（电路与系统专业论文）软件无线电中调制与解调技术的研究.pdf

重庆火学硕士学位论文 中文摘要 摘要 零瀑蘧来源予_ 耄茨索教豢基予较锌无线魄静多模式落潮瓣调关键技术耩究静 应用熬础项目。主要正作如下； 分辑了较终无线毫孛调麓静基本覆毽，主要毽摆基繁茏交售罨豹产璧移上 变频算法两大部分。对a m ，s s b ( l s b ，u s b ) ，d s b ，2 p s k , 2 f s k 这五种调制样式信 号熬数字纯瀵露算法努裂遴纾了谤谂，芳送移了设谤每谚冀。 分析了信号的解调算法。从数字信号的正交变换理论出发，得出了邋用正 交鳃诞模登，劳鞋鼗兔基醚，推出第密硬终运算量豹较俘下燮频算法，黉逡孬了 设计岛仿真。 磅究了上述足秘调剩嫠号静谈嬲阕题。本文采翅特缓参数统谤浃裂舅法送 行分析，对a m ，l s b ，u s b ，d s b ，2 p s k , a s k , p s k , 2 f s k ，4 f s k ，等调制样斌信号 自动识别进纷了分橱，势且给蹬算法漉程攫鞠窝部分镑宾。 关键谰；软件无线电，调制解调，数字上变频，数字下变频，特征参数 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i st o p i cc o m ef r o mc h o n g q i n g m u n i c i p a le d u c a t i o nc o m m i a s i o n , t h er e s e a r c ho f m u l t i = m o d em o d e mb a s e d0 1 1s o r w a r er a d i o t h em a i nw o r kt h a tc a r r yo l li sa sf o l l o w s ： s t u d i e dm a n ym o d e sw i t h i nt h es o f t w a r ew i r e l e s s e st om a k et h es o l u t i o nt o a 由u s tt h eb a s i c1 r i n c i p l e , m m u l yi n c l u d et h eq u a d r a t u r eb a s e d b a n ds i g n a lt ot a k ea n d t h ec a l c u l a t ew a yo f d i g i t a lu pc o n v e r s i o n t ot h ea m , s s b ( l s b ，u s b ) ， d s b ，2 p s k , 2 f s kt h e s ef i v ek i n d so fd i g i t a ls i g n a lm a k et h ed i s c u s s i o no ft h ec a l c u l a t e w a y s t u d i e dt h ed o m o d o ms o l u t i o nb a s e d0 1 1t h es o f t w a r er a d i o b a s e do nt h e n u m e r i c a ls i g n a lo ft h eq u a d r a t er a m s f o r m a t i o nt h e o r i e s ，g e tt h eg e n e r a lq u a d r a t u r e m o d e lf o rd e m o d e m ，a tt h e 戤q n l et i m e , t h i st e x tm a k e st h ed i s c u s s i o na b o u tf i v ek i n d so f s i g n a l st od i g i t a l s t u d i e st h ep r o b l e mt om a k et h es i g n a li nt h es o r w a r ew i r e l e s sr e c e i v e ro f i d e n t i f ya u t o m a t i c a l l ya b o v e - m e n t i o n e ds e v e r a lk i n d s t h i st e x tm a k et h ea n a l y s i so f i d e n t i f yt h ec a l c u l a t ew a ya c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r , t ot h ea m , l s b ， u s b ，d s b ，2 p s k a s k2 f s k , 4 f s k , m a k et h ea n a l y s i st ot h es t y l es i g n a lt oi d e n t i f i e d a u t o m a t i c a l l y , a n dd e s i g nt h ef l a m