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无线电台监测仪的设计与实现.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《无线电台监测仪的设计与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含南京理工大学硕士学位论文无线电台监测仪的设计与实现姓名:吴金哲申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:郭山红鲷l擘位论丘无线IU竹临测仪的蹬符等。

南京理工大学硕士学位论文无线电台监测仪的设计与实现姓名:吴金哲申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:郭山红鲷l擘位论丘无线IU竹临测仪的蹬计‘J实现摘要无线电频谱是无线电通信的基本物质条件之一是有限的自然资源。本论文围绕研制适应无线电管理委员会需求的无线电台监测仪而展开研究。无线电台监测仪由射频前端和数字中频接收机两部分构成。射频前端将所要监测的频谱信号转换为中心频率为kHz的带宽信号。数字接收机则对该具有一定带宽的中频信号进行处理。根据相应要求本文给出了无线电台监测仪数字接收机的设计方案、硬件框图和部分硬件电路。深入研究了软件无线电技术在MATLAB环境下详细仿真了数字下变频到FFT的全过程并在TMSC为核心的DSP硬件平台上用C语言编程实现了数字下变频、FIR滤波、抽取和FFT变换硬件运行结果J下确。无线电台监测除了监测电台频谱外还应具备相应的电台信号识别功能。论文比较分析了各种通信调制信号识别方法并对Nandi算法作进一步研究。在Nandi算法基础上对仿真条件进行改进。对信息序列首先进行符号成形处理然后利用Nandi算法进行调制方式识别。针对ASK、PSK、FSK、ASK、PsK和FSK六种数字调制信号的识别文中对改进前后两种方法作了仿真比较。MATLAB结果表明采用符号成形处理更符合工程实际抗噪性能更好因而调制方式的判断准确率更高。关键词:无线电台监测软件无线电调制信号接收机硕I一学位论文无线电竹航测仪的设计’i实现ABSTRACTRadiospeecl,.runlisoneofthebasicmaterialconditionsofradiocommunication,anditislimitednaturalI'CSOUl'CeS.TllisthesisdevelopsademandingradiostationmonitoroftheNationalRadioManagementCommittee.eradiostationmonitorformsfromtwoparts:theRF(RadioFrequency)frontendandthedigitalIF(IntermediateFrequency)recoiver.eRFfrontendconvertsthemonitorSpecn'RrnsignalintothebandwidthsignalofwhichthecenterfrequencyiskHz.Accordingtthedemondingrequestthethesiscontainsthedesignofthedigitalreceiverthehardwareblockdiagramsandsomepartofthehardwarecircuit.ItstudiesonthesoftwaredefinedradiotechnologyandsimulatesthewholeprocessingwhichisfromthedigitaldownconvertertotheFFTtranslation.isthesisadoptssoftwareradiotechniqueandcontrolstheflowofworkbymeansofdesigningprogramswiththeClanguage.ewholeworkingprocessiscarriedoutintheDSPhardwareplatform.Andtheresultsaleturnedouttobecorrect.Inadditiontomonitoringtheradiospectrumtheradiostationmonitorshouldalsohavethesignalrecognitionfunction.ethesiscomparesdifferentformsofmodulationsignalrecognitionmethodsandstudystheNandimethodsforadeeperresearch.emethodsofthethesisisonthebasisofNandimethods.anditUSeSamisedcosine丘Itertoimprovethesimulatecondition.BasedontheMATLABsimulationgraphswecanconcludethataimingatthesignalsincluding:ASK、PSK、FSK、ASK、PSKandFSk山eimprovedmethodofthethesisiSbetterthantheNandimethodatthesut:cessratioandantinoiseperformance.AnditiSmoresuitableforthepracticeprojectneed.Keywords:RadiostationmonitorSoRwaredefinedradioReceiverModulationsignal声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果尽我所知在本学位论文中除了加以标注和致谢的部分外不包含其他人已经发表或公布过的研究成果也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。加年了月日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文按保密的有关规定和程序处理。D口年『月J日顾十学位论文无线I乜台临铡仪的驶计o实现l绪论.研究背景及意义随着信息社会化发展人们越来越认识到无线电频率是一种宝贵的自然资源。无线电信号作为有效的信息载体其传输的优劣直接影响到信息传递的诈确与否。如何管理无线电波避免电磁污染保护电磁环境是无线电管理亟待解决的核心问题。国家无线电管理委员会承担全国无线电监测和无线电频谱管理任务。面对无线电新技术、新业务的飞速发展无线电管理工作的任务十分繁重。无线电监测仪是无线电管理委员会监测频谱的一个重要工具。一般无线电监测仪的作用如下:l、监控给定的频率对一种频率持续监控或对几个频率进行循环扫频、在某个频率范围内进行搜索并可自由选择开始和结束频率:、监测无用的发射包括脉冲发射、检测未经许可的非法通信发射机或检测许可传输的发射机干扰:、通过远程控制选项测量所覆盖的范围。本论文主要围绕无线电台监测仪的研发过程进行研究的。.研究现状无线电频谱是无线电通信的基本物质条件之一(无线电波的波段划分和应用见附录).是有限的自然资源.因此高效地利用频率资源是频谱管理的基本任务。实施频谱管理的重要依据来源于有效的频谱监测。为了保障频谱监测的数据的有效性、可靠性和权威性一个有效的途径就是依据统一的标准一ITU(国际电信联盟InternationalTelecommunicationUnion)建议。事实上一个完整的监测站应包含监测、测向和实时/后台数据分析。由于篇幅所限这罩只讨论信号监测部分。在ITU建议中一个无线电监测站所要实现的功能包括:监测、解调和解码解调音录制:技术测量和技术分析包括频率、频偏、电平/场强调制参数(包括AM调制深度和FM频率偏置)带宽及频谱分析频谱占用度等等。监测站设备的质量直接关系到监测站的性能其设各主要是由天线、接收机、测向机、记录设备及软件和控制系统等基本单元组成。其中接收机是监测系统的核心。系统的性能主要是由接收机决定。选择专业、高性能的接收机能有效地保证监测系统的各项指标实现各种功能。因此在建设一个无线电监测系统时如何选择接收机是至关重要的。ITU对用于无线电监测的接收机性能有明确的要求。频谱仪并不能简单地替代监测接收机。两者虽然在结构上有相似之处但却有本质上的区别。监测接收机是在军用或民用应用中典型用于信号探测、频谱监测和解调并对一些信号作分析(如中频显示、ITU测量)。而频谱仪是典型用于已知信号的测量比如信号带内功率、带宽占用度、相位噪声等等。它们各自都为适应特定的工作环境和克服各自遇到的难点进行了长期的研究和攻关都体现了各自领域的科技成果。颂t学位论文光线l乜行髓铡仪的设计’』.实现目前国内的无线电接收机的设计普遍采用了软件无线电(SoftwareDefinedRadio)技术。软件无线电技术来自上世纪年代未年代初关于无线电(收发设备)的设计技术即无线电收发信机的中频和低频部件硬件功能由数字化后的软件编程实现。年代初期就有多种采用软件无线电技术的数字化接收机出现。比如EB接收机就在二中频处对模拟中频进行数字化然后进行数字下变频器和数字滤波等处理。年代后期各种中、高档次的监测测向接收机都采用了软件无线电技术。.论文所做工作及要达到的要求本论文围绕研制适应无线电管理委员会(简称无管会)需求的无线电台监测仪而展开研究。无管会需求的无线电台监测仪由射频前端和数字中频接收机两部分构成。射频前端将所要监测的频谱信号转换为中心频率kHz的带宽信号。数字接收机主要对该具有一定带宽的中频信号进行采样、下变频、滤波、抽取和FFT分析将频谱分析结果通过PcI总线传到计算机并在VC的交互界面上显示频谱分析结果并完成相应控制功能。该无线电台数字监测仪的参数及具体要求如下:、监测仪模拟中频输入信号的中心频率为kHz带宽分别为:kHz、kHz、.kHz、kHz、kHz。、接收机模拟中频输入信号电平为一dBm输入为S姒接头(单通道)。、采用数字『F交下变频。、对I、Q通道下变频信号分别作滤波处理。、作点复数FFT分析。