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一种采用软件无线电技术的频谱分析仪设计.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《一种采用软件无线电技术的频谱分析仪设计pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含北京邮电大学硕士学位论文一种采用软件无线电技术的频谱分析仪设计姓名:韦书俊申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:李绍胜北京邮电大学硕士研究生学符等。

北京邮电大学硕士学位论文一种采用软件无线电技术的频谱分析仪设计姓名:韦书俊申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:李绍胜北京邮电大学硕士研究生学位论文一种采用软件无线电技术的频谱分析仪设计摘要近几年个人通信的飞速发展通信标准的不断增加比如小灵通GSMCDMA等。因此在网络环境测试中一种能够测试不同频段的频谱分析仪就显得尤为重要。通用的频谱分析仪要求能够灵活配置以满足测试需要能够通过软件控制以适应不同的通信标准要求具有宽频特性。而且该接收机应该是一个开放的系统。而这些特点刚好是采用软件无线电能够带来的优点。本文首先从阐述软件无线电的概念入手对频谱分析仪所用的技术:多速率数字信号处理技术、中频数据采样及数字下变频理论进行了分析和探讨。然后建立了频谱仪接收机的数学模型尽可能的简化射频模拟前端将模数/数模变换器尽量靠近天线在对信号充分数字化的基础上依靠软件来定义无线电的各项功能。在这些理论基础上设计了一种基于FPGADSP的频谱仪接收机的实验平台重点讨论了数字下变频的FPGA实现。接收机采用宽中频数字化结构即选择在中频进行采样量化将数字下变频、数字解调等数字信号处理部分由软件定义并下载到FPGA中进行实现。采用这种结构大大降低了采样速率和数字信号处理的速度对硬件性能要求低比较容易实现。而且该平台还采用NIOS软核处理器技术充分体现了软件无线电的思想具有通用性和可配置性。论文提出了一种频谱分析仪设计方案该方案充分体现了软件无线电对多频段多模式信号进行处理的灵活性开放性和兼容性的特点同时也表明FPGA可重构性和并行处理的优势特别适合于软件无线电模块化标准化的设计要求。关键词:频谱分析仪软件无线电FPGADSP数字下变频II北京邮电大学硕士研究生学位论文THEREALIZATIoNoFFREQUENCYSPECTRUMANALYZERINSTRUMENTBASEDoNSoFTⅥARERADIoABSTRACTWiththerapiddevelopmentofcommunicationespeciallythemobilecommunicationtechnologyRFfrequencyspectrumanalyzerascommunicationmeasurementinstrumentintheresearchmanufactureandmaintenanceofthecommunicationequipmentisneededurgentlyanditsapplicationiswiderandwider.Thefrequencyspectrumanalyzershouldhavesomecharacterssuchasflexibilityopennessandcompatibility.ThetraditionalSpectrumanalyzerwasdifficulttorealizethesefunctionbutwecansolveitbyusedtheidealofsoftwareradio..ThispaperdiscussestherealizationoftheRFfrequencyspectrumanalyzer.ThearchitecturesofthereceiverareRFpassbanddirectsamplingandIFpassbandsamplingwithhighspeedanalogtodigitalconverterafterRFtoIFconversion.Thefirstkindofarchitecturesishardtorealizebecauseofthe’requisitionofdevicesistoohigh.Thenitwilldosomeotherdigitalprocess.Theevolutionofprogrammablehardwareandincreasedflexibilityviaincreasedprogrammabilityhasbeenaccomplishedbyacombinationoftechniques.TheseincludemultibandantennaandRFconversionwidebandanalogtodigital(AD)'anddigitaltoanalog(D/A)conversion.ispaperfirstexpatiatesonthetheoryofsoftwareradio,discussingtheMultirateDigitalSignalProcessing,HighspeedDataAcquisitionsdigitaldownconverter.Thenonthebasisofthoseamodelofsoftwareradioreceiverisgiven.Operationsaredeterminedusinghardwarewhoseconfigurationisundersoftwarecontr.Finallythecircuitsirerealizedwimhardwareinordertoprovethediscussedschemes.ThepapershowsthatthesoftwareradiosystemhastheflexibilityopennessandcompatibilityinprocessingthemultibandandmultimodesignalandindicatesthatFPGAisespeciallysuitableforthestandardizeddesigningofSWRwithitsadvantageofreconfigurationandparallelprocessing.Keywords:SoftwareradiofrequencyspectrumanalyzerinstrumentdigitaldownconverterDSPFPGA北京邮电大学硕士研究生学位论文独创性(或创新性)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及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切相关责任。本人签名:坠生纽日期:生塑!。叠关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许学位论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释:本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。本人签名:导师签名:日期:型。丑盘。日期:垒塑=王《。北京邮电大学硕士研究生学位论文.课题研究背景第一章绪论近几年个人通信的飞速发展小灵通GSMCDMA等各种标准不断出现个人通信所占用的频段越来越高在这样频段拥挤的环境下网络间的干扰问题显得非常突出因此在网络规划中一种能够测试不同标准的频谱分析仪对测量不同频段的频率特性显得尤为迫切。通用的频谱分析仪要求能够灵活配置以满足测试需要能够通过软件控制以适应不同的通信标准要求具有宽频特性。而且该接收机应该是~个开放的系统。而这些特点刚好是采用软件无线电技术能够带来的优点。SR(软件无线电)也叫做SBR(基于软件的无线电)或者SDR(软件定义的无线电)特指用软件来定义和实现各种功能的多功能智能化无线通信设备。它的核心是:将宽带A/D和D/A转换器尽量靠近天线而电台功能尽可能用软件来定义sR把硬件作为无线通信的基本平台而对于无线电通信功能则尽可能用软件来实现。这样无线通信系统具有良好的通用性灵活性使系统互联和升级非常方便sR可以认为是继模拟通信到数字通信固定通信到移动通信之后无线通信领域的第三次突破。“尽可能用软件进行数字信号处理带来了软件无线电通信技术的许多优点:()在一个宽带软件无线电通信系统的通用可编程硬件平台上可以对宽带中频甚至射频进行数字化后利用软件进行多种信号处理而用一个数字宽频接收器完成以前用多个单独滤波器和处理单元实现的功能这样可以大大减少许多专用硬件电路器件缩小系统尺寸减少功耗。同时数字电路器件易于制造稳定性高可以减少每个信道的代价特别是高频模拟元件的设计和制造所带来的费用。()可编程性:一个单个无线接收机可以调谐到不同的信道甚至不同的空中接口标准上去。制造商可以用相同的可行元件设计适应不同标准的基站系统提供具有不同特点的移动通信系统可以迅速采用新型移动通信标准而不需要进行昂贵而费时的硬件升级只需要进行软件修改:减少设计制造和测试时间从而使产品更快上市可以试运营商能更方便和廉价的扩展服务可以大大减少使现行的标准所测试时间和风险保护运营商级用户的投资北京邮电大学硕士研究生学位论文()在军事和公共安全方面:利用软件无线电技术可以灵活地改变无线通信传输标准实现在宽频带上多种无线电调制技术的互联可以实现多种制式无线电的监听干扰和反干扰等等。从软件无线电的改良提出开始就由于他的技术先进和可广泛应用而受到了高度的重视欧美各国的政府和研究机构陆续设立了多个军事或民用的研究项目。本文首先从阐述软件无线电理论的基础入手对频谱接收机中所涉及的技术:多速率数字信号处理技术、高速数据采集、以及数字信号的正交分解和通信信号的解调技术进行了分析和探讨。在此基础上设计了一种基于FPGADSP的软件无线电的频谱接收机实验平台重点研究了研究软件无线电硬件平台的实现。接收机采用宽中频数字化结构即选择在中频进行采样量化将数字下变频、数字解调等数字信号处理部分由软件定义并下载到FPGA中进行实现。采用这种结构大大降低了采样速率和数字信号处理的速度对硬件性能要求低比较容易实现。论文包括以下几个部分:第一章绪论。简要介绍了论文的目的以及个人所作的工作第二章阐述了软件无线电的概念特点和关键技术第三章软件无线电的理论基础。