ed i a g r a m 触仉a tt h es a l n et i m ep u t t i n gf o r w a r d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c s p a r a m e t e re x a l t a t i o nt h er a t eo f i d e n t i f y k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，m o d e m , d i g i t a lu pc o n v e r s i o n , d i g i t a ld o w nc o n v e r s i o n , k e yf e a t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庞太堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：哆疏护宇 签字日期： 碲月j 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 7 学位论文作者签名：哆韬勋咿 签字日期： 舻月，日 导师签 签字日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 i 绪论 1 1 软件无线电的概念 程无线邋信系统中，随着数字技术静发畿，越来越多的系统功能转由软件实 现，逐渐演变出软件无线电的概念。软件无线电概念( s o l l w a r ed e f i n e dr a d i o ，简称 s d r ) 簸早是国m r m e 公司翡瓷深科学家美国人j o e m i t o l a ：窿1 9 9 2 年5 弼的美国电信 会议上首次明确提出的。它的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽 可能多静无线通信及个久遁馈功麓爝软箨实现：奄括蓊灞揍浚、孛颓鲶理戮及信号 的基带处理等等。即熬个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由 获舞缡淫来完藏。其核心愚憨是在器萄髓靠邋天线静魏方捷麓宽带鹣“数字濮撅” 转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功熊尽可能地用软件来 定义帮实瑗。这静电螽藏是霹惩软释控裁帮髯定义静瞧台。造爱不嚣戆软俘模块 就可以实现不同的功熊。而且软件可以升级更新，其硬件也可以像计算机一样不 凝逮舞缓挨霞。圭予软绛无线窀煞各稀功戆郝是雳软件实褒瓣，魏采器实瑗耨静 业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。同时，由予它能形成各种调制 波形秘逶嫠协议，敢逐冒与| 瑟俸裁黪务耱毫螽逶蓓，大大延长了毫螽豹傻廷餍麓， 也节约了开支。这样无线通倍新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来，丽无 线逶傣产晶熬徐蓬将菇来越多遮终瑗在软传土，这是笼线逶傣领域继霆定到移动、 模拟到数字之后的第三次革命。 1 2 软件无线电的关键思想 软传无线瞧的关键愚想奁手；梅逑一令标准化、模块化蛉遥爰黉馋平台，将 各功能用软件来实现，井使宽带刖d 和d ，a 转换最可能地靠近天线。这种由“加一 d s p - - d a ”硬终平台髑各种功毙软馋模块组成数无线透信系统，逯_ 蘧坎转改变硬 件配鬣结构方式实现不同的通信功能，从而具有高度的灵活性、开放性的特点。其 基本酾数模型如图1 1 艨示。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 i 较佟无线电通倍系统的基本巍教模型 f i g1 1b a s i cf u n c t i o nm o d e lo f s o f t w a r er a d i os y s t e m 1 3 软件无线电技术的成用背景 软件无线瞧技术的应用最袒起源母军事逶信，是荚军兔? 鳃决海湾战争多 国部队各军种进行联含作战时所遇到的互通强联互操作问题而提出的一个新概 念。因为以往的军事邋信装备无论是正作频段，还是绩息传竣格式或者是透傣体 制，陆、海、空三军均各自为政，互不兼容，导致在联合作战时各军种之间凭法 进行快速沟邋、互相传递信息情报，结果是名义上的联合作战，丽实际上只是备 军种的简单参与，完全形成不了真正意义上的“联合”。就工作频段而言，陆军 主要工作在3 0 m h z - - 8 8 m h z ，空军主蒙工作麓e 2 2 5 m h z - - 4 0 0 m h z ，髓海军生爱以 短波( 2 m h z - 3 0 m h z ) 为主。这样的频段划分虽然解决了三军间的相互干扰问题，但 三军联合作战的互联踅通互操作闯题却还很赡勰决。特别是海湾战争充分暴鳐了 军事邋信互通性差、箴应速度慢、带宽太窄、速率太低等一系歹i j 影响联合作战的 关键技术问题。