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毕业设计 论文 说明书毕业设计 论文 说明书 学学 院院 电子信息工程学院电子信息工程学院 专专 业业 电子信息工程电子信息工程 年年 级级 2005 级级 姓姓 名名 林兴钦林兴钦 指导教师指导教师 马永涛马永涛 2009 年年 6 月月 18 日日 毕业设计毕业设计 论文论文 任务书任务书 题目 基于虚拟无线电的广播信号接收系统 学生姓名学生姓名 林兴钦林兴钦 学院名称学院名称 电子信息工程学院电子信息工程学院 专专 业业 电子信息工程电子信息工程 学学 号号 3005204287 指导教师指导教师 马永涛马永涛 职职 称称 讲师讲师 一 原始依据 包括设计或论文的工作基础 研究条件 应用 环境 工作目的等 本课题是 2007 年国家大学生创新性实验计划项目 基于 PC 机的无线广播 接收系统设计 的一个子课题 课题研究条件完善 硬件上具备信号发生器 示波器 数字万用表等仪器以及焊接工具 软件开发工具包括 Matlab R2007b Protel 99SE Visual Studio 6 0 等 20 世纪 70 80 年代 无线电由模拟向数字全面发展 20 世纪 80 年代初开 始的软件无线电革命 将把无线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来 虚 拟无线电是软件无线电的一个新的发展趋势 虚拟无线电的研究将无线和其他 应用的界限模糊化 提高了功能性和端到端的有效性 随着用户对广播业务需 求的增加和对声音广播质量要求的提高 无线电广播接收数字化势在必行 基 于虚拟无线电的无线电广播接收技术无疑是一个很好的解决方案 目前国内外基于虚拟无线电的广播信号接收的专用硬件平台尚处在研发阶 段 各射频硬件平台方案均不成熟 无法有效实现产品化 同时缺乏和硬件平 台相配套的应用软件 所以 设计基于虚拟无线电的广播信号接收的硬件平台 并开发相应的应用软件具有重要意义 二 参考文献 1 Mitola J III Software Radios Survey Critical Evaluation and Future Directions A In National Telesystems Conference C America 1992 13 23 2 Mitola J III The software radio architecture J IEEE Communications Magazine 1995 33 5 26 38 3 Bose V Ismert M Welborn M et al Virtual radios J IEEE Journal on Selected Areas in Communications 1999 17 4 591 602 4 Richard G Lyons 著 朱光明 程建远等译 数字信号处理 M 北京 机械 工业出版社 2006 21 26 259 277 5 杨小牛 楼才义 徐建良 软件无线电原理与应用 M 北京 电子工业出 版社 2001 57 40 6 John G Proakis 等著 刘树棠译 现代通信系统 MATLAB 版 M 北京 电子工业出版社 2005 64 101 7 Shameem Akhter Jason Roberts 著 李宝峰等译 多核程序设计技术 通过 软件多线程提升性能 M 北京 电子工业出版社 2007 37 42 三 设计 研究 内容和要求 包括设计或研究内容 主要指 标与技术参数 并根据课题性质对学生提出具体要求 一 研究内容 在对射频通信 虚拟无线电 数字信号处理 广播信号接收等多方面知识 理解和掌握的基础上 研究基于虚拟无线电的无线广播接收技术 1 对虚拟无线电技术理论的研究与仿真 对虚拟无线电的数字化接收技术的相关理论做了深入学习和研究 在此基 础上 课题需要对虚拟无线电的关键技术进行仿真 2 实际系统的设计与实现 设计的广播信号接收系统应能够接收电台信号 并将硬件解调出的广播音 频信号以及未解调的低中频调幅信号通过声卡送至 PC 机 开发和硬件平台通 信的相应软件 软件应具备数据采集 数据处理等功能和良好的用户界面 以 满足实际应用需求 二 主要指标 中频频率 AM 一中频 465KHz 二中频 12KHz FM 10 7MHz 声卡采样频率 48KHz 延迟 1s 三 具体要求 1 充分利用图书馆和网络资源查阅所需资料 研究相关理论 掌握 Protel SIMULINK MATLAB Visual Studio 等软件完成课题设计 2 毕设中保持认真仔细态度 刻苦钻研技术细节 努力完善知识结构 3 严格按照计划完成既定任务 与同学互相督促 4 撰写论文时注意格式规范 反复检查修改 保证论文的质量 5 每周与毕设指导老师交流 2 次 汇报进展 明确下一步计划 指导教师 签字 年 月 日 审题小组组长 签字 年 月 日 天津大学本科生毕业设计 论文 开题报告 课题名称基于虚拟无线电的广播信号接收系统 学院名称电子信息工程学院专业名称电子信息工程 学生姓名林兴钦指导教师马永涛 一 课题背景及意义 1992年5月美国MITRE公司的Joe Mitola提出了软件无线电的概念 即由硬件 作为无线电通信的基本平台 而把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来 