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软件无线电技术 习题课 1 1 1作业一作业一 1 作业一作业一 设计一个软件无线电收音机 要求 设计一个软件无线电收音机 要求 射频低通采样 输入为中波射频低通采样 输入为中波AM和调频和调频FM 输出为 输出为 89 4MHz上对应的调制信号 上对应的调制信号 画出系统框图 给出主要参数 设计高效的抽取结画出系统框图 给出主要参数 设计高效的抽取结 构 构 应用背景应用背景 两两种类型种类型无线电广播 无线电广播 调幅 调幅 AM 广播 广播 长波长波 150 415 KHz 中波中波 525 1605 KHz 短波短波 1 6 26 MHz 调频 调频 FM 广播 广播 超高频超高频频频段 段 VHF 我国我国FM广播波段广播波段87 108 MHz 频道划分 频道划分 AM 频道间隔 频道间隔 9 KHz FM 频道频道间隔 间隔 200 KHz 信号带宽为 信号带宽为150 KHz 应用背景应用背景 AM和FM广播的特点 AM 传播距离远 覆盖面积大 电路简单 价格便宜 抗干扰能力差 信号带宽窄 音质较差 FM 抗干扰能力强 带宽宽 音质好 覆盖范围小 接收质量受建筑物或其它地物遮挡影响 问题问题分析分析 可接收中波AM和FM信号 0 5M 108MHz 基于射频低通采样结构 输出89 4MHz的FM信号 采用高效的抽取结构 系统系统原理框图原理框图 A DA D 模拟 前端 模拟 前端 数字 下变频 数字 下变频 基带解 调算法 基带解 调算法 D AD A 模拟 输出 模拟 输出 软件无线电收音机的原理框图软件无线电收音机的原理框图 模拟前端模拟前端 放大 滤波 动态范围调整 LNALNAAGCAGCLPFLPF 模拟前端模拟前端 tx 0108125 MHz f j eH ADC与采样频率选择与采样频率选择 根据低通采样定理 采样频率应为fs 2fmax fs 250MHz 2 108MHz ADC采样后的频谱为 0250 MHz f j eX 250 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 A A D D tx nx 数字下变频数字下变频 原理框图 LPFLPF LPFLPF D D D D NCONCO MHzf 4 89 0 cos 0n sin 0n nx DnxB I DnxB Q 数字下变频数字下变频 ADC采样后的数字信号x n 的频谱 0 s f MHz f j eX s f 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 72 0 2 250 4 89 0 数字下变频数字下变频 NCO产生的本地载波信号频谱 72 0 0 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 sin 0n cos 0n 数字下变频数字下变频 搬移后的I路信号的频谱 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 0 s f MHz f j eX s f 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 0 j BI eX 2 44 1 28 1 72 0 56 0 72 0 56 0 44 1 28 1 2 数字下变频数字下变频 搬移后的Q路信号的频谱 0 s f MHz f j eX s f 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 0 j BQ eX 0 2 44 1 28 1 72 0 56 0 72 0 56 0 44 1 28 1 2 数字下变频数字下变频 低通滤波后得到的基带信号频谱 0 j BI eX 2 2 0 j BQ eX 2 2 数字下变频数字下变频 考虑所设计的低通滤波器指标为 通带截止频率 基带调制信号的最高频率75KHz 阻带起始频率 125KHz Kaiser窗 通带纹波 阻带纹波 0 001 则滤波器的阶数N为 数字下变频数字下变频 高效抽取结构数字滤波器设计 分级 CIC和HB 抽取因子D的选择 D fs 2fa 分级抽取 抽取结构 