（电子科学与技术专业论文）基于dsp的无线通信实验系统的设计与开发.pdf

a b s t r a c t s i n c ee n t e r i n gt h e21s tc e n t u r y ，p e o p l ec o n t i n u et op u r s u eh i g h e rc o m m u n i c a t i o n q u a l i t ya n dm o r er i c hc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y i sm o v i n gf o r w a r da ta nu n p r e c e d e n t e ds p e e d h o w e v e r ，s t u d e n t so fc o l l e g e ss t a yo n l y a tt h es u r f a c ef o rt h eu n d e r s t a n d i n go fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，b e c a u s eo ft h el a c k o fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so ro t h e rr e a s o n s ，i t si n t e r n a l c o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sc a no n l ys t a yi nt h et e x t b o o k s t oa d d r e s st h i s s i t u a t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n sa no p e na n dm o d u l a rh a r d w a r es y s t e m ，t h ec o m p l e x a l g o r i t h mp r o c e s sw i l lb es e p a r a t e di n t ot h ev a r i o u se x p e r i m e n t s s ot h a ts t u d e n t sc a n o b s e r v et h ei n t u i t i v ep r o c e s sa n dt h er e s u l ti no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ek n o w l e d g eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s b a s e do nt h ea b o v ei d e a s ，a n da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nl a b o r a t o r y b u i l d i n g ，t h ep a p e rd e s i g n saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n e x p e r i m e n t ss y s t e mb a s e do nd s p t h i ss y s t e mi sd i v i d e di n t o d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gp a r ta n dc o n t r o lp a r t ，d s pa sac o r eo ft h ed i g i t a ls i g n a lp a r tc o m p l e t e st h e a l g o r i t h mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，m c ua sac o r eo ft h ec o n t r o lp a r tc o m p l e t e s t h ei n t e g r a t e dc o n t r o lf u n c t i o n s t h ee x t e r n a lc i r c u i te x t e n d st h ec p l d ，p c m ，r f ， l c dm o d u l e s c p l dm o d u l e c o m p l e t e st h e a d d r e s s e sd i s t r i b u t i o na n dc l o c k f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n ，p c mv o i c em o d u l ec o m p l e t e sa n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r s i o n s i g n a l s ，r fm o d u l