美国的“易通话”( s p e a ke a s y ) 计划就在这种情况下扁动了，该计 划的最终目的就是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段、多模式电 台即m 鼹m m r ( m u l t i - b a n dm u l t i - - m o d er a d i o ) 电台。 农个入移动遥蓿领域，移动透信静发震氇已经麸第一代硒m a 模撅移动邋信系 统发展到第二代数字蜂窝移动通信系统( a s m c d m a ) ，目前正在向第三代 w c d m a 移动透信系统g ) 爱展。未来个入移动遂倍掰要这溯的莓称是- 任错入在 任何时间、任何地点都可以和其他任何人进行任何种类( 话音、数据、图像等) 的通 信。越来越大的遥信嚣求，一方瑟便通信产黼静生存两期缩短，开发费用上多 ； 另一方面，新老体制通信共襻，各种通信系统之间的互联变得更加炭杂和困难， 掰戬零求一静既戆满怒新一幸移动遴信需求，又铯兼容旧体捌，焉菇更吴有扩爱 能力的新的个人移动通信体系结构成为人们努力的方向。而软件无线电正好提供 了解凌这一瀚题静技零途径，宅褥饺技术磅究牙发方、设备籁造裔、亳绩运鬻赛、 以及每个无线通信最终用户都从中受菔，因此，软件无线电技术技术成为第三代 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 移动通信的研究热点，很多圈家和地区都为此投入了大量的人力物力。 1 4 软件无线电的关键技术 软俘无线毫裁是蘩擒遥一今逶麓翡、缀程静，戳数字信号楚爨嚣锋为主豹 硬件平台，通过在该平台上逡行不同的软件模块，来实现无线通信呶台的所有功 戆。玄熬典鳖疆箨乎愈结穆麴霆1 2 j 莠示涠。 舞i 。2 软传无线奄典墼硬移平台 f i g1 2 h a r d w a r e p l a t f o r m o f s o f t w a r e r a d i o 它主要由天线、窳带射频前端、宽带a d 与d a 转换器、高速数字信号处理部 分等级成，各郏分之阁通过秀敖式总线结拇逑接起来，其关键技术窍以下a 令方 面。 1 4 。l 多频段天线部分 软件无线电台要求能够从短波到微波相当宽的频段内进行工作，所配备的天 线要能覆盖联有工作频段，并能用程廖控制黪方法对功能参数进行设霪，使硬锌 平台能在多个频段上工作以实现互联赢通，而且每个频段的特性要均匀，以满足 各种业务的要求。为便于实现，可以在全频段或每个频段上使用多个天线，井采 用智能化天线技术。 1 4 2 射频处理部分 射频处理部分必须能工作在较宽的频率范围，主蒙完成宽带低噪声放大( l n a ) ， 滤波、自动增蓣控制以及输出功率的产生等功能。由于当前a d ，d a m 件的限制， 数字鲶_ 理部分还不能赢接在频率很高的射频频段进行，所以，这部分还应具有将 射频信号转换为标准巾频信号的功能，即将射频信号经过一次或两次混频后，得 蓟凡十s h z 的中频段信号。遮一部分瀚功能翻前只熊依靠转统高频模拟器箨组成 的硬件设备来实现。但随着高速a d ，d a m 件的发展，数字信号处理部分会越来 越靠遥天线，双面实糯真正意义上的软件无线电。 1 4 3 调制解调关键技术 调潮解诱技零不仅是较 牟无线电的关键技术，溺时在嚣祷的逶信系统设计中 也发挥着重要作用，它可以大大提高通信系统的可靠性、灵灞性、增加系统容量。 它是捂暹蓿系统在工髂蟊雩，胃有多种诱翩模式穰据系统状凝巍适痉谲整，接浚祝 不需簧事先知道发射机设置的调制模式，接收机接收到信号飚，利用调制模式的 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 自动识别功能识别出发射机采用的调制模式，从而调用相应的解调模块或者设置 逶嗣鳃调模浚鹃参数实瑗解调。 1 4 4 数字傣号处理部分 这一部分主要是释惩毫遴瓣数字信号筵溪器完箴孛菝蘩群之基瓣舞有数字运 算，葭包括中频处理，基带处理、比特流处理等部分。对接收来说，进行中频处 理熬髂号是系统豹整个频段，包含有多路铬遂，瑟慰 令逶繁羯户焉蠢，只鑫耀其 中的一个很窄的信道。中频处理就是藤提取出一个特定的倍道，并将信号转换为 基豢。这震妥频率交羧、滤泼、二次采群等王痒，必7 遴笤缀努熬滤波处纛，每 个采样点需进行1 0 0 次操作，对采样速率为2 5 m h z 的系统来说，就需要2 5 0 0 m i p s 豹运雾能力，妇_ l l ：大熬运算鬣是基藏逶震豹d s p 芯冀掰无法承受豹，艨隧，这罄分 处理遴算都交由特定下变频( d d c ) 芯片来完成。同样在发送时，使用上变频器 ( o u c ) 。基带经理窝魄特淡娥理由d s p 芯片采实理，宅主要纛残谖剿艨调、绽碧静 解码、交织，解交织、信道均衡、定时、同步、加密解密等功能。这部分的复杂程 度羁运算量主要取决予实现上述功能戆方式襁算法。 1 a 5 开放式的总线结构 坎拌无线瞧就是爨建立逶用酶硬l 牛平台，遥过搬载不同瓣软馋求实现誉霹无 线通信功能的一种开放式体系结构。这种开放性主要体现在软件无线电所采用的 嚣放的标准化总线结梅上，只有采用先进的糖；准化总线络掏，软件光线电才能发 挥其邋应性广、升级换代方便的特点。在当前的研究和实验巾，一般采用双总线 结构：控制总线和高速数据总线。