（电工理论与新技术专业论文）rfid调制方式测试方法的研究与仿真.pdf

r f i d 调制方式测试方法的研究与仿真 a b s t r a c t r f i d( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) i san e w l yi n v e n t e da u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ho t h e ri d e n t i 6 c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，r f i dh a s m a n ya d v a n t a g e s a st h e r a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c a n dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y r f i dw i l lb e c o m em o r ea n dm o r eu s e f u l i nm a n yf i e l d s ， s u c ha s p u r c h a s i n ga n d d i s t r i b u t i o no ft h e g o o d s ， c o m m e r c ea n dt r a d e ，m a n u f a c t u r i n g ， i d e n t i f i c a t i o n ，s e c u r i t ya n dp h i s i c a la p p l i c a t i o n a sak e yp a r to fr f i ds y s t e m ，t h e t e s t i n gm e t h o d so fr f i dh a v er e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o n a n di th a sb e c o m ea n i m p o r t a n ta n du r g e n tt a s kt oi n v e s t i g a t eo nt h et e s t i n gm e t h o d s i nf a c t ，m et e s t i n g m e t h o d so fr f i dh a v eg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ef o r t h er f i ds y s t e m t h i s t h e s i sm a i n l yd i s c u s s e sa b o u tt h et e s t i n gm e t h o df o rr f i ds i g n a lm o d u l a t i o n s o f t w a r er a d i od e v e l o p sa ta na m z i n gs p e e di nt h er e c e n ty e a r s f i r s t ，t h et h e s i s i n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r i e sa n dt h et h r e ea r c h i t e c t u r e so fs o f t w a r er a d i o a c c o r d i n g t ot h ep r e s e n td e s i g n i n gc o n d i t i o n ，t h ew i d e b a n da n db a n d p a s ss a n l p l ea r c h i t e c t u r ei s p r o v e dt ob et h em o s tp r a c t i c a lo n e b a s e do nt h ea r c h i t e c t u r e ，t h eg e n e r a lm o d e lo f m u l t i m o d em o d u l a t i o ni sp r o p o s e d t h e nt h et h e s i sd i s c u s s e sa b o u tt h e t h r e e t r a d i t i o n a lm e t h o do fd i g i t a lm o d u l a t i o n w h e nt h ec h a n n e lc o n d i t i o ni sg o o d ，t h e p a r a m e t e r h i s t o g r a md i s t r i b u t i o nm e t h o di si n t r o d u c e dt om a k eas t a t i s t i c so ft h et h r e e b a s i cc h a r a c t