实现 虚拟无线电是软件无线电的一个新的发展趋势 虚拟无线电与传统软件 无线电的区别在于它不是由软件控制的专门数字硬件或者DSP实现 而是从计 算机体系的角度出发考虑充分利用工作站资源来实现软件无线电 随着处理器 速度和存储器容量的增长 虚拟无线电技术的应用将变得更为普遍 基于虚拟 无线电的广播信号接收正是其中的一个重点应用 无线广播接收系统包括射频前端和 PC 工作站 对于无线广播接收系统来 说 其接收性能在很大程度上由射频前端性能决定 所以射频前端设计是基于 虚拟无线电的广播信号接收系统的设计重点 目前国内外基于虚拟无线电适用 于接收广播信号的专用射频平台和相应软件尚处在研发阶段 各方案均不成熟 无法有效的实现产品化 本课题就是在这样的背景下产生的 二 国内外发展状况 软件无线电概念提出后 美国军方对软件无线电技术十分重视 并运用这 一思想开始对多波段 多模式无线电台进行研究 最初由美国国防部高级研究 计划局 DAR 队 提出了 Speakeasy 计划 其目标是开发一个波形可编程的多频 段多模 式电台 能同时处理多种不同的信号波形 该项目于 1995 年开始研究 首次对 软件无线电技术进行了较全面地 系统地研究 为软件无线电的发展打下了基 础 与此同时 美国麻省理工学院启动 Spectrum Ware 项目开始进行软件无线 电 技术研究 Spectrum Ware 项目主要基于工作站或 PC 机对信号进行处理 来实 现软件无线电通信 该技术被称为虚拟无线电技术 该研究使得无线电通信系 统和其他计算机应用平台变得十分类似 开发和试验软件十分方便 随着广播技术的发展 无线电广播接收系统也在不断更新换代 自 1920 年 开始的无线电广播的半个多世纪中 无线电广播接收系统经历了电子管 晶体 管 集成电路的三代变化 20 世纪 80 年代开始 用户对广播业务需求的增加 和对声 音广播质量要求的提高 无线电广播接收数字化势在必行 基于虚拟无线电的 无 线电广播接收技术无疑是一个不错的解决方案 三 研究目标及内容 本课题的研究目标是将虚拟无线电技术应用于传统广播电台信号的接收 具体来说 需要完成以下两个研究内容 对虚拟无线电技术进行深入研究并对其关键技术进行仿真 设计一种基于虚拟无线电的广播信号接收系统的硬件平台 并开发和硬 件平台通信的应用软件 四 研究方法 考察本课题研究的目标和内容 拟采用综合研究法 即综合使用文献资料 法 比较研究法和科学实验法 1 文献资料法 在研究起步阶段 本课题拟采用文献资料法 阅读手册 专著等参考书加 深对课题的认识 阅读相关的综述文献了解课题的进展情况 2 比较研究法 在研究设计阶段 本课题拟采用比较研究法 详细比较目前适用于接收广 播信号的硬件平台方案和相应软件开发模式的优缺点 在此基础上 确定设计 方案 3 科学实验法 在研究实施阶段 本课题拟采用科学实验法 使用SIMULINK软件对虚拟 无线电技术进行仿真 使用Protel 99SE软件完成硬件平台的电路和PCB设计 以 及硬件平台的调试 使用MATLAB Visual Studio软件设计与硬件平台通信的相 关应用软件 以及软件调试 重复以上过程 直至系统功能达到预定要求 五 进度计划 2008 年 12 月 19 日 2009 年 02 月 22 日 确定毕业设计题目和指导教师 共同 拟定任务书 查阅与课题相关的资料 2009 年 02 月 23 日 2009 年 03 月 08 日 制定课题任务 资料收集和文献阅读 完成毕业设计开题报告 2009 年 03 月 09 日 2009 年 03 月 22 日 系统分析阶段 制定和论证技术方案 2009 年 03 月 23 日 2009 年 04 月 26 日 完成硬件平台设计和调试 2009 年 04 月 27 日 2009 年 05 月 24 日 完成软件设计和系统总体测试 2009 年 05 月 25 日 2009 年 06 月 18 日 毕业设计论文整理和定稿 完成答辩 六 已具备实验条件和可行性分析 本课题研究条件完善 实验室具备课题研究所需的软硬件工具 其中 硬 件上具备信号发生器 示波器 数字万用表等仪器以及焊接工具 软件开发工 具包括 Matlab R2007b Protel 99SE Visual Studio 6 0 等 同时 课题研究的虚拟无线电技术是软件无线电的一个最新发展方向 课 题选用的技术方案与研究人员的科研水平相适应 课题所采用的技术也是成熟 可靠 安全的 因而 本课题符合先进性 适应性和安全可靠性等课题研究可 行性原则 即课题研究恰当可行 七 参考文献 1 Mitola J III The software radio architecture J IEEE Communications Magazine 1995 33 5 26 38 2 Bose V Ismert M Welborn M et al Virtual radios J IEEE Journal on Selected Areas in Communications 1999 17 4 591 602 3 Cook P G Bonser W Architectural overview of the SPEAKeasy system J IEEE Journal on Selected Areas in Communications 1999 17 4 650 661 4 胡延平 李广森 基于虚拟无线电技术的多媒体收音接口卡设计 J 电子技 