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基于软件无线电的无线信号实时监测系统研究设计.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于软件无线电的无线信号实时监测系统研究设计pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含上海大学硕士学位论文基于软件无线电的无线信号实时监测系统研究设计姓名:周霁婷申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:陈惠民坫十软刊尢线I乜的符等。

上海大学硕士学位论文基于软件无线电的无线信号实时监测系统研究设计姓名:周霁婷申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:陈惠民坫十软刊尢线I乜的尢线信实时婀测系统圳‘垃摘要无线信号实时监测系统对快速、灵活、有效地实现无线通信信号的实时分析具有重要意义。其在民用、商、止、军事和国家安全等众多无线通信领域中有着』一泛的应用前景。本文在研究了标准软件无线电系统结构及其关键技术之后设计了基于软件无线电技术的无线信号实时监测系统架构。系统由中心控制站及远端监测站两卉|分组成通过在监测站内对.MHz~GHz频带范围内各种无线信弓进jJ:不断循环扫描实现对J.疑信号的监测。本文重点阐述了远端监测系统软件的设计。该系统软件基于windows操作系统采用Delphi为玎发平台使用Visualc编写底层动念链接库。通过连续扫描本系统实现了对被监测频段无线信号的实时监测分析并提供多种时频域分析显示功能。在设计过程中本文对实序列FFT算法做了改进并对多次采样技术做了研究虑用改善了无线信号实时监测系统中数字信号处理的速度和频谱显示效果。目f{『本系统已经在某公司进行试运行反映良好。关键词:软件无线电:无线信号实时分析无线信号监测数字信号处坤ⅣJ凡学坝|学位论义毕F软件尤线lU的尤线仿实时临测系统圳冗啦AbstractTherealtimeanalyzingsystemforwirelesssignalplaysanimportantroleintherealizationofrealtimeanalyzingofwirelesscommunicationsignalinafastflexiblemadeffectivewayThistechnologyhasawiderangeofapplicationsinthecivilcommercemilitaryandnationalsecurity.Inthispaper,basedonthenormalarchitectureofsoftwareradioandstudiesofitskeytechnologiesarealtimewirelesssignalanalysissystemisporwardanddesignedThissystemiscomposedofCenterControlStationandRemoteMonitoringStationswhichCanSCanwirelesssignalscontinuouslyandcircularlyfrom.MHztoGHztomonitorsuspicioussignalswithingivenfrequencyspectrum.ThispapermainlydiscussesthesoftwaredesignofRemoteMonitorStation.BasedonWindowsoperationsystemthesoftwareisdevelopedbyDelphiandVisualCisalsousedtocompilethedynamiclinklanguage.Throughthecontinuouslyscanningrealtimemonitoringofwirelesssignalsisrealizedandseveralkindsofanalyzinganddisplaymethodsaresuppliedrespectivelyintimeandfrequencydomain.FFTAlgorithmofrealvaluedsequencesisimprovedtofastenthedigitalsignalprocessandmultisamplingtechnologyisalsostudiedandappliedinthispapertoimprovethedisplayeffectoffrequencyspectrumdiagramintheReal.timeRadioSignalMonitoringSystem.Now,thesystemistestedinacerlaincompanyanditbehaveswellKeywords:softwareradiomaItimeanalyzingofwirelesssignalmonitoringofwirelesssignaldigitalsignalprocess原创性声明本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本论文使用授权说明抄r弓/本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定即:学校有权保留论文及送交论文复印件允许论文被查阅和借阅学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名:导师签名:盟日期:二型湖J、学坝I‘学位论史牿十软件七线Ij,的尢线竹实时舱测系统川究砹i第一章绪论.