e rp a r a m e t e r s t h et h e s i s t h e o r e t i c a l l yp r o v e st h a ta l m o s t a l lt h e a m p l i t u d em o d u l a t i o ns i g n a l sc o u l db ec l a s s i n e dw i t ht h ep a r a m e t e rr i ft h ec h a n n e l c o n d i t i o ni sn o ts og o o d ，t h ed e c i s i o nt h e o r ym e t h o dw h i ( mr e a l i z e se a s i l ya n df i t st o a n a l y z eo n “n ei sa d e p tt or e c o g n i z et h em o d u l a t i o ns i g n a l s b a s e do nt h ed i s c u s s i o n ， t h i st h e s i sp r o p o s e sac h a r a c t e “s t i cp a r a m e t e r 兄t h e nan e wt e s t i n gm e t h o df o r r f i ds i g n a lm o d u l a t i o nw h i c hi sb a s e do ns o f t w a r er a d i oi sp r o p o s e d b yu s i n g3 c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dac l a s s i f i e rb a s e do nd e c i s i o nt r e ea n da r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s ，t h et h e s i sc o u l dm a k ec o r r e c ti d e n t i n c a t i o na m o n g5m o d u l a t i o nt y p e s ， i n c l u d i n g2 a s k 、4 a s k 、2 f s k 、4 f s ka n db p s k t h et h e s i sd i s c u s s e sa b o u tt h e d e s i g np r o c e d u r ea n dp r e s e n t st h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s p r o v e st h a tt h i sm e t h o dr e c o g n i z e st h es i g n a l sa c c u r a t e l yi nr e a lt i m ew i t hal o ws n r k e yw o r d s ： r f i d ； s o f t w a r er a d i o ；m o d u l a t i o nr e c o g n i t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k s ：l a b v i e w i i i 湖南大学 学位论文原创一l 生声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：1 左荔 日期： 呻年岁月以日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密商。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：_ 卯夕年玉月“日日期：硼7 年玉月日 隰唧矿月彩日 碰i 学位论文 第1 章绪论 1 1 射频识别技术的基本概念 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i 耵c a t i o n r f i d ) 是一种先进的非接触 式自动识别技术，其基本原理是通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，实 现对静止的或移动中的待识别物品的自动机器识别。r f i d 标签具有体积小、容 量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、 多目标识别、定位及长期跟踪管理。r f i d 技术与互联网、通信等技术相结合， 可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。r f i d 技术应用于物流、制造、公共信 息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。 r f i d 技术被认为是2 l 世纪最重要的技术之一。