、采用PcI总线接口方式。、频谱分析结果用VB/VC显示数据更新速度为帧/秒点/帧。、在VB/VC界面上可完成一定的控制功能。论文主要研究适应无管会需求的无线电台监测仪的数字接收机的设计与实现技术论文工作安排如下:第一章阐述了无线电台数字监测仪的研究背景及意义介绍本论文的主要研究工作。第二章介绍无线电台监测仪数字接收机的设计方案。在研究软件无线电技术基础上提出无线电台监测仪数字接收机的设计方案并详细分析其工作流程。第三章介绍无线电台监测仪数字接收机的硬件设计。文中介绍了部分硬件相关知识给出总硬件框图并详细分析了A/D采样电路、数据存储电路、DSP电路和PcI接口电路。第四章是无线电台监测仪数字接收机的软件设计。深入研究了数字下变频、坝I。学位论文无线I乜竹骼测仪的砹计‘j实现FIR滤波器设计、数据抽取和FFT程序设计过程根据课题要求选择合适参数文中给出了matlab仿真图和CCS运行结果。结果表明设计正确结果可信。第五章深入研究了无线电台的自动识别技术。介绍了目前常见的几种自动识别算法比较其优缺点并详细介绍了Nandi算法。在分析Nandi算法基础上对仿真条件进行了改进对信息序列首先进行符号成形处理然后利用Nandi算法进行~IATLAB仿真。文中比较了符号未成形处理与成形处理各判别特征参数的变化结果表明采用符号成形处理更符合工程实际抗噪性能更好更利于判别调制方式因而调制方式的判断准确率得到提高。顿I。学位论文光线f乜ft帆铡仪的设计’j实现无线电台监测仪方案设计无线电台监测仪由射频前端和数字接收机两部分组成其中数字接收机的设计是本论文研究的重点。.射频前端无线电台监测仪的射频前端采用的是超外差式接收机结构其工作原理框图如图.所示。从天线进来的信号经过滤波、低噪声放大然后进行二次混频。在二次混频中采用两个本振信号依次进行混频、滤波、放大处理。最后将所要监测的信号转换为固定中心频率(kHz)的中频信号。本文的无线电台监测仪设计主要从中频丌始。首先进行A/D变换数掘缓存然后利用DSP进行数字下变频、FIR滤波、抽取和FFT分析最后将结果送入终端显示。图.超外差式接收机框图.软件无线电技术射频信号转换为模拟中频信号后数字接收机就要对中频信号进行处理。文中采用基于软件无线电技术的数字中频接收机的设计方法下面介绍相关的软件无线电技术。..软件无线电技术简介软件无线电(SoftwareDefinedRadio)技术是近年来提出的一种实现无线通信的新的体系结构。它针对现在无线通信领域存在的多种无线通信标准和体制无法兼容的弊端应运而生。软件无线电的基本概念是把硬件作为无线电信号处理的基本平台把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现。这样无线电信号处理系统新产品的开发将主要是对软件的开发而无线电信号处理相关产业的产值也将越来越多地体现在软件上。其概念性定义的功能框图如.所示:硕I:学位论文无线I也竹临铡仪的墩计j实现图.软件无线电功能框图软件无线电系统的工作过程是首先将接收的射频信号经过模拟下变频后(降低处理频率及进行信号选择)对模拟中频信号进行A/D转换然后经过抽取、滤波等处理将信号变为基带信号送入基带处理部分进行处理输出最后通过可编程数字信号处理(DSP)模块实现所需的各种信号处理并将处理后的数据送至多功能用户终端:同样在发送时通过类似接收信号处理的流程将数据通过天线发射出去。..中频信号的采样软件无线电的核心思想是对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化将其变换为适合于数字信号处理器(DSP)或计算机处理的数据流然后通过软件(算法)来完成各种功能使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。所以软件无线电首先面临的问题就是如何对工作频带内的信号进行数字化也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样。下面介绍两种常用的采样理论。、Nyquist采样定理Nyquist采样定理的定义为:设有一个频率带限信号X(t)其频带限制在(厶)如果以不小于五=f,的采样速率对x(t)进行等『日J隔采样得到时问离散的采样信号x(")=x(nT。)(其中瓦=l五称为采样f、日J隔)则原始信号X(t)将被所得到的采样值X(n)完全地确定。Nyquist采样定理告诉我们如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。下面从数学上来进一步证明Nyquist采样定理即推导用离散采样值X()表示带限信号X(t)的数学表达式。引入单位冲激函数仃(f)构成周期冲激函数p(t)如图.(a)所示:p(f)=口(卜丹瓦)(.)硕I:学位论史无线lU台雌测仪的设计’实现(a)周期绅撒函数(b)采样后的信号。图.信号采样根据盯函数的性质:r盯(f)妒()d(f)=妒(o)(.)J式中妒(f)为在原点连续的任意信号并把P(t)(周期函数)用傅立叶级数展开可得:烈f):呈c。’