ec o m p l e t e sw i r e l e s sd a t at r a n s c e i v e ra n dr e c e i v e r ，l c dm o d u l e s c o m p l e t e st h ec h o i c eo fe x p e r i m e n t a ld a t a s 、t h ei n t r o d u c t i o no fe x p e r i m e n tc o n t e n t s t h ed i s p l a yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，a n dt h eo v e r a l le x p e r i m e n t a ls y s t e md e b u g g i n g o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e r g i v e st h ee x p e r i m e n t so ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ev o i c ec o m m u n i c a t i o n ， t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e a n dt h ec o n c l u s i o ni s r i g h t t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n e x p e r i m e n t ss y s t e m b a s e do n d s pm e e t s t h e r e q u i r e m e n t so fc o l l e g e so nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t ，a n di su s e dt o t h em a r k e tb yal a r g en u m b e ro fu s e r s k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t ss y s t e m ；d s p ；m c u ；c p l d ；r f i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 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： 唧枷日期：) 叩年r 月西日 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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密四。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 疡 日期：伽，年s 月“日 日期： 如。| 年，月“日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无线通信的研究现状和发展趋势 在通信领域中，无线通信无疑是所有通信方式中发展最迅速的通信方式。从 有线通信到无线通信的跨越，标志着人类社会的通信技术进入了一个更具有挑战 性的阶段。无线通信技术给人们的生活带来了便利、快捷，也为整个社会的生产 力的提高做出了不可磨灭的贡献 目前，无线和移动通信技术的发展正处于前所未有的关键阶段。在固定无线 接入网方面，以i e e e8 0 2 1l 系列为代表的无线局域网l l l ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w l a n ) 正逐渐商用，家庭网络t 2 1 ( h o m e n e t w o r k ) 和无线个人局域网 t 3 1 ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 的关键技术和标准也在研发中，一些无 线应用的数据速率已经可达到几十兆比特每秒。在个人移动通信方面，个人用户 对数据传输速率和多种无线业务的需求也在不断增加，除了传统的移动语音业务 之外，人们期望能以较低的价格和更高的数据速率获取i n t e r n e t 接入服务和多媒体 服务。此外，以g s m ( g l o b a ls y s t e mo fm o b i l e ) 为代表的第二代蜂窝移动通信系统 频谱利用率较低，可利用的无线频谱资源又趋于紧张，移动通信运营商在系统容 量、网络覆盖、运营成本等方面出现了一些新的问题和矛盾，导致运营商之间的 竞争日益加剧【4 j 。 手机的迅速普及驱动通信向个人化方向发展，互联网用户数以翻番的速度膨 胀又带来了移动数据通信的发展机遇。特别是移动多媒体和高速数据业务的迅速 发展，迫切需要设计和建设一种新的网络以提供更宽的工作频带、支持更加灵活 的多种类业务( 高速率数据、多媒体及对称或非对称业务等) ，并使移动终端能够在 不同的网络间进行漫游。市场的驱动促使第三代移动通信系e 究( 3 g ) t 5 6 1 的概念应运 而生。