介绍软件无线电的概念、特点、难点和相关的基础理论:第四章频谱仪接收机的整体设计方案。包括实验平台的整体框图和硬件环境:第五章频谱仪接收机系统参数讨论第六章作者对所做的工作进行了总结和展望。I.课题目的()学习掌握软件无线电的理论知识软件无线电技术代表着无线通信系统的发展方向更多地被理解为无线系统一种前沿的设计思想充分掌握软件无线电理论知识和最新的研究成果才能将其思想较好地运用到通信系统的设计中发挥其优势这是论文的初衷()学习掌握大规模可编程器件在数字信号处理实现中的设计方法软件无线电技术真正用于工程中得易于数字信号处理技术和大规模可编程器件的发展其中包括DSPASIC和FPGA的应用。FPGA大规模可编程器件具有速度快、集成度高、编程能力特别强以及可以在系统重配置的技术优势特别适合于软件无线电技术的研究和构建平台所以充分掌握大规模可编程器件的设计方法是软件无线电设计和重要途径和前提()频谱仪接收机的设计与实现论文的目标是设计一个通用的接收平台将软件无线电的思想运用到中频以下的数字信号处理中并接合外部主机上的控制软件实现系统的在线控制达到自由升级和相互兼容的特点。北京邮电大学硕士研究生学位论文I.论文期间个人所做的工作()深入学习了软件无线电的相关理论知识为毕业设计建立了整体的知识体系()查阅太量频谱分析仪资料学习其工作原理为设计该接收机打下良好的基础。()学习DSP软件开发平台(VISUALDSP)FPGA开发工具OUARTUSIINIOS开发环境()学习高速硬件设计理论并用于实践中()完成实验板原理图设计、PCB设计与调试和部分模块软件的编程调试工作。北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章软件无线电概述.软件无线电的定义软件无线电的完整概念和体系结构是由MITRE公司的Joseph.Mitola于年月在国家远程系统会议(NationalTelesystemsConference)上明确提出的并且在过去短短的十年内软件无线电就得到了突飞猛进的发展。通常人们把软件无线电理解为对数字化无线电信号使用软件技术来处理的无线电其含义是把以往采用以硬件为核心以特殊应用为目的的无线电实现方法过渡到在某一硬件平台上用软件来完成无线电任务设计思想。和传统的无线通信相比它的特点是有一个开放性、标准化、模块化的通用硬件平台并把各种通信功能(如工作频率、调制解调、数据格式、加密模式、通信协议等)用软件来实现具备良好的兼容性和扩展能力。科学家一般都认为软件无线电的发展有不同阶段其概念也有不同的理解这里给出软件无线电三个不同的发展阶段的概念。()软件定义的无线电(SDR):它是指接收端的数字化是在天线后面的某一级通常是在中频之后进行的无线电对于发射机的数字化过程正好相反()理想的软件无线电(SWR):它是指数字化在(或者非常接近)天线前端进行所需的处理都通过驻留在高速数字信号处理单元中的软件来实现。软件无线电在从SDR阶段演变到SWR阶段的过程中主要依赖于包括aid和D/A转换器、快速信号处理器以及存储器在内的信号处理技术等方面的长足进展()自适应智能软件无线电(AISR):指通过自动适配(无须人工介入)工作模式来适应其工作环境达到提高性能和效率的软件无线电。从理想软件无线电向自适应智能软件无线电的演变不仅因为将来的芯片工艺等硬件水平的发展更得益于智能网络方面发展的贡献。虽然软件无线电为无线通信的发展提出了更为广阔的设计思路但是现有的硬件水平和技术无法达到软件无线电特殊的要求因此现阶段的软件无线电主要在软件定义无线电这个阶段在接收机的天线和A/D转换之间依然存在一定的模拟环节。.软件无线电体系结构软件无线电体系结构是实现软件无线电概念的具体设计结构包括硬件软件和接口协议等部分。其基本内容必须综合考虑无线通信技术现状和长远发北京邮电大学硕士研究生学位论文展真正把各种标准统一起来。软件无线电的体系结构是软件无线电技术的核心它的标准要和国际通用能与相应的通信网络和系统接轨互联。从广义上讲软件无线电的专门技术和相关技术(也是软件无线电技术的基础)都属于软件无线电体系结构的研究范围。如软件设计技术宽带天线和多频段射频模块技术电磁兼容技术材料技术抗干扰和保密技术等。理想的软件无线电接收机的硬件功能组件包括:宽带射频信号收发部分高速采样和恢复部分中心协调控制部分PCI总线接口部分。各部分之间有数据总线和控制总线连接起来为软件设备驱动层上的软件提供有力支持。如图所刁斤:图软件无线电接收机的硬件功能组件当系统处于接收状态时无线信号通过插在接口卡上的天线耦合到宽带射频收发部分通过下变频并采样后经PCI总线将数据传输到接口主机中当系统处于发射状态时由接收主机通过PCI局部总线传输给PCI总线接口部分再由高速D/A转换器转换成模拟信号上变频后通过天线发射出去。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从基于硬件面向用途的电台设计方法中解脱出来。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尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开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开放型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。