等“(.)e=去如汀争西=去如Fx斫=毒亿t代入式(.)可得:P(f)丢艺。箦”(.)所以对x(t)用采样频率正进行抽样后得到抽样信号可表示为:啪却()叫)=【艺。’‰川):軎艺【。一砸f)】(.)S‘^如图.(b)所示。设x(t)的傅立叶变换为x(o)则根据傅立叶变换的性质:e工(r)付X一%)(.)t(f)的傅立叶变换j(m)可表示为:Xs():FX”x(缈一了an疗):F艺x(oJna,.O(.)‘S删N‘N式中咏=娶=石五硕I。学位论文羌致lu台崎测仪的设计’i实现由此可见抽样信号的频谱为原信号频谱频移后的多个叠加。图.为原始信号频谱及按Nyquist采样得到的频谱图。如果原信号x(t)的频谱如图..(a)所示则抽样信号的频谱如图.(b)所示。一coHH一s一HHs(a)原始信号频谱(b)采样后信号频谱图.抽样前后的信号频谱由图.(b)可见X。()中含有x()的频谱成分如图中阴影部分所示。而且只要满足条件:ss纨或正f.则阴影部分不会与其它频率成分相混叠。这时只需用一个带宽不小于。的滤波器就能滤出原来的信号X(t)。、带通信号采样定理Nyquist采样定理只讨论了其频谱分布在(厶)上的基带信号的采样问题如果信号的频率分布在某一有限的频带(^厶)上时若根据Nyquist采样定理仍然,/pA按正厶的采样速率来进行采样。但如果厶>>占=厶一无时也就是当信号的最高频率^远远大于其信号带宽B时如果仍按Nyquist采样率来采样的话则其采样速率会很高以致很难实现或者后续处理的速度也满足不了要求。由于带通信号本身的带宽不一定很宽所以可以采用比Nyquist采样率更低的速率来采样也就是利用带通采样定理。带通采样定理的定义为:设一个频率带限信号x(t)其频带限制在(兀.厶)内如果其采样速率疋满足:疋:!盟盟(.)疗I式中取能满足正(厶一/:J)的最大正整数()则用工进行等『自J隔采样所得到的信号采样值x(n不)能准确地确定原信号x(t)。式(.)用带通信号的中心频率五和频带宽度B也可表示为:石=蔫(.)式中五=半n取能满足五B(B为频带宽度)的最大『F整数。显然当石=厶/B=厶时取n=式(.)就是Nyquist采样定理即满足:五=/.。由式(.)可见当频带宽度B一定时为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率(工=B)对带通信号进行采样带通信号的中心频率必须满足:颀l:学位论文无线’乜台:临铡仪的设计’安现或石=半B五厶=(n)口(.(b))也即信号的最高(或最低)频率是带宽的整数倍如图.(b)所示(图中只画出了正频率部分负频率部分是对称的)。也就是说位于图.(b)任何一个中Ii.频率为fo。(n=o)带宽为B的带通信号均可以用同样的采样频率五=B对信号进行采样这些采样均能准确地表示位于不同频带(中心频率不同)的原信号Xo(t)毛(f)x(f)一f。一f。一f,ofi氏ff{。B{nBl。jB{。(a)(b)图.带通信号的频谱需要指出的是上述带通采样定理适用的前提条件是:只允许在其中的一个频带上存在信号而不允许在不同的频带上同时存在信号否则会引起信号混叠。例如当在(B。B)频带上存在信号时(如图.(b)阴影部分所示)那么在其它任何频带上就不能同时存在信号。满足这样一个前提条件可以采用跟踪滤波器的方法解决即在采样前先进行滤波。另外一个值得注意的是:上述频带宽度B不仅只限于某一信号的带宽单从对模拟信号的采样数字化来讲这罩的B应理解为处理带宽也就是说在这一处理帝宽内可以同时存在多个信号而不只限于一个信号。由于本论文中无线电台监测仪数字接收机的中心信号频率固定为kHz模拟输入信号带宽最宽为kHz所以其最高频率厶==kHz根据Nyquist采样定理采样率兵/>厶=.MHz。考虑到后续DSP芯片的处理速度要达到这样的速率是绰绰有余的无需利用带通采样。所以本论文采用Nyquist采样定理采样率取为.Mllz对无线电台监测仪数字接收机的模拟输入信号进行采样。..数字下变频所谓数字下变频(数字混频讵交变换)实际上就是先对模拟信号x(t)通过A/D采样数字化后形成数字序列x(n)然后通过与两个正交本振序列c嘁郴)和s诚coon)相乘再通过数字低通滤波器来实现如图.所示。下面将以输入的颂:学位论史无线电竹雌测仪的设计’j实现窄带模拟信号x(t)为例说明下变频(即J下交混频变换)在无线电台监测仪数字接收机设计中的意义。x(f):肼(竹)图.实信号的正交基带变换自然界的物理可实现信号都是实信号而实信号的频谱具有共轭对称性即满足:xcf)=肖’(一)(.)也就是说实信号的正负频率幅度分量是对称的而其相位分量『F好相反。所以对于一个实信号只需由其币频部分或其负频部分就能完全加以描述不会丢失任何信息也不会产生虚假信号。可以证明”:一个实信号x(t)的正频分量所对应的信号z(t)是一个复信号其实部为原信号x(t)而其虚部为原信号的Hiibert变换。把z(t)称为实信号x(t)的解析表示。同时把z(t)的实部叫做x(t)的同相分量而把z(t)的虚部叫做X(t)的正交分量。之所以把z(t)的实部与虚部称之为是币交的是因为Z(t)的实部X(t)与其虚部Hx(t)是正交的“’。