2 0 0 3 年2 月份的美国技术 评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新技术，r f i d 技术就是其 中之一。r f l d 作为一种前沿科技，已引起国内外政府、企业、零售商、院校和 科研单位的极大关注，纷纷开展实质性的研发工作和应用推广。r f i d 带来的不 仅仅是生活和工作上的便利，它意味着一种更为安全、高效、及时的数据采集方 式，一个飞跃式发展的时代，而整个人类的生存环境也会随之发生根本性革命变 革。r f i d 的应用包罗万象而且将不断发掘新的应用领域和应用模式，可以说超 出了人们目前的认识水平和想象力。 埃森哲实验室首席科学家弗格森认为r f i d 是一种突破性的技术：“第一， 可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体：第二， 其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信 息 第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外， 存储的信息量也非常大“1 。” 一个典型的r f i d 系统主要由阅读器( i n t e h o g a t o r ) 、标签( t a g ) 以及控制 计算机( p c ) 三部分组成，如图1 1 所示。 。广_ 弘塑，v f y7 卜等，y ，一，：j ，1 2 一【! ! 望 。能量。1 1 兰i 图1 1r f i d 系统的基本组成 r f i d 系统中阅读器和标签之间的能量和数据传送是依靠阅读器天线和标签 天线来完成。阅读器先通过天线对标签发射电磁波，在阅读器天线工作范围内的 唧d 调制方式涮试方法的研究与仿真 标签天线一方面接收电磁能量为射频标签提供能量，另一方面反向散射电磁波， 并将标签芯片内存储的信息调制在标签反射电磁波上，从而完成了反向散射调制。 当来自标签的反向散射调制波被阅读器天线接收后，信号经过放大、解调和解码， 得到标签中的信息，完成整个识别过程。一个典型的r f i d 信号如图12 所示。该 信号符合e p cc l 鹤slg e n 啪t i o n2 标准。 图l2 符合e p cc l a s slg 蚰2 标准的典型r f i d 信号 射频标签的工作频率不仅决定这射频识别系统的工作原理和识别距离，还决 定着射频标签及读写器的难易程度和设备成本。r f i d 常用波段、相关标准及应用 领域对比图如表ll 所示。 表llr f i d 常用波段、标准羹应用领域对比 波段标准应用领域 4 ”m h z i s 01 8 0 0 0 - 2 i s o1 4 4 4 3 聊e a b i s 0 1 5 6 9 3 ；i s o1 8 0 9 2n f c i s o1 8 0 0 0 - 3m o d bl 2 i c o d e l e p c h f c l a 8 s1 ：e p c h f g e n 2 i s o1 8 0 0 0 7 i s o1 8 0 0 0 6t ，p c a b c e p cu h fc l a b s0 1 e p cc l a s 8 1o e n o n2 门禁管理；动物追踪 智能卡 单品级物品追踪 图书管理 托盘缓追踪 单品级物品追踪 集装箱运输 2 4 5 0 h zi s o1 8 0 0 0 _ 4m o d el 2 不停车收费；行李处理 ! ：! 旦望! ! 竺! ! ! ! ! ：! ! 茎互垫2墨星苎笪型 硕1 j 学位论文 1 2 射频识别技术的发展历程及现状 最早的一篇关于反向散射通信的研究见于h a r r ys t o c k m a n 于19 4 8 年发表的 论文c o m m u n i c a t i o nb ym e a n so f r e l f l e c t e dp o w e r ，可以说，正是这篇里程碑式 的论文拉开了基于反向散射通信原理的r f i d 技术相关研究和应用的序幕乜1 。在 过去的半个多世纪里，r f i d 的发展经历了以下一些阶段： l9 4 l 19 5 0 年雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技 术的理论基础。 1 9 5 l 1 9 6 0 年早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1 9 6 1 1 9 7 0 年r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术 测试得到加速，出现了一些最早的r f i d 应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，多种应用开始出现，成 本成为制约进一步发展的主要问题，国内开始关注这项技术。 19 9 l 2 0 0 0 年大规模生产使得成本可以被市场接受，技术标准化问题和技术 支撑体系的建立得到重视，大量厂商进入，r f i d 产品逐渐走入人们的生活，国 内研究机构开始跟踪和研究该技术。 2 0 0 1 至今r f i d 技术得到进一步丰富和完善，产品种类更加丰富，无源电 子标签、半有源电子标签和有源电子标签均得到发展，电子标签成本也不断降低， r f i d 技术的应用领域不断扩大，r f i d 与其他技术日益结合口1 。 