（信息与通信工程专业论文）战场复杂电磁环境中动态背景信号生成系统的设计与研究.pdf

国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 摘要 二十一世纪的战争将是信息化、电子化的现代战争。在现代战场上，由于大 量使用电子信息装备，使得战场空间中的电磁信号非常密集，形成了极为复杂的 电磁环境。动态背景信号生成系统针对我军现代化装备发展需求，通过在内、外 场试验中提供高频段、多样式、高密度的电磁信号环境，在一定程度上模拟出现 代战场的实时通信环境，从而为装备的定型以及部队的作战提供真实可信的技术 依据。 本文针对战场复杂电磁环境中动态背景信号生成系统的设计方案，首先从理 论上介绍了基于“软件无线电”技术的系统方案模型：其次，对定点调制运算的 各步骤进行了定标和仿真，同时对信号的滤波进行了相关分析，编写了使用定点 d s p 进行各种信号调制运算的程序，并对其性能进行了评估；设计了基于e d m a 技术的d s p 数据搬移方案，仿真调试了基于m i g 工具的d d r 2s d r a m 内存条控 制器模块；最后，设计了动态背景信号生成系统的各模块的硬件电路，并对硬件 设计中遇到的问题进行了总结归纳。 整个系统的方案设计体现了基于“软件无线电”体系结构的设计思想，对今 后复杂电磁环境中动态背景信号生成系统的设计具有一定参考价值。 主题词：复杂电磁环境动态背景信号软件无线电信号调制定点算法 d s pe d m af p g a d d r 2s d r a m 第i 页 国防科学技术人! 学研究生院l ：学硕十学位论文 a b s t r a c t t h em o d e r nb a t t l ei n21s tc e n t u r yw i l lb e1 n f o r m a t i o n b a s e da n de l e c t r o n i c b a s e d i nt h em o d e r nb a t t l e f i e l d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i s ms i g n a lw i l lb eq u i t ed e n s ew h i c hf o r m e d t h ee x t r ac o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n t t h ed y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a l g e n e r a t i o ns y s t e mi sa i m m i n ga tc o n s t r u c t i n ga ne l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n tw h i c h c o n t a i n sh i g hs i g n a lf r e q u e n c y ，d i f f e r e n ts i g n a lp a t t e r na n dh u g es i g n a ld e n s i t y t h e m a i nf u n c t i o no ft h es y s t e mi st os i m u l a t ear e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tt o t e s tt h em i s s i l eo ro t h e rh i g h t e c hw e a p o n sa n t i - j a m m i n gc a p a c i t yi nt h eb a t t l e f i e l d n o w a d a y s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to ft h ed y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a lg e n e r a t i o n s y s t e m f i r s t ，i n t r o d u c e dt h es d r s ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) m a t hm o d e lo ft h e p r o j e c t s e c o n d ，s t u d i e dt h ef i x - p o i n ta r i t h m e t i co ft h es i g n a lm o d u l a t i o na n da l s ot h e s i g n