扩、信道解码、信源解码等，主要是由 d s p 来完成的。在目 前的通信系统中，大部分的基带工作己 经是由d s p来完成了，这 不是软件无线电目 前迫切需解决的问题。对比于传统的接收机，如何构造出实现 多种空中接口、多种模式和宽广的接收范围的接收平台，才是软件无线电的真正 概念和挑战所在。 图2 .5 软件无线电原理框图 由 软件无线电的定义很容易得到它的原理框图，如图2 .5 所示。 射频处理以及宽带a / d , d / a转换两部分组成无线电部分， 而后面的高速d s p 完成数字信号处理。宽带 a / d , d / a转换在整个系统中起着关键作用，是软件无 线电的核心，因为不同的采样方式将决定射频前端的组成结构，同时也影响后面 的d s p 处理方式。 a 。的性能也影响整个系统的性能提高， 我们根据a / d的 采样 方式，把目 前软件无线电的组成结构分成三种。 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 2 . 3 . 2射频全宽开低通采样软件无线电结构 射频全宽开低通采样软件无线电结构如图2 .6 所示。 图2 .6 射频全宽开低通采样软件无线电结构 这是最理想的软件无线电结构，射频部分硬件结构非常简单，天线接收的信 号直接通过 a / d转换器数字化，然后进入数字信号处理，有最好的灵活性。但是 根据n y q u i s t 定理， a / d转换器需要使用两倍的信号最高频率进行采样， 对于3 g 系统而言， 这样的采样频率最少要求4 g h z ， 这是很难做到的， 而且这么高的数据 速率对于后继芯片的处理速度也提出了要求。 但是在短波1-i f频段( 0 . 1 m h z 3 0 m h z ) 或者超短 波 v h f v a i ir ( 3 0 m h z 1 0 0 m h z ) ， 尤其是h f 频段， 根据目 前的 器件水平采用这种低通采样软件无线电 来 实现是有可能的，因为此时要求a i d变换器的采样频率为i o o mh z 以内，目前1 4 位的a / d己 基本达到了 这个要求。 2 . 3 . 3射频直接带通采样软件无线电 结构 射频直接带通采样软件无线电结构如图2 . 7 所示。 其中f o m 为第m个 “ 盲区” 的中心频率，f s m 为盲区采样频率。 带通采样定理告诉我们， 对于带宽为b ，最低频率为k b r 最高频率为( k + i ) b 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 2 . 3 . 2射频全宽开低通采样软件无线电结构 射频全宽开低通采样软件无线电结构如图2 .6 所示。 图2 .6 射频全宽开低通采样软件无线电结构 这是最理想的软件无线电结构，射频部分硬件结构非常简单，天线接收的信 号直接通过 a / d转换器数字化，然后进入数字信号处理，有最好的灵活性。但是 根据n y q u i s t 定理， a / d转换器需要使用两倍的信号最高频率进行采样， 对于3 g 系统而言， 这样的采样频率最少要求4 g h z ， 这是很难做到的， 而且这么高的数据 速率对于后继芯片的处理速度也提出了要求。 但是在短波1-i f频段( 0 . 1 m h z 3 0 m h z ) 或者超短 波 v h f v a i ir ( 3 0 m h z 1 0 0 m h z ) ， 尤其是h f 频段， 根据目 前的 器件水平采用这种低通采样软件无线电 来 实现是有可能的，因为此时要求a i d变换器的采样频率为i o o mh z 以内，目前1 4 位的a / d己 基本达到了 这个要求。 2 . 3 . 3射频直接带通采样软件无线电 结构 射频直接带通采样软件无线电结构如图2 . 7 所示。 其中f o m 为第m个 “ 盲区” 的中心频率，f s m 为盲区采样频率。 带通采样定理告诉我们， 对于带宽为b ，最低频率为k b r 最高频率为( k + i ) b 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 的 信号， 我 们只要对其进行以 采 样率为2 b的采 样就可以 得到它移 频到 0 , b 的 基 带信号。这为我们解决对高频信号采样问题提供了一条途径。