研究背景无线r乜的诞生使得无线电通信、广播、雷达、导航、航空航天、电子战rI信息战等现代科技技术随之应运而生。无论是在国防领域中还是在普通n姓的社会生活罩无线电技术都扮演着越来越重要的角色。第二次世界大『浅极大地促进了无线移动通信的发展。各国武装部队采用了大量的无线电系统。种种军事上的需要导致了无线通信事业的巨大变化其中涉及到系统设计、可靠性和价格等为以后民用无线通信的大发展奠定了良好的基础。在军事上无线电侦察技术广泛应用在电子战的电子支援措施和情报侦察等:而在民用上无线电技术则可以用于无线电管理、频谱监测、交通管制、航海航空救援、抢险救灾、医学电子等国民经济和社会发展的诸多领域。住无线电侦察信号分析与处理中其基本任务是.在不知道电信号发射的时间、频率、方向、信号体制等信息的条件下对所截获的信号进行分析、参数估计和原始信息还原。具体包括:无线电信号谱分析无线电信号时频特征分析无线电信号的调制识别与分类:无线电信号的发射源身份估计与确认:无线电信号原始信源解调:无线电信号发射源距离估计:无线电信号发射源方向估计:网络无线电信号侦察分析等。无线rn通信是利用无线电波在空问传播的特性传输声音、文字、图像和其它信息的。无线电波在空间向四周辐射的特性.既实现了无线电通信.义使无线电通信对抗侦察成为可能。通信信号截获主要是对战场敌方通信信号进行搜索主要包括信号频率、电半、调制方式、信号带宽、数字信号的码元速率及其它调制参数。目前应川Ll:较r。泛的通信侦察搜索机是全景显示搜索接收机其功能是在预定频段内能快速搜索频率并截获出现的通信信号。存“全景显示”信号方面可以伞频段显示也可以部分频段或对预置频率显示还可以对某一信号进行扩展显不等。皋F软件光线lU的光线情oj实时!陌测系统删究驶汁信息化战争中由于战场态势瞬息力I变信息传递时效性很强导致情报信嗣、变换快无线电信号留空时间短暂这就要求通信搜索截获设备反应必撕陕速其衡量性能主要指标有:测频准确度、信号选择性、侦察搜索距离等。通信信号截获是通信侦察的重要一步完成通信侦察和电予进攻任务还需要有其他相关设备的密切配合。通信信息解析也是无线电侦察的重要部分。对搜索截获到的无线电信号需要辨别敌找实施信息分析、获取情报。在无线电通信系统中通信信号所传送信息种类很多通常有电话、电报、图像、数据等而通信侦听分析接收机就是根据它们的特点从电磁信号上可区分为离散信号和连续信号也就是数字信号和模拟信号从信号调制方式上可区分为模拟调幅、模拟调频、数字调幅、数字调频等。目前世界上几乎所有国家都在不断地更新与改进本国的通信装备其通信电台种类和型号特别繁多就是同~频段、同一用途的通信电台也是各种各样。所以要求通信侦察监听设备必须能够监测和识别这些特征。通信侦察监听的任务就是一方面听敌人讲了些什么即战术方面的情报另一方面要搞清敌人用了什么样的通信装备以及这些装备的数量与参数即技术情报等。年月第二次世界大战期问英军设在阿拉曼的无线电侦听站侦获了德国将军关于火箭发射的秘密结果英军出动架轰炸机突袭摧毁了德国火箭试验和生产基地。无线电侦察最终都要归结为对所截获的无线电侦察信号分析与处理从中提取所需要的信号情报。随着现代信号处理技术的飞速发展无线电侦察技术将会得到极大的发展机会。近几年来随着数字信处理(DSP)技术应用的同益广泛无线通信也取得TSg猛发展移动通信正步入了一个新的时代。继GSM全面取代基}AMPS的模拟蜂窝移动通信系统后采用CDMA技术的移动通信系统也已经获得广泛应用。各种集群通信系统、寻呼系统、应急通信及指挥系统、调度系统等等不断地有新的产品投入实际应用。同时随着GPRS、CDMAIX等数据业务的行通已经涌现许多移动的数据服务。而第三代、第四代移动通信系统的丌发更为移动通信明天展示了繁荣的景象。早十软件无线也的尤线信实时瓶铡系统川究设软件无线电概念的提出也为无线通信发展带来了重大突破口圳。软件无线也的基小思想足以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托通过加载不同的软什实现电台的所有功能允朗:多协议、多标准、多业务的接入尽可能减少功能单一、灵活性差的单元、环节(尤其是模拟信号处理环节)把A/D(模/数)变换尽量靠近天线。它的特点是具有灵活可编程性、广泛兼容州。即在一个通用的硬件平台上通过加载各种软件模块定义并实现通信系统的助能同时系统的升级也只需增删某些软件模块而无需对硬件做出改动。它摆脱了面向具体用途设计系统的基本思想通过一种模块化的通用硬件平台把系统提供的业务从长期依赖固定线路特性的方式中解脱出来将不同系统新产品开发更多地转移到软件开发上来系统的改进、升级也非常方便儿代价低而且不同的系统可以互联兼容。这是继模拟到数字通信、固定到移动通f言之后在无线通信领域内的又一次重大突破根据软件无线电技术的思想设计通信系统是通信发展的必然趋势。.