a lf il t e r i n gm e t h o d ；w r o t et h ef i x p o i n tm o d u l a t i o ncp r o g r a mw h i c hr u no nt h e c 6 0 0 0d s p s ，a l s oe s t i m a t e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o g r a m ；d e s i g n e dt h ed a t am o v i n g s c h e m eb a s e do nt h ec 6 0 0 0 se d m at e c h n o l o g y ；d e b u g g e dt h ed d r 2s d r a m m o d u l eu s i n gm i g ( m e m o r yi n t e r f a c eg e n e r a t o r ) t o o l s a tl a s t ，d e s i g n e dt h eh a r d w a r e m o d u l eo ft h es y s t e m ，s u m m a r i z e dt h ek e yp o i n tw h i c hn e e dt ob ea t t e n t i o ni nt h e h a r d w a r ed e s i g np r o c e s s t h ew h o l es y s t e md e s i g nf l o wi sb a s e do nt h es d rt h e o r y ，f o rt h ef u r t h e r i m p r o v e m e n t so ft h et h ed y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a lg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e r m a yc o n t a i ns o m er e f e r e n c ev a l u e k e yw o r d s ：c o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n t s i g n a l s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) s i g n a lm o d u l a t i o n d s pe d m af p g ad d r 2s d r a m d y n a m i cb a c k g r o u n d f i x - p o i n ta r i t h m e t i c 第i i 页 国防科学技术人学研究生院l ：学硕十学位论文 表目录 表3 1 各种q 格式数对应的数据范围1 8 表3 2 各种调制样式对应的极值2 4 表3 3随机调制样式对应的极值2 5 表4 1调制运算性能比较( 以周期计) 4 1 表4 2 调制运算性能比较( 以时间计) 4 1 表4 3 调制运算所需数据4 7 表4 4d d r 2 支持的存储器操作命令5 1 第v i 页 国防科学技术人学研究生院t 学硕十学位论文 图目录 图2 1抽样前后信号频谱8 图2 2带通信号的频谱9 图2 3带通信号采样的对应关系l o 图2 4 两倍插值的信号频谱。1 1 图2 5射频全宽开低通采样软件无线电结构1 2 图2 6 j 下交调制原理1 2 图2 7 软件无线电发射机模型1 3 图2 8 基频发射机模型1 4 图2 9 动态背景信号生成系统总体结构图1 5 图2 1 0 动态背景信号的应用场景一1 6 图3 1信号调制运算流程：2 2 图3 2 理想情况a m 调制( 左) 和f m 调制( 右) 的频谱2 5 图3 3理想情况d s b 调制( 左) s s b 调制( 右) 的频谱2 6 图3 4 理想情况a s 刚c w 调制( 左) 和p s k 调制( 右) 的频谱2 6 图3 5理想情况f s k 调制的频谱2 6 图3 6 定标方式下a m 调制的频谱一2 7 图3 7 定标方式下f m 调制的频谱2 7 图3 8 定标方式下d s b 调制的频谱2 8 图3 9 定标方式下s s b 调制的频谱2 8 图3 1 0 定标方式下a s 跳w 调制的频谱2 9 图3 ：1 1定标方式下p s k 调制的频谱2 9 图3 1 2 定标方式下f s k 调制的频谱3 0 图3 1 3 信号信道划分3 0 图3 1 4 限带基带模拟信号的滤波处理3 l 图3 1 5 多级内插滤波结构3 2 图3 1 6 各级滤波器通阻带示意图3 2 图3 1 7 限带白噪声“插值+ 滤波 仿真图3 3 图3 