术应用 2000 26 9 51 52 5 王小泉 王捷 尤肖虎 软件无线电中的抽样率转换技术 J 电讯技术 2000 40 5 36 40 6 Jeffrey H Reed 等著 陈强等译 软件无线电 无线电工程的现代方法 M 北京 人民邮电出版社 2004 17 24 7 Shameem Akhter Jason Roberts 著 李宝峰等译 多核程序设计技术 通过 软件多线程提升性能 M 北京 电子工业出版社 2007 37 42 8 张志涌 精通 MATLAB 6 5 版 M 北京 北京航空航天大学出版 2003 468 502 选题是否合适 是 否 课题能否实现 能 不能 指导教师 签字 年 月 日 选题是否合适 是 否 课题能否实现 能 不能 审题小组组长 签字 年 月 日 摘 要 软件无线电基于通用硬件平台 应用软件技术实现具有最大灵活性和适应 性的各种无线通信系统 被认为是未来通信技术的发展方向 作为软件无线电 的一个新发展趋势 虚拟无线电与软件无线电的区别在于它不是由DSP实现 而是从计算机体系的角度考虑以充分利用工作站资源实现软件无线电 本课题 的研究目的正是将虚拟无线电应用于广播信号接收领域 课题在深入研究虚拟无线电 广播通信 数字信号处理等理论后 基于 SIMULINK 建立了一个中频数字化调幅信号接收的仿真系统 该系统成功仿真 了虚拟无线电的关键技术 在此基础上 本课题运用 PROTEL 99SE 设计了广 播信号接收系统的硬件平台 同时 课题基于 MATLAB GUI 初步编写了和硬 件平台通信的应用软件 该软件可对采集的数据进行相应处理 包括波形和频 谱显示 AM 信号软件解调等 另外 本课题采用多线程模式设计了 Windows 应用软件 以满足实际应用需求 测试结果表明系统输出音质良好 播放流畅 工作稳定 增强了微机的多媒体效果 关键词 虚拟无线电 广播信号接收 数字信号处理 软件多线程 ABSTRACT Soft defined radio SDR based on relatively generic hardware platforms takes advantage of software engineering technology to design a variety of wireless communication systems with maximum flexibility and adaptability Hence SDR has been considered to be the future direction of development of communication technology As a new trend of SDR technology virtual radio VR differs from the traditional SDR in that VR does not use digital signal processing DSP hardware Instead VR performs the entire digital signal processing in user space on a general purpose workstation which allows us to experiment with new approaches to signal processing that exploit the hardware and software resources of the workstation The purpose of this thesis is to design the hardware and the software of VR based radio receiving system Firstly a simulation system of digital intermediate frequency AM receiver was designed through the application of SIMULINK after the detail study of the relevant theories including VR technology radio frequency RF communications and DSP The simulation system successfully simulates the key technologies of digital AM receiver Then the hardware design of radio receiving system was successfully completed with the assistance of PROTEL 99SE Meanwhile the preliminary application software that can carry out some data processing functions such as the display of signal waveform and spectrum and AM demodulation was built on MATLAB GUI Additionally the multi threaded software for Windows