对于一般的无线电 信号，其瞬时信号带宽都是比 较窄的，如果对这些信号单独进行接收机解调， 完 全可以采用带通信号采样定理对其进行数字化。 图2 . 7 射频直接带通采样软件无线电结构 在这种软件无线电结构中，我们可以发现它与理想化的软件无线电 是比 较接 近的， 因为 在天 线和a / 。 之间 只 有窄带电 调 滤波器 咋跟踪 滤波器用 ) 和放大器， 如 果a / d器件的灵敏度够高， 或者说a / 中自 身带有增益足够高、 动态范围 足够大 的宽带放大器的话， 那么图2 .7中的放大器就不需要了，这样在天线和 a / d之间 就只存在跟踪滤波器，这与软件无线电所要求的a / d尽可能靠近天线的设计宗旨 就完全一致了。 在诸如0 . 5 m h z - 1 g h z 这样的 接收频率范围内， 我们通过a / d前面的可调带 通 滤波器，滤除感兴趣频段外的信号，把滤波器调节到某个频段进行一个固定通带 宽 度的滤波。 但是a / d前抗混叠 滤波器不可能做到理想状态顺形系数为1 ， 带宽 为f s / 2 ) ， 所以 在 对 整 个接 收频 段 划 分时， 不可 避免 存 在 采 样“ 盲区” ， 这 些“ 盲区” 的中心频率为f p m ( m + l ) f s / 2 ( m = 0 , 1 , 2 - 二， 对于这些采样 “ 盲区” 我们必须选择 合适的采样频率进行 “ 异频”采样。 这种软件无线电的结构特点是对 a / d采样的频率要求并不高，而且整个前端 西北工业大学硕士论文， 软件无线电系统信息处理方法研究 接收通带并不是全宽开的，而是先由窄带电调滤波器选择所需的信号，然后进行 放大，再进行带通采样，这显然有助于提高接收通道信噪比，也有助于改善动态 范围。这种接收机的难度主要在射频部分，在目 前的技术水平下，无论是采用很 多个带通滤波器进行并联，还是采用电调谐滤波器，都会带来射频结构的复杂， 同时存在 “ 盲区”采样，使得后端 a / d采样的设计困难也增加了，所以射频直接 带通采样结构在目 前也难以广泛应用。 2 . 3 . 4宽带中频带通采样软件无线电 结构 宽带中频带通采样软件无线电结构如图2 . 8 所示。 图2 . 8 宽带中频带通采样软件无线电 结构 这种结构和常规的超外差无线电台是类似的，但两者有点是不一样的，对于 传统的 超外差结构，所有的变频都是在a / d之前完成，而对于宽带中 频带通采样 软件无线电，它的调谐是在数字部分完成， 它使用数字芯片代替可变的本振实现 调谐，这样就简化了整个电路结构，同时对于数字调谐，也容易增加新的信道处 理，大大增强了系统的可靠性. 对于传统的模拟超外差接收机，通常是经过 3次变频，以提高接收机的灵敏 性。 通常这里面的滤波器是不可变的模拟s a w和瓷片滤波器， 只能接收固定空中 接口 ( 比 如说 : 固 定的带宽 ) 的 信号。 通常第一 个本振是 可变频率的， 用来调谐接收 感兴趣的信号，而后两个本振是固定的。 西北工业大学硕士论文， 软件无线电系统信息处理方法研究 接收通带并不是全宽开的，而是先由窄带电调滤波器选择所需的信号，然后进行 放大，再进行带通采样，这显然有助于提高接收通道信噪比，也有助于改善动态 范围。这种接收机的难度主要在射频部分，在目 前的技术水平下，无论是采用很 多个带通滤波器进行并联，还是采用电调谐滤波器，都会带来射频结构的复杂， 同时存在 “ 盲区”采样，使得后端 a / d采样的设计困难也增加了，所以射频直接 带通采样结构在目 前也难以广泛应用。 2 . 3 . 4宽带中频带通采样软件无线电 结构 宽带中频带通采样软件无线电结构如图2 . 8 所示。 图2 . 8 宽带中频带通采样软件无线电 结构 这种结构和常规的超外差无线电台是类似的，但两者有点是不一样的，对于 传统的 超外差结构，所有的变频都是在a / d之前完成，而对于宽带中 频带通采样 软件无线电，它的调谐是在数字部分完成， 它使用数字芯片代替可变的本振实现 调谐，这样就简化了整个电路结构，同时对于数字调谐，也容易增加新的信道处 理，大大增强了系统的可靠性. 对于传统的模拟超外差接收机，通常是经过 3次变频，以提高接收机的灵敏 性。 通常这里面的滤波器是不可变的模拟s a w和瓷片滤波器， 只能接收固定空中 接口 ( 比 如说 : 固 定的带宽 ) 的 信号。 