第三代移动通信系统由卫星移动通信网和地面移动通信网所组成，将形成 一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区各种用户密度，支持 高速移动环境，提供持话音、数据和多媒体等多种业务( 最高速率可达2 m b p s ) 的先 进移动通信网，基本实现个人通信的要求。 为了满足更高的数据传输速率和更优质的通信质量的需求，近年来一些学者 提出了未来移动通信系统的新构想第四代( 4 g ) 移动通信系统的概念。目前许 多著名通信公司已经投入大量资金开展4 g 移动通信系统的研究。其中，日本n t t d o c o m o 公司早在1 9 9 7 年就已经启动下一代移动通信系统的开发研究工作，并于 2 0 0 1 年6 月间向国际电信联盟( i t u ) 提交了有关建议；欧洲的b r a i n 计划，该计 划是英国电信、法国电信、诺基亚、爱立信、西门子、伦敦大学国王学院等合作 进行的。另外，我国科技部8 6 3 高科技通信课题也将下一代移动通信系统列为重 基于d s p 的无线通信实验系统的设计与开发 要的研究课题。第四代移动通信系统具有以下特点【7 ，8 】：高速率，在低速移动和固 定情况下速率可达1 0 0 m b p s ，在高速移动情况下速率达2 0 m b p s ：高系统容量， 容量要达到3 g 系统的5 1 0 倍，传输质量基本上要优于3 g 系统；高覆盖范围， 小区覆盖范围要大于3 g 系统；支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、 会议电视等业务；高的通信质量、低的网络成本以及与固定网、专业网的无缝连 接。 随着人们生活水平的日益提高，人们希望无线通信系统能够提供更加丰富的 业务，例如互联网接入、图像传送、视频点播、数据互传、实时电视节目等数据 或多媒体业务。对于运营商来说，则更希望新一代的通信系统能够更易于加载各 类新业务及融合新技术，而无需频繁地进行系统结构和设备的变动。对无线通信 应用需求的持续增长将直接推动着无线通信的发展和无线通信新技术的诞生。 1 2d s p 技术的发展现状和趋势 随着信息技术革命和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已发展成一 门关键的技术。d s p 芯片的出现为数字信号处理算法的实现提供了可能。这一方 面极大地促进了数字信号处理技术的进一步发展；另一方面，也使数字信号处理 领域得到了极大的拓展。 2 0 世纪6 0 年代以前，数字信号处理技术是一门应用十分狭窄的技术，只能 应用在导弹和语音识别等有限的几种系统中。6 0 年代中期快速傅立叶算法的出现 和大规模集成电路的发展，奠定了硬件完成数字信号处理算法和数字信号处理理 论实用化的重要技术基础【9 j 。 d s p 期间的发展分为三个阶段【10 】： 第一阶段( 1 9 8 0 年前后) ，d s p 雏形阶段。开始出现脱离单片机结构的d s p 芯 片，但在运算速度、数据处理能力、运算精度方面有很大的局限。这个时期的d s p 期间运算速度大约为单指令周期2 0 0 n s - - 2 5 0 n s 。这个阶段具有代表性的期间有： i n t e l 2 9 2 0 、( n e c ) u p d 7 7 2 0 、( t i ) t m s 3 2 0 10 、( a m i ) s 2 81 1 、( a t & t ) d s p16 、 ( a d ) a d s p 2 1 。其中t i 的t m s 3 2 0 1 0 采用改进的哈佛结构，这种结构允许数据在 程序存储空间和数据存储空间之间传输，大大提高了运行速度和编程的灵活性。 第二阶段( 1 9 9 0 年前后) ，d s p 成熟阶段。这个时期许多国际上著名的集成电 路生产商都相继推出了自己的d s p 器件。如t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 系列，m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 、9 6 0 0 系列，a t & t 的d s p 3 2 等。这个时期的d s p 器件在硬件上更适合数字信号处理的要求，如硬件乘法器、硬件f f t 、单指令滤 波处理等，这个时期的d s p 处理速度达到了每个指令周期8 0 n s - - l o o n s 。但在编 程灵活性、软件调试、功耗、外部通信功能等方面还不够理想。 第三阶段( 2 0 0 0 年至今) ，d s p 完善阶段。这个时期各d s p 生产厂家不仅使 硕十学位论文 d s p 的数字信号处理功能更加完善，而且在系统开发的方便性、编程调试的灵活 性、降低功耗等方面作了许多工作。尤其是各种通用外设集成到芯片上，不仅提 高了数字信号的处理能力，而且为d s p 器件的通用化带来了极大的方便。这个时 期的d s p 芯片处理速度达到了单指令周期1 0 n s 左右，可以在w i n d o w s 环境下直 接用c 语言编程，使用灵活方便。在性能和使用方便性提高的同时，价格也在不 断下降。所以，d s p 的应用变得十分普及。 自d s p 芯片问世以来，它已经带来了决定数字技术未来的突破性应用。