纵观r f i d 的发展历程，我们不难发现，随着市场需求的不断发展，人们对 r f i d 认识水平的日益提升，r f i d 必然会逐步进入我们的生活，而r f i d 技术及 产品的不断开发也必将引发其应用扩展的新的高潮，与此同时也必将带来r f i d 技术发展新的变革。 从全球的范围来看，美国已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的开发、 应用领域走在世界的前列。欧洲r f i d 标准追随美国主导的e p cg l o b a l 标准。在 封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出u i d 标准， 但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。r f i d 在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视，但至今韩国在r f i d 标准上 仍模糊不清。 美国的t i 、i n t e l 等集成电路厂商目前都在r f i d 领域投入巨资进行芯片开发。 s y m b o l 等已经研发出同时可以阅读条形码和r f i d 的扫描器。i b m 、m i c r o s o f t 和 h p 等也在积极开发相应的软件及系统来支持r f i d 的应用。目前美国的交通、车 辆管理、身份识别、生产线自动化控制、仓储管理及物资跟踪等领域已经开始逐 步应用r f i d 技术。在物流方面，美国已有l o o 多家企业承诺支持r f i d 应用。 r f i d 调制方j ：测试方法的研究o j 仿真 另外，值得注意的是美国政府是r f i d 应用的积极推动者。 欧洲的p h i l i p s 、s t m i c r o e l e c t r o n i c s 在积极开发廉价r f i d 芯片；c h e c k p o i n t 在开发支持多系统的r f i d 识别系统；诺基亚在开发能够基于r f i d 的移动电话 购物系统；s a p 则在积极开发支持r f i d 的企业应用管理软件。在应用方面，欧 洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系统与美国基本 处在同一阶段。目前，欧洲许多大型企业都纷纷进行r f i d 的应用实验。 日本是一个制造业强国，它在电子标签研究领域起步较早，政府也将r f i d 作为一项关键的技术来发展。2 0 0 4 年7 月，日本经济产业省m e t i 选择了七大产 业做r f i d 的应用试验，包括消费电子、书籍、服装、音乐c d 、建筑机械、制药 和物流。从近来日本r f i d 领域的动态来看，与行业应用相结合的基于r f i d 技 术的产品和解决方案开始集中出现，这为2 0 0 5 年r f i d 在日本应用的推广，特别 是在物流等非制造领域，奠定了坚实的基础。 韩国主要通过国家的发展计划，再联合企业的力量来推动r f i d 的发展，即 主要是由产业资源部和情报通信部来推动r f i d 的发展计划。特别值得注意的是 在2 0 0 4 年3 月韩国提出i t 8 3 9 计划以来，r f i d 重要性得到了进一步的加强。虽 然目前韩国在r f i d 的开发和应用领域乏善可陈，但值得引起关注的是在韩国政 府的高度重视下，韩国关于r f i d 的技术开发和应用试验正在加速展开。 中国人口众多，经济规模不断扩大，已经成为全球制造中心，r f i d 技术有 着广阔的应用市场。近年来，中国已初步开展了r f i d 相关技术的研发及产业化 工作，并在部分领域开始应用。中国已经将r f i d 技术应用于铁路车号识别、身 份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管 理等多个领域，但规模化的实际应用项目还很少。目前我国r f i d 应用以低频和 高频标签产品为主，如城市交通一卡通和中国第二代身份证等项目。我国超高频 标签产品的应用刚刚兴起，还未开始规模生产，产业链尚未形成。我国第二代身 份证从2 0 0 5 年开始已经进入全面换发阶段，现已基本完成全国1 6 岁以上人口的 换发工作，全国换发总量将达到9 1 0 亿个。 当前r f i d 应用和发展还面临一些关键问题与挑战，主要包括：标签成本问 题、标准制定问题、公共服务体系问题、产业链形成问题以及技术和安全问题。 1 3 射频识别的测试与分析技术 r f i d 已经成为i t 领域的热点，许多国家都在不遗余力地推广这种技术。然 而，尽管r f i d 技术在各行各业中逐步为人们所认识和重视，但它还是未能走向 大规模应用，仍局限于小范围的示范应用。造成这种现状的根本原因在于，无论 r f i d 技术本身还是基于这项技术所衍生出的各种应用系统都还存在着尚未解决 4 硕十学位论文 的问题。这些棘手的问题制约了r f i d 技术在众多行业中应用的全面展开。