3级CIC和3级HB级联抽取 数字下变频数字下变频 CIC滤波 非2的幂次方抽取 无乘法运算 级联 有效降低CIC滤波器的旁瓣电平 数字下变频数字下变频 CIC滤波后的信号频谱 抽取125倍后 采样 率变为fs1 2MHz 数字下变频数字下变频 CIC滤波后的信号频谱 数字下变频数字下变频 HB滤波 0 C a j eH 2 1 1 2 数字下变频数字下变频 HB滤波器设计 信号带宽可表示为 则 各级抽取前的信号采样率不同 因而HB滤波器阶 数也不同 第m级HB滤波器输入信号的采样率为 过渡带为 设整个多级HB滤波器的纹波系数为 则每 级纹波系数为 数字下变频数字下变频 使用Kaiser窗 各级HB滤波器的阶数为 求得 数字下变频数字下变频 HB滤波后的信号速率为 fs3 2M 8 250K 信号的频谱为 0 j BI eX 5 3 2 3s f 5 3 0 j BQ eX 2 3s f 数字下变频数字下变频 I Q支路信号叠加后的结果 0 j B eX 5 3 2 3s f 5 3 解调 解调 DAC 模拟输出 模拟输出 恢复原始的音频调制信号 最终系统原理框图最终系统原理框图 LNALNAAGCAGCLPFLPFA DA D CICCIC CICCIC HBF HBF HBFHBF FM 解 调 算 法 FM 解 调 算 法 D AD ALPFLPFPAPA NCONCO MHzf 4 89 0 cos 0n sin 0n 模拟前端模拟前端 扬声器 输出 扬声器 输出 作业二作业二2 作业二作业二 设计一个软件无线电侦察设计一个软件无线电侦察接收机 接收机 要求 要求 频率频率范围范围525 KHz 1605 KHz 频率频率分辨力分辨力1 0 KHz 应用背景应用背景 无需专用设备对整个频段进行搜索或监视 全概率信号截获 适合处理持续时间很短的 突发 通信信号 调频通信信号等 实现基础 采用多相滤波器组的信道化接收机 问题分析问题分析 侦察范围 525 KHz 1605 KHz 接收机的处理带宽 1 08MHz 频率分辨力为1 0 KHz 则最少存在1080个信道 j eX KHz f 52552516051605 KHz1080 s B 10651065O O 16051605 KHz1080 s B 10651065 525525 j eX KHz f 5255251605160510651065O O 0 1 2 539 1079 16051605 10651065 525525 系统原理框图系统原理框图 基于多相滤波器组的信道化接收机原理框图基于多相滤波器组的信道化接收机原理框图 抗混叠滤波器特性抗混叠滤波器特性 侦察信号的中心位置为 f0 1065KHz 通带截止频率 fc 1605KHz 阻带起始频率 fa 2089KHz j eX KHz f 525160552516051065O20891065O2089 ADC与采样频率选择与采样频率选择 根据低通采样定理 采样频率应为fs 2fmax fs 6144KHz 2 2089KHz 数字下变频数字下变频 将整个侦察频段的中心搬移到零频率位置 fc 540K fa 1024K fs 6144K 6fa 因此可先通过 抽取降低处理信号的采样速率 抽取因子D为 j eX KHz f 540540540540O O 0 1 2 539 1079 10241024 数字下变频数字下变频 低通滤波器的设计 通带截止频率 fc 540K 阻带起始频率 fa 1024K 通带 阻带纹波系数均为 0 001 Kaiser窗函数 则滤波器的阶数N为 数字下变频数字下变频 多相滤波结构实现低通滤波器 滤波器的阶数取为48 分为3相 则每相支路的滤波器的长度减少为16个 数字下变频数字下变频 数字下变频器原理框图 LPFLPF LPFLPF 3 3 3 3 sin 0n cos 0n nx 3 nxI 3 nxQ 数字下变频数字下变频 3倍抽取后侦察信号的频谱 多相滤波器组多相滤波器组 各信道为间隔均匀的1KHz窄带信号 侦察频率范围内的信道数为1080个 多相滤波器输入样本速率为 2048KHz 取D为2048 多相滤波器组的通道数K为2048 利用均匀滤波器组的整数频带抽取整数频带抽取 多相滤波器组设计多相滤波器组设计 侦察频率范围的信道参数 侦察有无信号 信号略有损失 j eX O O KHz 1 