课题研究的意义汇是由于无线通信应用的普及且随着现代电子技术的高度发展通信频段内的信号数量已接近饱和程度无线通信频率资源的管理工作变得越来越重要。民用通信、军事通信、广播、电视、、世余通信、工业干扰相互交错、荤巷使得对末知信号的搜索、测向变得像大海捞针而对于些非合作方通信活动的侦察与监测T作就更是困难重重。特别在军事通信中往往采用猝发通信方式、快速通信方式以及跳频、扩频等新型抗侦察通信体制使通信侦察变得十分困难和复杂。因此未来通信侦察必须从技术上解决对通信信号的快速截获、快速识别、快速分选和精确定向问题使之朝着宽频带、数字化、高精度以及多平台、多手段综合一体化迅猛发展。本文设计的无线信号实时监测系统就是以快速、灵活、有效地实现无线通信信号实时分析为最终目标。该系统要求能接收、处理MHz~GHz频带范围内各种无线信号。通过不断地循环扫描确定被分析无线信号所处的顷段或中心频率能够显示被分析无线信号的时域波形和频域波形显示被分析无线信号的频谱全景图、时语图等。对选定频段上的调频信号可以进苹十软件无线lU的尤主】i竹lj实时临测系统札宄改H行音频采集备份。同时在要求确保显示结果可靠性和正确性的前提下保证分析T作进行的实时性。.本文主要内容及贡献本文所研究的无线信号实时监测系统是由中心控制站CCS(CentralControlStation)和若干个分布于各地的远端监测站(MonitorStation)组成。中心控制系统由管理控制服务器及CDMA.X数据终端组成用于对各个监测站的管理与控制同时收集、整理以及更新各种数据。远端监测站均由接收机、监控处理计算机、无线监测前端处理设备及CDMA。X数据传输终端组成。监测站可以在无人值守的情况下将接收采集信号经处理后传输至中心控制站。本文结合了软件无线电系统的基本原理描述了无线信号实时监测系统的总体结构及功能设计。本文的重点是远端监测站系统软件的设计和实现从系统软件的系统结构、实现技术和功能模块这几方面进行该课题的论述。本文的主要贡献有:t.根据软件无线电技术理论设计了无线信号实时监测系统结构方案。.设计r无线信号实时监测系统远端监测站的软件模块。.改进了实守列FFT算法在系统中应用后加快了丌发过程中数字信号处理的速度。.研究并应用T多次采样技术改善了无线信号实时监测系统的频谱显示效果。.本文结构第一市论述了课题研究的背景及意义提出厂“基于软件无线电的无线信号实时监测系统软件设计”这一研究课题并介绍了课题所要完成的主要任务。海人学啦L学付论卫幕十软件无线lU的尢线信唼时临测系统训宄垃计行音频采集备份。同时在要求确保显示结果可靠性和TF确性的前提下保|正分析工作进行的实时性。.本文主要内容及贡献本文所研究的无线信号实时监测系统是由中一t控制站CCS(CentralControlStation)和若干个分布于各地的远端监测站(MonitorStation)组成。中心}卒制系统由管理控制服务器及CDMA.X数据终端组成用于对各个监测站的管理与控制同时收集、整理以及更新各种数据。远端监测站均由接收机、监控处理计算机、无线监测前端处理设备及CDMA一x数据传输终端组成。监测站可以在无人值守的情况F将接收采集信口经处理后传输至中心控制站。本文结合了软件无线电系统的基本原理描述了无线信号实时监测系统的总体结构及功能设计。本文的重点是远端监测站系统软件的设计和实现从系统软件的系统结构、实现技术和功能模块这几方面进行该课题的论述。本文的卡要贡献有:根猁软件兀线电技术理论设计了无线信号实时监测系统结构方案。.歧计了无线信号实时监删系统远端监测站的软件模块。改逑了丈序列FFT算法在系统中应用后加快了丌发过程中数字信号处理的速度。.研究并应用了多次采样技术改善了无线信号实时监洲系统的频醴显示效果。.本文结构第章}仑述了课题研究的背景及意义提出了.“基于软件无线电的无线信号实时监测系统软件设汁”这一研究课题并介绍了课题所要完成的主要信号实时监测系统软件设汁”这一研究课题并介绍了课题所要完成的主要任务。^十软什七线U的尤线信Ij实时l!IfiⅢ系绩训l死吐第:章结合软件无线电系统的基本原理描述J无线信号史时I瓶测系统||l涉及的软件无线电关键技术并基于软件=J己线电技术提出了无线信号实时盼测系统结构方案。第二章介绍了无线信号实时监测系统软件的丌发环境及软件丌发时所运用到的若干关键技术。详细描述远端系统软件的功能模块设计及实现方法。并U分析了改善的实序列FFT算法及多次采样技术对系统性能的优化。第四章介绍了系统啁试结果并演示了系统工作情况。第血章对本文的工作做了总结并对无线信号实时监测系统的将水工作进行了展荜。皋十软件=|亡线l乜的=|亡线价’j实时怕删系缆训究设|第二章无线信号实时监测系统研究设计软件无线电系统的基本结构传统的无线电通信设计都是以硬件为主早期的无线电通信系统的各个组成部分均采用模拟方式实现这类系统体积较大硬件难以调整七、八十年代通信系统向数字化过渡但其数字处理只停留在基带和信源部分近几年随着宽带高速A/D(模数转换)和DSP(数字信号处理)器件的出现以及性能的越来越好在中频部分进行数字化处理已成为可能这样除射频滤波、低噪功放和功率放大为模拟方式外系统的其他功能都可以使用DSP器件通过软件编程来实现由此改变了传统的以硬件为主的系统设计方法将尽可能多的无线和个人通信的功能用软件来实现使得无线电通信系统的改进、升级、互联和兼容变得容易、经济。