下面以实例来说明。一个实的窄带信号可表示为:x(t)=a(t)cos甜口(f)】(.)所谓窄带信号应满足:磐>>B。可以证明这时x(t)的Hilbert变换为:Z石H【x(f)】=a(t)sinoJot口()】(.)所以窄带信号的解析表示为:z(t)=口(f)eoxmdp(f)】弘(f)sineaot口()】(.)用极坐标形式可表示为:z(t)=口().PJ【wOlt)l(.)从窄带信号的极坐标解析式更清楚地看出a(t)表示信号的瞬时包络硕l。学位论文无线l乜竹临测仪的设计‘j实现矽(f)=甜口(f)表示信号的瞬时相位而烈f)=鱼挚=%口‘(r)表示信号的瞬时角频率这三个特征量包含了窄带信号的全部信息。式(.)可以重新写为:z(t)=a(t)e’。P“(.)式中P脚称为信号的载波分量。将式(.)乘以P一州把载频下移%变成零载频其结果称为基带信号(或称为零中频信号)即有:z口()=口(f)eJO(’’=a(t)eosO(t)弦(f)siIl口(f)=zⅢ(f)jzno(t)(.)式中zm(t)=a(t)eosO(t)(.(a))加(r)=a(t)sinOff)分别称为基带信号的同相分量和正交分量。从以上分析可以看出一个实的窄带信号既可以用解析信号Z(t)表示也可以用其基带信号(零中频信号)z。(r)来表示。但是准确的解析表示主要用于数学分析实际中要得到它是非常困难的这是因为实现理想Hilbert变换的阶跃滤波器是难以真币实现的而相比之下得到基带信号(零中频信号)就要容易的多。另外.出式(.)可以很容易得到瞬时幅度瞬时相位瞬时频率三个瞬时特征值这为输入信号经处理后进行数字调制识别提供了方便。所以在无线电台监测仪数字接收机的设计中进行数字下变频(即数字混频正交变换)是很有必要的。..滤波与抽取技术A/D采样后的输入信号经过数字下变频后将产生高频与低频分量。其中低频分量即为基带信号(零中频信号)是我们所需要的而高频分量则需要用数字滤波器滤除。滤除了高频分量就可以通过抽取将数据速率降下来便于后续信号处理。数字滤波器根据其冲激响应的时域特性分为两种即无限冲激响应(IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器。fIR滤波器采用递归结构结构简单乘法操作少效率高。但IIR滤波器存在极点设计时需注意滤波器的稳定性。FIR滤波器采用分节延时线的滤波结构每一节的输出加权累加得到滤波器的输出。由于它主要采用非递归结构因而总是稳定的。它可在幅度特性随意设计的同时保证严格的线性相位特性。文中采用的是FIR滤波器的设计。数字滤波器设计将在第章中重点介绍这里介绍抽取技术。所谓整数倍抽取是指把原始采样序列x(n)每隔(D)个数据抽取一个以形成一个新序列工。(小)即:硕士学位论文无线电台临测仪的设计’j实现XD(历)=x(mD)(.)式中D为J下整数抽取过程如图.所示。很显然如果序列x(n)的采样率为六则其无模糊带宽为L/。当以D倍抽取率对工(打)进行抽取后得到的抽取序列x。(研)的采样率为Z/D其无模糊带宽为工/(D)。当x(n)含有大于正/(D)的频率分量时工(m)必然产生频谱混叠导致从工。(用)中无法恢复x(n)中小于f/(D)的频率分量信号。定义一个新信号根据恒等式:则x’(月)可表示为:图.整数倍抽取X(n)=工(疗)”=ODD工。)=o其它(.)lDIarln去eJ===胛=oD'垃D(.)』o工。叫州番’等】由于zD(m)=x(mD)=x‘(册D)I贝x(mD)的Z变换为:(.)XD(z)=XD(小)z一=x'(Dm)z”(.)由于z’(m)除了m为D的整数倍不为零外其余均为零故式(.)可重新写为:ⅧX。(z)=x’(研)乒把X’(肌)表达式代入可得(.)颤t学位论文尤线l乜竹船测仪的设计‘j实现x。(z)=(z(脚)嗉e'o}DIrim万Ⅷ一』/IoDl”.Mm一”=去【x(m)e百p百£mⅢ=去篓X【P.何.MI】(.)把z=ej。代入式(.)可得抽耿序列岛(以)的离散傅立叶变换为:%(P’。)=:gxtej(m‘)lD】(.)‘U由式(.)可见抽取序列的频谱(离散傅氏变换)X。(P”)为抽取前原始序列的频谱X(e。)经频移和D倍展宽后的D个频谱的叠加和。图.给出了抽取前后寿面谱结构蛮化图。劫一弘打Oz图.抽取前后(D=)的频谱结构(混叠)图.中=。可见抽取后的频谱j%(P”)产生了严重的混叠使得从X。(P”)中已无法恢复出X(e。)中所感兴趣的频谱分量。但如果先用一数字滤波器(其带宽为万/D)对Z(P”)进行滤波使X(e。)中只含有小:TrlD的频谱分量(对应模拟频率为云z)再进行D倍抽取则抽取后的频谱不会发生混叠如图颤J二学位论文无线电竹瓶铡仪的设计’实现‘凌一万/t"z功图.抽取(=)Iji『后的频谱结构(无混叠)这样X。(e”)中的频谱成分与J’(P一)中的频谱成分是一一对应的。或者说XD(P”)可以正确地表示X。(P”)更进一步说石。(P加)可以准确地表示X。(P’。)中小于考或云工的频率分量信号所以这时对扎(eIo)进行处理等同于对X(e归)的处理但前者的数据流速率只有后者的D分之一大大降低了对后续处理(解调分析等)速度的要求。