（通信与信息系统专业论文）基于认知无线电系统中自适应传输系统的研究与实现.pdf

摘要 l q l i i i i il t l l ll t l t l l l l ll l l i i i t l l l l l l l i i i i i y 2 0 6 8 3 6 6 认知无线电具有对环境的感知能力、对环境变化的学习能力、对环境变化的 自适应性、通信质量的高可靠性、对频谱资源的充分利用和系统功能模块的可重 构性的特点。，鏊于此，本文针对认知无线电的可重构性，对多调制方式、多带宽 的自适应传输系统做了研究。 本文介绍了认知无线电的产生背景及定义和实现认知无线电的主要构成。在 此基础上，提出了认知无线电自适应传输系统的方案，对认知无线电和其传输系 统的可重构性进行了论述，在基于“d s p + f p g a 的硬件平台上，对认知无线电自 适应传输系统进行了设计和实现，并对其中的滤波器的补偿设计、自适应检测判 决门限的理论知识和实现方法进行了详细的介绍，并在f p g a 上进行了实现。参与 了认知无线电演示系统的系统调试，并针对调试的结果对系统进行了改进，使之 在完成功能的前提下，具备更好的性能。最后对数据传输系统的性能进行了性能 测试，给出了测试结果及分析和对系统的改进意见。 关键字：认知无线电传输系统可重构补偿滤波器白适应检测判决门限 a b s t ra c t c o g n i t i v er a d i oh a st h ea b il i t e so fe n v i r o n m e n ta w a r e n e s s ，l e a r n i n ge n v i r o n m e n t a l c h a n g e ，a d a p t a b i l i t yt oe n v i r o n m e n t a lc h a n g e ，t h eh i g hr e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n q u a l i t y , t h ef u l l u t il i z a t i o no fs p e c t r u mo fr e s o u r c e sa n dr e c o n f i g u r a b l ef e a t u r e so f s y s t e mf u n c t i o n a lm o d u l e s b a s e do nt h i s t h i st h e s i sd ot h er e s e a r c ho nt h ec o g n i t i v e r e c o n f i g u r a b l er a d i o ，m u l t i m o d u l a t i o n ，a d a p t i v em u l t i b a n d w i d t ht r a n s m i s s i o n s y s t e m s t h eb a c k g r o u n da n dd e f i n i t i o no fc r ，a n dt h e k e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z ei ta r e p r e s e n t e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h a t ，t h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o ns y s t e mp r o g r a mo fc r i sp r o p o s e dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fr e c o n s t r u c t i o no fc r t h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o n s y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f d s p + f p g a ” e s p e c i a l l y , d e t a i l s o ft h e d e s i g n i n g o fc i cc o m p e n s a t i o nf i l t e ra n d a d a p t i v e d e t e c t i v e d e c i s i o nt h r e s h o l da r eg i v e n ，a n dt h e i m p l e m e n t a t i o n o nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m i s e x p o u n d e d a f t e rd e b u g g i n g ，i m p r o v e m e n t st o t h es y s t e ma r em a d e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fd e b u g g i n g ，w h i c hw i l le n h a n c et h ef u n c t i o na n de r f o r m a n c e s o ft h es y s t e m f i n a l l y , a n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t sf o rt h es y s t e ma r eg i v e n 。 