软件无线电这一概念由此应运而生。软件无线电的基本思想。是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托通过软件编程来实现无线电台的各种功能功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路尤其是减少模拟环节把数字化处理(A/D和D/A变换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的丌放性和全面可编程性通过软件的更新改变硬件的配置结构实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的丌放式总线结构以利于硬件模块的不断升级和扩展。理想软件无线电的组成结构如图.所示。图标准软什尢线电系统框图Fure.StandardSoftwareRadiImplementatLon堆J。软件尤线lU的光线竹‘j实时i忾测系统埘究砹汁软竹无线电丰要由天线、射频前端、宽带A/DD/A转换器、通用和专『『j数宁信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段例如O.IMHzGHz要求每个频段的特性均匀以满足各种业务的需爱。软件无线电射频di端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务接收删实现滤波、放大、下变频等功能。软件兀线电的结构基本上可以分为种:射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构o。射频低通采样软件无线电结构一般只适用于工作带宽不是非常宽的场合例如短波HF频段或者是超短波VHF频段。射频带通采样软件无线电结构与射频低通采样软件无线电结构的主要不同点是:A/D转换器前采用了带宽相对较窄的电调滤波器然后根据所需的处理带宽进行带通采样。这样对A/D转换器采样速率的要求就不高了后续DSP处理速度也可以随之大大降低。宽带中频带通采样软件无线电结构f与目前常规的超外差无线电台收/发讯机是类似的都采用了多次混频体制或叫超外差体制如图.所示。DSP(软什)圈.宽带中频带通采样软什无线电结构的框剀Figure.StructureDiggramofBroadbandIFbantl一passSamDlingSDR宽带中频带通采样软件无线电的射频前端(AID转换前、D/A转换后的模拟预处理电路)比较复杂它的丰要功能是把射频信号变换为适合于A/D转换器采样的宽带中频信号或把D/A转换器输出的宽带中频信号变换为射频信号。通过相对复杂的射频前端把高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带巾步贞信号后为后续A/D转换器采样数字化大大减轻了负担。由于采皋十软件尤线IU的尢线信实时临测系统训究改计样频率相对较低也大大减轻了后续DSP的工作压力这种结构软件无线电的所有调制解调功能和信号处理工作全部均可出软件加以实现。这种宽带中频带通采样软件无线电结构离理想软件无线电的要求最远叫自U端硬件电路较多且复杂数字化处理工作(A/D和D/A变换)离天线很远导致系统的可扩展性、灵活性大为降低。但是毫无疑问这是上述三种软佴无线电结构中目前最为可行的种设计方案对器件的性能要求最低也最容易实现。本文所设计的无线信号实时监测系统方案就是基于这种宽带。{一频带通采样软件无线电结构的。.无线信号实时监测系统方案设计本节将根据软件无线电系统的标准结构及其关键技术并结合系统的一些性能要求对无线信号实时监测系统的结构方案进行设计。..系统构成本文所研究的无线信号实时监测系统是由若干个分布于市区各地的无线固定监测站数辆车载移动监测站及其控制中心组成如图所示。侦察站移动侦察侦察站图.监测系统结构幽Figure.StructureoftheMoniLoringSystem璀一被件光线U的光线信实州帆测系统州究世汁控制中心用于对各个监测站的管理与控制。同时收集、整理以及更新各种情报数掘。固定的无线监测站实现无人值守车载检测站丰要用于机动监测的需要。监测系统的组成如图.所示。幽.监测系统的编成如幽Figure.ComposingoftheMonitoringSystem中心控制系统由管理控制服务器、数据库服务器及网络接入殴备(如ADSL)等组成如F图所示。摧于软件光线}U的光线信实时嘛测系统叫究戬汁i梭蹩备气滞慧雾鬃!{梭入设备fr卅}l量务器r\、厂/服务器!图.中心挖制系统细成模块幽Figure.ModuleoftheCCS『直l定的无线监测站由无线接收机、无线侦控前端处理设备、监测客户端处理计算机、无线数据传输设备CDMAlX数据业务终端组成。车载移动监测台基本上是将吲定无线监测站中的监测客户端处理计算机用笔记本电脑束完成(车载监测站由UPS系统供电)。如下图.所示:剀.监测系统绢成模块图Figure.ModuleoftheMS..控制中心工作原理在控制中心操作人员可以在管理控制服务器上监视任何一台监测接收机监测到的信号频谱并可利用管理界面上的对话框实现对接收机的控制。其拧划过程如下:()选择~个控制对象并通过CDMA一X建立通信连接。()设置相应的工作参数。()监视系统的工作状态及信号监测结果。