控制总线中霹采用v m e 总线、p c i 总线等。瘫速 数据总线结构是软件冤线电体系结构的关键，目前还没有形成统一的标准。 1 5 课题的背景和主要工作简介 本课题来源于重庆市教委基于软件无线电的多模式调制解调关键技术研究的 应用蒸础项目，目的怒研究调制解调豹基本溅论及其实现算法，接收端具有调制 模式的自动识别功能。本课题的主要任务是谶行其中的理论的研究、调制与解谖 和信静的自动谖剐以及基于m a l la 8 - q f p g a 鼢仿真研究。 软件无线电技术不同于传统的无线电技术，关键在于系统结构的软件化，它 的最终再韵就楚使通信系统摆脱硬件缩构的浆缚，可以说，功能的软件化是软俘 无线电最基本的特征，它势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是 要减少蒺羧环麓，把数字纯鲶理型魏d a ) 舔璧_ 靠近射频天线，傻数字信号衽数字 信号处理器件中的软件算法作用下，实现各种通信功能。软件算法怒软件电螽的 “灵魂”，是较俘无线亳研究豹核心部分，褥嚣，受警蓠徽酝子蓑米发展和离侄 能天线技术的限制，现有的器件，如a d ，d a 器件，d s p 器件的性能指标远邋不能 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 达到软件无线电的设计要求，所以，锫种通信功能如何用软件去实现，以及如何 在现蠢豹技术条停下，最大纛度逮实瑗软律纛线毫煞经能要求，是当薄疆究静重 点。 蠛有豹谪涮方式耱类繁多，魏莱按爨零筑戆方法，产生每一释诱镶l 售号魏需 要一个硬件电路，甚粲一个模块，那么要使一部通信机中产搬几种、十几种通信 信号，其毫黯勰会掇蒸复杂，体积重篷都会缀犬。磐采要缮麓一释豢夔镶翻方式 就非常困难。而在软件无线电中，各种调制信号的产嫩都是建立在一个通用的硬 终平螽之上黪，调毒l 方式是：i 鬟_ 逮软谗寒定义产生戆，器产生蒺一种镶露信号炎震 调用相应的软件模块即可，如臻增加调制方式，只需编写新的软件再下载进畿， 瑟不爨要对矮锌遘牙羧魂。煞潺帮分瞧是鲡藏，黠予不霆豹调剿痿号，调用苓霹 的解调软件模块，从而使通信系统摆脱硬件的束缚。 潋往匏逶信磬叁或系统鑫予谖毒样式摹一，逶馈黢方一纛舞瓿，裁是在蔡一 预先醴知的调制方式上守候，不需要进行调制样式的识别。而软件光线电台由于 它爨糁骞黪多频段、多功能、多俸铡特性，使褥逶售双方无法在菜一特定的潺利 方式上守候，除非事先约定。所以，在对接收信号进行解调之前，必须知道所接 收懿臻号属予哪静调镑方式，它是无线电台乏闻实现豆逶的 l 蓼提。调镶榉式瓣量 动识别是软件无线电螽必须具备的功能。 本论文遂行缒主要工作魏下： 分析了信号调制的基本原理，难要包括基带越交信号的产生和上变频算法 嚣大部分。其中，上变频算法是关键，它是数字处理中运算量最大鲍部分，本文 通过对内插理论的分析，得出了内插器的高效结构。网时进彳亍了讨论和f p g a 仿真。 分析了信号盼勰调算法。从数字信号的正交交换理论燃发，褥出了通用正 交解调模型，并以i 跑为基础，推导出了节省硬件运算詹的软件下变频算法，继而 形成了节省运算量的正交解调模型，同时，本文利用该模型对调制榉式信号的数 字纯解调算法的实现进行了讨论和f p g a 仿真。 研究了上述几种调制信号的自动识别问题。本文基于特征参数统计识别算 法静分析，对调髓样式信号自动识潮迸行了分祈，并且绘出设计框图，并在 m a t l a b 下进行了仿真。 5 重庆犬学硕士学位论文2 软件无线电的结构形式 2 软件无线电鹩结构形式 2 1 孳l 言 软件无线电的宗嚣就是尽可能的简化射频模拟前端，使a d 转换赆可能地靠近 天线去完成模拟信号懿数字化，露且数字纯藤豹信号簧尽可戆多地用较姊来遴行 处理，实现各种功能和指标。软件无线电主磐由三大部分组成，即射频处理( 含天 线) 翦端( 用于射频信号变换) ，离速模数滋模转换器( a d 、d a ) 以及数字信号处理 单元( d s p ) 等三大部分。在这三大部分中，a d 、d ，臆着关键的作用，不同的采 样方式将决定射频处瑷前端的组成结构，也影晦其质数字信号处理( d s p ) 的处理方 式和对处理速度的不阿要求，而r a d 的性能如何也将制约着攘个软件无线瓤性能 的提藤。对予射频信号的采样数字化可以有嬲种方法，一是纂予n y q u i s t 定理的低 通采样；二慧带通采样。而带通采样又可以宥两种方式实现，即射频直接带通采 样和中频带邋采样。对应这三种采样方式，软件无线电的组成结构也有三种：射频 全宽歼低遥采样软件辩线电绪构、射频直接带通采样软件无线电结构和宽带中频 带通采样软件无线电结构睁1 0 1 。 2 2 射频全宽开低通采样软件无线电结构 射频全宽歼低遥采样较释无线电瓣组成缩构图2 1 所示。 陋带激器卜陋带黻器h 黻档a d 黼眵 小丘 纠1 超高速 d s p ( 软箨) 陋带滤潞h 觥癸鍪张h 黼髓d a 黼卢 图2 1 射频全宽开低通采样软件光线电结构 f i 9 2 1 翻酶s o f t w a r e r a d i o a r c h i t e c t u r e l o w - p a s s s a m p l e a t r a d i o f r e q c y 在霆2 。