k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o t r a n s m i s s i o ns y s t e m r e c o n f i g u r a t i o n c o m p e n s a t i o nf i l t e r a d a p t i v ed e t e c t i v e d e c i s i o nt h r e s h o l d 第一章绪论 第一章绪论 当今社会，科学技术不断进步，信息通信要求也越来越高。作为通信的重要 方面，无线电技术也取得了长足的发展，而日a 盏增长的无线电设备和有限的无线 电频谱资源之问的矛盾也就越来越突出，现在频谱资源已经成为制约无线通信技 术发展的瓶颈。然而，研究表明，已经分配给授权用户的频谱资源在时间和空间 上的利用率都非常低，不同时间、不同空间中的频谱没有得到充分利用，这在与 越来越紧张的频谱资源相比下显的格外浪费。为了充分利用频谱资源，以提高频 谱利用率，认知无线电技术应运而生。认知无线电技术( c o g n i t i v er a d i o ( c r ) ) 以对 无线电频谱资源的高效、充分利用为目标，感知当前节点环境中闲置的频谱资源， 让非授权用户暂时的利用已被分配给授权用户的频谱进行数据传输、通信，并且 合理避让授权用户以防造成干扰，从m j 较好地适应无线频谱资源紧张的局面。 1 1 认知无线电的发展 “软件无线电之父 j o s e p hm i t o l a l i i 博士在1 9 9 9 年首次提出了认知无线电的 概念并系统地阐述了认知无线电的基本原理，他是这样描述的：认知无线电( c r ) 是计算智能和个人无线通信这两个学科领域的交叉产物。在其博士论文里这样描 述认知无线电：无线数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面具有充分的 计算智能来探测用户的通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资源和 无线业务。它可以通过对外部环境的学习、分析和判断，通过“无线电知识表达 语言( r k r i ) ”与其他认知终端进行交流，实时改变一些无线参数，来适应外部 无线环境，寻找和使用空闲频谱，提高频谱资源的利用率【l 】。而后，各个科研机构 及众多学者从认知无线电的不同方面和角度上出发，给出了认知无线电的定义【2 圳。 这众多的学者中，f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，美国联邦通讯委员 会) 和著名学者s i m o nh a y k i n 教授给出的定义比较具有代表意义。f c c 认为：“c r 是能够基于对其工作环境的交互改变发射机参数的无线电，f 引。而从信号处理的角 度出发，s i m o nh a y k i n 教授认为：“c r 是一个智能无线通信系统。它能够感知外 界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数( t g 女n 传 输功率、载波频率和调制技术等) ，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性 变化，以达到以下目的：任何时间任何地点的高度可靠通信；对频谱资源的有效 利用。” 由定义可知，c r 是一个通信、数据传输平台。它首先要感知外界环境的频谱 信息，进行频谱分析，而后确定通信将要使用的频段；其次，c r 要能自我重构， 即根据感知的参数，自我重构，保障通信的可靠进行并合理避让。 2 基丁认知无线电中自适应传输系统的研究和实现 c r 要感知的环境就是频谱资源中的“频谱空洞”，对周围环境的频谱进行感 知，找到空闲的能够供通信、数据传输使用的“频谱空洞”即频段，并对频谱进 行分析，再根据分析结果做出决策，以选定通信、数据传输时所要使用的通信参 数，确保通信、数据传输时的最佳的通信状态。 c r 的自我重构指的就足通过软件修改传输系统的参数，例如调制方式、传输 带宽、载波频率、传输功率等等。通过频谱的时时感知，时时调整传输系统的以 上个别或者全部参数，并控制通信、传输系统避让授权用户占用的频段。 i t u r 于2 0 0 6 年3 月建议将c r 作为单独的研究课题。软件无线电论坛在2 0 0 3 年8 月开始针对性的探讨放松严格的频谱划分政策，以利于引入新的智能无线电 设备来提高频谱资源的利用率。并且该论坛为了研究认知无线电技术，在2 0 0 4 年 1 0 月成立了认知无线电工作组。