软件无线电主要由天线射频前端宽带A//A转换器通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要求覆盖比较宽的频段例如MHZXGHZ要求每个频段的特性均匀以满足各种业务的要求。为了便于实现可在全频甚至每个频段使用几付天线并采用智能化天线技术。北京邮电大学硕士研究生学位论文图软件无线电结构框图射频前端在发射时主要完成上变频滤波功率放大等任务接收是实现滤波放大下变频等功能。模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP软件承担为了减轻DSP的处理压力通常把A/D转换器传来的数字信号经过专用的数字信号处理器处理降低数据流速率并把信号变至基带后再把信号送DSP处理通用DSP主要完成各种数据速率相对降低的基带信号处理例如各种调制解调抗干扰抗衰落等。软件无线电的基本结构可以分为三种: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如图所示:图射频低通采样数字化的理想软件无线电结构图所示的射频低通采样数字化的软件无线电其结构简单把模拟电路数量减少到最低程度。从天线进来的信号经过滤波放大后就由A/D进行采样数字化这样的结构不仅对A/D转换器的性能例如转换速率工作带宽动态范围等提出了非常高的要求同时对后续DSP的处理速度要求也非常高。图所示的射频带通采样结构能够解决射频低通采样结构对A/D及DSP的过高的要求。这种结构与图所示结构主要不同点是A/D前端采用了带宽相对较窄的电调谐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采样率要求就没有那么高了对后续的DSP的处理速度也可以大大降低。但是需要指出的是.这种射频带通采样软件无线电结构对A/D工作带宽的要求仍然比较高。图射频带通采样软件无线电结构目前常采用的结构图如图所示的宽带中频带通采样数字化结构它采用了多次混频体制(超外差体制)其主要特点是中频带宽更宽所有调制解调等功能全部由软件来实现。中频带宽宽使这种软件无线电与普通超外图宽带中频带通采样数字化结构差中频数字化接收机的本质区别。显而易见这种宽带中频带通采样软件无线电结构是上述三种结构中最容易实现的对器件性能要求最低但它离理想软件无线电要求最远可扩展性灵活性最差。.软件无线电的特点和关键技术及发展..软件无线电的特点软件无线电是由“A/D~DSPo/a”硬件平台和各种功能软件模块组成的新型北京邮电大学硕士研究生学位论文无线通信系统它通过更新软件以改变硬件配置结构的方式实现不同的通信功能所以和传统的无线通信系统相比它具有高度的灵活性和开放性的特点。“()很强的灵活性。软件无线电中所有的信号处理(包括放大、变频、滤波、调制、信道编译码、信源编译码、信道和接口的协议信令处理、加解密、抗干扰处理、网络璐控管理等)都以数字信号的形式在数字信号处理器(如DSPASICFPGACPLD等)中完成的它不受硬件设备的规格、结构等因素的限制。其性能主要由数字信号处理部分的软件所决定所以具有可编程的能力以及很强的灵活性和通用性。()较强的开放性。软件无线电硬件采用的是模块化结构和总线式结构可以随着器件和技术的发展而更新或扩展。其软件采用各种功能模块也可以根据需要而不断替换和升级。..推动软件无线电发展的关键技术及要求()宽带天线技术要求天线能够覆盖所有的无线频段。在软件无线电硬件结构中为了使工作频率范围应尽可能地覆盖~MHz天线就应该能覆盖它的倍频程。提高天线的增益通常采用智能天线它是数字多波束形成技术和数字信号处理技术的结合通过在基站使用自适应的天线阵运用可靠的自适应算法达到提高信噪比和增大系统容量的目的。所以利用智能天线技术可以减少接收到的多径信号的数量降低衰落特别适合于软件无线电对宽频带天线技术的要求。()宽带射频前端技术要求射频前端能够在很宽的频带内有很高的线性增益。理想的软件无线电要具有覆盖全波段的能力因此其射频前端必须能够在很宽的工作频带内产生较好的线性增益从而保证送到模数转换器的信号具有很好的信噪比。目前RF器件的水平还只能支持%左右的带宽故在现有的软件无线电系统中采用的技术方案是使用一组RF模块覆盖整个频段。随着宽频段合成技术、低噪声高性能半导体工艺技术的成熟将出现非常灵活的RF模块例如高度小型化的多频段多模式(邪/删)RF芯片已于年投入生产另一方面超导RF技术也有助于实现多频段/多模式前端所需的性能这两种技术目前正成为射频前端的主流技术。()数模模数变换技术一一要求有很高的转换速率及很大的工作带宽和动态范围。软件无线电要求模数转换器件和数模转换器件尽可能地靠近射频在射频前端进行采样数字化。依据奈奎斯特抽样定理ADC的抽样频率应该满足:北京邮电大学硕士研究生学位论文工/o(/o是被抽样信号的最大频率)而在实际系统中要采用“过采样”来克服频谱混叠现象。一般要求采样频率满足:正.fm而且采样信号动态范围不小于dB采样精度不低于位所以对.~MIJz的射频信号进行抽样时就需要至少GHz的抽样频率。受硬件发展水平的限制目前无法达到如此高的采样频率以及对采样精度和动态范围的要求它是软件无线电实现的一个主要的瓶颈。