本设计最后作点复数FFT双端口RAM为kxlbit输入信号为kHzkHz、kHz、.kHz、kHz时=.MHz经数字下变频、滤波后抽取因子D=此时滤波器截止频率为.M//=.kHz输入信号为kHzkHz时=.MHz经数字下变频、滤波后抽取因子D=滤波器截止频率为.M//=.kHz。.数字接收机方案设计本论文所设计的无线电台监测仪的数字接收机框图如图.所示:颤L学位论义无线I乜竹临测仪的驶计’实现图.无线电台监测仪数字接收机框图该无线电台监测仪数字接收机的工作流程为:射频前端将所要监测的外部电台信号转换为中心频率为kHz的带通信号高速A/D转换器将带通信号转化为数字信号采样的数据存到双端口RAM中。DSP读取双端口RAM数据进行数字下变频处理将带通数字信号转换为I和Q正交通道的低通信号分别对两路低通信号进行参数相同的FIR滤波和抽取降速处理得到两路正交的低速率信号进行点复数FFT变换最后将计算结果经过PCI总线送至计算机终端显示并进行数字调制信号识别处理。图.中CPLD提供A/D采样、双端口RAM中的数据存取和DSP与外设交互的控制信号。无线电台监测仪数字接收机的主要工作都是在DSP中进行的DSP软件设计是本文研究的重点。硼‘I:学位论文尢线f乜舟髓铡仪的设』计。鹕譬现..编码时钟输入电路本设计采用了.MHz的采样频率即使用.MHz的晶振作为模数转换器的时钟。AD的编码时钟输入有两种方式:单端TTL/CMoS驱动输入方式(见图.)和差分输入方式(见图.)。丌LORCMOSSOURCEOT.图.单端TTL/COMS驱动输入方式图.TTL差分输入方式与单端方式相比差分输入方式可以获得更高的性能。根掘电路御局和系统噪声的不同差分输入方式能够使SNR改善ldB到dB。因此采用了TTL差分输入方式(见图.)。在变压器的初级串连一个有限值的电阻一股为欧姆次级则直接与AD的编码时钟输入端ENCODE和ENCODE#管脚相连。变压器无特殊要求一个便宜常用的即可。..模拟信号输入电路AD的模拟输入方式为差分输入输入信号电压范围以.v为中心抖动在.V以内但由于差分输入的两路信号相位相差。因此输入信号的最大值为峰一峰值(Vpp)V。因为AD的差分输入阻抗是.KQ所以模拟输入信号的功率仅需要一dBmW这在很多情况下简化了输入端的驱动放大器。考虑到AD的输入阻抗较高因此输入端需要一个:l的变压器。然而这么大比例的变压器会造成模数转换器性能的下降本设计采用在输入端并联一个匹配电阻降低了变压器的比例系数进而改善了整个ADC的性能。设计原理见图.。硕lj学位论文无线lU台雌测仪的驶计’i实现模拟输入信号图.AI)的模拟输入如图.B是差分输入信号的匹配电阻它与AI)的输入阻抗Q并联。设计中使用的变压器比例系数为:模拟输入源的阻抗匹配为Q因此经过此变压器后输入信号的阻抗变为Q由式(.)可得输入端的匹配电阻尼为Q。岛卉‘)Z式(.)中的Z是期望阻抗其值即为变压器次级的阻抗值。..供电系统和输出负载电路AD有相互独立的模拟和数字电源管脚模拟电源管脚名为AVcc数字电源管脚名为Vcc。尽管模拟电源管脚可以和数字电源管脚接在一起但为了得到更好的性能应该将两者分开同时也为了保持与后续数字处理部分的一致本设计给模拟部分提供V的电源给数字部分提供的是.V电源。为了减小输出端的容性负载.本设计在每个数据输出端口接了一个门作为锁存使用的锁存器是LCX。设计时运用了源端匹配的方法即在数据输出端串连匹配电阻减少信号反射提高信号质量。.数据存储电路A/D采样处理的数据存放在片静态双端口RAM中DSP通过EMIFA口定期从其中读取数据进行处理。采用高速的异步静念RAM(ASRA~I)读取数据由控制线控制而不是时钟。ASRAM选用了IDT公司的IDTTOV数据总线宽度为bit最快的读周期为ns峰值数据吞吐达(nS)=.MByte/s。ASRAM映射到EMIFA的CEO和CEl空间ASRAM的数据准备好时有效DSP的INT管脚触发DSP的外部中断主程序跳到外部中断的入口地址调用中断INT的处理程序INT顾I:学位论义光线IU竹帆测仪的改计J实现的中断处理程序中触发内部中断启动EDMA中断.DSP以EDMA方式读取ASRAM中的数据。接口电路见图.:^CE#爿肛#^E#A,EA【.】帅Ext.rrvxx肛D】TnterfcAIBEl#但BIF)^BEO荐^RE彝^RDY^CEl掌CS#R冒幸E#工DTT眩TAllS:】n:】JBIjBCS幸EW#IDTvTE#~:】DS:】埘IJB图.朗IF与ASRAM的接口ASRAM与EMIF接口的寄存器设置如下:EMIFCEO空间寄存器(EMIFCEOSpaceControlRegister):MTyPE=ob:表示EMIF与ASRAM之间为hit宽的接口ReadSetup=OOlOb:设读操作的建立时间为个CPU时钟周期ReadStrobeb:设读操作的触发时间为个CPU时钟周期ReadHold=OlOb:设读操作的保持时间为个CPU时钟周期TA=IIb:设两次读操作的问隔时『白J为个CPU时钟周期。写操作的参数设为默认值。