i e e e 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立i e e e 8 0 2 2 2 工作 组【6 】，这是世界范围内第一个基于认知无线电技术的空中接口标准化组织。2 0 0 5 年9 月，8 0 2 2 2 标准工作组制作并完成了w r a n 的功能需求和信道模型文档，并 在2 0 0 6 年对各种方案进行审议和综合，2 0 0 6 年3 月，合并形成编写标准的基础性 提案并最终获得批准。由于w i m a x 缺乏可用频段，8 0 2 1 6 h 工作组致力于解决共 存的问题，最终使w i m a x 可以应用在电视频段u h f 上，同时c r 技术的应用， 使8 0 2 1 6 系列标准在非授权频段获得应用。然而，8 0 2 2 2 和8 0 2 1 6 h 标准只是c r 技术的简单应用。2 0 0 5 年，i e e e 成立了i e e e l 9 0 0 标准组，致力于研究c r 技术， 同时开展与下一代无线通信技术和高级频谱管理技术相关的电磁兼容研究。该标 准组的成立，对于c r 技术的发展及c r 技术与其它无线通信系统的协调与共存有 着重要的意义。 针对国际上对认知无线电的研究，我国于2 0 0 5 年把认知无线电技术的研究纳 入“8 6 3 计划课题”，而后国内大学和研究所相继对认知无线电的关键技术展开了 研究，并取得了一定的成果。2 0 0 8 年初，“国家9 7 3 计划”在信息领域专项研究中 启动了认知无线电网络频谱分配技术的研究【7 j 。 另外c r 技术的一些新的研究方向如将各种感知办法有效结合的混和方式将 是感知的一种新的发展方式、降低频谱感知的误报率和漏报率而寻找新的频谱感 知方法、研究多网络多协议进行知识融合的模型和方法以及相应的m a c 协议和与 有线网络中的安全问题类似【8 吲，认知无线电中的认证和信息安全问题也是未来需 要进行深入研究的主要内容之一【i 。 1 2 认知无线电的主要构成 c r 主要是通过频谱感知，找到可以使用的频段，经过相应的频谱分析算法对 其进行频谱管理，并给用户分配相应的频段，调整传输系统的参数，实现最佳的 第一章绪论 3 数据传输系统的同时避让授权用户，防止人为干扰。此外，c r 还要能进行物理空 间定位、生物测定以辨别身份、时间空间意识以及网络意识等。由此可以得出， c r 主要由频谱检测、频谱分析、频谱分配、传输系统参数调整、避让算法、用户 信息存储比对和记忆功能等组成。 1 2 1 频谱检测、分析及分配技术 c r 系统首先要做的工作就是对可用频谱的感知，找到闲置的可用频段。感知 到的频段分为以下三种： 黑空：可能是授权用户正在使用的频段，存在较高的功率干扰； 灰空：通信质量要求不高时可以使用的频段，存在较小干扰； 白空：可以使用的频段，仅存在环境噪声干扰。 频谱榆测的目标是检测出白空或者灰空，并临测黑空向白空、灰窄的转变， 同时实时检测通信占用频段是否有授权用户以防止干扰。 根据检测到的所有频段，c r 要根据一定的算法，对其进行分析并最终分配给 非授权用户。 频谱分配算法比较多，文【l l 】介绍了最小最大准则与分布求解方法来说明动态 频谱分配问题；文【1 2 】采用了博弈问题分析方法，利用认知用户的效用函数以及， b e r t r a n d 、c o u m o t 均衡理论提出了授权用户信道竞价的动态b e r t r a n d 博弈算法； 文l l3 j 采用了协作博弈论中的纳什讨价还价方法分析c r 系统中的频谱动态分配。 1 2 2 传输系统参数调整 c r 系统在获得频段后，需要对传输系统进行参数调整即传输系统的重构，使 之更好的适应数据传输的要求。主要包括以下几个方面： 1 传输功率控制：根据感知结果，在传输数据过程中能时时在不同的功率水 甲l 1 相互转换，使其满足数据传输需求的同时，对功率进行控制，防止干扰。 2 位置定位：根据感知的信息，确定用户的位置信息； 3 传输系统的重构： 通信频率：不同的频段要求c r 系统能够自动调节本地载频； 传输功率：根据获得的频段，c r 系统要针对性的调整自身的传输功率，保 证自身通信性能的同时又要防止干扰其他用户。 传输带宽：获得的频段不同，传输带宽自然不同。c r 根据获得的频段在系 统重构时要调整系统的传输带宽，防止干扰其他用户。 调制方式：数据传输的环境不同、获得的可用频段以及带宽的不同就需要 c r 系统自我重构调制方式，保证数据传输性能的同时以最高效的方式将数据传输 4 基于认知无线电中自适应传输系统的研究和实现 出去。 4 天线配置：计算确定最佳的天线指向角； 5 网络资源的重构：通过感知的结果对组网的各个节点进行优化组合，并随 时加入新的网络环境。 6 交互重构：能够在不同的通信系统之问进行交互。 c r 的传输参数要在数据传输的过程中足可变的，根据获得的频谱进行时时调 整、自我重构，保证通信的进行。 1 2 3 避让授权用户 通信过程中，由于无法预知授权用户何时使用正在被非授权用户使用的频段， 所以需要时时监测授权用户的使用情况。一旦监测到授权用户使用频段，c r 系统 对于正在进行的通信要通过一定的算法使其受到现场保护或者直接丢弃，并及时 退让占用的频段，保证授权用户的使用。