为了降低采样频率通常采用两种方法采用射频带通采样和中频采样或者用多个A/D进行并联采样。随着A/D水平的发展最终满足软件无线电要求的模数转换器必将推动软件无线电的全面应用。例如在年月就已经投入商用的位ADC就己经达到了.S/s。()数字信号处理技术要求有高速、高精度的处理能力。.数字信号处理是整个软件无线电系统的核心主要完成数据处理、调制解调和编码解码等工作。要对这些数字信号进行实时、准确地处理对DSP的运算速度、运算能力、数据存储容量、数据吞吐速率都要求非常高。理想软件无线电的^DC送入DSP模块的数据就高达几千兆比特每秒。对这么快的数据流单单完成滤波、变频等处理现有DSP器件就无法实现的更谈不上扩频自适应等通信功能。因此数字信号处理技术是制约软件无线电发展另一个主要瓶颈。在目前的软件无线电中一方面要运用多速率信号处理技术来降低输入到DSP的数据速率另一方面要不断提高DSP的处理能力。目前可行的方案有:采用DSP并联技术即使用多片DSP并联进行数据处理提高DSP的处理能力或者将一些功能交于特定的芯片完成如使用专用的DDC器件进行数字下变频。另外把现场可编程门阵列(FPGA)芯片引入到硬件平台让FPGA和DsP一起进行信号处理也是当前软件无线电硬件发展的一个趋势。由于FPGA具有低功耗、小尺寸、较强的现场可编程性等优点让DSP以软件方式FPGA以硬件方式实现数字信号处理算法正好充分发挥了软件无线电可编程能力强易于升级的特点。()总线技术要求具有良好的开放性。软件无线电的开放性决定其硬件必将采用总线结构便于系统的升级和更新。现有工业控制总线有ISAPCIEISAVESA和V^崛等总线标准其中ISA总线和VME总线在目前的数字信号处理和工业控制中用得较多而V她总线比ISA总线更有优势。ISA总线的数据为位地址总线为位地址空间MB其总线带宽仅有几兆赫。而WE总线数据宽度为位地址线共有位地址空间有B总线带宽为几十兆赫。另外V^IE总线结构支持多机并行处理支持多个不同CPU之间的协调工作、共享系统资源而IsA总线是单处理器系统总线处理调度能力较低所以ViE总线是短波软件无线电的首选总线。()软件技术要求有良好的扩展性和通用性。北京邮电大学硕士研究生学位论文软件无线电作为一种新的通信体制.最大特点是通信功能的软件化所以软件技术是其最重要的技术之一。软件无线电的软件技术主要包括:实现各种通信功能的软件模块和软件无线电的标准和协议。一方面由于软件无线电的核心是数字信号处理所以它改变了以往依靠硬件电路实现特定通信功能的设计方法而是通过对数字信号处理器件进行编程把要实现的通信功能算法以软件的形式下载到可编程器件中实现所需通信功能。在后续的工作中只要下载新的算法软件或对算法进行修改就可以完成通信功能的升级、实现不同功能的转换。另~方面和硬件模块化一样软件无线电还需要软件模块化。如果缺乏标准的应用级的软件到软件的应用编程接口(API)则软件重用度低花费大研制周期长因此需要把软件按功能分成有清楚接口定义的模块。在国外面向对象管理集团(OMG)提出了一种基于公共对象请求代理体系结构(CommonObjectRequestBrokerArchitectureCORBA)的软件协议和标准。这种技术的核心内容就是提供了一种标准的、开放的“软总线”结构而且能够无缝地共享应用数据。类似于硬件总线软件无线电的每一个软件包都提供了一个信息传输接口到ORB(对象请求代理)被确定数量的对象用CORBA接口来实现即插即用(Plug&Play)发挥其开放性的特点。在软件无线电以上的几个关键技术中宽带A/D、D/A变换技术和数字信号处理技术是其核心内容并直接决定着软件无线电的性能、结构和发展它们主要受到现代芯片工艺的限制。随着大规模集成电路的发展它们必将推动软件无线电向着SR和AIsR的发展。.未来软件无线电的主要特性随着现代硬件技术的发展软件无线电技术将当之无愧成为第三代移动通信技术的核心技术今后的软件无线电技术的发展将具有以下鲜明的特性:“()它完全具有宽带的接近天线的A/D转换特性是充分数字化的电台而不是目前的基于中频(IF)的混合数字化结构也就是说它应当是从信源基带信号的处理到射频信号的发生与接收都将实现数字化传输的完全数字化传输的全数字化软件处理系统即实现理想的软件无线电结构。()它是“完全可编程特性”的数字化无线电台。它通过更换模块插件或更话路通的软件既可适应多频段多模式的工作目标。它具有性能了好的多频段智能天线和多边成的多频段多功率的射频转换能力。()它是一种采用标准开放的高性能的总线结构支持模块化的设计可以支持并行流水线分布式计算机和异种多处理器。()它可通过不同的软件和版本来方便地低成本地增加改进无线通信业务及lO北京邮电大学硕士研究生学位论文系统功能。在移动软件无线电通信网内的各种信源终端还允许多种通信业务(语音传真数据图像等)接入。具有软件无线电结构的标准基站还具有和公共交换电话网(PSTN)互通能力即对自身系统的管理和维护能力。随着软件无线电的发展它还应具有以下一些功能:()对传播条件的自适应功能(包括频率功率传输速率的调整以及自适应多径分集等)。()优越的抗干扰功能(包括天线自适应调零自适应及抗干扰抵销扩频调频等方式)。()灵活的多址方式多业务多重组网和接口能力。.本章总结软件无线电的基本思想是利用数字信号处理技术代替现在主要的模拟信号处理。