因此， 在实际应用前对r f i d 系统和应用环境进行测试，就会降低r f i d 在企业中部署 和应用的困难，从而有助于促进整个r f i d 产业链的形成和发展。 r f i d 系统测试通过模拟应用环境，对国际、国内的r f l d 设备进行统一环境 的测试，目的是为了企业实施r f i d 技术提供参考依据，并为r f i d 产品和方案 的设计提供指导，方便r f i d 生产和科研单位加速r f i d 科技成果的转化进程， 完善我国已初步形成的r f i d 产业链，推动r f i d 技术、产业和应用的发展。r f i d 系统测试通过提出r f i d 技术的系列测试方法，建立开放式r f i d 软硬件产品的 联合测试平台，制定系列r f i d 软硬件产品测试标准与规范，形成r f i d 技术的 测试标准体系，满足r f i d 技术研究测试、应用测试等公共服务需求。 国外的企业界和政府机构充分认识到r f i d 系统测试的重要意义，纷纷涉足 这一领域，建立测试实验室，针对自己的产品进行性能测试。 s u nm i c r o s y s t e m s 公司在美国达拉斯设立的r f i d 测试中心面积达1 7 ，0 0 0 平 方英尺，是s u n 发现并解决诸如优化标签和后台数据整合之类的问题的地方。s u n 的客户可通过该测试中心确保他们的产品达到r f i d 要求，同时也可在项目实施 之前先对其进行测试。 c a p es y s t e m s 是领先的软件供应商，主要提供包装设计、货盘优化、库存与 仓库管理、供应链运作以及订单实施等方面的软件。o p e nt c r r a 是领先的无线移 动通讯平台供应商。两家公司合作建成的s o u t hp 1 a i n f i e l d 的r f i d 测试与整合中 心位于新泽西州，占地1 5 ，0 0 0 平方英尺。i n t e l 公司作为赞助商，要为r f i d 中心 提供设备和基础设施的支持。这个r f i d 中心的特色在于可以为领先的r f i d 技 术供应商提供展示舞台。 i b m 在欧洲成立的测试和互操作性实验室用来指导并提供r f i d 技术，这个 位于法国尼斯的实验中心将测试r f i d 芯片，数据识别器和相关的应用软件以验 证它们之间的相互配合情况。 英飞凌科技公司( i n f i n e o nt e c h n 0 1 0 9 i e sa g ) 2 0 0 4 年在奥地利格拉兹成立了 r f i d 解决方案展示和测评中心和系统实验室( r f i ds o l u t i o ne x c e l l e n c ec e n t e r a n ds y s t e ml a b ) 。该实验室提供了有关英飞凌r f i d 系统解决方案的信息，包括 软件和系统集成平台、基础设施、读取器和r f i d 标签。 目前，国内对于r f i d 测试技术方面的工作主要是从对产品的认证和评测的 角度展开的，其特点是搭建理想化或者典型化的r f i d 应用场景，对各种产品和 数据标准进行测试和评估。一些大学和科研机构，如中国科学院自动化研究所、 上海复旦大学、工信部中国标准化技术研究所、电子工业标准化研究所、湖南大 学电路与系统测试技术研究所等相关机构开展了r f i d 应用评测中心的建设工 作。 5 r f i d 调制方j 测试方法的研究j 仿真 2 0 0 5 年10 月2 6 日，位于台湾新竹的工研院系统中心对外宣布启用“亚太r f i d 应用验测中心”，依业务流程主要分为r f i d 静态性能测试、r f i d 动态性能测试 及r f i d 产业应用实验场三大部分。中心可提供的服务项目包括：标签最低开启 功率与标签读取角度测量、标签类型及标签贴附位置最优化选用方案、输送带闸 门容器附贴标签的动态读取率测量、进出货闸门大型物箱或栈板贴附标签的动态 读取率量测、r f i d 系统架设最优化方案、r f i d 应用平台技术导入及系统整合服 务等。 2 0 0 4 年1 0 月，中国科学院自动化研究所r f i d 研究中心与北京中交国科物 流技术发展有限公司在国家8 6 3 计划支持下建立了国内首个国家级r f i d 测试实 验室，目的是通过较为完善的实验条件和环境测试r f i d 关键技术的多项可靠性 指标，最终总结出可靠性测试的评测体系，为进一步的研究工作提供基本数据并 引导研发方向。目前实验室已经以r f i d 技术在物流行业为出发点，首先建立了 一个面向物流应用的测试环境，包括物流领域中智能仓库、商品配送、运输管理 等多个模拟环境。 坐落在上海复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室的a u t o i d 中国实 验室建立了一个开放的r f i d 演示平台，可结合应用中出现的问题进行理论分析 和基础研究，为建立e p c 国际标准和中国r f i d 标准提供参考依据。整个演示系 统包括一个完整的供应链业务场景所需的两个场所( 制造商分销中心或发货仓， 零售商分销中心或受货仓) ，每个场所具有一个通道和至少两个侧门，不同的样品 将贴上r f i d 标签通过这个通道。通过评估r f i d 标签和侧门的工作性能和样品 材料之间的干扰，为标准制订和产品设计提供有效的参考h 1 。 