对于正在进行的通信，c r 系统可以使其 转换到其他的检测到的频段上。 1 3 本文的研究内容 本认知系统主要由感知板、数据传输板、射频板组成。 数据传输板是以“d s p + f p g a 为硬件平台设计的。主要实现数据的多种调 制方式、多种带宽的自动选择及调制解调。d s p 主要是对进入到其中的各种数据 进行组帧或者解析判断；f p g a 的工作主要是实现四种调制方式d b p s k 、 4 d q p s k 、8 d p s k 、1 6 d q a m 及四种带宽2 5 k h z 、5 0 k h z 、1 0 0 k h z 、2 0 0 k h z 的自适应选择、数据同步和性能保障。 文章的安排如下： 第一章：介绍了认知无线电的产生、发展过程以及组成，对认知无线电有一 个初步的认识。 第二章：介绍了认知无线电自适应传输系统，重点介绍了认知无线电系统及 数据传输系统的可重构性。 第三章：主要介绍了传输系统软硬件的设计和实现，重点介绍了性能改善模 块的设计和实现方法。 第四章：主要介绍了自适应检测判决门限的理论和f p g a 实现方法，并对其 性能进行了验证。 第五章：对系统的性能进行了测试并给出了分析，最后给出了系统的改进方 案。 第二章认知无线电白适应传输系统 第二章认知无线电自适应传输系统 认知无线电系统是通过综合、分析感知节点对周围环境以及频谱的感知的结 果，获得即时通信所需的频谱信息，进而根据得到的频谱信息对通信、数据传输 系统进行重构，设置通信参数，完成本次通信、数掘传输。本章首先给出了认知 无线电系统的体系结构，然后重点介绍了认知无线电的传输系统的构成，最后对 认知无线电的可重构性和传输系统的可重构性进行了详细说明，突出了认知无线 由。的优势。 2 1 认知无线电系统 第一章对认知无线电的发展和构成进行了介绍，本节首先给出一般的认知无 线电的通信系统结构，然后介绍了奉义研究的认知无线电系统原理图，最后对认 知无线电和认知无线电传输系统的可重构性进行了具体说明。 一般认知无线电通信系统的体系结构和硬件物理层的原理图分别如图2 1 、2 2 所示。 图2 1 认知无线电通信系统体系结构 感知模块对在网用户、网络环境、硬件设备的状态以及外界的电磁环境进行 感知，并上报给智能子系统。智能子系统对感知模块上报的信息进行分析、学习 并作出决策，发送控制命令给重构控制模块，控制软件无线电( s d r ) 通信子系 统实现系统的自我重构，完成数据发送和接收。 6 基丁认知无线电中自适应传输系统的研究和实现 接 发 ( a ) 认知无线电发送端 给用户 用户数据 ( b ) 认知无线电射频前端 图2 2 认知无线电( a ) 发送端( b ) 射频前端结构图 物理层的组成如图2 2 所示，物理层根据重构命令进行自我重构，以完成数据 的发送和接收。 2 1 1 认知无线电系统的构成 上面给出了认知无线电系统的一般的体系结构和硬件平台的原理图。下面介 绍f 认知无线电演示系统的构成。认知无线电系统的组成如图2 1 所示。一般认知 无线电系统是由若干个节点组成，每个节点都有自己的认知板、通信板和射频板， 并通过管理中心的统一调配来协调工作。图2 3 只给出了两个节点情况下的认知无 线电演示系统组成图。 第二章认知无线电自适应传输系统 节点2 图2 3 认知无线电演示系统组成图 认知无线电系统具备频谱感知及分析、决策和通信的功能，根据认知无线电 不同的功能，本章将认知无线电系统分成三个部分：认知模块、数据传输模块和 射频模块。各个模块之问通过数据线进行连接，并最终有终端控制和检测。认知 模块完成频谱感知、分析和决策的功能；通信和射频模块完成以下功能：根据管 理中心的决策选定通信方式，并最终通过射频模块将信息发射出去。演示系统单 个节点组成图如图2 4 所示。 图2 4 认知无线电演示系统单个节点组成图 8 基丁认知无线l 乜中自适应传输系统的研究和实现 下面具体说明各个模块的作用： 认知模块： 认知模块主要是综合所有感知节点对环境频谱的感知结果，并对结果进行分 析处理，选择合适的频率范围，从而根据信道的特性和选择的频率范围设黄数据 传输模块的参数以及控制射频模块的频点，实现对本系统的自我霞构，达到白适 应的目的。认知模块要在通信过程中实时综合并分析频潜信息选定备用的频率， 在遇到授权用户使用正在通信用的频率，要及时避让，防i ：造成干扰，并凋整本 次通信使用的频率，保证通信的正常进行。 数据传输模块： 数据传输模块主要是完成用户与用户之间信息的发射与接收及此过程中一系 列通信参数的处理，保证通信所需要的性能要求；保障认知节点与管理中心的信 息交互( 点名指令，频谱信息，指派指令等的传输) ；实现对射频功能板的射频发 射( r t ) 控制，保障通信的正常进行；根据认知节点的分析结果进行通信带宽和调制 方式切换，保证通信的可靠性。 射频模块： 射频模块主要是对数据传输模块传输的信号进行频谱变换，将信号频谱搬移 到射频频率发射出去；接收其他节点发送过来的射频信号，将接收到的信号的频 谱搬移到中频并传输给数据传输模块，以供数据传输模块进行数据处理；根据数 据传输模块指定的频点和带宽来设置自身参数，变换到系统工作所需的频点和带 宽，以防止给其他系统造成干扰。 