()控制【}心服务器根据扫描结果自动比对历史记录对可能出现的新情况将自动输出情况报表。壮J。软件光线U的无线竹。j实时峨测系统卅}“啦汁()控制中心可根据需要确定受控系统返回语音信号还是返回颁谱情..前端处理单元工作原理与设计软件无线电的阿端电路的主要任务是把接收到的信号变换至适合A/D转换器处理的信号频率和电平范围之内。软件无线电的结构不同其前端电路的结构也有所区别。软件无线电的前端电路由天线、带通滤波器、放大器、混频器、本振、AGC控制电路等组成。其一般有两种:一种是在中频进行数字化的结构另种是射频数字化的结构。如果软件无线电在高中频甚至是在射频进行数字化这样呵以减少模拟环节使得前端引入的噪声更少信号失真更小、电路更简洁。幽.中频数字化接收机前端FigureFrontPartofIFDigitalizedReceiver在中频数字化接收体制中如图.所示从天线进来的射频信号进过带通滤波器后进行低噪声放大、混频得到一中信号。这里的带通滤波器、放人器都是宽带的。其中一本振的频率是可变的而且其变化步进较大(一般取叶l频信号)。一中信号经过滤波、放大后进行第二次混频把信号变至二中频二中频也是宽带的其带宽与一中频相同。这罩放大器的增益是受AGC信号控制的.AGC的控制信号由后端的DSP根据解调出的信号给出。在iU端电路中从接受信号的天线到每‘组滤波器、放大器的性能以及AGC的设计都直接影响着整个系统的性能。n凡学峨l‘辱位论义坫十软件尢线IU的无线竹实时i临测系统川究岐i本系统中使用RRlA接收机实现对无线电信号的接收。RRA是一部宽频带的无线接收机。其工作频率范围为O.MHzGHz调谐步进为Hz解调方式包括:AM、FM、CW、USB及LSB其输出包括线路输出、视频输出、中频输出及COR输出等。RRA接收机的扫描速度为每秒钟扫描个通道或每秒钟个步进频率。由于实际操作中一旦扫描发现信号后即会进入对信号作进一步的处理从而比指标显示的个扫描通道要低得多。为了提高搜索的效率我们开发了无线监测前端处理设备。利用RRtA的中频监视输出(MHz带宽)经适当的信号变换及信号处理后将采集数据经USB.接口送至数据处理计算机中。数据处理计算机是固定无线监测站的核心经由无线监测前端处理设备通过USB.接收传送柬的数据需要在数据处理计算机进行一系列的处理过秤’并且要根扼控制中心的指令决定如何来处理这些数据。数据处理主要包括如F方面:()对信号数据作FFT运算.显示信号的频谱。()对信号进行识别运算以确定是否有信号出现。()将信号的频谱及特征参数回传给控制中心。()将数据作适当处理后保存到磁盘中。()进行不同模式的侦测处理:a、频域扫描处理b、时域监测处理监测站的主要功能是采集处理来自接收机的信号。而这些工作的完成都是通过控制中的指令来完成的。.前端处理设备总体设计作为整个无线电信号监测系统的一部分前端设备接收监测站或控制中l尘!:I兰!!堡:苎苎士竺壁垄垡!!堕垄竺堕!兰堕堕型墨堕业壅丝生心指令控制RRIA接收机工作接收不同载波、g宽的窄中信号通过采集}J频监视输出(.MHz)进行分析来了解信号性质达到监测I}的。根折需要可以解调输出音频信号I司u,/rq冒GPS接收模块以得到定位信息。的端处理设备硬件框图如图.所示如下:SMAERA..MAOYNIS!.MKAQYNlsdBA口YlNlsKA。YlNls.j蚵变m嚣攀伽%:黜MHZGPSAntaGPSRECEIVERGSU一OPA磊襻辨WTA/DADSD/AiU阻网站r娜‘。。。ADcLKK‘。DATA(KKPCM}DSP.DATA(Bit)FIFOKMTM$VCA’IDTV.PX:HPIiHITUSBOCYCRSMAXUSB.ADATA(Bit)Atu幽无线监控前端处理发备框图FigureDiagramoftheFrontPartoftheMonitoringSystemSRAMtSLV嘞A卜rSLCTLOTFFLAGAFDSPRST洵人学坝Ij学位论史皋于软件七线FU的无线信oj实时嘛测系统川究i计.前端处理设备丰体设计描述系统中的USB控制器选用CYC支持USB.的高速数据传输。山fWindows操作系统不是一个实时的操作系统多任务操作或启动占大量CPU时间的程序会大大限制USB数据吞吐速率。因此在中频采样数据和USB{审制器之闻加一个较大缓冲的SRAM(ISLVMbits)用一块DSP来管理缓冲。DSP同时对KHz模拟滤波器通道采集的数据进行限带滤波CKHz)和重采样以进一步降低数据量提供用户所需的连续采样。USBFIFO映射为DSP数据空间SRAM映射为DSP程序空间外扩FIFO映射为DSP的I/O空间。为减少时钟源最大程度一卜.减少组合干扰音频和中频的采样频率都由DSP产牛。山于DSP工作频率高达.MHzTout输出脉宽只有ns不能满足ADC要求因此采用F二分频后作为采样时钟。USB控制器CYC上的FIFO采用Slave模式。利用CYC的片上FIFO可以实现外围数据到USB的直接传输提高数掘传输速率。CYC共有Kbyte深度FIFO。利用EP进行数据传输采用BULK方式一个USB数据包最大可以是ByteFIFO可以缓存个数据包。USB控制器以串口通信方式对RR进行遥控操作及获取GPS信息USB控制器内嵌一个处理器DSP与USB控制器之间通过HPI口进行通信。..中频信号采集方案设计.