目前，r f i d 的测试还面临着如下一些问题： 第一：在实现系统之前，缺乏科学的方法去评价一种r f i d 方案。一些初步 研究发现r f i d 测试的结果会依赖变量，如空间阈值、读取率、频率偏移和信号 强度等。同时，包装的复杂程度也会影响结果。尤其在盘货时，如果没有测试覆 盖率和方法学，要读取每个标签是非常困难的。诸如多个物品堆积时相互干扰而 造成读取率下降、读写器部署不当引起的重复信息读取、电子标签所附物品的介 质对电磁信号的干扰、安全架构考虑不周造成非法读取等问题，都会影响系统整 体的应用效果，甚至打击最终用户对r f i d 技术本身的信心。 第二：组合测试。要进行透彻的实验就要对控制变量进行不同的组合。比如， 测试不同数量的r f i d 标签，从1 个增加到1o o 个；或者用不同方向测试，从0 度递增到9 0 度；又或者用不同高度的天线，从o 5 m 递增到3 m ；还有不同的发 射信号强度、不同的距离、不同的频率等。各种因素都要进行组合测试，每种组 合都需要测试许多次，以获得统计学上可靠的结果。测试的工作量大，可能要很 久才能完成。完成后，一旦添加新的变量，测试将需要更长的时间。 6 硕i j 学位论文 第三：随场景而变，如露天环境、室内环境和参考暗室等。在不同的环境中， 测试结果是不一样的。由于r f i d 系统应用的现场环境大多比较复杂，如需经历 反复打击、高温和低温、油污影响等传统条形码无法胜任的场合，因此，测试还 必须要考虑到r f i d 设备故障率等方面的问题。 第四：随应用需求而变。在不同的应用中得出的值是不一样的。在实施r f i d 解决方案之前，针对某一具体应用，按照测试方法和流程进行一定的测试及仿真 实验是必要的。例如，确定物体表面电子标签的最佳粘贴位置以及包装材料选择 等，这对保证正式实施后系统读取率的准确性和连续性的作用是非常明显的。 第五：安全与隐私保护。安全是个永恒的话题，不论技术如何发展，都将会 面f 瞄新的安全问题。r f i d 系统必须在电子标签资源有限的情况下实现具有一定 安全强度的安全机制，安全威胁主要来自于标签威胁、网络威胁以及数据威胁。 例如，读写器接收到标签发回的信号，如果同时有多个同样的读写器也能接收到 标签发回的信号，那么安全与隐私就值得考虑。r f i d 的安全与隐私问题曾经引 起国际上许多专家们深入探讨和研究，但相关的问题解决之道依旧欠缺。 1 4 本文主要研究内容及结构安排 本文针对i s 0 18 0 0 0 系列标准中的调制方式设计了一个基于软件无线电的 r f i d 调制方式测试方法，并对其进行了仿真。本文基于决策论理论提出了特征 参数见；将决策树与神经网络相结合，设计了一种新的调制方式识别分类器；在 l a b v i e w 平台下，设计了一个r f i d 调制方式测试算法，并对其进行了仿真。本 文结构和各章内容安排如下： 第1 章，介绍了r f i d 技术的基本概念、发展历程和当前面临的问题，分析 了r f i d 测试技术现状。 第2 章，介绍了软件无线电的基本原理，分析了软件无线电的三种结构的特 点，并概述了软件无线电所需要的一些理论基础，包括信号采样理论、多数率信 号处理理论与高效滤波器的设计理论基础。 第3 章，概述了i s o l 8 0 0 0 系列标准中涉及的五种数字调制方式，并分析了 其瞬时参数的特点，介绍了基于软件无线电的信号调制通用模型。 第4 章，对几种传统的数字调制识别方法：参量直方图法、参数统计方法和 决策论方法进行了分析和对比。 第5 章，基于决策论提出了参数尺。，设计了一种将决策树与神经网络相结合 的混合分类器，提出了一种基于软件无线电的r f i d 调制方式测试方法，并在 l a b v i e w 平台对其进行了仿真，验证了方法的有效性。 7 ：塑i ! 要苎! ：置互譬塑竺垒主竺苎 第2 章软件无线电的基本原理 2 1 软件无线电概述 2 1 1 软件无线电的概念 软件无线电是2 0 世纪9 0 年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想，其完整 的概念和结构体系是由m i t r e 公司的美国科学家j o s e p h m i t o l a 于1 9 9 2 年5 月在 n t c ( n a t i o n a lt e l e s y s t e m sc o n f e r e n c e ) 上明确提出，其核心是在通用的通信硬 件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式问的转换。这种全新的设 计思想使通信中的无限电台可以适应各种不同的通信方式，软件无线电良好的兼 容性和可编程性使得通信系统的开发主要成为数字信号处理软件的研究。这将极 大地缩短通信系统开发的时间和成本，可以说未来采用软件无线电技术的软件无 线电台在通信系统中的作用完全可以同通用p c 在计算机领域所起的作用相提并 论。 软件无线电技术的基本思想是将宽带的a d 转换器尽可能地靠近射频天线， 即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过d s p 软件 来实现通信系统的各种功能，其基本结构框图如图21 所示“1 。 