operating system was also implemented to meet the needs of practical application In the end the results of system test demonstrate that the overall performance of broadcast signal receiving system is satisfying Key words virtual radio radio receiver digital signal processing software multi threading 1 目目 录录 第一章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 论文主要工作和章节安排 2 第二章 虚拟无线电数字接收技术的基础理论 4 2 1 带通采样理论 4 2 2 信号抽取技术 5 2 2 1 抽取原理 5 2 2 2 带通信号抽取技术 8 2 2 3 积分梳状滤波器 10 2 3 本章小结 12 第三章 虚拟无线电接收系统的研究与仿真 13 3 1 虚拟无线电接收系统方案选择 13 3 1 1 射频低通采样数字化结构 13 3 1 2 射频带通采样数字化结构 13 3 1 3 中频带通采样数字化结构 14 3 2 中频数字化 AM 接收系统仿真 14 3 2 1 SIMULINK 概述 14 3 2 2 调幅信号数字接收系统仿真模型 15 2 3 2 3 仿真结果讨论 18 3 3 本章小结 18 第四章 无线电广播信号接收系统硬件设计 20 4 1 硬件平台设计概述 20 4 2 硬件平台的电路设计与实现 20 4 2 1 音频信号及一中频 465KHz 信号的获得 20 4 2 2 本振信号的产生 22 4 2 3 二中频 12KHz 信号的产生 24 4 2 4 电源管理 25 4 2 5 ADC 数据采集 26 4 2 6 系统硬件平台的实现 26 4 3 本章小结 27 第五章 无线电广播信号接收系统软件设计 28 5 1 基于 MATLAB GUI 的应用软件设计 28 5 1 1 概述 28 5 1 2 数据采集 29 5 1 3 数据处理 30 5 2 基于 WINDOWS 的应用软件设计 33 5 2 1 多线程设计 33 5 2 2 数据采集线程 34 5 2 3 数据播放线程 36 3 5 2 4 数据存储线程 36 5 3 本章小结 37 第六章 系统测试和全文总结 38 6 1 系统测试 38 6 1 1 测试环境 38 6 1 2 测试分析 38 6 1 3 测试结果 40 6 2 全文总结 41 参考文献 42 外文资料 中文资料 致谢 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 1 第一章 绪论 在微电子 计算机和数字信号处理技术快速发展的推动下 无线通信技术 迅猛发展 无线通信系统中数字化体制逐渐取代模拟体制 无线通信的功能也 逐渐由传统的通过复杂的硬件实现转变为依靠灵活的软件完成 由此产生了软 件无线电技术 Software Defined Radio 简称 SDR 进而演化出了虚拟无线电 技术 Virtual Radio 简称 VR 1 1 课题背景 1992 年5月Joe Mitola首次提出了软件无线电的概念 1 他希望用这种新技 术来解决无线通信中多工作频段 多工作方式的互通问题 其基本概念是把硬 件作为无线电通信的基本平台 而把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件 来实现 具体来说 软件无线电的基本思想是 2 将宽带A D D A变换尽可能 的靠近射频天线 尽可能早的将模拟信号数字化 采用DSP技术 在可编程控 制的通用硬件平台上 建立一种灵活的无线电系统 虚拟无线电是软件无线电的一个新发展趋势 虚拟无线电与传统软件无线 电的区别在于它不是由软件控制的专门数字硬件或者DSP实现 而是从计算机 体系的角度出发充分利用工作站资源以实现软件无线电 有代表性的是美国麻 省理工学院的计算机科学实验室开发的Spectrum Ware系统 其结构如图1 1所示 3 ADC接口 应用程序 操作系统 射频接收 前端 操作系统扩展 图1 1 虚拟无线电结构图 随着处理器速度和存储器容量的增长 虚拟无线电技术的应用将变得更为 普遍 基于虚拟无线电的广播信号接收正是其中的一个重点应用 其研发将有 助于虚拟无线电技术的发展 无线电广播接收系统包括射频前端和工作站 对 于无线电广播接收系统来说 其接收性能在很大程度上由射频前端性能决定 所以射频前端设计是基于虚拟无线电的广播信号接收系统的一个设计重点 目前国内外基于虚拟无线电的广播信号接收的专用硬件平台尚处在研发阶 段 各射频硬件平台方案均不成熟 无法有效实现产品化 同时缺乏和硬件平 台相配套的应用软件 所以 设计基于虚拟无线电的广播信号接收的硬件平台 并开发相应的应用软件具有重要意义 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 2 1 2 国内外研究现状 软件无线电概念提出后 美国军方对软件无线电技术十分重视 并运用这 一思想开始对多波段 多模式无线电台进行研究 最初由美国国防部高级研究 计划局提出了 Speakeasy 计划 