现在 d s p 在无线通信、语音识别、音频视频、生物医学、航空航天等领域都得到了广 泛的应用。d s p 已经成为促进计算机、消费类产品和通信产品融合的催化剂。今 后，d s p 将会发挥更大的作用。 1 3 本课题的研究背景和意义 目前国内已有的无线通信实验系统的主要采用以下几种模式：一是利用无绳 电话作为无线通信的收发机，然后进行最基本的q p s k 调制解调、g o l d 码的编 译码等实验；二是利用采购的无线模块结合基本的算法单元进行实验。， 考虑现有的实验系统，几乎没有采用d s p 处理器作为主芯片设计的，尽管各 有各的特点，但是普遍缺乏算法观察的内容，实验者只能看到经过处理后的实验 结果，而不知道处理过程，也就无法分析结果的产生原理，同时也意味着实验属。一， 于纯验证性实验，不具备开发性和灵活性。要超越现有的实验系统，就应该在综 合性、开放性、开发性上做文章，设计思路应该尽量保证系统的灵活性，让实验 者可以调整的参数更多，可以使用的范围更广。 本课题是与达盛科技公司合作，针对目前高校无线通信实验室的建设而开发 的新一代产品。根据对高校无线通信实验室的调查反馈，提出了一种可以反映当 前最新信息技术的实验平台，以满足培养动手能力强、理论水平高、开发能力强 的高校学生的要求，顺应当前高校无线通信实验室的建设思路。针对这一思路， 我们利用d s p 的高速数字信号处理能力和m c u 高效的辅助控制功能，设计了一套 可以满足高校应用的无线通信实验系统，既可以反映当前电子通信领域的热门技 术，又可以作为专用、通用和开发性的实验系统。实验者不但可以在实验系统上 完成相关的实验，学习到无线通信方面的知识，同时也可以在此系统上进行二次 开发，完成自己的设计，加深对无线通信知识的理解。 1 4 本论文的主要内容 本实验系统是一套无线通信实验系统，根据无线通信不同的制式可以完成相 关的算法实验。本论文完成的工作包括：硬件电路设计、功能模块软件设计、实 验系统调试与实验程序开发等。 基于d s p 的无线通信实验系统的设计j 开发 本论文主要内容包括： 第1 章：绪论。综述了无线通信和d s p 的发展现状，课题的研究背景与意义。 第2 章：无线通信实验系统的理论基础。主要介绍了无线通信实验系统的原理 和关键技术。 第3 章：无线通信实验系统的总体设计。给出了系统设计要求及方案、各个功 能模块的介绍与重要芯片的选型。 第4 章：无线通信实验系统功能模块的设计。对实验系统中各个功能模块硬件 设计与调试进行了详细的介绍。 第5 章：无线通信实验系统的软件设计。结合硬件电路详细介绍了各个功能模 块的软件设计与调试。 第6 章：系统的整体调试与实验软件设计。介绍了如何调试整个实验系统，同 时对实验部分的软件设计进行了简单介绍。 总结和展望中对本实验系统的局限和缺点进行了总结，提出下一步所需要做 的工作。 硕十学位论文 第2 章无线通信实验系统的理论基础 无线通信实验系统主要完成各种制式的无线通信过程中所涉及到的算法的实 现。无线通信汇集了目前最尖端的技术，然而其理论基础仍然是通信原理中的基 本原理，本章将介绍无线通信实验系统的基本原理及关键技术。 2 1 无线通信系统基本原理 2 2 1 无线通信系统模型 无线通信系统是指完成无线通信这一过程的全部设备和传输媒介，一般可以 概括为图2 1 【1 1 1 。 消息 图2 1 无线通信系统模型 图2 1 中，信源的作用是产生信息。在无线通信中，信息主要包括语音信息和 数据信息。信息带有需要发送给收信者的信息。因此，信息是以载荷信息的有次 序的符号序列或连续的时间函数。 上图就是对无线通信系统的简单概括，发信机的作用是将信息转换为适于信 道中传输的信号，信息转换为信号一般要经过三个步骤，即变换，编码和调制【。 收信机的作用与发信机相反，用来完成解调、解码等任务，已将信号转换为信息。 信道是指将信号有发信机传输到收信机的媒介或途径，这里是指无线信道。 2 1 2 信息与信道 信息的概念有很多种说法，而在通信中，把文字，语言，数据等看成是“消 息 的“集合。这些消息集合具有一定的统计特性和概率特性。因而将以信息 定义为对消息的统计特性的一种定量描述，即当人们得到消息之前，对它的内容 有一种“不确定性 。信息就是对这种不确定性的定量描述。当人们得到消息后， 若事前认为消息中所描述时间发生的可能性越小，就认为这个消息带给他的信息 量越大。可见，信息的量值必然与消息所代表事件的随机性或事件发生的概率有 基于d s p 的无线通信实验系统的设计j 开发 关。从这点出发，信息论利用统计学概念对信息提出了一个度量方法，把度量信 息量的物理量称为信息量，也称信息。 设信息所代表的事件出现的概率为p ( x ) ，则该信息所含有的信息量【l 2 j ： 1 i = l o g 。去= - l o g 。p ( x ) ( 2 1 ) r l 工j 除了各个信息所含有的信息量外，实际上信源总是由若干个可能发生的信息 所组成。设有n 个消息，概率分别为p l ( x ) 、p 2 ( x ) 、p 3 ( x ) 、p n ( x ) ，那么可 以证明每一个消息的平均信息量【1 2 j ： 打 h = 一p j ( x ) l 0 9 2 只( x ) ( 2 2 ) i = l 在信息论中，称它为信源的熵。 信道是信号在通信系统中传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过 的传输媒质。