1 8 升余弦平方根滤波器时频特性3 4 图3 1 9 数字信号成型滤波过程3 4 图3 2 0 数字信号成型滤波前后频谱对比3 5 图3 2 1带通滤波器的相频特性曲线3 5 图3 2 2多路叠加a m 信号的滤波结果对比3 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院jj ：学硕十学1 ：f = 论文 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1l 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 图4 15 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 4 图5 5 多路叠加s s b 信号的滤波结果对比3 6 多路叠加a s k 信号的滤波结果对比3 6 多路叠加随机信号的滤波结果对比3 7 c c s 软件开发流程图3 9 c c s 软件界面3 9 d s p 调制运算流程图4 0 使用c c s 对a m 调制仿真4 2 使用c c s 对f m 调制仿真4 3 使用c c s 对d s b 调制仿真4 3 使用c c s 对s s b 调制仿真4 3 使用c c s 对a s k c w 调制仿真4 4 使用c c s 对p s k 调制仿真4 4 使用c c s 对f s k 调制仿真4 4 c 6 0 0 0 系列处理器的d m a 结构示意图4 6 p i n g p o n g 模式示意图4 7 d m a 数据读取方案4 8 每路信号拼接原理4 9 m i g 工具界面5 0 d d r 2s d r a m 控制界层次图51 m i g 控制器生成文件程序结构5 1 d d r 2s d r a m 控制器的结构结构图5 2 i n f r a s t r u c t u r e 和i d e l a y 模块接口图5 3 i n f r a s t r u c t u r e 同i d e l a y 模块的时序仿真图5 3 初始化时序图5 4 突发长度为4 的写操作时序图5 5 突发长度为4 的读操作时序图5 5 读写操作仿真时序图5 6 a fa l m o s tf u l l 置位的情况5 6 w d fa l m o s tf u l l 置位的情况5 6 d s p 数据处理模块硬件结构( e m i f a ) 6 0 d s p 数据处理模块硬件结构( e m i f b ) 6 0 d s p 电源模块电路6 1 d s p 复位电路6 2 d s pj t a g 接口电路6 2 第1 v 页 国防科学技术入学研究生院1 ：学硕十学位论文 图5 6d d r 2s d r a mm o d u l e 数据存储模块硬件结构6 3 图5 7d d ri is r a m 数据存储模块硬件结构6 4 图5 8f p g a 的管脚分配示意图6 5 图5 9 电路板结构6 6 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 似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 l | l 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 迭毖复壅壑丝竖埴史麴查萱量焦量生盛歪缠鲍遮进量婴壅 ：学位论文作者签名：兰恤日期：哆矿夕哞，r 月，岁日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 l ；疗科0 ：于之术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 i j 沦，泛被套阅和借阋：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， j 以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) ：亨：位论文作者签名： 型薹盛 日期：哆帅7 年，月，日 作者指导教师签名：垩三蓥!日期：口卯7 年，月旷日 国防科学技术人学研究生院：t ：学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 本章中主要对动态背景信号生成系统的研究背景进行了相关介绍，说明了课 题研究的必要性以及相关应用意义，同时对国内外战场复杂电磁环境的研究现状 和发展趋势进行了相关分析和展望，最后介绍了课题的研究内容和文章结构安排。 1 1 课题研究背景及应用意义 二十一世纪的战争将是以信息优势为基础，以战场高度透明化为显著特征， 以远距离、防区外、全球精确打击为主要作战模式的全新的信息化战争。电子战 是继陆战、空战、海战之后的第四维战场。 