2 1 2 认知无线电传输系统的构成 传统的数字传输系统，不仅调制解调方式单一，而且为使系统具有较高的可 靠性，往往会根据估计的最差的信道性能或平均信道性能来选择调制方式和传输 带宽的参数，再选择合适的检测算法，以使系统的误码率降到最低。但信道的性 能是实时变化的，这就使上面的选择造成一定的浪费。而认知无线电传输系统就 是要摒弃传统传输系统的不足，并且达到理想的可扩展的传输系统。 认知无线电的传输系统是认知无线电的基础性系统。对于系统的正常工作起 着不可替代的作用。作为认知无线电的传输系统，该系统具有多种调制解调方式， 多种带宽或者多种速率可供选择。在频谱感知的基础上，针对不同的信道特性， 选择合适的带宽和调制解调方式进行数据传输，保证了通信的可靠性和及时性。 基于认知无线电的体系结构，该系统同时也具有可供再开发的软硬件接口。 图2 4 和2 5 是演示认知无线电系统单个节点时的组成框图和数据传输系统的 具体组成图。 第二章认知无线电白适应传输系统 9 图2 5 认知无线电数据传输系统组成幽 下面介绍各个模块的基本的功能： 1 数据终端：数据终端可以是纯文本，也可以是语音，也可以是图像。数据 终端将信息以特定的格式通过数据线a 传输给d s p ；同时还要将d s p 通过数据线 a 传输过来的数据转换为用户可以理解的信息显示出来。 2 d s p ：d s p 接收数据终端通过数据线a 传输过来的数据，也接收f p g a 通 过数据线b 传输过来的数据，经过数据处理以后，把信息传输给数据终端或者、 f p g a 。 3 f p g a ：f p g a 在整个传输系统中的作用比较大，负责将d s p 通过数据线 b 传输过来的数据进行调制后传输给d a 芯片，并对a d 芯片通过数据线c 传输 过来的数据进行解调。在感知阶段，还要同时为感知节点的数据提供通道，保证 信息传输给管理中心。 4 d a ：d a 芯片将f p g a 通过数据线d 传输过来的数据进行数模变换后， 通过数据线f 将模拟信号传输给射频模块。 5 a d ：射频模块将接收到的模拟信号通过数据线f 传输给a d - 心h - - ，_ j i - 1 ，a d 芯片对传输过来的数据进行模数变换，将模拟信号变换成数字信号后，通过数据 线d 传输给f p g a 。 6 射频模块：将d a 芯片通过数据线f 传输过来的中频模拟信号调制到预设 的射频频点上发射出去；对天线接收到的信号进行下变频，将其转换为中频信号 后通过数据线e 传输给a d 芯片。 1 0 基丁认知无线电中自适应传输系统的研究和实现 2 2 认知无线电和传输系统可重构性 2 2 1 认知无线电的可重构性 当今时代的发展已经说明在未来的无线数据通信中，频谱资源足相当宋贵的， 且会越来越拥挤。冈为在目前技术条件下，可用于无线接入的频率范围十分有限， 这就使得提高频谱资源的利用率迫在眉睫。另外，研究结果表明，目前已经分配 给授权用户的大量的频谱资源并没有得到充分利用，甚至在很长的时间内是处于 空闲即没有使用的状态。据此，针对越来越拥挤的频谱资源和固定授权分配频谱 的不足，提出了对已授权频谱进行“二次利用”以提高频谱资源利用率的思想【l4 1 。 认知无线电正是基于以上原因和思想而发展起来的一种新的无线接入技术。认知 无线电和其中的传输系统的可重构性直接决定了系统的应用前途。 正如上面的叙述，认知无线电是在为了“二次利用”已经分配的频谱资源而 提出的，这就使得要使认知无线电能在不同的无线信道条件下正常工作，就要求 认知无线电系统能相应地改变自身的某些参数或者结构，这就是认知无线电的可 重构性。因而，就需要一种可重构的认知无线电平台来满足这种可重构性的要求。 认知无线电系统的工作流程如图2 6 所示。 图2 6 认知无线电系统的工作流程 如图所示，认知无线电系统在感知到频谱以后，管理中心根据一定的算法， 分析处理频谱信息并选取确定将要使用的频段，并根据选取的频谱资源确定认知 无线电系统的工作方式系统进行重构，而后进行数据传输。一般来说，认知 无线电根据选取的频谱资源需要确定以下儿个方面的信息。 第二章认知无线电自适应传输系统 调制方式： ， 调制方式的改变或者波特率的改变都可以达到改变传输速率的目的。高效的 调制方式往往具有高效的传输速率。波特率的改变会改变系统的传输速率和系统 的传输带宽。凋制方式的改变是认知无线电自我重构的一个重要方面，也是认知 无线电中传输系统的主要构成部分，这个将在认知无线电传输系统的重构性罩面 详细介绍。 传输带宽： 通信系统的一个重要参量就是传输带宽。认知无线电的提出也是在频谱拥挤 和频谱资源紧张的情况下提出的，因此如何动态的调整系统的带宽，进而更加有 效地利用有限的无线电频潜资源，是提高认知无线电系统带宽利用率的一项紧迫 的研究内容。如上所述，变换已调信号的码元速率即波特率就可以调整认知无线 电系统的有效传输带宽。改变调制方式只是改变信号的星座映射的方式，对系统 不需要大的调整。而与变换调制方式彳 同的是，波特率的变换对整个认知无线电 系统的时钟都有重要的影响，对同步信号的提取、数据的调制解调和数据组帧都 会有影响。认知无线电在变换信号传输带宽的时候，要自适应地自我重构，产生 相应的时钟，以保证整个系统的正常运行。可见，认知无线电的自我重构是非常 重要的。 