其目标是开发一个波形可编程的多频段多模式 电台 能同时处理多种不同的信号波形 4 该项目于 1995 开始研究 主要由波 音 Boeing 和雷神 Raytheon 两家公司负责 该项目首次对软件无线电技 术进行了较全面 系统的研究 为软件无线电技术的发展打下了基础 5 与此同时 美国麻省理工学院启动 Spectrum Ware 项目开始进行软件无线 电技术研究 Spectrum Ware 项目主要基于工作站或 PC 对信号进行处理 来实 现软件无线电通信 该技术被称为虚拟无线电 该研究使得无线电通信系统和 其他计算机应用平台变得十分类似 开发和试验软件十分方便 现阶段 软件无线电在第三代移动通信系统中的应用成为研究的热点 例 如 欧共体的 ACTS FIRST 项目的目标是探讨将软件无线电技术应用到多波 段多模式可编程手机的可能性 6 1998 年 7 月 我国向 ITU 提交的第三代移动 通信提案 TD SCDMA 中也采用了软件无线电技术 7 随着软件无线电技术研究的深入 作为它的一个新发展趋势的虚拟无线电 技术的应用也格外引人注目 基于虚拟无线电的广播信号接收正是其中的一个 重点应用 随着广播技术的发展 无线电广播接收系统也在不断更新换代 自 1920年开始的无线电广播的半个多世纪中 无线电广播接收系统经历了电子管 晶体管 集成电路的三代变化 20世纪80年代开始 用户对广播业务需求的增 加和对声音广播质量要求的提高 使得无线电广播接收数字化势在必行 基于 虚拟无线电的广播信号接收技术无疑是一个很好的解决方案 8 当前 我国对数字声音广播的研究和开发取得了很大的进展 但是对发射 机的改造技术还必须依靠国外进口 接收机的研制也还停留在国外功能参考样 机的水平上 因此 开发拥有自主知识产权的无线电数字广播接收技术显得尤 为重要 1 3 论文主要工作和章节安排 本论文所承担的课题来源于 2007 年国家大学生创新性实验计划项目 基 于 PC 机的无线电广播接收系统设计 本课题所承担的任务是设计基于 PC 机的 广播信号接收系统的硬件平台和开发相配套的应用软件 课题有一定的独立性 可以形成一个相对较小但完整的系统 具体来说 本论文主要完成的工作可分 为以下几个部分 1 研究与分析虚拟无线电的基本原理 并使用 MATLAB SIMULINK 软 件建立了一个中频数字化调幅信号接收的仿真系统 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 3 2 基于 PROTEL 99SE 设计并实现了无线电广播接收系统的硬件平台 该硬件平台包括核心部分 CXA1691BS 混频电路 本振和电源管理等 3 基于 MATLAB GUI 编写仿真软件 该软件可以通过控制计算机声卡 完成对硬件平台输出信号的数据采集和相应的数据处理 包括信号的 时域和频域波形显示 AM 信号的软件解调等 4 基于 Windows 编写应用软件 在 MFC 框架下 该软件采用多线程设 计模式 具备数据采集 数据播放和数据存储等功能 结合以上工作 本论文各章节的安排如下 第一章在分析虚拟无线电起源 基本思想 研究现状的基础上 指出了本 论文研究的目的与意义 同时阐述了本论文完成的工作 第二章介绍虚拟无线电的数字化接收技术的相关理论 包括中频带通采样 理论和信号抽取技术 为课题仿真平台的搭建和软硬件设计奠定理论基础 第三章论述现阶段可实现的虚拟无线电系统方案 并介绍了基于 SIMULINK 软件建立的一个中频数字化调幅信号接收的仿真系统 第四章主要叙述与广播信号接收系统的具体硬件设计和实现的有关问题 第五章主要叙述与广播信号接收系统的具体软件设计和实现的有关问题 包括两个部分内容 基于 MATLAB GUI 的应用软件设计和基于 Windows 的应 用软件设计 第六章给出了本系统的测试方法及结果 并对本论文的工作进行总结 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 4 第二章 虚拟无线电数字接收技术的基础理论 理想的数字化虚拟无线电接收机的目标是在接收机天线的输出端直接进行 射频采样 后续所有的功能都应由软件或者数字硬件实现 对接收的模拟信号 虚拟无线电是如何进行采样的 如果采样后的数据速率过高超出后续硬件或软 件的处理速度 又该如何处理 本章将对这些虚拟无线电中最基本的 也是最 为关键的问题进行详细讨论与阐述 为本课题的研究奠定理论基础 2 1 带通采样理论 虚拟无线电应尽可能使 A D D A 器件靠近射频天线 即尽可能早的实现 数字化 根据 Nyquist 采样定理 采样频率应该至少大于信号最高频率的 S f H f 两倍 采样信号才可以无失真的重构原信号 这样 随着 ADC 往射频端推移 的取值将变得很高 但在实际应用中 接收的射频信号多为窄带信号 对这 S f 类信号 在不产生混叠的情况下 采样频率并不需要达到最高频率的两倍 S f 这就是带通采样定理所要讨论的问题 设有一个频带受限信号 其频带限制在内 该信号的频谱如 X t LH 图 2 1 所示 采样后信号的频谱如图 2 2 所示 X n 0 w X jw 0 HL 0 LH 图 2 1 信号频谱 X t 0 w jw X e SS 2 3 S www SS 3 2 S www 图 2 2 信号频谱 X n 由图 2 1 和 2 2 可知 采样后信号的频谱是周期为的连续函数 jw X e S W 如果把位于负半轴部分的频谱作周期延拓 