现代战场上，由于大量使用电子信息装备，不仅数量庞大、体制复杂、种类 多样，而且功率大，使得战场空间中的电磁信号非常密集，形成了极为复杂的电 磁环境。所谓复杂电磁环境，是指在一定的战场空间内，由空域、时域、频域、 能量上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的电磁 环境，其形成与发展及其对信息化战争的影响，当前十分引入注目。从它的定义 可以看出，复杂电磁环境是战场电磁环境复杂化在空域、时域、频域和能量上的 表现形式。这种复杂性主要表现在以下六个方面： 第一，构成上表现为类型众多。复杂电磁环境主要由电子对抗环境、雷达环 境、通信环境、光电环境、敌我识别电磁环境、导航电磁环境、民用电磁环境、 自然电磁环境等构成。每一类型的电磁环境又由不同类型的电磁辐射源生成，并 对不同的信息化武器装备产生影响，进而影响整体作战。如在电子对抗环境构成 上，利用电子干扰装备进行有针对性地电子干扰，影响和破坏敌方电子设备和系 统的正常工作，以达到有利于我方而不利于敌方完成作战任务的目的。 第二，空域上纵横交错。在信息化战场上，来自陆海空天不同作战平台上的 电磁辐射，交织作用于敌对双方展开激战的区域，形成了重叠交叉的电磁辐射态 势，无论该区域的哪一个角落，都无法摆脱多种电磁辐射。战场上的电磁辐射源 来自太空、空中、海上、地面、海中，来自我方和敌方，来自军用和民用，来自 不同平台和电子设备。由于大功率电子设备的大量使用，电磁辐射更为强烈，传 播距离更远，在战场空间的一点上，电磁信号密集程度更高，更复杂。据统计， 冷战时期，东西德边境地区上空，一架飞机同时受到几十部雷达和数百部通信电 台的照射。 第三，时域上持续不断。战场上大量的电磁信号是在人为控制下产生的，或 者说是交战双方有目的地控制电子设备实施有意辐射所产生的。因此，在不同的 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 作战时| 日j ，交战双方因作战目的不同，所产生的电磁信号数量、种类、密集程度 将随时刨而变化，其变化的方式难以预测。利用电磁实施的侦察与反侦察、干扰 与反干扰、摧毁与反摧毁持续进行，使得作战双方的电磁辐射活动从未间歇，时 而密集，时而相对静默，导致战场电磁环境始终处于剧烈的动态变化中。 第四，频域上密集重叠。频谱是电磁信号在频域的表现形态。从原理上讲， 电磁频谱的范围固然可以延伸到无穷大，但由于电磁波传播特性的限制，交战中 敌对双方都只能使用有限的频谱片断，这就使密集的电磁波拥挤在狭窄的频谱之 中，大大增加了电磁对抗的复杂性。在实际应用过程中，能够使用的电磁频谱只 有有限范围，在某局部频率区间，电磁信号呈现密集重叠的现象。如雷达频段 通常在3 m h z 3 0 0 g h z , 但实际装备只在有限的不连续的频率区间内工作，并非覆 盖整个雷达频段。 第五，能量上表现为密度不均。能量密度是电磁辐射强度的一种表现形态。 因电磁波传播因素的影响，战场空间的电磁信号能量在有些地方能量集中，有些 地方能量分散。电磁能量密度的高低直接决定着对电子设备的影响程度。在作战 的全过程，敌对双方都会根据作战目的和毁伤要求，频繁调控变换着辐射能量的 强弱及形式，如此一来，不仅可以更多、更远、更快地探测和传递电磁信息，还 可以形成于扰压制与欺骗，甚至达成毁伤效果。 第六，效能上随机多变。战场上，交战双方从反侦察、反干扰、抗摧毁角度 出发，越来越多地使用各种新体制雷达、通信、光电等设备，并且在新体制电子 设备上越来越多地采用更为复杂的信号样式。据不完全统计，目前世界上的通信 。信号种类多达1 0 0 种以上。雷达多采用新体制和特殊体制，如相控阵雷达、脉冲 多普勒雷达、频率捷变雷达、合成孔径雷达、低截获概率雷达等，使得雷达信号 种类繁多且波形复杂。 针对复杂的战场电磁环境，提高部队适应复杂电磁环境的能力主要分为以下 三个方面：首先，构建功能一体化、运用体系化、平台多样化的装备体系，是适 应战场电磁环境的基本要求。其次，就应根据武器装备电磁辐射的特征与地形条 件，合理配置电磁资源，使其工作方向、使用时机、频谱分配及辐射源组网等， 依次有序地展开，提高己方电子防御能力。最后就是开展复杂电磁环境下的军事 训练，以高仿真技术，模拟逼真的战场电磁环境，形成模拟化专业训练中心，检 验装备性能，满足专业兵种的基础训练与合同战术训练需求，提高战术训练的适 应能力。电子战训练场是信息化条件下军事训练的一个重要平台，为部队提供真 实的训练环境，进行逼真的对抗训练，信息化的训练手段使战斗力的生成模式发 生巨变，仅电子战训练场就可为飞行员提供相当于2 0 次以上的实战经验。 加快推进电子战训练场的建设，提高我军的电子战作战能力，首先要构建复 第2 页 国防科学技术大学研究生院j ：学硕士学位论文 杂电磁环境，而构建复杂电磁环境，就是要力求构建接近实战的战场电磁环境， 纵观外军训练中复杂电磁环境的构建方法，除了利用真实的武器装备外，还要大 量依靠各类信号模拟器、计算机模拟技术、分布式交互仿真技术、以及能够模拟 假想敌的部队等。