广义的信道定义除了包括传输媒质，还包括传输信号的相关设备。 广义上信道按照其功能进行划分，可以分为调制信道和编码信道两类。 调制信道是指信号从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分。对 于调制和解调的研究者来说，信号在调制信道上经过的传输媒质和变换设备都对 信号做出了某种形式的变换，研究者只关心这些变换的输入和输出的关系，并不 关心实现这一系列变换的具体物理过程。 编码信道是指数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分。对 于编译码的研究者来说，编码器输出的数字序列经过编码信道上的一系列变换之 后，在译码器的输入端成为另一组数字序列，研究者只关心这两组数字序列之间 的变换关系，而并不关心这一系列变换发生的具体物理过程，甚至并不关心信号 在调制信道上的具体变化。 信道是传输信息的通道，信道容量描述了信道无差错地传输信息的最大能力， 可以用来衡量信道的好坏【1 3 】。香农给出了信道容量的定义和计算，即信道容量是 信道输入信号与输出信号互信息量的上界。对于信噪比为s n 、带宽为b 的加性 高斯白噪声信道，其信道容量为： c = b l 0 9 2 ( 1 + s ) ( 2 3 ) l o g ，( 1 + s n ) 为信道传输信息的频谱效率，即单位时间、单位带宽上能够传输 的信息量。增大信噪比可以提高信道的容量，这可以通过抑制噪声或者增加发射 功率实现。假若信噪比无穷大，则信道容量也趋于无穷。不过由于信道中总存在 噪声，而且发射机的功率不可能没有限制，因此这种情况不会出现。增加信道带 宽也可以增加信道容量，但是这种增加不是无限制的4 。 信道容量是理论上信道传输信息的能力的极限【巧】，在目前的各种通信技术 中，实际能够达到的信道吞吐量远小于这一极限。 硕+ 学位论文 2 1 3 语音编码 无线通信的重要标志是实现数字化。对模拟信号实现数字化通信首先要将模 拟信号转变为数字信号。对语音信号的变换叫语音编码【1 6 】。 语音编码就是在给定编码速率的条件下，如何获得更高质量的重建语音，或 者说在给定重建语音质量的条件下，如何降低编码速率。所以也称语音编码为语 音压缩编码。降低语音编码速率的基本依据和途径是利用语音信号本身的冗余度 和人耳听觉特性。 语音压缩编码算法有很多，归纳起来分成三大类，即波形编码、参量编码及 混合编码。波形编码力图使重建语音信号波形保持原语音波形。这类编码将语音 信号作为一般波形信号处理，因此具有适应能力强、重建语音质量好的特点，但 所需要的编码速率高。脉冲编码调朱t j ( p c m ) 、自适应增量调制( a d m ) 、自适应差 分脉码调铝t j ( a d p c m ) 、子带编码( s b c ) 等都属于语音波形编码。语音参量编码通 过对语音信号特征参数的提取及编码，力图使重建语音信号具有尽可能高的可懂 性，即保持原语音的语意，而重建语音信号的波形同原语音的信号的波形可能有 很大的差别。在提取语音特征参数时，这类语音编码方法往往利用某种语音生成 模型，在幅度谱上逼近原语音。参量编码的优点是编码速率低，在1 2 - 2 4 k b s 甚至更低的速率上能给出可懂度很好的合成语音，缺点是合成语音自然度不够好、 抗背景噪声能力较差。通道声码器、同态声码器以及目前广泛使用的线性预测 ( l p c ) 声码器都是典型的语音参量编码器。除此之外，近年来还出现了一类新型的 参量编码器，也称为混合编码器。这类编码器除利用声码器的特点外，又利用波 形编码器的特点，还利用感知加权最小均方误差准则使编码器成为一个闭环优化 系统。从而在较低的比特率上获得较高的语音质量。这种编码器既克服了原波形 编码和参量编码的弱点，又结合了它们的长处。多脉冲线性预测编码( m p c ) 、规 则脉冲激励线性预测编码( r p e l p c ) 就属于这类新型编码器。 2 1 4 数字信号处理 数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术【1 7 】。数字信号处 理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续 模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转 换为数字域，通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常需要变换到 模拟域，通常通过数模转换器实现的。 数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备如数字信号处理器 ( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 等。数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰强、 造价低、速度快等优点，这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。数字信号处 理的核心算法是离散傅立叶变换( d f t ) ，d f t 使信号在数字域和频域都实现了离 散化，从而可以通过通用计算机来处理离散信号。