综上该寄存器的值设为OxFFFc。一般设计接口电路时首先考虑的是数据读取和数据处理所占的时问比即要求读取数据的时『白J足够短而留出相当多的时间用于进行数据处理比较恰当的比例是l:。按照上述的设置EMIF口个CPU周期(..=.ns)从ASRAM中读取bit的数据IDTV最快ns就可完成一次读操作设定的读周期满足ASP,AM的读操作时序要求读取速度为/(ns)=MByte/s设AID处理板的I、Q通道每路输出的数据量是MWord/s每秒需读取的数据总量为x=Mbytes。以秒钟的数据量为例。按照设定的读取速度EMIF口需要/=.(秒)就可以完成数据的读取而CPU有.(秒)的时l’日J来处理数据读取数据和处理数据的时间比例为l:与上面的比例较为接近所以选用ASRAM的方案是可行的。硕}学位论文无线电台虹测仪的设计。』实现.DSP电路..DSP芯片CTMSC系列是美国TI公司推出的高性能DSPs芯片。这种芯片是定点、浮点兼容的DSPs系列。其中定点系列是TMSCxx和TMSCxx浮点系列是TMSCxx。MHz时钟的C完成点定点FFT的时间只要us。MHz时钟的C完成点定点FFT的时『白J更是只需uS所以在军事通信和雷达系统等高度智能化的应用领域这系列芯片的高速处理能力有着不可替代的优势。定点Cxx系列的字长为位由于乘法器字长较短(x)所以精度不高。在本文的设计中采用了芯片TMSC其最高时钟频率可以达到MHz由片内的锁相环路(PLL)将输入时钟倍频获得最大处理能力达到.GFLOPs(亿浮点操作/秒)。C的片内有个并行的处理单元分为相同的两组。DSPs的体系结构采用甚长指令字(VLIW)结构单指令字长为bit个指令组成一个指令包总字长为=bit。芯片内部设置了专门的指令分配模块可以将每个bits的指令包同时分配到个处理单元.并由个单元同时运行。芯片的内部时钟是由片内的锁相环路(PLL)将输入时钟倍频获得的。当芯片内部个处理单元同时运行时其处理能力达到最大。C芯片内置了两个高效率协处理器:Viterbi编解码协处理器(VCP)和Turbo码编解码协处理器(TCP)这两个协处理器显著地加速了片内通道解码操作。Viterbi编解码协处理器工作在/CPU时钟时支持超过路.kbps的适应性多速率传输(AMR)K=R=I/声道。Viterbi编解码协处理器支持条件长度K=、、、、比率R=I/、I/、/以及灵活的多项式形式同时产生硬件决议和软件决议。Turbo码编解码协处理器工作在/CPU时钟时支持路kbps或路MbpsTurbo码编码信道(次循环条件下)。Turbo码编解码协处理器具有可编程的帧长度和Turbo码数字复用器使其能够实现max*logmap算法和支持第三代合作工程(GPP和GPP)所要求的各种多项式和速率。在TCP中诸如循环次数和中断标准等解码参数同样可编程。VCP/TCP与CPU的通信由EDMA控制器完成。对于Cx芯片片内采用级存储器结构并提供一系列功能强大的外设。Cx拥有kbit的第级程序cache和同样大小的第级数据cache。Kbit的第级存储器(L)则是一个统一的程序/数据空间。Cx片内提供了多种集成外设:路多通道缓冲串口(McBSP)路位的基于异步传输模式(ATM)的通用检测与操作物理设备(PBY)传输接口(UTOPIA):个bit通用记数器(Timer):一个用户配置总线宽度(/bit)的主机口(HPIl/HPl)碗I:学位论文无线r乜弁峨测仪的敬计tJ实现一个周边器件互连接口(PCI)~路针通用输入输出接口(GPIO).两路高性能外部存储器接口(bit的EMIFA和bit的EMIFB)均提供了与同步/异步存储器和外设的直接接口。..C的外围电路设计前已说明C(DSPs)芯片内含有两路高性能外部存储器接口(bit的EMIFA和bit的EMIFB):包括直接同步存储器接口它可与同步动态存储器(SDRAM)、同步静态存储器(SBSSRAM和ZBTSRAM)连接:异步存储器接口它可与SRAM和只读存储器(EPROM)连接用于小容量数据存储和程序存储:还有直接外部控制器接口可与先进先出寄存器(FIFO)连接。C可方便地配置不同速度、不同容量、不同复杂程度的存储器。CEMIFA口的寻址能力是bit经EMIF直接输出的地址信号是AEA:最低位是AEA。AEA、AEAI和AEAO经译码后出ABE:输出。同样EMIFB口寻址bit地址信号是BEA:最低位BEAI。BEAO译码后由BBEI:输出。ACE:和BcE:分别对应的是EMIFA口和EMIFB口的外部存储器的片选信号。每个EMIF口中存在一组存储器映射寄存器(MemoryMapRegister)通过设置这些寄存器来完成对EMIF的控制包括配置各个空间上的存储器类型设置相应的接口时序。EMIF的控制寄存器如表.所示。