总结各国构建战场复杂电磁环境的方法，主要分为利用真实的 电子装备产生复杂的电磁威胁环境和利用利用大量模拟器产生复杂的电磁威胁环 境两种方法。 前者主要考虑到电子信息装备尤其是电子对抗装备的作战针对性是比较具体 的，真实的武器装备始终是构建逼真战场环境的首选，电子装备也是如此。但由 于电子装备直接关系到战场上的制信息权，一般很难获取敌方的电子装备实体， 通常是通过在战争中缴获或者从第三国购买。1 9 8 9 年，德国统一使得北约波利冈 电子战靶场获得了大量苏制s a 6 、s a 8 地对空导弹系统、z s u - - 2 3 4 四联火炮、 s p n 3 0 和s p n 4 0 地形匹配雷达干扰机等系统，使之一举成为北约靶场中承担针对 苏式防空训练任务的主要基地。在1 9 9 9 年参加科索沃战争前，美国空军、意大利 和法国等国家的电子干扰飞机都进行过相应训练，目的就是提高复杂电磁环境下 的作战和生存能力。 除了利用真实的电子装备产生逼真的战场电磁环境之外，更为广泛采用的是 利用大量的模拟器产生复杂的电磁环境的方法，北约靶场就装备了大量的模拟器。 如：安装在敞篷车上的战术雷达威胁模拟器可以模拟苏制s a 8 地空导弹系统和 z s u - 2 3 4 四联火炮的“炮盘”雷达，能够为参训飞机提供充满机动威胁和具有规 避机动能力威胁的环境，使得训练逼近实战。美国中部的大西洋电子战靶场配备 的威胁信号模拟器可模拟s a 一2 ，s a 3 ，s a 5 ，s a 6 ，s a 8 ，s a 1 1 地空导弹系统、z s u 2 3 4 、通信干扰机和们波段干扰机等信号。该靶场目前有3 0 多个站点，每个站点 部署- n 多部模拟器，有的模拟器是机动的，需要时，可随便部署在场区的任何 位置。 通过上面的分析可以看出，在现代信息化战争的条件下，如何提高我军在信 息化战争条件下的作战能力，尤其是在高科技电子战中作战能力己经成为我军现 代化建设的重要方面。 为了模拟现代电子战中复杂的战场电磁环境，测试武器装备的抗电磁干扰性 能，提高我军在信息化战争条件下的作战能力，需要采用背景信号模拟器来模拟 真实的战场电磁环境。针对前面提到的复杂电磁环境的种种特点，为了提高模拟 的真实度，最好采用实时计算的方法，产生非周期的信号来模拟战场的通信环境， 即动态背景信号的灵活性和通用性需要采用“软件无线电 的方式来实现，但随 之而来制约因素就是信号的实时计算造成的庞大运算量。 随着d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 器件的运算性能不断提升，使用多个d s p 第3 页 国防科学技术人学研究生院i ：学硕十学位论文 搭建共享总线型的并行处理系统来生成动态背景信号已经成为了现实，通过构架 d s p 并行处理系统并采用“软件无线电的方式来生成动态背景信号，不仅可以 实现背景信号场景的快速切换，还可以针对每幅背景信号在总的信号数目、各种 调制方式、信号载频在频域上的分布、信号在幅度上的分布可调可控，充分模拟 出真实战场通信环境的高电磁密度，宽频段覆盖等特性。 动态背景信号模拟器通过在内、外场试验中提供高频段、多样式、高密度的 电磁信号环境，在定程度上模拟出战场的实时通信环境，为装备的定型以及部 队的作战提供真实可信的技术依据。 1 2国内外的研究现状及发展趋势 目前，世界各国都十分重视电子战训练场建设，美、英、法、俄等大国加大 对电子战训练场的投入，不断改进训练手段。如前面提到的北约靶场的战术雷达 威胁模拟器可以模拟苏制s a 8 地空导弹系统和z s u 2 3 4 四联火炮的“炮盘”雷 达，美国中部的大西洋电子战靶场配备的信号模拟器可模拟 s a 2 ，s a 3 ，s a 5 ，s a 6 ，s a 8 ，s a 11 地空导弹系统、z s u 2 3 4 、通信干扰机和们 波段干扰机等信号。一些发展中国家也在努力增强本国的电子战实力，在加速研 制、改进和完善电子战装备和手段的同时，加紧建立电子战训练场，对部队进行 严格的电子战训练。 国内对背景信号的模拟器的研究尚处于发展阶段，国防科技大学军事通信工 程系于2 0 0 2 年研制成功的战场复杂电磁环境模拟器，能够在h f v h f r j h f 等频段 内模拟出高密度的各种调制方式的背景信号( 包含跳频信号和扩频信号) ，国内 也有公司研制成功了相应的战场电子战装备信号模拟单机电台，采用软件无线电 技术模拟v h f u h f l 频段、内雷达和通信信号，能够模拟产生常规脉冲、脉冲压 缩、脉冲多普勒、频率捷变以及重频参差等雷达信号，还能产生 c w f m a s k f s k b p s k 等各种模拟或数字通信信号，也能模拟如 l i n k 4 a l i n k ll 等复杂的数据链信号。