通过只能体现、宽带RF器件、宽带模数转换器及数模转换器利用通用可编程处理器实现IF、基带及比特流处理。目前人们通常对软件无线电有三种不同阶段的理解:软件定义的无线电(SDR)理想的软件无线电(SWn)和自适应智能软件无线电(AISR)。软件无线电体系结构是实现软件无线电概念的具体设计结构本章就硬件体系结构进行了分析并就结构中的每个功能模块进行了简单的解释。未来软件无线电将是通用的宽带的、数字化的开放平台。北京邮电大学硕士研究生学位论文第三章基于软件无线电的额谱仪接收机的相关理论.接收机设计..接收机的特性接收机的基本功能是接收小功率的RF实信号然后将其下变频为一个复基带信号(包括同相和正交分量I/Q)。在这个过程中信号的电平被放大了。如下所列描述了所假定的SDR接收机输入信号和输出信号的特性。输入信号如下:(i)信号类型:实信号()小功率:小于一dBm()大动态范围:大于一dBm()频谱:带通中心频率为/I】fllz输出(到数字式子系统)信号特性如下:()信号类型i复信号(I/Q)()频谱:基带带宽达到V珊z()动态范围:因AGC的存在而减小以满足ADC的要求。为此接收机应该满足以下几点:()保持信号功率比噪声功率足够大以确保输出信号噪声比足够高允许所用的调制体制适应BER性能。()确保大功率的输入信号不会使接收机过载()确保附近大功率信号(Blockers)不会影响对需要的信号的检测()确保需要的频率上的信号能够从镜像频率上的信号分离出来。前两项通常要通过仔细的设计才能够满足。后两项是能够通过选择适当的接收机结构和采用适当的“固定(fixing)技术”来解决问题这些技术包括镜频抑制线性化和可变预选滤波器等。..接收机的体制不同的接收机的主要区别时将信号下变频到基带的技术不同。直接变频使用一级超外差接收机则用二级以上。通常下变频次数的增加使接收机的复杂性也相应增加。)直接变频体制北京邮电大学硕士研究生学位论文直接变频体制基本的直接变频接收机体制如图所示。该接收机有一个低噪声放大器(LNA)组成它以低的噪声系数提供合适的RF增益。LNA的输出信号经过预选滤波器滤波由复数(IQ)混频器进行下变图直接下变颊接收机结构图频。大部分的增益及AGC有一个高的增益的基带放大器提供。这种接收机船优点为:()复杂性低()适合集成电路实现()要求简单的滤波()镜频信号抑制容易(与多次变频体制相比较而言)。缺点为:()要求本地振荡器本地振荡器的两路输出信号在输入信号的整个工作频率范围内要保持相位严格正交和幅度平衡()混频器必须是平衡型的且能够工作在相对宽的频段内()通过混频器和LNA泄漏的本振信号将通过天线传播并通过天线反射回到接收机中。反射的信号将随着天线所处的物理环境而变化。这一由“自混频”引起的“时变”Dc偏移是一个需要解决的问题()大部分的信号增益出现在同一个频段将导致潜在的不稳定:()/f噪声是主要问题()二阶失真产物混进了“带内”。)多次变频体制多次变频接收机见下图这种接收机的优点是:灵敏度高(由于有预选滤波器和信道滤波器)北京邮电大学硕士研究生学位论文V嘲蒸}图多次边频超外差接收机结构图总增益被分配到工作在不同频率的多级放大器上将实信号下变频到复信号是在一个固定的频率上进行的因此只要求在一个频率上实现本振的相位正交和幅度平衡。缺点是:()复杂程度高:()要求多个本地振荡器()需要特殊的IF滤波器这样便不可能用单片集成电路实现超外差接收机。尽管如图所示的多级变频接收机只有两级变频(~级在IlF段用硬件实现另一级在数字信号处理器(DSP)中用软件实现)更进一步的变频可以在DSP中通过“抽取”和/或“子采样(subsampling)”来实现。这种体制的接收机是目前SDR接收机设计的最佳选择因为在目前的技术条件下直接变频接收机要用于带宽SDR时其主要缺点是难以解决的。对于这种体制的接收机第一次变频可能在RF硬件级而其他所有变频均在DSP中完成。)低IF体制采用低IF的变频体制实际上是将超外差体制和直接变频体制的接收机的优点结合在~起的。低IF意味着对镜频的抑制要求没有超外差体制那样严格而且事实上由于本振频率与需要的信号频率不同减小了直接变频体制固有的Dc偏移问题。采用低中频体制的优点主要有.()与直接交频体制有关的Dc偏移问题能够被克服而保留了该体制的大部分优点()比超外差体制的复杂程度低北京邮电大学硕士研究生学位论文()采用低中频体制的缺点是相对直接变频接收机而言低中频接收机对镜频要求有较好的抑制。.软件无线电系统设计中tJD采样目前较为常用的采样方式有过采样(oversampling)正交采样(quadraturesampling)和带通采样(bandpasssampling)等。)..过采样根据奈奎斯特定理当f.o时就能够从采样后的数据中无失真地恢复出原来的信号。我们知道信号在时域的采样等效于信号频谱在频域的周期拓延周期为Z使‘丘就是为了保证采样后的信号频谱不重叠当工=眦时采样前后的信号频谱如图所示。图信号采样前后的频谱在电路设计中采样前需加抗混叠滤波器以便滤除带外噪声通常要求带外抑制DB为了使抗混叠滤波器易于实现可以将采样速率取得高一些一般正取为/’眦的.倍以上这就是过采样。