通常第一 个本振是 可变频率的， 用来调谐接收 感兴趣的信号，而后两个本振是固定的。 西北工业大学硕上 论文:软件无线电系统信息处理方法研究 宽带中频带通采样接收机结构类似于这种结构，我们也可以认为它进行了三 次变频。第一次比较明显，先用本振和输入信号相乘把信号混频到一个固定的中 频( 比 如说1 3 5 m h z ) ， 但是这种宽带带通采样接收机的主要特点是中频带宽非常宽 ( 比 如说 1 0 m h z ) ， 对于第一次 变频我们可以 通过两次混频完成，这更有利于射频 前端的设计及系统性能提高;第二次变频我们是使用a / d转换来完成的，对中频 信号 进行带 通采样此如说6 0 m s p s ) ， 将其移频到零频率附 近的区间内 ( 比 如说。 到 3 0 m h 劝 : 第三次变频是用数字下变频器 d d c中的数字正交混频器， 将感兴趣的 信号下变频到零中频， 然后用d d c中的滤波器滤除带外信号， 并用抽取器将采样 频率降下来，最后得到两路正交低速基带信号。 所以 它也可以 认为是三次变频的 接收机，只不过变频是发生在数字域中的。宽带中频带通采样接收机结构三次变 频过程如图2 . 9 所示。 天 线 接 收 的 射 频 信 号、我们感兴趣 厂的 频 段 fc原始信号 经过中频滤波器的 宽带中频信号 第一次变频 经过a / d 带通采样的信号 f s / 2第二次变频 经过d d 。 昆 频和抽取滤波器的信号 f s / 2第三次变频 图2 . 9 宽带中频带通采样接收机结构三次变频过程 其中f c 为载波信号， f , 为中频信号， f s 为 采样频率。 此外考虑的是双边带信号， 单边带信号在第三次混频后还要经过h i l b e r t 变换除掉没用的负频率。 西北工业人学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 由于中频带宽通常比可能接收的空中接口的最大信道带宽还要大，所以在经 过a / d变换后，可以用数字信号处理的方法从信道中滤出特定频率、特定带宽的 信号。从而实现了多模式的接收;同时，由于在d d c中采用的是高精度的数字振 荡器，可以通过写控制字的方法来迅速设置振荡器频率，因此这对于在几个符号 后就要改变频率的调制信号是非常有意义的;此外，由于中频带宽很大，因此本 振的步进也可以 做的很大( 比如:1 4 m h z ) ， 这样简化了 本振的结构。 而且使用数字 芯片有利于提高系统的精度和可靠性。 中频带通采样软件无线电结构与前两种软件无线电结构相比射频前端较复 杂， 但是通过相对复杂的 射频前端把射频信号变换为中心频率适中、带宽适中的 宽带中频信号后，给后续的a / d和d / a变换以 及后续的数字信号处理大大减轻了 负担。 无疑中频带通采样软件无线电结构是目前较为可行的软件无线电设计方案。 9 2 . 4软件无线电的技术难点和关键 由于软件无线电具有的灵活性、开放性等特点， 使其不仅在军用/ 民 用无线通 信中获得了 应用，而且将在其它领域例如电 子战、雷达和信息化家电等领域得到 推 广， 这 将极 大 促 进软 件 无 线电 技 术及 其相 关 产业 ( 集 成电 路 ) 的 迅 速发 展。 软 件无 线电会带来很多好处，但是同时也提出了许多问题需要解决。 2 . 4 . 1软件无线电 硬件平白的结构种类 软件无线电 概念的提出、发展到现在， 人们对软件无线电 概念的认识不断地 加深。其硬件平台的设计要求系统结构有很大的灵活性、高度的可编程性及开放 性和可扩展性。而加载在硬件平台上的软件部分则应该满足可重构性的要求，即 遵循标准协议下的软件程序能够无缝地运行在异构的硬件平台上。 西北工业人学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 由于中频带宽通常比可能接收的空中接口的最大信道带宽还要大，所以在经 过a / d变换后，可以用数字信号处理的方法从信道中滤出特定频率、特定带宽的 信号。从而实现了多模式的接收;同时，由于在d d c中采用的是高精度的数字振 荡器，可以通过写控制字的方法来迅速设置振荡器频率，因此这对于在几个符号 后就要改变频率的调制信号是非常有意义的;此外，由于中频带宽很大，因此本 振的步进也可以 做的很大( 比如:1 4 m h z ) ， 这样简化了 本振的结构。 