不过这些都是对单个或少数路通信信号的 模拟，对于真实战场通信环境中的高频段、多样式、高密度的电磁信号环境的仿 真研究还有待进一步增强。 随着技术的更新换代和器件性能的快速提升，背景信号生成系统不仅可以实 现背景信号场景的快速切换，而且还能够在此基础之上针对每幅背景信号的信号 数目、各种调制方式、信号载频在频域上的分布、信号在幅度上的分布实现灵活 的操控，充分模拟出真实战场通信环境的高电磁密度，宽频段覆盖等特性，并最 终实现实时运算。 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 1 3 课题主要的研究内容 本文以实验室研制成功的上一代战场电磁环境模拟器为技术依托，针对动态 背景信号生成系统的实现方案，从理论上对软件无线电思想及其相关理论进行了 分析介绍，阐述了动态背景信号生成系统所采用的软件无线电数学模型和发射机 的结构原理，并从系统的组成、工作流程和功能等方面对动态背景信号生成系统 进行了简明扼要的介绍，文章重点的研究了定点d s pt m s 3 2 0 c 6 4 1 6 t 的相关应用， 其中包括：1 ) 定点调制运算各步骤的定标的设计及其m a t l a b 仿真分析；2 ) 调 制信号滤波的方案设计及仿真分析；3 ) 基于c s s 3 1 的各种调制运算的定点算法 程序的编写及性能分析；4 ) 采用e d m a 技术的数据搬移方案设计。除此之外， 在基于x i l i n x 公司m i g 工具的d d r 2s d r a m 内存条控制器设计方面，对d d r 2 s d r a m 内存条控制器的各部分功能进行了分析，对各模块时序进行了相关仿真验 证。在硬件设计部分，设计了动态背景信号生成系统的各模块硬件电路图，包括 动态背景信号生成系统中d s p 数据处理模块、f p g a 同d d r 2s d r a m 内存条接 口以及f p g a 同d d ri is r a m 接口的硬件电路，同时对各部分硬件设计过程中 需要注意的地方进行了总结和归纳。 第5 页 国防科学技术大学研究生院i ：学硕七学位论文 第二章课题的理论基础及动态背景信号生成系统概述 本章首先介绍了软件无线电思想及其与本课题相关的理论，说明了动态背景 信号生成系统所采用的软件无线电数学模型和发射机的结构原理，并从系统的组 成、工作流程和功能等方面对动态背景信号生成系统进行了简明扼要的介绍，最 后分析了系统设计过程中存在的技术难点和解决对策。 2 1软件无线电思想及其相关理论 2 1 1 软件无线电设计思想 随着通信技术不断地从模拟向数字化转变，现代无线系统越来越多的功能靠 软件实现，因此产生了新一代的无线通信技术软件无线电1 1 - 3 ( s o f t w a r ed e f i n e d r a d i o ) ，顾名思义是用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。 软件无线电技术的重要价值在于：传统的硬件无线电通信设备只是作为无线 通信的基本平台，而许多的通信功能则是由软件来实现，打破了有史以来设备的 通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。软件无线电技术的出现是通信领域 继固定通信到移动通信，摸拟通信到数字通信之后第三次革命。 完整的软件无线电概念和结构体系是由美国m i l t r 公司的j e om i t o l a 于1 9 9 2 年5 月首次明确提出的。其基本思想是：将宽带a d 变换尽可能地靠近射频天线， 即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各 种功能。软件无线电将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密 模式、通信协议等用软件完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以 研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统，从面向基于硬件、面向 用途的通信系统设计方法中解放出来。人们研究软件无线电技术的主要原因如下： ( 1 ) 为了满足日趋复杂的无线电通信要求，通信设备必须符合各种无线通信 手段相互协同的要求； ( 2 ) 数字处理理论与技术的高度发展，以及a d 转换器和数字信号处理器 ( d s p ) 等器件的逐步成熟，为发展软件无线电奠定了技术基础。 为达到上述目标，关键在于利用数字信号处理过程代替以往常用的模拟信号 处理过程，使用多波段天线、宽带射频器件、宽带模数转换器( a d c ) 及数模转 换器( d a c ) ，利用通用可编程器件( 如d s p 、f p g a 、c p l d 等) 实现中频、基 带及比特流处理。