软件无线电对数据采集的需求软件无线电结构的基本特征之一就是将A/D变换尽量靠近射频天线目前的方案是在中频对模拟信号进行数字化在中频进行数字化不仅能给软件无线电带来极大的灵活性而且还可以大大简化对射频前端放大器的设计需求。中频信号的带宽通常在十几MHz到几十MHz这种数字化有别于一般工程巾的模数、数模转换它要求A/D、D/A器件具有相当高的采样速率。在实际情况中由于ADC器件的非线性、量化噪声、失真及接收机噪声等因素的影响采样速率一般选取大于.倍的信号带宽。另外工程中很多信jJ几学坝j学位论文坫j。软件无线U的无线竹实时叭测系统圳t徵|十Ii都不是带限的因此在进行ADC之前需通过抗混叠带通滤波器滤除信号的一部分高频分量。.软件无线电数据采样技术目前应用较为广泛的采样技术主要有奈奎斯特(Nyquist)采样、正交采ff、带通采样、并行采样等。)Nyquist采样根据Nyquist采样定理对于带限模拟信号O:扁。如果以不低于fro。的采样速率^采样那么可以用这些采样值无失真的恢复出原始信号。由频谱分析知对模拟信号采样就是频域上以采样频率工对模拟信号频谱进行频谱扩展。采样后用适当的滤波器滤出所需频带即可无失真恢复出原始信号。但是有一些实际问题:第一由于A/D之前的抗混叠滤波器不可能形成理想的带限信号会央带部分带外信号发生部分频涪混叠第二对于目前的移动通信系统接收的射频信号一般都工作在至少GHz左右及以上直接对这样的信号采样需要几个GHz的采样速率即使对经过混频后的中频信号f几十MHz)也需要几百MHz的采样率。为了满足软件无线电对数据采集模块的需求进一步提高采集的性能在卜述基本结构的基础上采用了一些改进的采集技术现分别介绍如下。)iF交采样存正交采样中将要进行数字化的信号分成两个分量其中一个分量乘以n:弦波下变频到零中心频率上形成与原信号同相的信号另一个分量乘以。相移的lF弦波下变频到零中心频率上形成与原信号相位『F交的信号.每一分量只以原信号的二分之一带宽出现以原信号的二分之一采样速率进行取样。此方案最大的缺点是需要两片ADCs系统的复杂度成倍增长采样过程中它们之叫的相位差要保持不变这对采样时钟的相位和两路ADCs的参数壮十软件尤线IU的尤线仃‘j实时临测系统研孔漩讨敏性要求很高一般的系统难以实现。)特通采样ISl血u采信号带宽为^=^撕采样频率^设k表示原信号频谱经过k次搬移为了傈证信号间没有频谱混叠应满足下式盟k工鲁()一七一摊出k应取满足以下条件的整数:鲥志且磊一五<五上面两式就是进行带通采样时采样速率必须满足的条件。由于k的取值小j刊采样频率被划分为若干个区间:女越小频率区间范围越大对输入信号频率或采样频率偏差的要求就越小。而且随着k的下降采样频率增加量化信号的频谱重复f日J隔变大可以降低抗混叠滤波器的带外能量抑制特性要求。但k取值较小会使输出信噪比增加加重后级处理负荷所以应根据系统电路和应用场合折衷确定k的取值。由于带通采样大大降低了采样速率工只与信号带宽有关所以用较低的ADC采样速率就能获得更高精度、更低功耗的信号并且降低了成本是比较合适的高速中频采样方案。在本系统中对.MHz的中频输出信号直接使用带通采样方案进行采样。根据方案要求、对整令侦控范围内(O.MHzGHz)实现高速、低速二档}描侦控分析。结合扫描速度和分析频率分辨率以及中频带通滤波器的实现难易设置带宽为MHz和KHz两种模拟中频滤波器。)高速频域扫描系统以.MHz步进扫描滤波器选择MHz带宽A/D采样率由DSP内部时钟频率经过分频后传送给A/D转换器。要确定A/D采样频率除了要满足上述公式还必须使DSP能够分频取到即DSP的分频比应为整数。根据巾频MHz、带宽MHz并考虑到AJD转换器的有效范围可以计算出淘人学帧lj学位论立壮十软件无线lU的无线信实时临测系统圳究设|十“采样频率为.MHz~.MHz时采样不会发生混叠此时取分频比为即I】jl双得采样频率为M/=.MHz且此采样频率采样的f舌的高低频分肇小发牛反折取FFT窗长点分辨率.M/=Hz。)低速频域扫描当I:作在低速频域扫描模式下系统以KHz步进扫描滤波器选择KHz带宽用确定高速频域扫描情况下采样率类似的方法可以确定在低速频域扫描模式下的采样频率为.MHz对应的DSP分频比为。取FFT窗长点分辨率.M/=Hz。系统也允许用户采集设定长度的连续中频信号以供后续分析定性。可供分析的中频信号带宽不大于KHz。对于连续采集方式设置感兴趣的载波频率滤波器选择KHz带宽采样率.M/=.MHz。DSP再进行KHz的限带滤波以:l重采样。因此采样频率为.M/.MHZ。..数据处理分析数字信号处理器(DsP)是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在f。软件无线电的灵活性、丌放性、兼容性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现。从前端接收下来的信号或将从功放发射山去的信号都要经过数字信号处理器的处理如进行频谱分析、信号解调、信号类型识别、数字调制、数字滤波、比特流的编码/译码和同步信号的获取等等。软件无线电中的数字信号处理器除了能适应运算处理的高速度、高精度、大动态范围、大运算量外它还应具有高效率的结构和指令集、较大的内存容量、较低的功耗等特点。另外相当重要的一点就是要最大限度地实现高速实时数字信号处理进而满足系统实时工作要求。