（信号与信息处理专业论文）软件无线电在tdscdma移动终端中的应用研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 软件无线电是指在简单通用的硬件平台上，通过可升级、可重配置的应用 软件实现各种无线电功能。软件无线电使得无线通信系统具有很好的通用性和 灵活性，使系统的互联和升级非常方便。t d s c d m a 是中国向i t u 正式提交的第 三代移动通信空间接口标准，可替代u t r a f d d 的方案，集c d m a 、t d m a 、f d m a 技术优势于一体，系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强。 本文对软件无线电在t d s c d m a 移动终端中的应用进行了深入研究。首先对 软件无线电的组成结构和t d s c d m a 物理信道进行了阐述，在此基础上提出了基 于宽带中频带通采样软件无线电结构的i d s c d n i a 终端接收机的软硬件模块设 计方案。模块的硬件设计主要包括：a d 转换器、数字下变频器( d d c ) 以及d s p ， 详尽讨论了a d 器件a d 6 6 4 0 和d d c 器件a d 6 6 2 4 的设计和应用；模块的软件设 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v i t e r b i 信 道译码算法d s p 实现和发射端突发形成的仿真实现。本文的研究结果表明了软 件无线电在第三代移动通信中的应用是可行的，本文所做的工作对开展软件无 线电的应用研究具有一定的参考价值。 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 t d s c d m a 模数( a d ) 转换器数字下变频( d d c ) 一卜 里j ! 三些查兰堡圭兰竺笙兰 竺! ! 坠! ! a b s t r a c t s d r ( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) d e f i n e st h a to nt h es i m p l ea n dg e n e r a lh a r d w a r e p l a t f o r m ，v a r i e sr a d i oa p p l i c a t i o n sc a n b ei m p l e m e n t e d b yu s i n gt h es o f t w a r ew h i c h c a nb eu p d a t e da n dr e c o n f i g u r e d s d rc a nm a k e t 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 m h a v eag o o df 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 l i n k a g ea n du p d a t eo ft h e s y s t e mw i l lb ev e r yc o n v e n i e n t c h i n ap u t sf o r w a r d t h et d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t ot h e i t ua sa ns p a t i a l i n t e r f a c e s t a n d a r do f3 g t d s c d m ac a r l s u b s t i t u t et h eu t r a f d da n dc o m b i n et h e a d v a n t a g eo f c d m a 、t d m a a n df d m a u s i n gt h et e c h n o l o g yo f t d s c d m a ，t h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lh a v eab i g g e rs y s t e mc a p a c i t y 、t h eu t i l i z a t i o nf a c t o ro f s p e c t r u m w i l lb eh i g b e ra n dt h ea b i l i t yo f a n t i - j a m m i n g w i l lb ee n h a n c e d i nt h i s t h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o no fs d ri n t h em o b i l et e r m i n a lb a s e do n t d s c d m ai ss t u d i e d f i r s t ，t h es t r u c t u r eo fs d ra n dt h ep h y s i c a l c h a n n e lo f t d s c d m aa r ee x p o u n d e d ，t h e ns o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d e l so ft h et e r m i n a l r e c e i v e r , w h i c hu s et h es d rs t r u c t u r eo fw i d e b a n da 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 ) ，a l ep u tf o r w a r d t h ed e s i g no f h a r d w a r em o d u l ei n c l u d e s a dc o n v e a e r ，d d c ( d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r ) a n dd s e t h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o n o fa d 6 6 4 0a n da d 6 6 2 4a r ef u l l yd i s c u s s e di nt h i s p a r t t h ed e s i g no fs o f t w a r e m o d u l ei n c l u d e st h ep a r a m e t e rd e s i g nf o rd d cf i l t e ra n dt h eb a s e b a n d s i g n a l p r o c e s s i n go f d s p a n dt h er e a l i z a t i o no ft h ev i t e r b ic h a n n e ld e