f5 0 1 5 0 1 多相滤波器组设计多相滤波器组设计 滤波器参数设计 通带截止频率 阻带起始频率 通带 阻带纹波系数 滤波器阶数N为 则每相滤波器的长度为N D约为8 j eX KHz 1 f75 0 25 0 4096 4096 3 多相滤波器组的原理框图多相滤波器组的原理框图 原理框图 2048 2048 2048点 DFT 2048点 DFT 20 zE 2048 2048 21 zE 1 z 1 z 2048 2048 21 zEK 1 zX K j eW 2 20 zY 22 zY 21 zYK 0 j eY K 2048 1 f 2 3 2 1 j K eY K 2048 1 f 2 3 2 作业三作业三3 作业三作业三 阐述智能天线用于移动通信系统用户定位原理阐述智能天线用于移动通信系统用户定位原理 和系统结构 和系统结构 应用背景应用背景 智能天线的高分辨能力和强抗干扰能力 蜂窝移动通信系统 确定移动台所处的小区 通过两个或多个基站联合处理的智能天线系统 可将用户终端定位到一个较小区域 定位精度 更高 美国联邦通信委员会 FCC 要求有无线紧 急呼叫的功能 并且可达到125m的定位精度 问题分析问题分析 定位原理 系统框图 定位系统分类定位系统分类 定向系统 定距系统 距离定位系统 距离和定位系统 椭圆型定位系统 距离差定位系统 双曲型定位系统 技术基础 定向 DOA估计 定距 TOA和TDOA估计 定向系统定向系统 通过测量信源信号的DOA 来估计移动用户的位置 1 S 2 S 3 S 移动用户移动用户 距离定位系统距离定位系统 通过测量波达时间 TOA 来测量手机和一组基 站间的绝对距离 而对手机用户进行定位 测量手机和基站间信号传播的波达时间 TOA 计算手机用户和基站间的传播距离 利用多个基站接收机的距离测量结果 寻找的球面的公 共交点进行定位 距离定位系统距离定位系统 定位原理示意图 N个距离测量结果 已知基站位置坐标 信源 坐标三者的数学关系为可表示为一个方程组 1 S 2 S 3 S 3 R 2 R 1 R 移动用户 x y z 移动用户 x y z X Y Z 距离定位系统距离定位系统 距离定位系统的特点 精确测量 信源和基站的时钟必须严格严格同步同步 定位精度依赖于系统的几何结构 距离和定位系统距离和定位系统 利用多个基站接收机的距离和测量结果 寻找 多个椭球面的交点 从而移动用户定位 距离和与基站接收机间的TOA关系为 1 S 2 S 3 S 移动用户移动用户 x x y y z z 1 R 2 R 3 R 距离和定位系统距离和定位系统 N个距离和测量结果 已知基站位置坐标 信 源坐标三者的数学关系为可表示为一个方程组 信源位置可由3个或更多的椭球面交点确定 距离差定位系统距离差定位系统 利用多个基站接收机的距离差测量结果得到的 相交双曲面而对信源定位 TDOA估计将信源的可能位置限制在以接收机 为焦点的旋转双曲面上 移动用户 x y z 移动用户 x y z 1 S 2 S 3 S 1 R 2 R 3 R 距离差定位系统距离差定位系统 距离差Rij与基站接收机间的TDOA 波达时 间差 关系为 N个距离和测量结果 已知基站位置坐标 信 源坐标三者的数学关系为可表示为一个方程组 信源位置可由3个或更多的双曲面交点确定 距离差定位系统距离差定位系统 距离差定位的优点 TDOA法的优点 TOA法 精确知道信源发射时间 无需信源和接收机间保持严格的时钟同步 能够消除或减小接收机普遍存在的时延误差 当前移动通信定位系统的主流技术 智能天线定位系统的原理框图智能天线定位系统的原理框图 基于多通道 多波束形成的软件无线电智能天 线结构 P163 对其进行改造 可实现定向定位 定距定位以 及联合定位 多多通道多通道多波束波束形成智能形成智能天线结构天线结构 具有定位功能的智能天线框图具有定位功能的智能天线框图 模拟 前端 模拟 前端 A DA D 信道 分离 1 信道 分离 1 信道1 多波束 形成 信道1 多波束 形成 模拟 前端 模拟 前端 A DA D 信道 分离 N 信道 分离 N 信道L 多波束 形成 信道L 多波束 形成 TOA TDOA 估计 TOA TDOA 估计 解调器解调器 定位算法定位算法 定距定位定距定位 定位信息定位信息 TOA TDOA 估计 TOA TDOA 估计 定位算法定位算法 解调器解调器