过采样在基带处理中应用较多但如果在中频或射频进行过采样在同等分辨率情况下他要求A/D转换器达到很高的采样速率比如对频率hlHzlO艇lz带宽的中频信号采样分辨率为bitsA/D转换器的采样速率需达Ms/s这时a/O转换器所提供的信噪比将比较低而且对后端数据处理部分的压力也很大所以在软件无线电系统设计中不提倡用过采样。北京邮电大学硕士研究生学位论文..正交采样正交采样方式如图所示DsP处理正交采样将信号分为t分别与本振的个正交分量相乘将射频信号变到中频或基带再采样由于每路信号分量仅有原始信号带宽的/采样速率就可以降为原来的l/但其代价是要用片相位一致的A/D转换器这实现起来比较困难。..带通采样带通采样又叫欠采样(undersampling)或谐波采样(harmonicsampling)在中频或射频采样中主要采取这种方式。根据奈奎斯特定理需要Z厶。目的就是保证采样后的信号频谱不重叠这样才能无失真地恢复出原始信号。对中频(或射频)带通信号设带宽为B只要取工B的某些值就可以保证采样后的信号频谱不重叠。采样速率可由下式确定:盗西丝式()珂疗一其中矗表示带通信号的最高频率五表示带通信号的最低频率n为整数取值范围为:。打立.矗一无式()这样在选择采样速率时我们只需关心带通信号的带宽就可以了。带通采样带来的好处是显而易见的:降低了采样速率可以减少后端数据处理的工作量提高处理效率。另外带通采样相当于一个变频器后端可以直接在信号采样后较低的谐波分量上进行处理大大简化了电路设计。在实际应用中A/D采样前需加抗混叠带北京邮电大学硕士研究生学位论文通滤波器以消除带外噪声带来的频谱混叠。..中频A/D采样参数分析在软件无线电通信系统设计中由于A/D转换器的信噪比等指标还不能满足射频采样的要求现在一般采取中频采样中频A/O采样设计的目的就是根据系统带宽和灵敏度要求确定采样速率和对A/D转换器的信噪比要求并选择A/D器件。现假设中频带通信号的带宽为MHz中频为M}Iz。采样速率的确定:在本系统中采取中频带通采样中频IF=Mfz带宽:B=~IHz则:最高频率矗==.MHz蛀低频率^=/=.MHz由式()可得:半.‘s。M.S/s”式()"H~l’、这样当n=时Z的范围为.~MS/s当n=时Z的范围为~.MS/s若取n=.f较高信噪比就高一些采样后频谱的间隔也可以取得较大缺点是后端的数据处理量加大及增大功耗若取n=正较低减少了后端的数据处理量但因为采样后频谱的间隔会很小抗混叠带通滤波器实现起来比较困难。权衡利弊我们取n=为使采样后频谱间隔最大采样速率.f一般取在最大、最小值的中问值附近我们取.疋=MS/s。这时信号采样前后的频谱如图所示。。nE‘’H图信号中频采样前后的频谱通过图我们可以计算出采样后频谱的最小间隔为Mttz抗混叠带通滤波器实现起来比较容易。由于带通采样兼具变频器的功能信号频谱从MHz降到了州z。假设从天线到A/D采样之问的增益G=DB噪声系数NF=DB则系统接收灵敏度就由A/D转换器的性能来确定。为方便分析我们采用AnalogDevices公司生产的A/D芯片AD进行设计AD是bitsMS/s的ADC(模数转换器)全功率输入带宽达到^f}fz在输入信号频率为i~lttz输入北京邮电大学硕士研究生学位论文幅度为一DBFS(相对于满量程)时他可以提供DB的信噪比(SNR)及DB的无失真动态范围(SFDR)他的满量程输入为dBm/Q。下面分析一下信噪比对系统接收灵敏度的影响。由输入信号幅度为一DBPS时SNR可以得出DBAD内部产生的噪声电平为dBmldBdB=dBm。另外根据噪声系数和增益可以计算系统前端加到A/D输入端的噪声电平。系统折合到射频输入端的噪声温度£=To(J'vF“o一)其中To=。K于是噪声功率只=女£B£为Boltzman常数t=。“系统带宽B=Mttz计算得只=一dBm。又因为G=dB则呈现在A/D输入端的噪声功率为一dBmdBm=一dBm。经过A/D采样再加上AD内部产生的噪声一dBm二者叠加在输出端整个带宽内的噪声电平为一dBm在信号满量程输入时信噪比为dBmdBm=dBm。由上述分析过程可见如若提高系统灵敏度一是降低前端噪声系数二是提高A/D转换器采样速率改善其信噪比性能三是在电路上增加AC,C也可以提高系统灵敏度。另外对系统接收灵敏度还要考虑A/D转换器的SFDR。AD的SFDR为dB这意味着在A/D输入端的信号最小电平为dBm一dB=dBm对应于在射频输入端的接收灵敏度为一dBm。在以上分析中仅以单信号输入为例实际设计中还要考虑多音频输入的情况。在选择A/D器件时单就系统接收灵敏度而言其分辨率和采样速率越高越好但同时需要计算后端DSP的处理能力二者折衷进行选择.降速率信号处理多速率数字信号处理(MultirateDigitalProcessing~ffd)SP)就是指一个系统中存在两个或两个以上的采样速率其目的是为了减少运算量和存储量便于信号的存储、传递和处理。它实际上是对采样后的序列进行重新采样的过程主要包括抽取(Decimate)和内插(Interpolate)两大内容其中抽取是降速率信号处理是本节介绍的重点。所谓整数D倍抽取是指原始采样序列x(n)每隔(o)个样本数据取一个形成一个新的序列b(矾)即x。(埘)=x(mD)。以抽取的时域过程如图所示。设x(n)的频谱为X(e扣)%(Ⅲ)的频谱为如(F”)则有:J。扣。)=去萋J(e一Ⅲ一dl。)式()北京邮电大学硕士研究生学位论文一图整数倍抽取的时域过程(D一)由上式可得抽取序列的频学是抽取前原始序列的频谱经频移和D倍展宽后D个频谱的叠加和抽取前后频谱结构如图(a)所示。