而使数字信号处理从理论走向 基于d s p 的无线通信实验系统的设计与开发 实用的是快速傅立叶变换( f f t ) ，f f t 可以大大减少了d f t 的运算量，使实时的 数字信号处理成为可能，这极大促进了数字信号处理的发展。 数字信号处理主要应用于音频视频信号处理和压缩、数字图像处理、语音识 别和数字通信等方面。目前已经应用的主要有数字无线电话中的语音压缩和传输、 高保真音响设备中声音均衡、地震数据处理、工业过程分析和控制、计算机动画、 c a t 扫描和m r i 医疗图像以及用于电脑的数字音效等。 2 1 5 调制解调 调制包含调节或调整的意义。调制的主要目的是使经过编码的信号特性与 信道的特性相适应，使信号经过调制后能够顺利通过信道传输。来自信源( 和 经过编码) 的信号所占用的频带称为基本频带，简称基带。这种信号也称为基 本频带信号，简称基带信号。基带信号通常都包含较低频率的分量，甚至包 括直流分量。而许多信道，例如无线信道，不能传输低的频率分量或直流分 量，在这种情况下，需要使基带信号用一个载波进行调制，将基带信号的频 率范围搬移到足够高的频段，使之能在信道中传输。经过载波调制后的信号 称为带通信号。在另外一些情况下，基带信号不需要用载波调制，只要对其 波形作适当改变，就能与信道的特性相适应。对基带信号的这种处理，也称 为调制。所以广义的调制分为基带调制和带通调制。与此对应，信道也可以 分为基带信道和带通信道。 基带调制的功能是改变信号的波形，使之适于在基带信道中传输；基带调 制后的信号仍然是基带信号，只是信号的波形发生了变化。带通调制后的已 调信号是一个带通信号。所以，带通调制通常需要用一个正弦波做为载波， 把编码后的信号调制到这个载波上，使这个载波的一个或几个参量上载有编 码信号的信息，并且使已调信号的频谱和带通信道的特性相适应。 解调是调制的逆过程，它是从己调制的信号中恢复出原来调制信号的过程。 在现代无线通信中，g s m 采用g m s k 调制解调方式；c d m a 采用q p s k 、q a m 调制 解调方式。 2 1 6 模数转换和采样定理 大多数的信息源都是模拟的，如语音，图像等，而数字信息更容易处理和通 信，所以将模拟信源转换为数字序列是很有必要的。通常模数转化需要经过采样 和量化两个过程。 采样定理，又称香农采样定理，奈奎斯特采样定理，是信息论，特别是通讯 与信号处理学科中的一个重要基本结论e t w h i t t a k e r ( 1 9 1 5 年发表的统计理论) ， 克劳德香农与h a r r yn y q u i s t 都对它作出了重要贡献。 采样是将一个信号( 即时间或空间上的连续函数) 转换成一个数值序列( 即时间 硕十学位论文 或空间上的离散函数) 。采样定理指出，如果信号是带限的，并且采样频率高于信 号带宽的两倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来【2 。 带限信号变换的快慢受到它的最高频率分量的限制，也就是说它的离散时刻 采样表现信号细节的能力是有限的。采样定理是指，如果信号带宽不到采样频率 的一半( 即奈奎斯特频率) ，那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号。高 于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。大多数应用都要求避免混叠， 混叠问题的严重程度与这些混叠频率分量的相对强度有关。 从信号处理的角度来看，此采样定理描述了两个过程：其一是采样，这一过 程将连续时间信号转换为离散时间信号；其二是信号的重建，这一过程离散信号 还原成连续信号。 连续信号在时间( 或空间) 上以某种方式变化着，而采样过程则是在时间( 或空 间) 上，以t 为单位间隔来测量连续信号的值。t 称为采样间隔。在实际中，如果 信号是时间的函数，通常他们的采样间隔都很小，一般在毫秒、微秒的量级。采 样过程产生一系列的数字，称为样本。样本代表了原来的信号。每一个样本都对 应着测量这一样本的特定时间点，而采样间隔的倒数，1 t 即为采样频率，f s ，其 单位为样本秒，即赫兹( h e r t z ) 。 信号的重建是对样本进行插值的过程，即从离散的样本x n 】中，用数学的方 法确定连续信号x ( t ) 。 从采样定理中，我们可以得出以下结论： 如果已知信号的最高频率m ，采样定理给出了保证完全重建信号的最低采样 频率。这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特采样率，通常表示为斛，如果 已知采样频率，采样定理给出了保证完全重建信号所允许的最高信号频率。 所以被采样的信号必须是带限的，即信号中高于某一给定值的频率成分必须 是零，或至少非常接近于零，这样在重建信号中这些频率成分的影响可忽略不计。 若被采样信号的频率成分已知，比如声音信号，由人类发出的声音信号中，频率 超过5k h z 的成分通常非常小，因此以1 0k h z 的频率来采样这样的音频信号就足 够了。 如果不能满足上述采样条件，采样后信号的频率就会重叠，即高于采样频率 一半的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号【2 1 1 。