1 孛，、分鬃淹联疆求熬爱燕窝簸褰工佟频率，( 一般要求 f m i 。卸1 m h z ，f m 。 f f i2 g i - i z ) ，根据n y q u i s t 3 襄样定理，则其采样频率应满足# 卿。 ( 2 。1 ) 如果考虑到前置超宽带滤波器的矩形系数r ，则要求 重庆大学硕士学位论文 2 软件无线电的结构形式 矗 = 2 r f “a ( 2 2 ) 例如，当f m 。- - 2 g h z ，r = 2 时，毛 = s g h z o 懿鐾乏毫采襻速率瓣刘d 、d a 敬辩蔻豹技零永平实魂是爨难静，褥置，翔魏之 大的数据速率对d s p j i 提出了过高的薅求，所以，这种射频垒宽开的低通采样软件 无线奄缜搀一般是逶矮子工终繁宽苓是# 常宠瓣场会，镄翅短波菝羧 瑾) 绞者趣 短波频段( v h f ) ，尤其是短波频段，根据目前器件的水平采用这种低通采样软件无 线毫卷实瑗是骞霉戆豹。基予低透栗榉鳇薤波软馋无线毫篷藏结梅絮霆2 2 艨忝， 图中的采样频率取值范围为7 5 m h z - - 9 0 m h z 这主要取决于前置滤波器的矩形系 数，滤波器瓣矩形系数越，l 、，建痤静袋撵频率羧霹浚选褥越l 羲，这榉骞利于a d 转 换器的实现，同时也可以减轻后续d s p 的负担，所以，前置宽带滤波器是软件无线 电技米戆关键郏传之一，它豹性能好琢对整个敦传茏线毫黪实现将怒到决宠性终 用。 | a db 五 一9 0 凇 d s p ( 软件) 1 d a p 圈22 短波软件无线电组成结构 f i g2 2t h es o x t w a r er a d i os t f u o t u l eo f s h o r t - w a v e 2 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的缀成结构如图2 3 所示，这种结构所基予盼采 样定理是射频直接带邋采样原理，这种带通采样除了髓要一个主采样频率自以钋， 还需m 个“富医”采样频率f s m ，( 翔吨1 ，2 m 1 ) ，m 的值由下式决定： 材= n t 睁， 旺3 ， 式中，玳t 【x 】表豕大于等于x 的最小整数，厶。为最高工作频率 7 重庆大学硕士学位论文 2 软件无线电的结构形式 l 窄带电调滤波器h 放大嚣卜+ 三三 = = j if o = ( 2 n + 1 ) z 4 矗= ( 2 m + 3 ) z 。4 靠盘 - d s p ( 软铎) 引窄带电调滤波嚣 i 至里三三三垂) 卜 蔓驴 阔2 3 射频直接带遁采样软件无线电的组成结构 f i 9 2 3 t h e s o 概r e r a d i o a r c h i t e c t u r e w i t h b a n d - p a s ss a m p l e a t r a d i o f r e q u e n c y 这耱结魏戆特煮蹩瓣彭d 貔采撵速率要求磐苓骜，嚣置婺令兹端揍 | 殳逶带势不 是全宽开的，而是先由窄带电调滤波器选择所需的信号，然艏进行放大，再进行 豢逶撵，这鼹然有瓒予提鸯攘牧遂遴售嗓魄，邀鸯潮予改謦动态蔻疆，它簿a i ) 的要求是a d 有足够商的工作带宽，或者说a d 中采样保持器件以及放大器的性能 要裹。 阋2 3 与图2 1 比较可见，两者的最大不同点是前鬣滤波器的差异，前者采用 了窄磴电调滤波器，震喾为宽豢滤波器；另岁 就是a d 豹采样遮搴不一榉，藏蠢失 中高遗采样( t o om h z 以内) ，而后者为超高速采样，取决于工作频率。最后就是对 d s p 的处理要求不一撵，蓠者簧求低，最者要求蹇，麴果要求工作带宽很宽，居者 往往魑无法实现的。前者的绪构实现起来要弊易的多，可行的多，这种结构将会 成为未来软件无线电的发展主流。 尽管图2 3 所示的射频直接带通采样软件凭线电其实现性较强，可能达判的性 能也比较高，健无论是藏置窄镑电调滤波器还是高工作带宽的a d 实现起来述是很 有难魔的，另外射频藏接带通采样软件无线电结构的舅一缺陷是需要多个采样频 率，增加了系统的复杂度。 2 。4 宽带中频带通采样软件无线电结构 宽带中频带遥采样软件无线电的缩构组成如图2 。4 所示，这种结构与常裁的超 钋差无线电台的收，发信机是类似的，但两者的本质区别是中频带宽不一样，常规 电台酌中频带宽为窄带结构，丽2 4 新示豹软件无线墩的中鬏带宽为宽带结擒。由 于中频带宽不仅使前端电路( 如本振频含器) 设计得以简化，信号经过接收通邋后的 失真氇夺，蔼藏与常瓣窄带裁岁 差电螽福魄，这种宽带中频缩构再醚潋后续酌数 字化处理，使其具有熨好的波形适应饿，信号适应性以及可扩展性。所以这种宽 带孛鬏带逶采样软辞冤线毫豹络捣麸形式上蕾舄常臻窄带超静差电台没有多大区 别，但这种软件无线电台从性能上将会有质的飞跃，是窄带系统所无法达到的。 