c o d i n ga l g o r i t h mb y d s pa n dt h es 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 t h er e s u l t so f t h i st h e s i sr e v e a l st h a tt h ea p p l i c a t i o no fs d ri n3 ga r er e a s o n a b l e i tc a r tp r o v i d e s o m er e f e r e n c ew o r t ht od e v e l o pt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fs d r k e y w o r d s ： s d r ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) a dc o n v e r t e r d d c ( d i g t i a ld 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 e b a n da n d b 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 ) t d s c d m a ( t i m e d i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 西北工业大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 l 1 软件无线电概念产生的背景 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。决定采用什么通信模 式的因素包括成本，复杂度，性能和提供服务的类型等。单性能来说还包括载 频分配，系统容量，数据带宽等。 通信模式是一个综合性概念，指完成信息传输所需要的各种约定，包括物 理层的各种规定和上层协议。前者包括调制方式，基带波形，帧结构，信道编 码和多址方式等，后者包括链路层，网络层和应用层等。 多种通信模式带来的问题就是接收机种类繁多，传统的模拟和数字接收机 对不同的接收方式使用不同的硬件电路来完成功能，造成了要接收多种方式。 就需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。 在格林纳达冲突中，美军各种通信设备的不兼容暴露无遗。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 个国家中，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，并能在不同网络问无缝漫游的系统，国际电联i t u 推出了第三代移动 通信系统i m t 一2 0 0 0 的概念。截至到1 9 9 8 年6 月3 0 目，提交i t u 的地面第三 堕! ! 三些查兰堡主兰竺丝兰 塑堡 代移动通信系统无线传输技术( r t t ) 共有1 0 种。见表1 1 1 2 2 1 0 其中f d d 方式8 种，t d d 方式5 种。 表1 11 0 种i m t - 2 0 0 0 地面无线传输技术提案 序号提交技术双工方式应用环境提交者 1w - c d m af d d 、t d d所有环境日本：a r i b 2e t s i u m t s u t r af d d 、t d d所有环境欧洲：e t s i 3w i m s 、c d m af d d所有环境美国：t i a 4w c d d a f n af d d所有环境 美国：t 1 p 1 5g l o b a lc d m ai if d d 所有环境韩国：t t a 6t d s c d m at d d 所有环境中国：c a t t 7c d m a 2 0 0 0f d d 、t d d 所有环境美国：t i a 8g l o b a lc d m aif d d 所有环境韩国：t t a 9u w c 1 3 6f d d 所有环境美国：t i a 1 0e p d e c tt d d 室内、室外到室内欧洲：e t s i d e c t 计划 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 几种标准长期并存。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 。 未来的世界中，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，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， 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 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 r a d i o ) 的概念1 1 6 1 。其中的中心思想是：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， 一2 一 堕韭三些查兰婴圭兰垡笙奎 堕堡 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。 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特点 在2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代期间，无线电台经历了从模拟到数字的变迁， 数字无线电台从功能、整机结构、操作等方面，比相应的模拟无线电台有了长 足的进步。但是数字无线电台从本质上没有改变模拟无线电台的工作方式，这 主要表现在以下几点。 ( 1 ) 硬性的有线连接。无论是模拟电台还是数字电台，其工作方式包括信源 编码、调制解调、射频处理等功能的实现、均是依靠硬件来完成的。这些完成 不同功能的硬件模块依靠硬性的有线连接起来，并且这些模块的接口没有相应 的国际标准。 ( 2 ) 简单的控制方式。无论是模拟电台还是数字电台，都能完成一些简单的 控制，但其控制方式基本上是依靠改变电路的某一参数来获得的，控制方式和 机理都很简单。 ( 3 ) 单一或相近的通信标准。无论是模拟电台还是数字电台，仅实现固定而 简单的业务模式，执行单一或相近的通信标准，这是由其硬件组成特性所决定 的。 总之，数字无线电台的系统扩展性差，缺乏自身的柔性，工作频段、工作 模式一旦改变，就需对其重新设计。从系统工程的角度来讲，它的系统性、技 术性和经济性都比较差，其结构不具备“开放性”。 j o e m i t o l a 提出软件无线电概念引起了全世界范围的广泛注意，各国都在进 行深入研究a 目前软件无线电主要有两类：软件定义无线电( s d r ) ，能够控制和 配置处理单元：软件无线电( s w r ) ，事实上由软件本身来完成信号处理。倘若 堕j ! 