那么为了不与正半轴部 HL 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 5 分频谱混叠 则应该满足如下条件 LH 1 向右移后 要小于 为一个正整数 即 L 1 S NW L N 等价于 1 LSL NW 2 1 L S W N 2 向右移后 要大于 即 等价于 H S NW H HSH NW 2 H S W N 综合以上两个条件 采样频率需满足 S W 2 1 22 1 HL S W NN 由上述推导可得到著名的带通采样定理如下 9 设为一频带受限信号 其频带限制在内 在实信号采样情况 X t LH 下 其采样频率应满足以下条件 才能由其采样信号重构 2 2 22 1 H S W NN L 其中为满足式 2 3 的某正整数 N 2 3 2 SH W L 带通采样定理表明 对带通信号而言 可用远低于两倍信号最高频率的采 样率进行采样 带通采样定理的应用 降低了信号的采样率 进而降低了对后 续软硬件的要求 带通采样也称为欠采样 一般把采样频率低于两倍信号最高 频率的采样称为欠采样 2 2 信号抽取技术 带通采样定理的应用大大降低了所需的射频采样速率 为后续的实时处理 奠定了基础 但是从对虚拟无线电的要求来看 带通采样的带宽应该越宽越好 这样对不同的信号会有更好的适应性 另外 提高采样速率也有利于改善采样 量化的信噪比 所以在可能的情况下 带通采样速率应该尽可能的选得高一些 但是随着采样速率的提高带来的另外一个问题是采样后的数据速率很高 导致 超出后续软硬件的处理速度 因此 有必要对A D后的数据流进行降速处理 多速率信号处理技术为这种降速处理的实现提供了理论依据 本节将专门介绍 多速率信号处理技术中的抽取技术的基本理论 9 10 2 2 1 抽取原理 采样率变化有两个方向 减少采样率和增加采样率 减少采样率的处理称 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 6 为抽取 当信号的采样数据量太大时 为了减少数据量以便于后续处理 对每 为整数 个采样数据抽取一个 这样的抽取称为整倍数抽取 称为抽取D DD 因子 设原始采样后序列为 抽取后形成的新序列为 为 X m D XmX mD 了便于讨论和时域及频域的关系 先定义一个中间序列 X m D Xm T Xm 2 4 0 2 0 T X mmDD Xm 其他 或者 2 5 T i XmX m P mX mmDi 式2 5中 是一脉冲串序列 它在D的整数倍处的值为1 其余的值均为 P m 0 则 2 6 jwjwm DD m jwm m jwm T m jw D T XeXm e X mD e Xm e Xe 而 2 7 2 1 0 2 1 0 1 1 jwjwm T m jmk D jwm D mk k D j w D k XeX m P m e X mee D X e D 所以 2 8 2 1 0 1 wk D j jw D D k XeX e D 式2 8表明了对序列整数倍抽取前后的频谱关系 抽取后信号的频谱 X m 是原信号频谱经倍展宽并平移后的个频谱的叠加和 图2 jw D Xe jw X e DD 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 7 3 图2 4 图2 5示意了原信号在采样和抽取后频谱的分别变化 其中图2 5中取 2D 0 X j M f M f 图2 3 原模拟信号的频谱 X t X j 0 2 2w jw X e 图2 4 采样信号的频谱 X m jw X e 0 2 2 jw D X e w 图2 5 抽取信号的频谱 D Xm jw D Xe 由以上频谱可以看出 采样信号经过抽取后 信号的频谱发2D D Xm 生了混叠 这是由于抽取作为一种采样 同样要满足采样定理 在对第一 X t 次采样时 若保证 那么采样的结果不会混叠 对作倍抽取后2 SM ff X mD 得 若保证能由重建 采样频率要满足 由于抽 D Xm D Xm X t2 SM fDf 取因子是可变的 所以很难保证 因此 为了防止频谱混叠 通常D2 SM fDf 是先对作低通滤波限制其频带 然后再进行抽取 其处理模块包括低通滤 X m 波器和抽样压缩器 图2 6给出抽取操作的示意图 LPF D X n V n Y n 图2 6 抽取操作示意图 从以上分析可知 要进行无失真抽取 首先必须进行抗混叠滤波 而这个 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 8 抗混叠滤波器的通带宽度为 对于实际的移动通信系统来说 一般为 2 S fDD 100 1000 即要求设计的数字滤波器带宽很宽而过渡带极窄 这样的数字滤波 器几乎是不可实现的 因为滤波器的系数将会达到几千甚至上万阶 由此引起 的滤波器延迟和计算量都会很大 因此 在实际设计中 一般都需要多阶的滤 波和抽取 逐阶降低采样率 同时也降低对每阶抗混叠滤波器的要求 2 2 2 带通信号抽取技术 上一节所讨论的抽取操作都是假定所处理的信号是一低通信号 即感兴趣 的频率范围为 这样抽取前可用一个截止频率为的低通滤波器进行滤 0 M f M f 波 而实际当中所处理的信号多数是带通信号 其频谱位于整个数字 0 2 S f 频带中某一频段内的信号 对这样的信号 如果带通信号的最高和最低 LH ff 频率是信号带宽的整数倍 可以对其进行整带抽取 这时抽取倍数应满足 