而且使用数字 芯片有利于提高系统的精度和可靠性。 中频带通采样软件无线电结构与前两种软件无线电结构相比射频前端较复 杂， 但是通过相对复杂的 射频前端把射频信号变换为中心频率适中、带宽适中的 宽带中频信号后，给后续的a / d和d / a变换以 及后续的数字信号处理大大减轻了 负担。 无疑中频带通采样软件无线电结构是目前较为可行的软件无线电设计方案。 9 2 . 4软件无线电的技术难点和关键 由于软件无线电具有的灵活性、开放性等特点， 使其不仅在军用/ 民 用无线通 信中获得了 应用，而且将在其它领域例如电 子战、雷达和信息化家电等领域得到 推 广， 这 将极 大 促 进软 件 无 线电 技 术及 其相 关 产业 ( 集 成电 路 ) 的 迅 速发 展。 软 件无 线电会带来很多好处，但是同时也提出了许多问题需要解决。 2 . 4 . 1软件无线电 硬件平白的结构种类 软件无线电 概念的提出、发展到现在， 人们对软件无线电 概念的认识不断地 加深。其硬件平台的设计要求系统结构有很大的灵活性、高度的可编程性及开放 性和可扩展性。而加载在硬件平台上的软件部分则应该满足可重构性的要求，即 遵循标准协议下的软件程序能够无缝地运行在异构的硬件平台上。 西北工业人学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 由于中频带宽通常比可能接收的空中接口的最大信道带宽还要大，所以在经 过a / d变换后，可以用数字信号处理的方法从信道中滤出特定频率、特定带宽的 信号。从而实现了多模式的接收;同时，由于在d d c中采用的是高精度的数字振 荡器，可以通过写控制字的方法来迅速设置振荡器频率，因此这对于在几个符号 后就要改变频率的调制信号是非常有意义的;此外，由于中频带宽很大，因此本 振的步进也可以 做的很大( 比如:1 4 m h z ) ， 这样简化了 本振的结构。 而且使用数字 芯片有利于提高系统的精度和可靠性。 中频带通采样软件无线电结构与前两种软件无线电结构相比射频前端较复 杂， 但是通过相对复杂的 射频前端把射频信号变换为中心频率适中、带宽适中的 宽带中频信号后，给后续的a / d和d / a变换以 及后续的数字信号处理大大减轻了 负担。 无疑中频带通采样软件无线电结构是目前较为可行的软件无线电设计方案。 9 2 . 4软件无线电的技术难点和关键 由于软件无线电具有的灵活性、开放性等特点， 使其不仅在军用/ 民 用无线通 信中获得了 应用，而且将在其它领域例如电 子战、雷达和信息化家电等领域得到 推 广， 这 将极 大 促 进软 件 无 线电 技 术及 其相 关 产业 ( 集 成电 路 ) 的 迅 速发 展。 软 件无 线电会带来很多好处，但是同时也提出了许多问题需要解决。 2 . 4 . 1软件无线电 硬件平白的结构种类 软件无线电 概念的提出、发展到现在， 人们对软件无线电 概念的认识不断地 加深。其硬件平台的设计要求系统结构有很大的灵活性、高度的可编程性及开放 性和可扩展性。而加载在硬件平台上的软件部分则应该满足可重构性的要求，即 遵循标准协议下的软件程序能够无缝地运行在异构的硬件平台上。 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 硬件平台是软件无线电思想能够实现的基础，硬件平台结构性能的好坏直接 影响从信号接收到后续处理的一系列过程，以下分析了几种硬件平台结构模型。 1 、总线结构 伴随着软件无线电 概念的提出，出现了总线式结构的s d r 。如图2 . 1 0 所示。 图2 . 1 0 总线式结构的s d r 由图2 . 1 0 可以 看出这种总线式结构继承了 传统无线电 通信体系对接收信号的 流水线操作， 分成了4 个功能 模块， 分 别是 射频前端 模块、 a / d ( d / a ) 转换模块、 d s p / 可编程逻辑模块和应用处理模块。 在各个模块之间传递的 信号( 模拟或是数字 的 ) ， 无论是 信号的带宽、 速率， 还是 信号 类型及电 平等都要求有一定的匹 配。 各 个模块之间都有一定的“ 联系” ， 其中 任何一个模块的 更新都会对其它模块的正常 功能实现产生影响。 