三、业查堂堡：兰兰堡堡苎 塑堡 能为软件控制设置必要的接口，s d r 就可以应用f p g a 等技术。s w r 则不需 要使用这类器件，而是通过在面向应用程序级的软件标准组件对象中进行信号 处理，来增大灵活性。以当前的技术，前者更适于低层次应用，而后者则能够 通过下载新软件的方式，对一个无线器件进行升级以适应新标准的要求。s w r 具有这种潜能，是因为它所有的功能处理全部用软件实现，而不局限于某种特 殊的处理单元。本文探讨的软件无线电主要是指软件定义无线电( s d r ) 。 软件无线电作为未来通信乃至未来无线电技术的发展方向，世界各国都在 进行深入的研究，美国尤为突出。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。 大学研究项目a t h a n a s 9 8 和b o s e 9 9 推动了软件无线电系统设计的发展，并为软 件无线电架构提供了理论依据。 尽管最初的应用背景主要集中在军事领域，但在过去几年问，越来越多的 公司投入了大量的人力、物力积极开展这方面的技术研究，从而使得它已从军 事领域转向民用领域。软件无线电在通信系统中，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 m w 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 翌j ! 三些奎兰堡：! 兰些笙苎 堕堡 基站和终端设备采用高速d s p 和高速a d 变换器，处理速度高于5 0 0 0 万次 秒，全部基带信号处理和变换都用软件来完成1 4 6 1 0 软件无线电技术实现的功 能包括采用i s 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 s p 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。 软件无线电这一新概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。 由于软件无线电所具有的灵活性、开放式等特点，使其不仅在军、民无线通信 中获得了应用，而且将在其他领域例如电子站、雷达、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相关产业的迅速发展。未来的无线移动 通信必然将用软件无线电的方式来完成不同区域、不同场合、不同发展阶段、 不同业务下的无缝通信。 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 研究内容 t d s c d m a 是我国向国际电信联盟( i t u ) 提出的第三代移动通信标准，有 其深远的意义。在第三代移动通信系统中，最核心的问题是提供不同环境下多 媒体业务及实现包含水、陆、空的全球覆盖，因而它要求实现各种网络的综合： 5 堕! ! 三些奎堂堡主兰竺堡苎 箜堡 无线网与有线网的综合，移动网与固定网的综合，陆地网与卫星网的综合。这 样可以提供全球无缝覆盖，为用户提供在无线与有线环境下统一的业务使用方 式，又适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，便于平滑升级。对 于移动终端而言，它面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式 终端( 手机) 。第三代移动通信系统可支持多种速率，室内静止2 m b i t s ，步行移 动3 8 4 k b i t s ，车速移动1 4 4 k b i f f s ，卫星移动9 6 k b i t s ，所以手机要适应宽带多 业务的要求。所有的这些，只有使用软件无线电技术才能解决。正如前文所提 到的，t d s c d m a 的特点也适合使用软件无线电技术。 本文从软件无线电理论出发，结合中国提出的第三代移动通信标准 t d s c d m a ，从硬件和软件两方面对移动终端的接收部分进行分析和研究。硬 件部分主要包括：m 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 主要完成基带信号处理，结合 d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 ) 的特点对v i t e r b i 信道译码算法进行了研究，对发射端突 发的形成仿真也进行了讨论。 本文的内容安排：第一章绪论，简述软件无线电的概念和发展；第二章软 件无线结构和组成，介绍软件无线电理论和组成结构；第三章t d s c d m a 物 理层，介绍t d s c d m a 物理信道的组成及结构；第四章基于软件无线电的 t d s c d m a 模块设计，主要介绍具体的硬件实现及软件实现。 堕! ! 三、业查兰堡主兰堡堡壅 墼堡歪垡鱼箜塑塑墼堕 第二章软件无线电结构和组成 软件无线电就是以开放性、通用性、可扩展的最简单硬件为平台，通过加 载各种软件来适应不同用户、不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能。 本章主要介绍软件无线电的一个具体应用易通话系统，然后介绍软件无线 电理论及组成结构，最后讨论软件无线电的关键技术。 2 ，1 易通话系统 易通话( s p e a k e a s y ) 电台是美国军方制定的发展软件无线电的计划，用来研 制三军通用软件无线电台。其工作频段为2 m h z 2 g h z ，利用可编程处理技术， 计划与1 5 种在役或在研电台兼容，具备a m ，f m ，p m 以及各种数字调制方式， 含有许多无线电台特定的调制和专用的软件模块，还可以作为各种不同模式电 台之间通信的中继转发电台。该电台的硬件和软件均采用模块化，开放式的结 构形式。模块之间通过容错，高速控制和数据总线互连，以提高灵活性和可靠 性。 易通话电台第一期工程为高级开发模型，其硬件以v m e 总线为基础。通 过总线进行指令，控制和低速数据流的传输。各模块之间的高速数据的交换是 利用高速数据线来完成的。这些模块包括多处理器模块，波形产生模块。高频 控制模块，基带转换模块，干扰抑制模块，加密模块，输入输出模块等如图2 1 图2 1易通话第一期工程功能方框图 画甄谢一藤要葛一 一。盯| | i 堕i ! 三些盔兰堡主兰竺笙苎 竺堡重垡皇竺塑翌丝壁 所示。在第一期工程中，采用了t i 公司的t m s 3 2 0 c 4 0 处理器，利用多芯片模 块( m c m ) 技术，把4 片t m s 3 2 0 c 4 0 处理器和5 m b 的存储器集成在一起。 易通话采用软件编程来实现各种波形。用于易通话的普通窄带波形有： 调幅跳频和常规方式下的双边带信号( 调制信号频率为5 0 h z 2 0 k h z ) ： 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 z l ： 常规方式下的振幅键控信号( a s k ) 、等幅报f c w l 。 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 - - 1 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 ) 。 