辑婶’、会莩半令知一FofF’(a)(b)图抽取前的频谱结构圉从图(a)不难看出抽取后的序列依然要满足采样定理即当序列x(n)的最高频率大于:riD时抽取后的频谱就会发生严重的混叠完整的抽取器之前应该加上一个抗混叠的低通滤波器提前滤除aiD以外的信号其结构如图所示频谱结构如图(b)。由于抽取前后的频率成分一一对应不但可以露飘霭毳蓊弱.露鬈纛零蚕蚕囊j生莲鬻i卜一黉繁黍蒸卜墼膝《i瑟瓣瑟甍{|隧i豢i嚣麓蒙剩I。篓妻::i嚣麓i霪嚣誉:捌隧熏嚣!’j囊冀i嚣囊{图完整的抽取结构用鼻。(e’。)恢复X(e归)中小于万D的频率而且抽取后的数据速率只有原来序列的/D大大降低了对后面各种信号处理速率的压力所以在现代信号处理中应用十分广泛。北京邮电大学硕士研究生学位论文.数字下变频的摹本原理数字下变频的主要功能包括三个方面:第一是变频数字混频器将数字中频信号和数控振荡器(NumericalControlOscilatorNCO)产生的正交本振信号相乘生成I/Q两路混频信号将感兴趣的信号下变频至零中频第二是低通滤波滤除带外信号提取有用信号第三是采样速率转换降低采样速率以利于后续信号处理大抽取因子范围提供了可设计成宽带或窄带数字信道的能力并且提供了高的处理增益。本章对数字下变频的基本结构和原理做了简单介绍并阐述了相关的主要算法和理论。..数字下变频器原理概述DDC输出信号的后续处理主要是完成信号解调、解码、抗干扰、自适应均衡以及信号参数估计等工作。由于正交分解后的I/Q两路基带信号对上述后续处理往往带来很大的方便和良好的性能因此大部分数字下变频方案都采用了正交两路处理的典型结构。图是目前大部分DDc芯片的基本结构。’譬。u一一u一’瞄掣:!E刚.t榔镧H蔓墨天.占.瞬b厕高霭图数字下变频器的典型结构框图如图所示模拟中频信号由ADC采样得到数字中频信号.输入DDC后先与数控本振产生的两路正交本振信号进行相乘将数字中频搬移到基带。由于ADc在中频进行采样采样速率有可能很高而混频后得到的数据率和采样速率是一致的后级的FIR滤波器根本无法达到这个处理速率因此先通过CIC(级联积分梳状)和HB(半带)滤波抽取器进行大的抽取使数据率快速降下来。再由FIR进行滤波。CIC滤波器的系数都为l因此实现非常简单只有加减运算没有乘法运算硬件实现时可达到很高的处理速率很适合作抽取系统中的第一级抽取和进行大的抽取因子的工作。但由于CIC滤波器的过渡带和阻带衰减特性不是很好通常需要采用五级CIC级联的方法加大过渡带和阻带的衰减抽取因子为~。fⅢ滤波器由于其系数几乎一半为零滤波时运算量减少~半因此被作为第二级低通滤波和抽取。HB的抽取因子固定为特别适合采样率降低一半的要求。通过CIC和BB滤波抽取后基带信号由最初的高数据率被降到较低的速率适于后北京邮电大学硕士研究生学位论文级FIR处理。FIR滤波器的主要用途是对整个信道进行整形滤波需要的时候还可以作为匹配滤波器使用。重采样滤波器进行分数倍采样速率的转换使得整个抽取系统的输出速率能够满足特殊的应用场合的需求这些特殊的应用场合主要是数字通信系统在正交解调恢复码元时如果要用抽样判决的方法进行则码元速率与抽取系统的输出速率必须满足特定的关系(如一定整数倍的关系)正因为有了多相重采样滤波器才使得整个DDC采样速率的转换更加灵活。在多相重采样滤波器之后还有二级HB内插器。这二级BB内插器设计的目的是为了提高前级滤波抽取处理时所损失的样本时间分辨率在接收某些通信信号(如TDMA.cDIIA)时对时间分辩率有一定的要求通过二级船内插器能提高倍或倍的时问分辨率。重采样滤波器送出的uQ两路基带信号经过输出格式化后即可送给后端的通用DSP器件作进~步解调、解码等处理。..影晌数字下变频器性能的主要因素模拟下变频器中模拟混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、边带、相位噪声、温度漂移、转换速率等都是人们最关心和难以彻底解决的问题。这些问题在数字下变频中是不纯在的频率步进、频率间隔等也具有理想的性能另外数字下变频器的控制和配置更新方便等特点也是模拟下变频器无法比拟的。但与模拟下变频相比.数字下变频器的运算速度受硬件电路处理能力的限制其运算速度决定TDDC的最高输入信号数据率相应的也限定了ADC的最高采样速率。另外数字下变频的输入、输出数据精度和内部运算精度也影响着接收机的性能。影响数字下变频器件整体性能指标的主要因素有五个:一是数控本振所产生的正交本振信号的频谱纯度二是数字混频器的运算精度三是各种滤波器的运算精度(包括二进制表示的滤波器系数的精度)四是FIR滤波器的阶数五是数字下变频器的系统处理速度。前三点因素其本质可以归到一点就是有限字长效应由于有限字长带来了数控本振的相位截断效应也带来了整个DDC器件所有模块的样本值近似效应根据截断和近似的程度DDC性能会受到或多或少的影响。要提高DDC的性能就要加宽运算字长但字长不可能无限加宽这就需要在DDC性能和硬件资源开销之间作一个折衷。至于FIR的阶数同样涉及到的是硬件资源消耗的问题。在处理速度这个问题上可以通过利用规模换速度和采用优化算法两种

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