D 2 9 2 S DfB 其中 为信号带宽 但在实际中 很多信号很难满足整带抽取的条 HL Bff 件 所以必须寻求带通信号抽取的其他途径 其中一个途径就是采用频谱搬移 先把中心频率位于处的带通信号搬移到基带 然后再利用低通信号的抽取方 0 f 法进行抽取 下面简单叙述带通信号抽取过程 一个实带通信号的频谱是共扼对称的 如图 2 7 所示 X n jw X e 0 jw X e 0 LH fff 0 HL fff w 图 2 7 实带通信号频谱 X n 其中 中心频率可以任意取值 假设代表频谱的正频率分量 0 fX jw X e 代表频谱的负频率分量 由于与共轭对称 我们只需考虑其X jw X eX X 中一个分量 现在 我们用复信号乘以原带通信号 则的负频率分量 0 2jf n e X n jw X e 移至基带 而其正频率分量将移X X 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 9 至处 这时 如果用一个低通滤波器滤除处的高频分量 则可得到 0 2 f h n 0 2 f 图 2 8 所示的基带信号频谱 A X n A jw X e 0 2B 2Bw A jw X e 0 2 f 图 2 8 基带信号频谱 A X n 其中 2 10 02 00 cos 2 sin 2 jfn x nx n eh n x nf nh nj x nf nh n A AA 令 2 11 0 cos 2 Ix nx nf nh n A 2 12 0 sin 2 Qxnx nf nh n A 分别称和为的同相分量和正交分量 则可表示为 Ix n Qxn X n x n 2 13 IQx nx njxn 与之对应的频谱为 2 14 A 0 222 22 IQ ff jfjfjf jjf XXjX XH eee ee 如图 2 8 所示 如果低通滤波器满足下式 2 jf He 2 15 21 2 0 jffB He 其他 就可以对和直接进行低通抽取 如图 2 9 所示 Ix n Qxn 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 10 x n 0cos 2 f n h n h n D D Ix n Qx n Ix m Qx m 0sin 2 f n 图 2 9 带通信号的正交抽取结构 由于和中含有带通信号的全部信息 对和进行分析 Ix m Qx m x n Ix m Qx m 运算就可实现对带通信号的解调 信号识别以及参数测量等功能 例如从 和获得瞬时幅度 瞬时相位和瞬时频率的运算式如 Ix m Qx m a m m f m 下 2 16 22 IQa mx mx m 2 17 arctan Q I x m m x m 2 18 1 f mmm 图 2 9 所示的带通信号正交抽取结构是虚拟无线电最基本的通用数学模型 它通过改变可以实现对整个采样频段 0 内的任一信号进行抽取和解0f 2sf 调 2 2 3 积分梳状滤波器 从上一节讨论可知 不论是单级抽取还是多级抽取 基带抽取还是带通抽 取 在抽取前都必须进行数字滤波 该滤波器性能的好坏 将直接影响取样率 变换的效果及实时处理能力 本小节将介绍级联的积分梳状滤波器 CIC CIC 在设计现代数字通信系统中已成为采样率转换中普遍使用的方法 CIC 滤波器的冲激响应具有如下形式 2 19 1 01 0 n D h n 其他 D 为 CIC 滤波器的阶数 对进行 Z 变换可得 h n 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 11 2 20 1 0 1 12 1 1 1 D n n D H zh n Z Z Z H z Hz 其中 CIC 滤波器的频响为1 1 1 1 H z Z 2 1 D HzZ 2 21 12 1 22 jwjwjw H eH eHe wDw DSaSa 其中 为抽样函数 CIC 滤波器 的幅频特性如图 2 10 sin x Sa x x 20D 所示 弧度 rad s 幅度 dB 图 2 10 20 阶 CIC 滤波器的幅频特性 由图 2 10 可见 单级 CIC 滤波器的旁瓣电平较大 只比主瓣约低 15dB 这意味着阻带衰减性能差 不能满足实际应用的要求 为了降低旁瓣电平 常 采用多级 CIC 滤波器级联的方法 常用的有 CIC2 和 CIC5 滤波器 一般而言 级 CIC 滤波器的频率响应表达式为N 2 22 22 jwNNN N wDw HeD SaSa CIC 抽取滤波器有一个处理增益 为了防止数值溢出 在软件实现时应作幅 N D 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 12 度衰减 级抽取因子为的 CIC 滤波器结构框图如图 2 11 所示 ND 1 Z D NN x n y n 1 Z D Z D Z 图 2 11 CIC 滤波器结构框图 在实际抽取中 我们希望滤波器具有平坦的通带和窄的过渡带的特性 然 而 CIC 滤波器的特性恰与此相悖 因此 在实际应用中 需要通过在 CIC 滤 波器后加一个补偿的 FIR 滤波器来使输出过渡带变窄和增益变得平坦 2 3 本章小结 本章详细论述了虚拟无线电的数字化接收技术的相关理论 首先着重讨论 了虚拟无线电中频带通采样理论 接着介绍信号抽取技术 即如何降低采样后 信号的采样率问题 在介绍抽取原理后 重点讨论了带通抽取技术 