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 ) 。 数字调制时采用r e e ds o l o m e 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 一1 8 8 一1 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 rb 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 ki ，i i ) 等专用模块，这些模块已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 波形的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) k ( w n a ) 、v h f 频段s i n c g a r s 、蜂窝电话等。 2 2 软件无线电理论基础 2 2 1 基本采样理论- - n y q u i s t 采样定理 n y q u i s t 采样定理：设有一个频率带限信号x ( t ) ，其频带限制在( o ，f 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 ) 2 x ( n t s ) ( 其中t s = 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。 要苎三、业查兰堡主兰垡垒兰 鏊竺歪垡皇竺塑璺塾壁 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 i s 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 一2 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f h 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 ，f h ) 内，如果 其采样频率f s 满足： 兀= 篆等 陋， 式( 2 1 ) 中，n 取能满足f s 2 ( f h - - f l ) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ，则用f s 进行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 ) 。 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： = 羔( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中，兀：毕，n 取能满足兀2 b ( b 为频带宽度) 的最大正整数。 显然，当f o = 厶2 、b = 厶时，取n = 0 ，式( 2 2 ) 就是n y q u i s t 采样定理， 即满足：五= 2 厶。由式( 2 2 ) n f 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( 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：! 翌望b ( 2 - 3 ) 或，+ 厶= ( 2 n + 1 ) 古( 2 4 ) 耍垄_ 三些查兰堡主兰垡笙兰竺生至些皇竺塑塑! ! 生 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 任何个中心频率为 f o 。r 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 o ( t ) ，x l ( t ) ，x 2 ( t ) ， f o obf 0 12 b f 0 23 bf 0 34 b 图2 2 带通信号的频谱 带通采样的结果是把位于( n b ，( n + 1 ) b ) ( n = 0 ，l ，2 ，) 不同频带上的信号都用 位于f 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对应的关系。这些对应关系 如图2 3 所示。 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f l 和f h 分为 b 的整数倍时，才能以f s = 2 b = 2 ( f h f l ) 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。 一j o 堕! ! 王些查兰堡圭兰壁堡壅 竺堡垄些皇笙塑翌丝垡 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，但是要注意到其他频带不能再有信号，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，在进行采 样前先对感兴趣的频带进行带通滤波，再进行采样。 f o n - 孚b f s = 2 b 图2 4带通信号的采样 2 3 软件无线电的结构及组成 x i ( t ) 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的，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，大部分的基带工作已经是由 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受范围的接收平台， 才是软件无线电的真正概念和挑战所在。 lj 射频处理 - 带a d 、d a 转换：l j 高速d s p 处理一一 图2 5 软件无线电原理框图 用户i 堕! ! 三些查兰堡主兰竺堡_ 文 竺壁垄垡皇竺丝塑塑垡 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 d 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。 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。 叫超宽带滤波器 _ 叫超宽带放犬器_ 叫超高速超宽带a 仍 超高速 自删椭“p 2 溉 d s p f 软件， 一分波段滤波器h 超宽带功率放大器k 一超高速超宽带。a 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 i d 转换器需要使用两倍的信号最高频率进行采样， 对于第三代c d m a 系统而言，这样的采样频率最少要求4 g ，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h f 频段( o 1 m h z 3 0 m h z ) 或者超短波v h f 频段( 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 d 变换器的采样频率为1 0 0 m h z 以内， 目前1 4 位的a d 已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。 