通过动态配置射频、中频、a d c d a c 、d s p 硬件，将软件对象 映射到硬件组件上，使得软件无线电系统可以实时改变自己的特性。d s p 技术是 软件无线电的基础。目前尽管低功耗d s p 、超强功能d s p 发展迅速，但d s p 在速 第6 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 度、功耗上的现状仍然是制约软件无线电发展的关键。d s p 的另一研究内容就是 软件，软件是软件无线电技术的核心。在目前d s p 不能满足软件无线电设计要求 的情况下，开发d s p 的数字信号处理软件应是软件无线电技术的主攻方向。这其 中包括各种f f t 算法，调制解调、信源编码、信号编码等各种通信软件，也包括 方式控制、信号控制和数据交换软件。软件无线电的硬件可重新配置包含以下内 涵： 1 ) 通过重载配置代码，可实时在线重新配置现场可编程门阵列( f p g a ) 器件； 2 ) 通过重载微处理器( m p u ) 程序包，可实时在线升级或改变m p u 的功能； 3 ) 利用f p g a 实现a d c 、d a c 、时钟器件的功能选择，实时在线配置这些器 件。 软件无线电系统的硬件采用模块化结构，建立公共的硬件平台，支持并行、 流水线及异构处理环境。软件由采用基于o s i 参考模型的分层软件体系，支持开 放式的模块化设计。灵活应用软件无线电的基本硬软件模块，可使软件无线电设 备对传播条件具有多种自适应能力( 包括频率、功率、速率等) 、多种抗干扰能 力( 包括扩频及跳频、自适应天线调零、自适应干扰抵消等) 、灵活可变的多址 方式( 包括f d m a 、t d m a 、c d m a 其混合等) 、用户需要的多种业务( 包括话 音、传真、数据及图象等) 及多种组网与接口能力等。 由此可见，软件无线电是无线通信系统从模拟到数字再向前发展的新阶段技 术。要真f 实现模块化以及前面提出的总体设计目标，必须采用软件无线电技术。 美军的j t r s ( 联合战术无线电系统) 计划就是采用了软件无线电的设计思想，定 义了软件通信体系结构规范。 2 1 2 软件无线电基础理论 ( 1 ) n y q u i s t 采样定理【1 】【2 】 n y q u i s t 采样定理，设有一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( o ，厶) 内，如 果以不小于兀= 2 f 的采样速率对x ( f ) 进行等间隔采样，得到的时间离散的采样信 号x ( n ) = z 0 z ) ，则原信号x ( ，) 将被所得到的采样值x ( n ) 完全的确定。 由n y q u i s t 采样定理可以看出，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的确定原信号，下面从数 学的角度来推导用离散采样值z 0 ) 来表示带限信号x ( f ) 的数学表达式。 首先引入单位冲击函数万( f ) 来构成周期冲击函数p ( t ) 二2 p ( f ) = 8 ( t 一，l z ) ( 2 1 ) 第7 页 国防科导：技术人学研究生院1 ：字硕十学位论文 把p ( f ) 用傅立叶级数展丌可得 + 一i - - - p ( f ) = c n e l ，式中 e = i 1 上1 ：2 t n r 以= 毒如心等疵= 专 ( 2 2 ) 代入式可得 p ( f ) ：吾艺p - 7 争 ( 2 3 ) 所以对于x ( f ) 用采样频率进行抽样后得到的抽样信号可表示为 ( f ) ：p ( 小x ( ，) = 【 艺口7 管“】x ( t ) = 艺p 7 等x ( t ) 】( 2 4 ) ( f ) = p ( f ) x ( ，) = 【口。】x ( t ) = x ( t ) ( 2 4 ) 由此可以推导出_ ( r ) 的傅立叶变换丘( 缈) 能够表示为 以c 缈，= 专薹x c 国一等垆丢差x c 一船织， c 2 固 由此可以看出，抽样信号之频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加。图给出 了原信号x ( t ) 的频谱同抽样之后频谱的对比( 其中c o i l = 2 万厶) j、x ( 缈) r1， 。以( c o ) m 庞笏mm 。 图2 1 抽样前后信号频谱 由图2 1 可以看出，k ( 国) 中包含有x ( 缈) 的频率成分，如图中阴影部分所示， 而且只要满足 c o s 2 c o 或六2 l ( 2 6 ) 则阴影部分就不会与其它频率成分发生混叠，这是只需要用一个带宽不小于 的滤波器，就能滤出原来的信号) c ( f ) 。 ( 2 ) 带通信号采样定理【1 】【2 】 n y q u i s t 采样定理只讨论了其频谱分布在( o ，厶) 上的基带信号采样问题，如果 信号的频率分布在某一有限的频带( 无，厶) 上时，理论上仍然可以按照石2 厶的 采样速率来进行采样。