因为带通 信号正交抽取结构是虚拟无线电中最基本的通用数学模型 最后介绍虚拟无线 电抽取技术中所用到 CIC 滤波器 为下文虚拟无线电的平台仿真和广播信号接 收系统软硬件设计奠定理论基础 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 13 第三章 虚拟无线电接收系统的研究与仿真 虚拟无线电的基本思想是以一个通用 标准 模块化的硬件平台为依托 用软件编程来实现无线电台的各种功能 根据虚拟无线电关键技术之一的 ADC 在接收系统中所出现的位置划分 目前虚拟无线电接收系统主要有三种结构 射频低通采样数字化结构 射频带通采样数字化结构和中频带通采样数字化结 构 本章在对这三种结构进行分析对比后 选择中频带通采样数字化结构作为 本课题的设计方案 本章最后基于 SIMULINK 对中频数字化调幅信号接收系统 作了一个全面的仿真 该仿真对系统实际硬件和软件设计具有指导意义 3 1 虚拟无线电接收系统方案选择 随着数字信号处理技术的发展 接收机设计经历了从模拟到数字的演变过 程 并且随着 ADC 器件性能的提高 数字化程度也逐渐提高 根据 ADC 在虚 拟无线电接收系统中所出现的位置 目前的接收系统主要有以下三种结构 11 3 1 1 射频低通采样数字化结构 采用射频低通采样数字化结构的虚拟无线电 如图 3 1 所示 该方案结构 简洁 把模拟电路的数量降至最低程度 是理想的虚拟无线电接收机设计方案 具有很好的灵活性 宽宽带带滤滤波波器器ADC工工作作站站LNA 图 3 1 射频低通采样数字化结构 然而 将从天线接收的信号经过滤波放大后立即由 ADC 进行采样数字化 如此对 ADC 转换器的性能和后续工作站的处理速度要求很高 因为根据 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 14 Nyquist 采样定理 射频低通采样所需要的采样速率至少是射频工作带宽的两倍 例如 工作在 1MHz 1000MHz 的虚拟无线电接收系统 其采样速率至少需要 2GHz ADC 转换器能否达到如此高的采样率暂且不表 后续的工作站处理能 力也同样难以满足要求 3 1 2 射频带通采样数字化结构 采用射频带通采样数字化结构的虚拟无线电 如图 3 2 所示 该结构在 ADC 转换前配置了带宽相对较窄的电调滤波器 然后进行带通采样 降低了速 率 如此可以较好的解决上述射频低通采样结构对 ADC 转换器和工作站要求过 高的问题 窄窄带带电电调调 滤滤波波器器 ADC工工作作站站LNA 图 3 2 射频带通采样数字化结构 然而 无论是前置窄带电调滤波器 还是高工作带宽的 ADC 实现起来都有 相当难度 例如窄带电调滤波器目前工作带宽不够 如果要求高工作带宽则必 须分几个或十几个分频段实现 另外 目前 10 位以上的 ADC 也只能工作在 1GHz 左右 研制更高工作带宽的采样保持放大器难度很大 同时 射频带通 采样数字化结构需要多个采样频率 增加了系统的复杂度 3 1 3 中频带通采样数字化结构 中频带通采样结构的虚拟无线电采用超外差体制 如图 3 3 所示 这种中 频带通采样虚拟无线电结构的主要特点是中频带宽更宽 显而易见 这种结构 不仅不要求上述第一种结构所要求的高采样率 也不要求第二种结构所需要的 高工作带宽的采样保持放大器 这是射频前端复杂性所带来的好处 可见 该 结构是目前虚拟无线电一种较为可行的方案 BPFLNA 本本振振一一本本振振二二 中中放放一一中中放放二二ADC 数数字字下下 变变频频 工工作作站站 图 3 3 中频带通采样数字化结构 然而 我们也应该看到 中频带通采样数字化结构与理想虚拟无线电的要 天津大学 2009 届本科生毕业设计 论文 15 求相差最远 可扩展性和灵活性也是三种结构中最差的 3 2 中频数字化 AM 接收系统仿真 在对三种典型虚拟无线电接收系统结构分析比较后 本课题采用中频带通 采样数字化的虚拟无线电结构 在第二章介绍的虚拟无线电数字接收理论的基 础上 本节将借助通用计算机的信号处理软件 SIMULINK 对中频数字化 AM 接 收系统进行仿真 为后续的实际硬件和软件设计提供指导 3 2 1 SIMULINK 概述 SIMULINK 是 MATLAB 中集成的一个用于对动态系统进行多域建模和模 型设计的平台 它提供了一个交互式的图形环境 以及一个自定义模块库 并 可针对特定应用加以扩展 12 用户可以在 MATLAB 命令窗口中键入 SIMULINK 或单击快捷工具栏中的 SIMULINK 图标进入 SIMULINK 环境 本节主要使用 SIMULINK 软件包中的基本工具箱 通信工具箱和 DSP 工 具箱中的模块来完成仿真信号源的产生 数字信号的下变频和正交合成 数字 低通和带通 FIR 滤波以及频谱观测等功能 SIMULINK 仿真的设计时间与实际 仿真的时间常常不一致 随计算机运算速度和存储能力的差异有所不同 SIMULINK 还集成了音频输出插件 可以通过仿真模型直接听到仿真后的音频 输出效果 3 2 2 调幅信号数字接收系统仿真模型 针对虚拟无线电中频数字化调幅信号接收系统的基本结构 设计了接收系 统的仿真模型 其功能框图如图 3 4 所示 仿真 信号源 数字信号 下变频 数字信号 正交合成 带通滤波频谱观测 图 3 4 调幅信号中频数字化接收系统功能仿真框图 仿真调幅信号源的产生过程由以下三步完成 1 选用 1KHz 的正弦信号作