发射功率： 根据感知的频谱信息，实时改变系统的发射功率，就是使系统的发射功率具 有自我重构、自我适应的性能，即自适应功率控制i l 引。自动功率控制对系统的抗 干扰性能具有良好的作用。也是认知无线电自我重构的重要内容。 另外，认知无线电系统的重构还包括信道编码的自我选择、位置意识、网络 意识的方面【l6 1 等等。 2 2 2 传输系统的可重构性 系统的传输特性的重构性主要体现在调制方式、带宽、信道编码和发射功率 的选择上。管理中心通过对感知的频谱信息进行分析、决策后，将要占用的频点、 信道带宽、信道编码和发射功率信息发送给传输系统，传输系统根据收到的信息 调整自身参数实现传输系统的自我重构。 下面给出传输系统的重构原理框图，如图2 7 所示。 1 2 基丁认知无线电中自适应传输系统的研究和实现 时钟产生控制模块 管理 带宽产生控制模块 传输 中心 下发 调制方式控制模块 系统 重构 重构 信息 信道编码控制模块 发射功率控制模块 图2 7 传输系统重构原理图 管理中心下发重构信息：管理中心根据各个感知节点上报的频谱信息，分析 并决策出本次通信将要使用的通信控制信息，下发给各个控制模块； 时钟产生控制模块：根据得到的速率信息调整系统时钟产生模块，使其产生 相应的速率时钟； 带宽产生控制模块：根据得到的带宽信息调整带宽，使之适应数据传输的要 求； 调制方式产生模块：根据得到的调制方式信息，输出使能信号，使能对应的 调制模块； 信道编码控制模块：根据得到的信道信息，选择相应的信道编码方式； 发射功率控制模块：根据得到的信道信息，调整自身的发射功率，使之产生 符合要求的发射功率，避免干扰。 2 3 本章小结 本章首先对认知无线电的体系进行了介绍，对认知无线电通信系统有了清楚 的认识，而后介绍了认知无线电的可重构性及认知无线电传输系统的可重构性。 重点介绍了认知无线电传输系统可重构的实现。利用“f p g a + d s p ”的演示系统 平台对可重构性进行了验证，并给出了验汪的结果图。 通过本章的研究，对认知无线电传输系统有了初步了解，也对认知无线电传 输系统的可重构性有了较深的认识。结合本章的知识，下面将给出传输系统软硬 件的设计和实现方法。 第三章传输系统软硬 i ，| ：的设计和实现 第三章传输系统软硬件的设计和实现 第二章对整个认知无线电系统进行了简单的说明。传输系统是整个认知无线 电系统的底层，本章将结合自己在项目中的工作，对认知无线电系统n , 0 4 冬- 输系统 作一个比较详细的说明。 3 1 传输系统的硬件实现 本节首先根据数据传输的流向给出了传输系统的设计原理图，然后对硬件进 行了简单介绍，最后对数据传输的帧格式进行了介绍。 3 1 1 硬件实现 基于认知无线电的原理，给出了用于演示的传输系统的原理图。传输系统主 要由“d s p + f p g a ”构成，其中d s p 完成用户数据的组帧和控制，f p g a 用于对 数据进行调制解调。 图3 1 是传输系统的设计原理图。 带宽 速率 f p g a 调制 产生 e p 3 c 1 2 0 f 4 8 4 c 8 1 , i 方式 控制 模块 l 星 加 补 座同内滤偿 上补偿 映 步 插波滤 变 滤波 a d 9 7 6 2 多 d s p 射 头 波 频器 d a 射 t m $ 3 2 频 7 1 _ 1 r- o v c 5 5 0 9 a 同补 补 模 解步偿滤抽偿下变a d 9 2 1 8块 码 提 滤波取滤频 a d 取波波 图3 1 传输系统设计原理图 f p g a 与d s p 之间的数据传输用了1 6 根数据线，3 根地址线。通过向d s p 发 送中断的方式来实现数据传输。中断使川的是d s p 中的i n t 2 。d s p 给f p g a 传输 数据时：首先d s p 发送给f p g a 调制方式和带宽信息，f p g a 选中对应的调制方 式和输出相应的时钟，随后在使c e l ( 片选使能信号) 和w e ( 写使能信号) 都变 成低电平的同时由d s p 控制开启f p g a 向d s p 收数据的中断时钟i n t 2 ，然后d s p 向f p g a 发送数据，f p g a 存储d s p 传输过来的数据。数据传输完毕，d s p 发送 停止控制信号，停止f p g a 向d s p 发送的中断时钟i n t 2 ，从而结束数据的发送。 1 4 基于认知无线电中自适应传输系统的研究和实现 随即数据进入到f p g a 进行数据处理。 f p g a 首先根据指定的调制方式对数据进行星座映射，然后增加12 8 位功率驱 动码、同步头及一些保护码元，数据帧的格式将在下节进行介绍。为了使不同基 带码率的数据达到相同的速率，需要对数据进行内插、补偿滤波、滤波，然后通 过数字控制振荡器( n c o ) 进行上变频，由于数模转换- 心) 4 - ，t i ( d a c ) 固有的零阶 保持特性，需要采用i s i n c 函数滤波器对n c o 进行补偿，随后数据进入到d a 芯片，进行数模转换后将数据信号变换为模拟信号并通过射频模块发射出去。对 于接收到的模拟信号，首先进入到a d 芯片进行模数变换得到需要的数字中频信 号，然后进行相应的抽取、补偿滤波、滤波、下变频、数据同步以后进行解调， 最后通过d s p 的中断口i n t i 将数据送入到d s p 中，最终送给用户界面。 