这种频谱的重叠导致的 失真称为混叠，而重建出来的信号称为原信号的混叠替身，因为这两个信号有同 样的样本值。一个频率正好是采样频率一半的弦波信号，通常会混叠成另一相同 频率的波弦信号，但它的相位和幅度改变了，以下两种措施可避免混叠的发生： 提高采样频率，使之达到最高信号频率的两倍以上；引入低通滤波器或提高低通 滤波器的参数；该低通滤波器通常称为抗混叠滤波器 抗混叠滤波器可限制信号的带宽，使之满足采样定理的条件。从理论上来说， 基于d s p 的无线通信实验系统的设计与开发 这是可行的，但是在实际情况中是不可能做到的。因为滤波器不可能完全滤除奈 奎斯特频率之上的信号，所以，采样定理要求的带宽之外总有一些“小的”能量。 不过抗混叠滤波器可使这些能量足够小，以至可以忽略不计。 采样完成后，还需要对信号进行量化。在数字信号处理领域，量化是指将信 号的连续取值( 或者大量可能的离散取值) 近似为有限多个( 或较少的) 离散值的过 程。量化主要应用于从连续信号到数字信号的转换中。连续信号经过采样成为离 散信号，离散信号经过量化即成为数字信号。离散信号并不需要经过量化的过程。 信号的采样和量化通常都是由a d c 实现的。 2 2 无线通信系统中的关键技术 2 2 1 多用户检测技术 目前多用户检测技术主要于c d m a 中，而在未来的无线城域网和新一代的移 动通信系统中，由于多用户检测技术的优点，多用户检测技术越来越受到重视， 已经成为未来无线通信的关键技术之一。 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 作为第三代无线通信系统的多址接入 方案，是建立在正交编码、相关接收的理论基础上，以扩频通信技术为基础的多 址技术【2 2 1 。与t d m a 和f d m a 系统相比，c d m a 具有容量大、抗多径衰落能力 强、频带利用率高、易于无缝切换、保密性好等优点。然而，由于不同用户的随 机接入，很难做到扩频码完全正交，进而不可避免存在多址干扰【2 3 ( m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ，m a i ) 。传统检测器按照经典直接序列扩频理论直接对匹配滤波器的 输出进行判决，以获得期望信号，没有考虑多址干扰的影响，当用户增加时多址 干扰相应增大，远近效应( 不同用户到达基站的功率有差异，进而强功率用户抑制 弱功率用户，即称为远近效应) 变得突出，使得系统性能严重下降。为此，提出了 选用相关性能好的扩频码，结合功率控制、前相纠错编码等技术来抑制c d m a 系 统中的多址干扰。目前，商用上主要采用功率控制技术来抑制多址干扰，但功率 控制法只能减弱多址干扰的影响，而不能从根本上消除m a i 。多用户检测技术在 传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对多用户做 联合检测，以有效地消除m a i 和远近效应问题。 1 9 7 9 年k s s c h n e i d e r 提出了多用户检测的思想，这是多用户检测的最早文 献。1 9 8 6 年s v e r d u 提出基于最大似然序3 i o ( m l s e ) 的最佳多用户检测算法，此后， 多用户检测技术成为了无线通信领域的研究热点之一，并且形成了几个重要的研 究方向：盲多用户检i 贝l j l 2 4 , 2 5 l 、神经网络多用户检测、空时多用户检测，以及这些 检测的结合。 最佳多用户检测理论上可完全消除多址干扰，每个用户都能达到最小的误码 率。但算法的复杂度随着用户的增加成指数增长，且需要知道所有用户的信号幅 硕上学位论文 度，特征序列和相位，故该算法在理论上性能最佳而在现实中难以实现。为了寻 求算法复杂度与性能上的折中，人们提出了多种次最佳多用户检测算法，可分为 线性多用户检测算法与非线性多用户检测算法两大类。其中线性多用户检测器主 要包括：传统信号检测器、解相关多用户检测器( d e c m u d ) 、最小均方误差检测 器( m m s e m u d ) 等；非线性多用户检测器主要包括：多级多用户检测器、判决反 馈检测器、相减干扰抵消检测器等。 2 2 2 信源信道编码技术 在信息传输之前，消息必须用某种方式进行编码，这是由信源编码完成的。 编码应尽可能有效，编码后的符号数不应多于传递某个消息所必需的符号数。有 效的信源编码能够降低对传输信道的要求，信源编码的目标就是使信源减少冗 余，更加有效、经济地传输，最常见的应用形式就是压缩。 对于任何形式的通信来说，只有当信息的发送方和接收方都能够理解编 码机制的时候压缩数据通信才能够工作。例如，只有当接收方知道这篇文章 需要用英语字符解释的时候这篇文章才有意义。同样，只有当接收方知道编 码方法的时候他才能够理解压缩数据。数据压缩能够实现是因为多数现实世 界的数据都有统计冗余。例如，字母“e 在英语中比字母“z 更加常用， 字母“q 后面是“z 的可能性非常小。无损数据压缩通常利用了统计冗余， 这样就能更加简练地、但仍然是完整地表示发送方的数据。如果允许一定程 度的保真度损失，那么还可以实现进一步的压缩。例如，人们看图画或者电 视画面的时候可能并不会注意到一些细节并不完善。同样，两个音频录音采 样序列可能昕起来一样，但实际上并不完全一样。有损数据压缩在带来微小 差别的情况下使用较少的位数表示图像、视频或者音频。