v 】，一 一 l _ 麓一菇h 般ij 辕h 计算机 围2 1 软件无线电基本结构框图 理想的软件无线电台是对天线接收的模拟信号经过放大后直接采样，实现完 全的可编程性，其后所有的信号处理，包括下变频混频、带通滤波、载波提取、 i q 解调、低通滤波、位同步提取、信道编码、信源编码、加密等，全部由a ，d 转换器之后的d s p 芯片处理。可见理想的软件无线电台可实现完全的可编程性， 因此可以实现通信中的各种调制方式，完全可阻根据要求实现f d m a 、t d m a 和 c d m a 等各种多址方式。 目前软件无线电接收的发展主要还受到硬件发展水平的限制，其主要的技术 中涉及一下几项核心技术：宽带天线技术、宽带a ，d 技术、高速d s p 技术以及 高性能的互连结构等。 硕_ f 学位论文 1 宽带智能天线 软件无线电台工作在较宽的频率范围内，所配备的天线也必须能够覆盖整个 频段。只有宽带智能天线才能完成此功能，它既有宽的频率范围，又具有能自动 感知干扰源的存在并抑制其影响的能力，还具有自动增强所需信号的能力，并可 兼容各种无线电通信方式。 2 高速宽带a d 和d a 转化 数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样才能转化为数字信号， 并用软件来处理。这些功能均是由a d 和d a 转换器来完成的。a d 和d a 转 换器在软件无线电中的位置非常关键，直接反映了软件无线电台软件化的程度。 因此，理想的软件无线电应该直接在r f 上进行采样。但在目前，这样的器件还 很难达到要求。只能通过一定时间和技术的发展，逐步提高a d 转换器的性能， 使其位置越来越接近天线，才能最终实现软件无线电的理想目标。 3 高速d s p 高速d s p 是软件无线电台的核心部分，包括了变频、载波、成形等一系列操 作。对于每一个采样点至少要进行1 0 0 次操作。一个10 m h z 的信号，当以2 5 m h z 进行采样后，至少需要2 5 0 0 m i p s ( 百万条指令秒) 的处理速度，这是单片d s p 难以完成的，工程上一般采用多片高速d s p 并行的方法实现信号的处理。 4 高性能互连 为了实现一个开放的、可扩展的软件无线电台，必须打破传统通信平台的流 水线结构。因此，要求采用一种全新的交换互连结构来实现各个功能模块之间的 互连。 基于软件无线电技术的软件无线电台可以实现目前广泛应用的公用电话交换 网、g s m 移动通信系统和正在普及的第3 代移动通信系统的所有应用协议，位实 现各种通信系统的相互兼容提供了一种理想的方法。在军事通信领域，由于软件 无线电所具有的完全可编程性，对于未来多军种协同作战的整体指挥和互通信息 具有传统通信方式不可比拟的优势。 2 1 2 软件无线电技术的发展概况 软件无线电技术目前在全世界范围内才刚刚起步，其最终公认的标准体制尚 未形成，世界各国正对此技术进行积极的研究，国外的研究主要沿着实现和前瞻 两个方向展开。 2 0 世纪9 0 年代初期，美国军方开始的s p e a k e a s y 军用无线电台系统是国际上 软件无线电技术成功实现的典型代表。此系统在当时技术允许的条件下，采用了 可行的方法对理想的软件无线电结构进行了适当的调整，实现了多频段多模式无 线电电台。它能同时处理4 种不同的调制方式，能够兼容美军15 种以上电台。此 9 r f i d 调制方j 测试方法的研究0 仿真 系统大部分功能均用软件实现，具有可编程性，取得了很好的效果。 美国麻省理工学院计算机实验室的s p e c t r u mw a r e 项目是目i j 国际上软件无 线电技术前瞻研究的代表，s p e c t r u mw a r e 提供了无线电通信和分布式信号处理 的、以软件为核心的研究方法。处理器和a d 技术的发展是“虚拟”无线电实现 的基础。所谓“虚拟 无线电，是指从r f 频段进行下变频和宽带采样，实现软 件无线电的功能，与d s p 芯片相比，虽然这在短期内难以实用化，但是这种研究 的方法更接近软件无线电技术的理想，具有非常深远的意义。 由于软件无线电技术近几年来的迅猛发展，许多通信公司都认识到这种技术 本身广泛的应用前景，并且开发出了一系列的具有实用价值的软件无线电产品。 美国s p e e t r u m 和b l u ew a v e 等公司开发的基于t i 公司通用d s p 芯片和h a r r i s 公 司d d c 芯片的软件无线电板级产品用已经比较成熟。s p e c t r u m 公司板级产品采 用了8 片t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 型d s p ：签片和3 0 片d d c 芯片，可以同时处理多达3 0 路的f d m a 信号。b l u ew a v e 公司的板级产品采用了一片c 6 7 0 1 型d s p 芯片和1 片d d c 芯片以及l 片d u c 芯片，可以实现l 路1 0 m h z 带宽信号的全双工通信。 这些板级产品都具有良好的可扩展性，可以根据用户的不同要求对产品配置进行 更改。 2 2 软件无线电的体系结构 软件无线电体系结构的定义为：功能、组建及设计规则的一个综合的、统一 的集合。由于包含了功能以及设计规则，所以体系结构支持部件的重用，甚至可 以跨越实现硬件及软件之间的移植。