如: 射频前端的接收信号带宽范围由于电调滤波器组的工艺 提高而变宽， 则相应射频前端的 低噪 放大器 ( l n a ) 必 须改 进以 保持带宽内 一定的 线 性放大度，随后的中频滤波也要增加一定数量的盲区采样滤波器，宽带a / d器件 的输入信号带宽参数也必须随之改变， 后续的d s p的处理软件也要做一定的修改。 可以 看出 这种硬件结构的开放性较差，不利于硬件平台的换代升级， 但总线式结 构的信号流程简单易懂，且不需要遵循协议、规范之类的东西。可以作为实际的 实验平台，用以检验理论的可实现性及整个系统的技术指标。 2 、改进的总线结构 改进的总线结构式的各模块间是基于标准接口 连接的， 其结构如图2 . 1 1 所示: 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 应用接口 比特流处理 基带处理 宽带 ad/ da ddc / duc 板 中频接收 射频变换 射频处理中频处理 零中频处理 图2 . 1 1 改进总线结构的s d r 可以看出这种结构根据处理频段的不同进行分割，构成板卡式结构。这种改 进带来了很多好处，首先以现有的器件发展水平，还不能完全实现射频直接带通 采样的软件无线电结构，所以要将信号下变频到中频，在中频进行信号的数字化 处理，这样射频部分主要处理模拟信号，而中频部分和零中频部分处理数字信号， 将数字信号和模拟信号的处理分割开来，中间以 标准接口 连接，有效地避免了数 模之间干扰; 其次各个功能 模块独立设计， 其输入输出 信号满足一定的 接口 标准， 以“ 插拔” 的形式与底板连接， 同 样底板之间的数据( 信号 ) 传输也要符合一定的规 范，各个模块之间的祸合度得到了有效的降低。在进行接口设计时，各项设计指 标留出一定的冗余，这样某个硬件模块的升级换代只需要满足相应的接口 标准即 可，不需要其它模块的变动。这种改进的总线式结构的硬件平台的可扩展性和开 放性得到了很大的提高。 但无论是总线结构还是改进的总线结构，从本质上讲对信号的处理是一种时 分机制，各个模块对信号的处理是分时间先后顺序的，整个系统的处理能力是所 有模块处理能力的总和， 若其中一个模块的处理能力有限，则其它模块的优异性 能就得不到体现，这种基于时分机制的结构模型对于高速的实时处理是不利的。 现有的软件无线电研究和实验系统中一般采用双总线结构，即:控制总线和 高速数据总线。控制总线结构，如v me总线、p c i 总线等，尽可能采用现有的工 西北工业人学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 业标准，以便于利用已有的软件及硬件平台，加快开发速度。为了适应软件无线 电的需求，可将v me总线作为软件无线电的首选总线。 3 、 基于交换的环行结构 采用总线体制的优点在于总线技术比较成熟，已经建立了相应的标准，而且 还有很多通用的功能模块采用了总线标准，便于直接利用，实现起来比较简单。 但是从两外一方面说，总线结构采用时分体制，控制复杂，限制了实时性和可扩 展性，在这种考虑下，我们可以 在低速控制信息传输中采用总线结构，而在高速 信息流中 借鉴异步传输模式( a t m ) 思想， 使用一种基于交换的环行平台结构， 其构 想如图2 . 1 2 所示。 其特点是所有功能模块的高速数据流通过适配器与交换网络进行通信。各功 能块之间通过数据报交换来传送数据，这使得各功能块之间的藕合减弱，提高了 灵活性和可扩展性。网络交换可选用这种高速的现存的体制和协议，可设想各功 能模块有自 己的d s p ，互相之间 可根据需要建立虚电 路连接， 重构通信系统。 图2 . 1 2 基于交换网络的软件无线电硬件平台 该平台通过和交换网络为各个功能模块提供统一的数据通信服务， 各 个模块之间通过数据包来传送数据，同时增加了监控和控制模块，减少了模块间 西北工业大学硕士论文:软件无线电系统信息处理方法研究 标准接口设计的复杂程度，各个模块是并行工作，提高了操作的实时性，交换网 络可以分析当前的状态参量来动态地分配可用资源。新增业务种类或需要将某些 软 件功能 硬件化时， 只需要 将新 增模块 ( 满足a t m的 通信协议 ) 通过a d a p t e r 连接 到交换网络上即可。 对于什么硬件平台结构是最好的，目前还没有统一的标准，但总的来