传输系统硬件图如图3 2 所示。 3 1 2d s p 、f p g a 简介 图3 2 传输系统硬件图 根据设计，d s p 要完成数据的组帧、中断处理、与终端交互以及接口转换的 工作。综合考虑d s p 的性能要求及价位，硬件：落片采用了t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 。t i 公司( 德州仪器公司) 生产的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 是基于 t m s 3 2 0 v c 5 5 x 系列d s p 芯片的c p u 处理核的定点数字信号处理器【1 7 j 。c 5 5 x 系 列d s p 芯片通过增加并行的数据线和减少功率损耗而使其具有了高性能低功耗的 特点。此外还采用了独特的哈佛结构，具有硬件密集型方案和灵活的指令系统， 可以在不同专业不同领域灵活应用，是数字信号处理器产业中的领先者。 c 5 5 x 系列d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 主要性能参数如下： 1 芯片最高工作时钟2 0 0 m h z ； 2 片上具有1 2 8 k * 1 6b i t 的r a m ，3 2 k * 1 6b i t 的r o m ； 3 4 个外部存储器接口( e m i f ) i 邕与s d r a m 无缝连接； 第三章传输系统软硬件的设计和实现 1 5 4 片内带有1 个6 通道的d m a 控制器，一个，2 c 接口和u s b 接口，以及3 个多通道缓冲串行口( m c b s p ) 。 根据设计，f p g a 要完成数据的调制、内插滤波、上下变频和同步以及解渊的 处理，且由于使用的是多带宽、多调制方式，系统程序需要占用较大的资源。结 合资源及j 芯片的性价比，硬件设计选用了f p g a 中的e p 3 c 1 2 0 f 4 8 4 c 8 n 芯片。f p g a 芯片e p 3 c 1 2 0 f 4 8 4 c 8 n 是阿尔特拉( a l t e r a ) 公司推出的c y c l o n ei i i 系列一款 可编程逻辑器件，也是可编程逻辑器件芯片中的代表产品，a u f e r a 阿尔特拉是 可编程逻辑器件领域的先驱者。 e p 3 c 1 2 0 f 4 8 4 c 8 n 其主要的性能参数如下： 1 最高工作频率：4 0 2 m h z ； 2 工作温度范围：0 0 c 到+ 8 5 0 c ； 3 逻辑块数：7 4 4 3 ； 4 输入输出接l j 标准：l v t t l ，l v c m o s ，s s t l ，h s t l ，p c i ，p c i x ，l v p e c l ， l v d 。 聱j p 乞一。 3 1 3 传输数据帧格式 认知无线电系统各个节点之间进行交互需要一个统一规则，结合本演示系统 j 。 的实际情况，制定了以下数据帧格式，如图3 3 所示。系统数据传输都采用透明无 差别的格式，方便扩展。 r 图3 3 传输数据帧格式 由图3 3 可知，帧由帧头及数据段组成： 1 帧头：1 2 8 比特l 、同步头( 1 3 比特巴克码) 、频偏估计序列( 3 2 比特0 、 1 交替码) 、定界序列( 7 比特巴克码) ，调制类型( 2 比特) 及保护位( 1 比特) 。 均采用b p s k 调制方式。 1 2 8 比特l ：射频板发射数据时的延迟驱动； 同步头：1 3 位巴克码( b m ) 0 0 0 0 0 11 0 0 1 0 1 0 ( b l ) ； 频偏估计序列：3 2 比特的0 、l 交替序列； 定界序列：7 位巴克码( b m ) 0 0 0 1 i o i ( b l ) ，定界提取调制方式比特位； 1 6 基于认知无线电中自适应传输系统的研究平实现 调制类型：调制方式信息比特位，由于其直接决定整帧数据的对错，重复 三次； 保护位：检测位。 2 数据段：格式如图3 4 所示。 长度源地址日的地址信令 s nr n 分帧保留信息c r c 1 6 2 4 b i t s4 b i t s4 b i t s8 b i t s2 b i t s 2 b i t sl b i t3 b i t s 10 2 4 b i t s 1 6 b i t s 图3 4 数据段格式 长度：每帧数据的长度信息； 源地址和目的地址：代表数据发送或接收节点号； 信令：帧模式的控制位； s n 、r n ：辅助a r q 机制位； 分帧：有无多帧标志位； 信息：发送的数据信息； c r c ：校验位，检测数据正确接收与否。 3 2 传输系统的设计和实现 传输系统要实现自我重构，最重要的是产生对应的时钟。因此时钟的自我重 构就显得尤为重要。本节首先介绍时钟的产生方法，而后根据传输系统中数据的 传输路径，依次介绍传输系统各个模块的设计和实现方法。 3 2 1 传输系统的自我重构 认知无线电演示系统由管理中心、认知节点和通信节点组成，其中认知节点 和通信节点各两个，传输系统主要指通信节点。认知无线电演示系统的工作过程 是首先感知节点对频谱信息进行感知，找出频谱“空洞”，而后利用空闲频段进行 数据传输，反复循环的过程。