软件无线电和传统无线电在体系结构方面具 有显著的不同：传统无线电的设计，是基于用硬件搭建的模块来实现通信功能的 硬件体系结构；软件无线电则是采用基于硬件平台和软件分层的软件无线电结构， 它是通过管理与分配软件和硬件资源来实现通信功能的全新体系结构。 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口1 。 2 2 1 射频低通采样数字化结构 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 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f p g a 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l 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。 1 0 硕上学位论文 图2 2 射频低通采样数字化结构 2 2 2 射频带通采样结构 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 在图2 3 上。这种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电调滤波器，然后根据所需的处理带宽 进行带通采样。这样对a d 的采样速率的要求就不高了，对后续d s p 的处理速 度要求也可以随之大大降低。但是需要指出的是，这种射频带通采样软件无线电 结构对a d 工作带宽的要求( 实际上主要是对a d 中采样保持器的速度要求) 仍 然还是比较高的。 图2 3 射频带通采样结构 2 2 3 宽带中频带通采样结构 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( 比如2 0 m h z ) ，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样结构结构是上 述三种结构中最容易实现的，对器件的性能要求最低，但它离理想软件无线电的 要求最远，可扩展性、灵活性也是最差的。 r f i d 调制方式测试方法的研究j 仿真 图2 4 冤带中频带通采样结构 软件无线电技术复杂，功能强大，要成功地将软件无线电技术应用于实际当 中，进行必要的结构分析是必要的。然而当前，众多提出的软件无线电结构都缺 乏通用的设计方法，许多实际设备只能适用于某些特定系统。因此对软件无线电 的体系结构需求非常大，要使软件无线电能够真正达到理想软件无线电系统的通 用性，必须对软件无线电结构进行必要的研究旧1 。 2 3 软件无线电的理论基础 前面介绍的软件无线电基本概念已建立起了软件无线电基本轮廓。简单来说， 软件无线电就是以开放性、通用性、可扩展性的最简硬件为平台，通过加载各种 应用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的一 个系统。软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以 微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构，主要包括信号采样理论、多速率信 号处理理论、高效数字滤波器以及正交变换等。这些理论在软件无线电的研究与 开发中是必不可少的，也是非常重要的。本节比较重点地介绍了信号采样理论、 多速率信号处理理论以及高效数字滤波器的理论。 2 3 1 信号采样理论 2 3 1 1n y q u i s t 采样定理 n y q u i s t 抽样定理：一个频带限制在( o ，厶) 内的时间连续信号聊( f ) ，如果以 霉l ( 2 厶) 秒的间隔对它进行等间隔抽样，则研( f ) 将被多得到的抽样值完全确定。 n y q u i s t 采样要求采样频率石满足正2 厶，厶为信号的最高频率分量。在实际应 用中，一般石取厶的2 5 倍以上。尽管n y q u i s t 采样有许多优点，由于软件无线电 要求兼容多种协议的不同特征、不同带宽的信号，中频频率可能取得比较高，而 且中频信号是带通信号，所要求的采样频率也很高，这样可能增加a d 的成本， 后级处理的负荷很重，对功耗、结构、成本等方面影响较大。 1 2 硕 学位论文 2 3 1 2 带通采样理论 假设一个信号的频带限制在( 厶，无) 内，如果其采样速率满足 f ：型土盟( 2 1 ) ( 2 刀+ 1 ) 。 其中，n 为满足z 2 ( 厶一无) 的最大整数，则用石进行等间隔采样所得的信号采 样值可以准确地确定原来信号。 用带通信号的中心频率厶，也可以将带通采样频率表示为 z = 蒜 ( 2 2 ) 根据带通信号采样定理，正的取值可以在高于带通信号的带宽而低于2 厶的范围 内。这时，a d 采样后的数字信号除了保留原中频信号的频谱外，还包含了高中 频的频谱和搬移到原中频以下( 可能是基频) 的频谱成分。在软件无线电中，d s p 在进行各项信号接收处理之前，首先要对a d 输出的数字信号进行低通滤波，滤 除有效信号带外的干扰成分，并通过抽取和内插技术，去除数字滤波后信号频谱 中的高次谐波，