带通采样定理告诉我们，对于带宽为b ，最低频率为k b ，最高频率为( k + 1 ) b 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【o ，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 要韭三些盔兰堡主兰堡堡兰 无线电信号，其瞬时信号带宽都是比较窄的 软件无线电结构和组成 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。 l ! 带电调滤波 _ - 1 放大器 - 叫。 = = 专 d s p ( 软件) f 千f 0 = ( 2 n + 1 ) f s 4f s 、f s m 乍m ：卣区采样频率 j f o m = ( 2 m + 3 ) f s m 4 其中f o m 为第m 个“盲区”的中心频率 叫删hw 呐赴变m ) 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 d 之间只有窄带电调滤波器( 做跟踪滤波器用) 和放大 器，如果a d 器件的灵敏度够高，或者说a d 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 f d 尽可能靠近天 线的设计宗旨就完全一致了。 在诸如o 5 m 1 4 z 1 g h z 这样的接收频率范围内，我们通过a l l 3 前面的可调 带通滤波器，虑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( 矩形系数为 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”的中心频率为厶。= 掣兀( m = o ，1 ，2 ) ，对于这些采样“盲 z 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， 所以射频带通采用结构在目前也难以广泛应用。 西北工业大学硕士学位论文 软件无线电结构和组成 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。 d s p 软 件 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接发讯机是类似的，但两者有点是不一 样的，对于传统的超外差结构，所有的频变都是在a d 之前完成，而对于宽带 中频带通采样软件无线电不一样，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虑的，用 来调谐接受感兴趣的信号，而后两个本振是固定的。 中频宽带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( l l 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( l l 女n 说6 0 m s p s ) ，将其移频到零频率附近的区间 内( 比如说0 到3 0 m h z ) ；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 中的滤波器虑除带外信号， 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。中频带宽采样 接收机结构三次变频过程如图2 1 0 所示。 西北工业大学硕士学位论文软件无线电结构和组成 ! 纛- n 原始信号 f s 2 第二次变频 第三次变频 图2 1 0 中频带宽采样接收机结构三次变频过程 其中f c 为载波信号，f l 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。 由于中频带宽通常比可能接收的空中接e l 的最大信道带宽还要大，所以在 堕! ! 三些查兰堡圭堂堡堡苎 墼! 垄些皂堕塑! 望堕 经过a d 变换后，可以用数字信号处理的方法从信道中虑出特定频率、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；c l 夕i - ，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 0 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。 2 4 软件无线电的技术关键和难点 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，民无线通 信中获得了应用，而且将在其他领域例如电子战、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。其中关键 技术有下面几个方面。 1 开放式总线结构及实现 软件无线电的一个重要特点是其开发性，这主要体现在软件无线电所采用 的开放式标准化总线结构上，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，升级换代方便等特点。由于软件无线电的研制国内外都起步不 久，在研制开发过程中，必须逐步形成标准化的硬件平台和软件平台，而标准 化的总线则是构筑上述两个平台的奠基石。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 m e 总线，p c i 总线等，尽可能采用现有的工业标准，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 m e 总线作为软 件无线电的首选总线。因为v m e 总线是一种支持多机并行处理的高性能总线， 是目前市场占有率最高的高档标准总线产品。它具有如下特点： ( 1 ) 高性能：v m e 总线支持独立3 2 位地址和3 2 位数据总线 ( 2 ) 并行性：v m e 总线支持面向多主机的并行处理，能保证多个异种c p u 的并行处理和协调工作，并能共享系统资源 ( 3 ) 实时性：v m e 总线具有优异的中断处理结构，并运用菊花链仲裁算法和 优先权相结合的策略，给重要的任务分配高的优先权，可提高系统的实 “6 西北工业大学硕士学位论文 软件无线电结构和组成 时响应能力 ( 4 ) 可靠性：v m e 总线的模板具有优良的防震结构和物理特性 高速数据总线结构则是软件无线电体系结构的关键，目前还没有形成标准， 世界各国都在努力研究，以期待得到适合软件无线电高速数据处理的总线结构 标准。 2 基于交换网络的结构 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们可直接利用，实现起来比较的简 单。但是有些研究者认为，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，建议在低速控制信息传输中采用总线，而在高速信息流中采用基 于交换的平台结构。其构