另外在数据传输过程中，认知无线电系统要时时注 意避让授权用户。具体的演示系统工作过程是，传输系统在进行数据传输之前， 管理中心首先要对各个感知节点进行点名，感知节点收到点名指令之后，将感知 的频谱信息结果通过感知模块上报到管理中心，管理中心对上报的频谱信息进行 综合分析，找剑可以利用的空闲的频段，并综合分析信道的性能最终做出决策， 确定本次数据传输要使用的频点、带宽和调制方式，并将最终决策结果，即要使 用的频点、带宽和调制方式，利用公共信道发给各个通信节点。通信节点中的d s p 负责对收到的管理中心发出的系统控制信息进行解析，并在源数据发送之前，将 解析的控制信息先组帧发送给f p g a ，而后f p g a 根据解析信息并进行自我重构， 第三章传输系统软硬件的设计和实现 1 7 选定传输系统将要使用的频点、带宽和调制方式，随即数据进行传输。系统重复 进行整个工作过程直到收到结束命令。 演示传输系统自我重构的原理图如图3 5 所示。 图3 5 演示传输系统重构原理图 根据图3 5 所示的原理图，图3 6 是f p g a 中带宽和调制方式控制输出的实现 模块。 图3 6f p g a 中带宽和调制方式控制输出 r w c l k ：数据输入时钟； a d d r e s s 2 o ：地址线输入； 1 8 基于认知无线电中自适应传输系统的研究和实现 d a t a w 15 0 】：数据输入； o c l k ：数据输出时钟； c o n t r 1 0 1 ：调制方式控制输出； b c o n t r 1 0 】：带宽控制输出； o d a t a 1 5 0 】：数据输出； p l o t ：发射控制信号； 其他为辅助控制信号。 下面的图3 7 是设计的根据认知无线电系统指定的带宽选择输出使能信号的 f p g a 模块。 不： 图3 7f p g a 中带宽使能输出模块 b c o n t r 1 0 - 带宽控制信号； c l e a r ：清零信号； e l k ：时钟； c s 2 0 0 k 、c s l 0 0 k 、c s 5 0 k 、c s 2 5 k ：四种带宽的使能信号。 使用f p g a 的逻辑分析仪对带宽选定后的使能信号进行观测，结果如图3 8 所 n a 叩1 6 2 6 2 v 扎6 2 6 豳4 4 6 4 ( t i c l 甜a s i o r e ：i n s t i b u f f e o 0 8 h s i i d a 【a 科o r e ：i n s l i c o n i r lo h 【l c l a t l a s h ：o r e ：i n s t l b c o n i r l2 h 1 1i b a n d e n ：i n s t 4 1 c s 2 5 k i 0 【1i b a n d e n ：i n c t 4 1 c s 5 0 k 。0 l i b a n d e n ：i n s l 4 l c s lo o k ： l b a n d e n ：i n s t 4 i c s 2 0 0 k 0 h a n l e 1 6 2 6 2 v a l 6 2 6 3 , 1 6 2 7 2 j i d 毹a s f o r e ：i n 科l b u f f e ro c h i ：一 s t l d a t a s t o r e ：i n 甜l c o n t r0 h l ： 。 i l d e t a s i o r e ：i n g t l b c o n t r 3 hl 刚l i b a n d e n ：i n 甜4 1 c s 2 5 k o 1 刚i b a n d e n ：i n s t 4 1 c s 5 0 k 0 l 1l i b a n d e n ：i n s t 4 1 c s io o k 0 l 1i i b a n d e n ：i n s t 4 1 c 8 2 0 0 k 1 l 图3 8f p g a 中带宽使能信号观测图 第三章传输系统软硬什的设计和实现 1 9 b u f f e r ：带宽、调制方式控制信号，低四位有效； b c o n t r ：带宽控制信号，取b u f f e r 的第三、四比特； 其中b c o n t r 取值对应的带宽如表3 1 所示。 表3 1b c o n t r 取值与带宽对应关系 b c o n t r 带宽 0 02 5 k 0 l5 0 k l o 1 0 0 k 1 12 0 0 i k 通过带宽使能信号的控制，系统速率进行重构。图3 9 给出了不同速率自我重 构的f p g a 设计模块。 图3 9 f p g a 中速率自我重构模块 c l k 2 m ，s c l k 2 ：分频器输入时钟； i ? c s 2 ：速率自我重构模块的使能信号； c l e a r ：清零信号； b c o n t r 1 0 】：带宽控制信号； i n t 2 ：中断速率； c l k l _ b p s k ，c l k lp i 4 ，c l k l 一1 6 q a m ，c l k l 一8 p s k ：控制产生的不同调制方式的时钟； c l k 2 ：数据速率； e l k 3 c l k