表.EMIF控制寄存器EHIF^EMIFB酬IF寄存器名地址(Byte)地址(Byte)hOlAhEMIF全局控制寄存器hOlAhEMIFCEI空间控制寄存器hAhEMIFCEO空间控制寄存器lOhIAShEMIFCE空间控制寄存器hABhEMIFCE空间控制寄存器hAhEMIFSDRAM控制寄存器ChOIAIChBWIFSDRAM时序控制寄存器hAhEMIFSDRAM扩展控制寄存器hAhEMIFCEl空间第控制寄存器hABhEMIFCEO空间第控制寄存器hIAhEMIFCE空间第控制寄存器hOIAhEMIFCE空间第控制寄存器在本论文的设计中EMIF口外接了个外部存储器按照速度由高到低的顼士学位论文无线电台监翻仪的设计与实现顺序依次挂靠到EMIF口。两片ASRAM接收前面的A/D变换后的数据DSP由EMIFA口采用异步接口方式用EDMA方式读取存放在ASRAM中的数据:FLASH的速度较慢系统上电或DSP芯片RESET时将固化在其中的初始化和处理程序通过EMIFB口载入到DSP的内部程序存储区。FLASH在接口时序上与ASRAM基本相同。在这罩我们使用C的刚IFB接口。C的EMIFB口的异步接口支持bit/bit的FLASH读取。读取数据时EMIF会自动将多次读的数据合成一个bit的值。FLASH中的数据必须按照littleendian的方式存放。EMIF与FLASH接口电路如图.所示。假设DSP设置为从外部FLASH启动系统上电或DSPREsET时DSP将自动按照BcE控制寄存器的默认时序将FLASH中的固化的程序和数据载入到内部程序区启动结束后DSP从内部程序区开始执行数据处理。本文中的FLASH采用ATMEL公司的ATLV最快的读取速度是ns满足时序要求。EMIF与FLASH接口仅需设簧BCE空间寄存器。MTYPE=ooOob表示是bit宽的异步接口其他读写时序采用默认设置。该寄存器的值设为OxFFFFFF。Extmd正面CSory镒器}”‘BAOE葚nIhBE^:)^【lT:】BZD【:O】D【:O】B^WE冒EB^REj‘^RDY扎dd图.EMIF与FLASH接口。cPLD电路本论文中的CPLD选用的是Altera公司的MAX系列的CPLD芯片EPMTlAE。它是~款高性能的基于EEPROM的可编程逻辑器件。并内置JTAG边界扫描测试电路。其管脚到管脚的逻辑延迟为ns并有计数器装詈频率为.姗z且适用于PCI接口器件。MAXT系列器件都具有多电压接口的特点即MAX可用于不同电源电压系统中。M^X器件都有Vccint和Vccio两组电源引脚。Vccint用于给内部电路和输入缓冲器供电Vccio用于给输出缓冲器供电。MAX器件按其Vccint电压可分为V和.v器件。文中采用的EPMTlAE为.V器件。该模块主要用于实现DSP和ASRAM之『百J的逻辑设计。颈L学位论文光线电竹舱铡仪的设计‘j实现.PcI接口电路高性能的互连结构是软件无线电关键技术之一。它的功能是将系统中各功能单元互连组成一个开放、可编程、可扩展、具有高数据流量的硬件平台。目前软件无线电的互连结构有流水线结构、总线式结构、交换式网络结构和基于Pc和LAN的软件无线电结构。它们的性能比较如表.所示。流水线结构仅适用于特定的通信体制交换式网络结构和基于Pc和LAN的软件无线电结构适用于多种通信体制但是时延长、硬件复杂、成本高:总线式结构开放性、通用性好、成本低、软硬件丌发简单常用于丌发原型样机。所以本课题选择总线式结构。表.软件无线电互连结构性能比较结构时延带宽硬件复杂度伸缩性通用性流水线结构短窄简单差差总线结构最长最窄最简单好好交换式网络长宽复杂好好基于Pc和长宽最复杂最好最好LANPCI总线是一个地址/数据命令/字节选择信号复用的总线。它采用主从信号双向握手的方式来控制数据的传输其接口电路的设计和其他总线接口电路的设计没有多大的区别。一般来说一个PCI接口应该完成以下的功能:()地址译码及命令译码由于PCI总线可以采用正向方式和负向方式进行译码。通常采用正向译码而为了保证不会出现地址冲突最好采用全地址译码。()地址产生电路。PCI的突发传输方式包括一个地址周期和若干个数据周期因此在PCI的接口电路中必须包含高速的地址产生部件用于向后级应用电路提供连接的地址。()控制信号的产生。PCI总线上的数据传输基本上由FRAME#IRDY#TRDY#和DEVSEU{根信号线控制因此必须根据主从设备的忙闲情况相应产生这些控制信号。另外PcI接口电路还应完成地址锁存和数据分离、命令锁存和字节选择信号分离的功能。一般情况下实现PCI总线控制器有两种方式:使用可编程器件和专用接口芯片。采用FPGA和EPLD等可编程逻辑器件的优点在于其灵活的可编程性。专用芯片可以实现完整的主控模块和目标模块接口功能将复杂的PCI总线接口转化为相对简单的接口。接口芯片有PCI总线和本地总线(LocalBus)部分PCI总线与系统的PCI总线相连本地总线与非PCI总线的存储器或外设相连接口芯片根据内部寄存器的设置自动完成PCI总线和非PCI总线之间的数据传输。这样用户可以集中精力于应用设计而不是调试PCI总线。颀士学位论文无线电台脓测仪的i}计oi实现C的DSP片内集成了一个主/从模式的PCI接口通过PCI总线能够实现DSP与PCI主机的互连对与Cx由EDMA的地址产生硬件与DSP相连EDMA资源仍然可以被其他片内

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