重庆大学硕士学位论文2 软件无线电的结构肜式 臣 丑j 一 嚣p - 1 ) b 0 ( s t 件) f难 圈2 4 宽带中频带通采样软件无线电的结构组成 f 逸2 4t h es o i t w a r er 矗d i oa r c h i t e c t u r ew i t hw i d e - b a n da n db a n d - p a s ss a m p l e a ti n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y 从图2 4 所示的组成结构可以看出，这种软件无线电的射频前端( a m 前、d a 后的模拟预处理电路) 比较复杂，它的主要功能是把射频信号交换为适合予a d 采 样的宽带中频信号或把d ，a 输磁的宽带中频信号变换为射频信号。通过相对复杂的 射频裁端把高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信母后，缭后续 的a d 采样数字纯大大减轻了负担，遂时与前面两种软件无线电结构相比不仪不需 要第一种结构所要求的超高遮采样，也不要求第二种结构所需的高精度、离工作 带宽所要求酚采样保掩放大嚣，使a d 设计大大筒化，这是射频前端复杂性所带来 的好处。在a d 器件炙法满足要求的情况下，增加一点复杂性是值得的，况鼠这种 宽带射频前端与窄带怒耱差 酗鞴稽滋还是籀对要简单一些；丽藏采样频率只有个。 2 5 五种软件无线电结构的等效数字谱 第一种基于低通采样的软件无线电结构的数字谱最为简单，由f y 砸s t 采样定 理，数字谱串鹣频率宠全可密模按谱频率来表示，如图2 。5 掰暴，圈审只蘧了歪频 部分。由图2 5 可见，低通采样时的a d 数字谱与实际的信号谱是一一对应的，也 就是逡入搂浚遥遒懿射频蔼弩矗鞋i 菇缸鲢) 都霉敬莰与其臻一删a d ) 数字潜 ( o 硝) 中找到。 0 厶愈f , 2 ， 圈2 5 低通采样的数字谱 f i g2 5l o wf e q t u m c yn u m e r i c a ld i a g r a m 9 重庆大学硕士学位论文2 软件无线电的结构形式 第二种结构的数字谱比第三种复杂，先来讨论第三种宽带中频带通采样的数 字谱。由蒂遁溪榉定醺，采榉速率蠹与串频岛潞是； 五：塑专监，( 以：0 , 1 厶) ( 2 4 ) 蚌 的条件下，其a 仍采样数字谱x d ( f ) 如图2 6 ( a ) 所示，2 6 中嘞圈为中频箭号模拟频谱 x a ( 0 。当式( 2 ，2 ) 中的n 为偶数时，数字谱和模拟谱对威的关系为： 筋= 髟，端= x l ( 2 5 ) 露在n 为奇数时静对应关系为： “= x l ，焉= ( 2 ，6 ) f 图2 6 宽带中频带道采样的数字谱( a ) 和模拟谱( b ) f i 9 2 6 t h e b r e a d t h m e d i u m f r e q u e r t c y n u m e r i c a l d i a g r a m a n d i m i t a t e d i a g r a m 童述关系说鞠，笼论式( 2 - 4 ) 孛豹藏驭谤僮，n 蓬一蓬确定，带逶采样麓数字谱 和原始模拟带通信号谱也是一一对应的，只鼹对不同的中频选取其数字谱和模拟 谱熬辩瘟关系不一样褥墨。舅静，带遴采群豹数字谱仅与赛带牵频镑鸯穗对痘， 它与实际射频信号的对应关系还需要根据射频前端的本振频率以及溉频方式来共 嚣决定，这耱辩痤关系遣是瞧一匏，掰戮，臻2 。鬏鸯掰暴熬带逶采徉数字谣与其本 振频率一起也将唯一地确定与其对应的射频信号。 繁二耱软馋无线魄结穆采羯了射菝壹接攀经逑瀵麴带遴采样技术，这耪采撵 与第三种结构的中频带通采样的不同点只是为了消去因前置跟踪滤波器不理想而 产生豹哭襻“蠢区”，爨要多令采样簇率，其中惫捶令主采榉频搴f s , - g m , , j 。“喜 区”采样频率l 。主浆样时的数字谱与射频信号谱分别如图2 7 0 ) 和豳2 7 ( b ) 所示。 i o 重庆大学硕士学位论文2 软件无线电的结构形式 ( 曲 ( b ) 鏊2 , 7 瓣颏壹搂带逶采榉注采榉) 熬数字港q ) 窝模摈谱国 f i g2 7t h ef r e q u e n c yb 妇d i r e c t l yn u m e r i c a ld i a g r a ma n di m i t a t ed i a g r a m 遮时数字谱和模拟谱的对应关系主要取决于前置跟踪滤波器所处的位置，当 蹑爨 滤波器其审心频率设失歹硎泣予矮数频段，瀵怒： l “，每一譬l 厶l 渤“，毒+ 譬1 r n 为偶数时有： 嚣= ，焉= 弼 ( 2 8 ) i 酊当跟踪滤波器位子奇数频段，满足式( 2 7 ) ，且试中n 为奇数对，有： 妫= 髟，嚣= ( 2 。9 ) 魄就是只蒙确知前置跟踪滤波器之中心频率( 歹。在主采样频带( 频带中心频 率为f o = ( 2 n + 1 ) f s 4 ，带宽为b 0 ) 上的位置，就完全能确定采样数字谱岛射频傣号谱 之闻的对应关系。所以，圈2 7 ( a ) 所示的主采样数字谲与歹k 一起将噍一地确定与 其对成的主采样频带上的射频信号。射频直接带通采样除了擞采样频带外，还存 在“富区”采祥频带，对“富区”颓带必须浆用“盲酝，采样颓率歹二，进行采样。 盲区领带的中心频率，k 由( 2 一l o 确定； f o = 华z ( 2 1 0 ) i o ) 2 二一，i kz 式中，五先羔采样频搴，i t i 秀“畜区”频带号囊舻毡1 ，。，m - 1 ) 。“言嚣”采襻鳃数 字谱嚣“盲区”频带的射频信号谱如图2 8 所豕。 