随着微电子技术、数字信号处理技术的快速发展数字信号处理器得到了F新月异的进步在处理速度、运算精度、处理器结构、指令系统、指令流程等诸多方面都有较大提高。』占{二软件无线IU的无线信实时精测系统{OtY,"d吐DSP重要特点是其处理速度大大高十通用微处理器一般比通用微处理器要快~个数量级。这主要得益于DSP器件具有如下一些特点】:总线结构传统的微处理器通常采用冯诺曼(VonNeumann)总线结构统一的程序和数掘守fFIJ耿指和存取操作数必须分时进行在高速运算时往往在传输通道上会出现瓶颈效应。DSP采用了具有独立程序总线和数据总线的哈佛总线结构它在片内至少何四套总线:程序的数据总线、程序的地址总线、数据的数据总线和数掘的地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许同时获取指令字(束自程序存储器)和操作数(来自数据存储器)而互不干扰这意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数。普遍采用了哈佛结构或改进哈佛结构这种结构把数据总线和程序总线相分离它比传统冯诺依曼结构的指令执行速度更快。多功能单元为避一步提高速度可以在CPU内设置多个并行操作的功能单元(ALU乘法器地址产生器等)。针对乘加和运算多数DSP的乘法器和ALU都支持任一个周期内同时完成一次乘法和一次加法操作。现代DSP可以采用指令比较整齐化的精简指令集(RISC)这有利于DSP结构上的简化和成本的降低。在CPU内设置多个并行操作功能单元(ALU乘法器地址产生器等)。如针对乘加和运算多数DSP的乘法器和ALU都支持在一个周期内同时完成次乘法和一次加法操作。专用寻址单元DSP通常都有支持地址计算的算术单元地址产生器。地址产生器与ALU并行工作地址的计算不再额外占用CPU时间。片内存储器现代微处理器片内一般不设存储程序的ROM。而DSP除了片内程序存毕十软件七线I乜的无线信实时帆测系统li)|究垃|十储器外一般还集成有数掘RAM用于存放参数和数据。片内数据存储器小存在外部存储器的总线竞争问题和访问速度不匹配问题因此访问速度快J以缓解DSP的数据瓶颈充分利用DSP强大的处理能力。.流水处理在处理器内每条指令的执行分为取指、解码、执行等若干个阶段每个阶段称为一级流水。流水处理使得若干条指令的不同执行阶段并行执行I划【而能够提高程序的执行速度特别是当设计的算法需要连续的乘加运算时这种结构的优越性就得到了充分的表现。也正是这种结构决定了DSP的指令基本上都是单周期指令衡量一个DSP的速度也基本上以单周期指令时间为标准其倒数就是我们熟悉的MIPS(每秒多少兆次指令)。本文中采用了TI公司的TMSCDSP芯片来完成系统的实时数字信号处理工作。为了提高计算机处理能力采用并行处理的方法即采集超前计算一个数据块.处理的是前一次的数据。系统中DSP对数掘的分析主要有FFT变换滤波抽取为识别信号是否存在而做的运算以及为减少特征数掘传输而做的频谱编码等。..增益控制设计RRlA的接收灵敏度为一dB中频监控通道增益dB。采用AD束实现~dB增益控制再加上~级OP:A放大(dB)可以保证弱小信弓的接收采样。AD采用一个位D/A网络可以实现/=dB步进的增益控制。增益控制方法是在计算机保留’个通道增益表每一次通道分析以后对陔表动态更新保证对每一个通道都有一个增益跟踪过程。河^学坝}学位论文坫j一软件无线IU的尢线竹j实时m测系统制宄改H..GPS采集设计用于机动监测的车载监测站其有全球定位功能具使用的GPS接收模块采L}jKODEN公司的GSUGSU一AF。作为具有个混合通道接收系统的GPS传感器GSU一GPS接收模块可以提供位置和其他导航信息。对于第‘次月:机运行GSU模块需要花费秒对接收到的卫星数据进行累计运算后爿能完成第一次定位(“冷启动”)。自“冷启动以后每次定位所需要的时阃小于~秒(“热启动”)。在运行过程中定位信息人约每秒钟更新一次。.本章小结根据软件无线电技术的思想设计通信系统是通信发展的必然趋势在这’章中我们深入理解了软件无线电系统的标准结构结合软件无线电系统的基本原理及关键技术并考虑了系统的性能要求设计了无线信号实时监测系统的实现结构方案描述了其主要模块工作原理。幕十软件无线}U的光线什实时舱测系统圳宄漩计第三章无线信号实时监测系统软件设计.开发环境介绍丌发环境的选择对系统软件的开发起着至关重要的作用。本论文所设计的远端系统客户端软件应该能够满足不同层次计算机水平的操作人员使用所以良好的操作界面方便的操作维护是我们所需要的而且丌发的周期应浚尽可能短。..操作系统选择目前主流的操作系统主要有WindowsLinux和Unix。Unix系统是美国麻省理工学院(MIT)在年开发的分时操作系统Multics(MultiplcxedInformationandComputingServiceSysteIn)的基础上不断演变而来的它原是MIT和贝尔实验室等为美国国防部研制的。Unix系统的}要特点表现在:多用户的分时操作系统、可移植性好、可靠性强、开放式系统、具有可装卸的树型分层结构文件系统等等。但是Unix具有价格昂贵Unix厂商彼此独立软件硬件独立开发不兼容关键部分软件不公开操作复杂维护的人工成本高等缺点。Linux操作系统是在年由LinusTorvalds所丌发在短短的几年之内得剑r非常迅猛的发展而这与Linux具有的良好特性是分不丌的。