然而，经常有一些 文件不能被有损数据压缩压缩，实际上对于不含可以辨别样式的数据任何压 缩算法都不能压缩。另外，试图压缩已经经过压缩的数据通常得到的结果实 际上是扩展数据。实际上，有损数据压缩也会最终达到不能工作的地步。我 们来举一个极端的例子，压缩算法每次去掉文件最后一个字节，那么经过这 个算法不断的压缩直至文件变空，压缩算法将不能继续工作。由于可以帮助 减少如连接带宽这样的昂贵资源的消耗，所以压缩非常重要，然而压缩需要 消耗信息处理资源，这也可能是费用昂贵的。所以数据压缩机制的设计需要 在压缩能力、失真度、所需计算资源以及其它需要考虑的不同因素之间进行 折衷。 数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码， 从而使信息失真，解决这种问题的一个方法是用某种方式设计消息，使接收 机能够检测出是否出现了错误，甚至可以加以纠正，通常称这种方法为信道 编码。这种编码方式以可控方式，增加了信源编码后消息中的符号数，这就 基于d s p 的无线通信实验系统的设汁j 开发 意味着引入了冗余。 信道编码( c h a n n e lc o d i n g ) 是指通过信道编码器和译码器实现的用于提高 信道可靠性的理论和方法 2 。信道编码大致分为两类：( 1 ) 信道编码定理，从 理论上解决理想编码器、译码器的存在性问题，也就是解决信道能传送的最 大信息率的可能性和超过这个最大值时的传输问题。( 2 ) 构造性的编码方法以 及这些方法能达到的性能界限。编码定理的证明，从离散信道发展到连续信 道，从无记忆信道到有记忆信道，从单用户信道到多用户信道，从证明差错 概率可接近于零到以指数规律逼近于零，正在不断完善。编码方法，在离散 信道中一般用代数码形式，其类型有较大发展，各种界限也不断有人提出， 但尚未达到编码定理所启示的限度，尤其是关于多用户信道，更显得不足。 在连续信道中常采用正交函数系来代表消息，这在极限情况下可达到编码定 理的限度。不是所有信道的编码定理都已被证明。只有无记忆单用户信道和 多用户信道中的特殊情况的编码定理已有严格的证明；其他信道也有一些结 果，但尚不完善。 2 3 本章小结 本章介绍了无线通信系统的理论基础，包括了无线通信的基本原理和关键技 术。无线通信实验系统的实验设计主要就是根据无线通信的基本原理及其关键技 术来设计的，通过实验可以使用户更好的理解和掌握到无线通信的相关知识。 硕上学位论文 第3 章无线通信实验系统的总体设计 根据需求分析，提出该无线通信实验系统的总体设计要求，再根据设计要求 给出系统设计方案，并对总体方案中的一些模块的基本功能进行了简单的介绍， 最后，给出了重要芯片的选型依据。 3 1 总体设计要求 根据市场销售人员反馈的意见，许多高校发现学生在学习无线通信等相关通 信类课程时，对其中的协议和原理，特别是涉及到复杂算法时，难以理解其中的 内容，而单单从教材上进行教学，很难达到预期的效果。但是如果有一套完整的 无线通信实验系统供学生实验，让学生可以通过动手来学习其中的知识，并且在 动手实验的同时可以观察到实验的中间过程和具体结果以及之间的关系，这样往 往能起到事半功倍的效果。基于这样的考虑，我们设计一套无线通信实验系统， 并根据反馈的信息提出了总体的设计要求。 作为一套无线通信实验系统，它不但要求可以提供当前无线通信技术领域中 常用的实验，使实验者可以了解到基本的原理，同时要求使用者能在使用实验系 统时可以直观的观察到整个实验的过程，包括编解码的每个环节，调制解调的每 个细节等，使学生对无线通信的内部原理到语音通信的整个实现过程得到深刻的 理解。 整套实验系统的最大特点是学生可以直观观察到无线通信实现过程所需算法 的细节部分，对无线通信中所涉及到的复杂算法能有直观的认识，加强对算法的 理解。 3 2 系统方案设计 根据高校无线通信实验室的建设要求，充分从学生的角度出发，要求使用比 较简洁，实验结果比较直观，提出了以d s p 为核心的基带数字信号处理部分，m c u 为核心的全局控制部分的架构，两个独立的部分通过s p i 口进行通信。具体方案框 图如图3 1 所示。 系统设计方案框图中，d s p 作为系统的基带数字信号处理单元，主要完成数字 信号处理，调制解调及无线通信相关算法的实现等功能；m c u 作为系统的全局控 制单元，主要完成系统的综合控制和整个实验的前期操作；c p l d 主要协助主处理 器完成逻辑控制，地址统一编码、分频等功能；其他的功能模块作为外围的功能 器件，主要完成信源输入，电源变换，语音采集，无线收发，结果显示等功能。 具体框图如图3 1 所示： 基于d s p 的无线通信实验系统的设计与开发 图3 1 系统设计总体框图 这个系统采用d s p + m c u 的架构，充分利用d s p 高速的数字信号处理能力，可 以高效地完成实验中所涉及算法的处理和实现。利用m c u 强大的控制功能，完成 对外围若干模块的控制，协调完成这个系统的实现。利用c p l d 可以灵活配置其引 脚的特性，根据具体的需要来设计电路，降低了设计的难度。经过上述分析和结 合相关的设计经验，提出了基于d s p + m c u 架构，并能够达到总体设计的要求。 3 3 各个功能模块的工作原理 根据系统设计的方案，将整个系统电路分为若干个模块，下面对各个功能模 块的工作原理进行简单的介绍： 1 d s p 基带数字