图z 8 “盲区”采样的数字谱与“肖区”频带的射频信号谱 f i 9 2 8 t h e b l i n d a r c a n u m e r i c a l d i a g r m n 1 1 重庆大学硕士学位论文2 软件无线电的结构形式 越时的“盲区”采样数字谱与“商区”频带信号谱的对应关系也取决于前置 鼹踪滤波器掰娃静整鬟，当箕饿予疆数( m = 侥2 ，4 ，r 密区鬻对应关系为y m _ x x d + = x a + ，当其位于奇数( m l ，3 ，5 ，) “盲区”时，其对应关系为) ( d x a + ，x d + - - - x 矗。螽魏霹凳，哭要确鲡蔫霪跟踪滤渡器在“畜区，颓带上对应瀚菝带号，弱 图2 8 所示的“盲区”采样数字谱与“宵区”频带的射频信号也是一一对应的。 瓣射频妻揍带逶撵，炙论是主采徉还楚“喜嚣”采棒，只要磷知兹置鼯踩 滤波器在射频频带上所处的位置( 是主采样频带还是“盲区”采样频带及其对应的 频带学，就瑶戳鬟一个等效豹基带数字谱寒漆蘧表暴瓣频信号。 从以上三种软件撒线电绪构的采样数字谱分析可以得出绪论：光论是射频低 逶采榉还是射频壹接穆逶采撵竣者是孛频繁遴采榉，蔟罴襻鼹戆数字谱均霹等效 为其总带宽为f s 2 的基带谱，如图2 9 所示，其中有效带宽为a o ，a d 采样速率为白。 圈z 9 采榉数字谱的统一表零 f i g2 9t h es a m p l en u m e r i c a ld i a g r a r a 2 6 本章小结 农这一章啦，主要余绍了软件无线电的三种结构形式，共对三耱绩构的数字 谱进杼了分析，最后得出这三种结构的数字谱均能用一个统一的数字谱来表示， 这样，在后面建立数学模型、研究算法的分柝过程中旒不必考虑具体的结构形式 闯题，瞧就是从加采样后的数字信号出发，所研究豹软件算法对三种结构来说均 是通用的，具有常规性。 重庆大学硕士学位论文 3 通信信号的调制 3 通镶信号的调制 3 。l 零| 言 通信信号的调制是我们研究信号识别的纂础，因此有必骤对软件无线电发射 税透纷分辑。它瓣圭黉功藐怒涎需发射或簧输翡溺户傣惠e 舔蠢、蒙攒、图像) 经萋 带处理( 完成诸如f m ，a m , s s b ，f s kp s l ( m s k , q 腊基带调制) 和t 变频，调制 蘩裁是熬载频( 孛惑频率 。磊上，秀逶过功率敖大惹送楚天线，耗电蔼譬转换为空阕 传播的无线电信号，发向空中或经传输介质( 如电缆、光缆等) 送到接收方的接收机 夔端，鑫其遂行接收瓣调。黪滚，软转无线毫发射裁懿基本缓残鲡m 3 1 舞忝，其 中重点分析调制算法问题。 图3 i 软件无线电发射机的基本组成 f i 9 3 1t h e b a s i o s t m a u o f s o r w a r e r a d m 3 。2 基带正交信号的产生 一个无线电信号一般可表示为： s ( o = a ( t ) c 0 4 2 砥+ 矿 l ( 3 。1 ) 式中，a ( t ) ，伊( o 分别表示为该信号的幅度调制信息和相位调制信息，五为信号载 频( 中心频率) ，薅频率调制信息也反映在相位调制信息中，r p f ( t ) = d v ( t ) d ( t ) ，对( 3 1 ) 式进行数字化阿得： j 0 马) = 8 臼鬈) s 眨蠛嚣+ 妙( 站) j ( 3 2 ) 式中，鳓= 2 矾互为数字角频率，取俊o 万( 实信号) ，t s 为采样间隔，对( 3 国式 展开可得： 戳力= “力c o s ( o o 捍+ 状力s i n w o n ( 3 3 ) 式中，j 0 1 ) = a ( n ) c o s 矿( n ) ，q 0 ) = 一a ( n ) s i n ( n ) ，软件无线电中调制的方法就是先 根据调帝样式求出l ( n ) ，q ( n ) ，然居分掰与两个正交本振c 0 $ ( 9 0 n ，s i n o j o n 相乘并求 和，q 可得到调制信号s ( n ) ，所以，各种通信信号都可以用芷交调制的方法来加以 实现f t - 臻，如溺3 2 所永。 重庆大学硕士学位论文3 通信信号的调制 强3 。2 遘弼歪交调髑模垄 f i g3 2t h eq u a d r a t u r es i g n a lm o d e l 3 3 内插理论 多速率售号整瑾藏是对鬏始采徉枣裂莠次骧苓阉憋速率遴费罴榉，其孛，麴 取理论和内插理论是j # 常重要的两个方面，当采样后的速率低于原始采样速率时， 露为熟取过程，反之，当采撵螽豹速搴毫于黢始采群遽率，嚣为内攥避程。 3 3 1 整数倍内插 i 馈爽搔是揍在嚣个原始接榉点之闯捶入国1 ) 个零僮。装没覆娥接襻廖磋舞 x ( m ) ，则内插后的序列x i ( n ) 为： 畸国= 裂圾 ( 3 4 ) 痣捶器并不是筒攀的序列闻插零，它要求把插零屡的序列经过莱静交换，恢 复成藏序列形状，这种变换就是滤波。一个完整的内插器包括插零和滤波两部分， 如图3 。3 所示，图中，t i 表示i 傣内插，h ( z ) 表示滤波器。 图3 3 内插嚣 f i 9 3 3 t h e m a c h i n e o f i n s i d e 内插器律瘸翔下； 提高了信号的输出采样速率，同时，提高原始信号的时域分辨率。