Linux包含了Unix的全部功能和特性。然而Linux安装困难硬件支持少应用软件少.系统维护方面的人员较少费用相对较高又几乎不存在传统的技术支持渠道也没有热线帮助。对于计算机知识水平一般的售后服务人员来说要想维护好这样一个操作系统上的软件有一定的难度。Windows和前两个操作系统最大不同在于一从诞生开始就以界面图形化、多用户、多任务、网络支持良好、出色的多媒体功能、硬件支持良好及众多的第三方应用程序提供商支持等优点而闻名所以是最适合本系统使用的操作系统。早十软件尢线一U的无线佗o实时虢测系统川究吐计..程序设计平台选择山于本文所研究的无线信号实时监测系统远端子系统应该具有良好的操作界面所以程序丌发平台应选择一种能够在Windows平台卜快速丌发的可视化J:具。目前Windows下的可视化开发工具主要有:Borland公司的Delphic十Builder和Microsoft公司的VisualBasicVisualC。作为同一公司推出的Delphi和CBuilder其共享集成丌发界面(IDE)而且使用同一套VCL类库但此类库是用Delphi写的换句话说cBuilder使用了一个非C/C标准的接口来使用Delphi的类库。除此之外它们所带的调试器、PVCS/TeamSource团队开发支持、数据库引擎及企业版中集成的其它高级功能等都是相同的。又因为Visuac在界面设计中需要编写大量的代码而本系统对界面和操作方式要求比较高所以选择面向基于界面开发的工具Delphi或者VisualBasic要比选择VisualC节省丌发时间。Delphi是基于对象Pascal语言的可视化集成开发工具。利用Delphi编程可以更加直观地使用图形化工具快速、高效地开发出基于Windows环境的各类程序尤其在数据库和网络方面Delphi更是一个十分理想的软件丁I:发平台。Delphi支持汇编语言和指针操作、全面支持WindowsAPI函数及外部DLL的使用使得它具有更广泛的应用范围。由于Delphi是编译型的语言其编译后的EXE文件可以真正脱离Delphi的环境独立运行而VB生成的EXE文件离丌了VB软件包的一大堆DLL、VBX等文件可能会无法执行。而且般用户往往并不真『F知道自己开发的VB程序到底使用了哪些DLL一类的义竹为了保证程序的正常运行可能在最后的安装盘中包含了不少其实并小需要的文件造成了不必要的空间浪费。和VisualBasic相比Delphi的优点非常明显:.Delphi是一个编译系统用它开发出的可执行文件效率相当高。.Delphi优化了对数据库的操作使用户可以方便地操作本地的网络数榭库。湘J、学坝I。学位论立皋f软件七线{U的尢线f肯实时精测系统俐究设计.Delphi具有较强的图形功能。经过以上比较分析本系统将选择Delphi作为程序figrl:发平台。.软件系统的总体方案设计本系统是由两大部分组成:CCS(CentralControlStation中心控制站)和MS(MonitotStation监测站)他们之间是通过公共移动通信网进行通信的。系统结构如图.所示:VVV錾区因匠幽.】监测系统组成框图FigureDiagramofMonitoringSystemCCS通过PSTNCDMA数据网控制任意一Ms工作获取该MS采集的无线侦察信息。CCS山一台Pc加系统软件、ADSL终端接入设备、GIS系统组成。但是CCS端并没有和硬件打交道而是直接与MS进行相关的通信控制MS操作硬件。无线信号实时监测系统的软件系统由CCS上的软件系统和MS上的软件系统两部分组成。软件系统的功能结构如图.所示。皋j。软件无线Ib的尤线信实时l{:i测系统{i{『宄垃汁幽.软件系统功能框图Figure.DiagramofSoftwareFunetiOilMs需要完成的软件工作主要包括系统控制及数字信号处理两个方面。数字信号处理是无线电信号管理与监测系统的核心它包括对信号进行时域及频域分析、信号的快速识别及捕获等多方面处理。而系统控制则是负责执行来自控制中心的各种命令实现各种监控功能。系统各个组成模块如图.所示实现的主要功能如下:程序开始{幽软什纠成框剀!!!!:兰!!!!:兰些笙:!!堡!』竺生垄竺l!堕垄堡生兰兰坐塑垒塑童竺型三i!!生()接收机控制模块:主要实现对接收机的控制操作r用于设臀接收机的。一【。作频率、解调方式、中频带宽、增益方式等参数()数据采集模块:采用DM方式来快速读取采集的信号()信号分析识别模块:对采集的数据进行分析处理获取信号的频率和幅度信息识别信号对感兴趣的信号还要用现代信号处理方法作进一步的分析处理()显示模块:显示内容主要包括信号频率、幅度等信息有全景图、频谱扫描图、时语图等多种表现形式(j)音频采集模块:通过Pc机控制实现FM/AM信号的音频输出()定位采集模块:提供定位信息()数据库模块:实现对管理与监洲最终结果的数据进行保存、更新、查询和打印等维护。..控制中心站软件总体设计CCS端本身没有控制硬件的功能他是通过控制MS端束获得相关数据的。数据和命令都是通过Internet(经过相关的加密协议加密)进行通信的。COS软件系统具备以下功能:频谱全景图显示频谱图显示

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