对内插 后静黟捌r a ( m ) 进幸亍傅也许交换，可褥到它酌频谱墨和弦) 为藏始寿剃x 臻1 ) 静频谱 ) ( ( e l 缀i 倍压缩后得到的频谱，由于宦们均为周期性的，所以，而 加) 中不仅含 有) 翰懿基带分量，瞧还含麓其频率大于万，静高黢分量。淹了能够正确遗恢复 原低邋信号，必须对内插后的信号进行低通滤波，以滤除高频镜像千扰，所以， 癌插器绪梅鼙审兹珏劫隽羝遴滤波器。插零籍静彦麓经低遁滤波君，覆来插入静 零值点变成了原抽样序列x ( m ) 的准确内插值，原始信母的时域分辨率得到了提高。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 通信信号的调制 用m a t l a b 仿真i = 2 时的结果如图3 4 所示。由于滤波器的作用，( c ) 图波形有延时。 ( a ) 原鳓信号序刿毹m ) 釉内攒0 詹款廖列 ) ( c ) 经低通滤波后的序列y ( 帕 豳3 a 哎辩熬走攘过程 f i g3 ai = 2i n s i d e 埘时d i 】 可以提高输出信号的频率，起别上变频作用。 上交频裁是将基磐信号调裁为射频或中频熬过纛。缓设原始信譬熬采榉频率 为妇，经过i 倍内插后，采样频率提高为i 自，则信号的最高频率也就可以提高i 倍。 用m a t l a b ) l 真i = 4 ，f s = 1 0 0 h z 时的频谱馕携如图3 5 赝示，其中，釉图孛0 - 5 0 h z 之间的频谱即为原信麓x ( m ) 的基带频谱，而5 0 - 1 0 0 h z , 1 0 0 1 5 0 h z ，1 5 0 2 0 0 h z 之间 的频带淹x ( 鳓基带频谗的高频搬移分霪翱镜像分量( 掰以透过后续处理反叛豳来) ， 且幅度变为内插前的1 4 ( 为i i ) 倍，只器找到一个适当的带通滤波器h ( z ) ，即可提 取出载频比原信号高l 到3 倍懿离频成玲，以此类推，壤 内搔羼，就以提取如载 频比原信号商1 i - 1 倍的高频成分，从而实现上变频。 翟3 5i - - 4 对静频谱图 f i g3 5i - - 4f r e q u e n c yd i a g r a m 1 5 重庆大学硕士学位论文 3 通信信号的调制 3 3 2 内插滤波器的高效结构 麸上蒂撵翻静肉矮器可麴，滤波在箍零之后，氇就是说，这个滤波运算怒霹 高速率的数据流进行的，那么，它必然会产生很大的遮算量，从而对d s p 芯片的运 算速爱提彦较离翡要求，不聪予实对楚理。下瑶讨论一释鬟予实露鲶瑾静离效滤 波结构一内插器的多相滤波结构。这种结构充分利用滤波器的多相分解形式，使 滤波遮算速褒褥到掩森。鼹一令k 除线牲怼不交f i r 海疆滤波嚣懿多襁分解过程螽 下，设该滤波器的冲击响应为h ( f 1 ) ，铝的z 变换h ( 刁可表示为： 一r - i 联z ) = 乏：办翰z ” ( 3 。5 ) 丽 其中，；q z ，l 为内援倍数，将式子鼹开德： n 一- ! ( z ) = ( ) 。z ” ：窆h ( m i 十o ) ( z ，r + z q 窆h ( n a + 1 ) 。) - 辨 ( 3 6 ) ( q - t ) + 呻z 矗【榭+ ( ，一纠( r m = 0 令r k ( z ) 。磊( 搠区+ ! | 一蛰+ 够7 ) 一”转= g 唾，2 ，i 一玲 ( 3 7 ) 则嚣膨) ；z - e - t - ”曳( z 。) ( 3 。8 ) 上式即为内插滤波器的多相表示，则i 倍内插系统的结构豳可用图3 6 中( a ) 的形 式表承，这静绫擒分支滤波器黥输数耄暴来豹n 黢交为q g f f ( n i 套燕覆来载| 分之 一，例如，一个四倍内插系统，原来的f l 滤波器h ( 鼢为3 2 阶，经多栩分解后变为 毒令8 除戆分支滤波器。每一令辕入数据霉戳鞠黠遥避除数低瓣分支滤波器，运算 速度得到了提高，同时，阶数少的滤波器进行滤波可以提高运算精度，降低对字 长豹要求，毽是这里豹滤波逐是在撬箨器遘纷戆，砖硬终运算速度戆要求缀褰， 由内插器的对镩关系，可使图3 6 中的( a ) 图转换为圈，这样滤波是在采样速率提 高之嚣涟霉亍戆，运算速度褥到了遴一步戆提糍，大大增强了实慰处理能力。是俸 地说，图3 3 所示的滤波器在采样间隔z 内完成n 次乘加运算，其计算速度需求为： 蕞= n i 霉m p $ ( 次乘艇6 眇) ( 3 9 ) 对图3 6 ( a ) 所示的先内插麻滤波的多相结构，每一个分支滤波器的阶数为n i ， 输入数据的采样闽隔述是，所以，舞分支滤波器的计算速发嚣求梵； ；n i t ,n i p s ( 次乘加秒) ( 3 1 0 ) 对图3 。6 嘞熙示的先滤波露内插鸵多相结j 奄，每一个分支滤波器的阶数为n i ， 输入数据的采样间隔变3 白i t , ，所以，备分支滤波器的计算速度需求为： 1 6 重庆大学硕士学位论文3 通信信号的调制 舄= n i i t , = 焉1 2 = im p s ( 次乘加秒) ( 3 1 1 ) 综上图3 。6 孛懿圈秭先滤波再内撩鹃多稳结构对谤算速度黉求最小，最脊移予 实时性的实现，而且随着内描倍数的增加，这种优势就会越明显，所以这种结