但是当信号的最高频率名远大于其带宽的时候，如果仍然 按照n y q u i s t 采样率来采样的话，则其采样率就会很高，以致很难实现，或者后处 理的速度也满足不了要求。由于带通信号的带宽也不一定很宽，这是就需要带通 采样定理来进行采样。 第8 页 国防科学技术大学研究生院1 i 学硕士学位论文 带通采样定理，设一个频率带限信号x ( f ) ，其频带范围在( 五，厶) 内，如果其 采样速率五满足： 疋：掣 ( 2 7 ) ”( 2 n + 1 1 式中，n 取能够满足2 ( 厶+ 无) 的最大正整数( o ，1 ，2 ) ，则用石进行等间 隔采样所得到的信号采样值x ( ，z 瓦) 能准确的确定原信号x ( f ) 。 上式中，带通信号的中心频率五和频带宽度b 也可以表示为 兵= 丢鲁，其中五= 五专五，n 取能够满足五2 b ( b 为频带宽度) 的最 大f 整数。 由上式可以看出，当信号频率宽度b 一定时，为了能用最低采样频率即两倍 的带宽速率( 五= 2 b ) 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足： 石。( 2 n ，、+ 1 ) b ( 2 8 ) jx ( f ) 7 5m 。 图2 2 带通信号的频谱 也即信号的最高( 或最低) 频率是带宽的整数倍，如图2 2 所示，也就是说位 于图中的任何一个频率为磊。0 = 0 ，1 ，2 ，3 ，) 带宽为b 的带通信号均可以用同样的 采样频率疋= 2 b 对信号进行采样，这些采样均能准确的表示位于不同频段( 中心 频率不同) 的原信号x o ( t ) ，而( f ) ，而( f ) ，。 需要注意的是，上述的带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中一个 频带上存在信号，而不允许在不同频带上同时存在信号，否则将会引起信号混叠。 例如当在( 1 b ，2 b ) 频带上存在信号时，那么其他任何频带上就不能同时存在信号， 为了满足这样一个前提条件，可以采用跟踪滤波器的方法来解决，即首先在采样 之前进行滤波，滤出对中心频率所感兴趣的信号，然后再进行采样，以防止信号 混叠。值得提出的是，上述的频带宽度b 不仅仅只限于某一信号的带宽，单从对 模拟信号采样数字化来讲，这里的b 应该理解为处理带宽，也就是在这一处理带 宽内可以同时存在多个信号，而不是只限于一个信号。 带通信号的采样结果是把位于( n b ，( 挖+ 1 ) b ) 0 = 0 ，l ，2 ) 不同频带上的信号 都用位于( o ，b ) 上相同的基带信号频谱来表示，但要注意的是这种表示在1 1 为奇数 第9 页 国防科学技术大学研究生院：r 学硕十学位论文 时，其频率对应关系是相对中心频率“反折”的，即奇数通带上的高频分量对应 基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量( 如图2 3 所 示) ，这种奇偶频带有别的对应关系在带通信号采样定理实际应用时是需要特别 注意的。 x ( f 图2 3 带通信号采样的对应关系 ( 3 ) 多速率信号处理【1 】 前面提到的带通采样定理是软件无线电的基础理论，从软件无线电的要求来 看，带通采样的带宽应该越宽越好，这样对不同的信号有着更好的适应性，但是 随着采样速率的提高，带来的另外一个问题就是采样后的数据流速率很高，器件 的实时性难以达到，这样就需要改变信号流的速率来优化处理过程，其方法就是 采用在a d c 之后抽取来降低速度进行数据处理，然后再通过对处理完成的数据进 行插值来提高数据流速度并送出置d a c ，多速率信号处理就为这种方法提供了理 论依据。 由于本课题需要采用数字方式生成信号，因此只对多速率信号处理中整数倍 内插的理论进行分析，整数倍内插就是指在两个原始值抽样点之间插入( i 1 ) 个 零值，若设原始抽样序列为x ( n ) ，则内插后的序列x i ( m ) 为： “咖 z ( 弘舻o ，+ 心) ( 2 9 ) 【 o ，e l s e 由于x l ( m ) 除了m 为i 的整数倍处为x ( 导) 外，其余都是零，所以有： ( z ) = x ，( 珑) z 一= x ( m ) z ”7 = x ( z 7 ) ( 2 。l o ) 把z = p 弘代入上式可得信号内插后的频谱为： x l ( p 问) = x ( e 。) ( 2 1 1 ) 由式可以看出，内插后的信号频谱为原始序列谱经过i 倍内插得到的频谱。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院t ：学硕十学位论文 呀( p 归) 广弋孱么广弋顺谱。 j( ) m 弋庞易广广r 一一 ； j z ( 扩) m庞笏m 触黻翩一 图2 4 两倍插值的信号频谱 图2 4 给出了插值前后的频谱结构，由图2 4 可以看出，在x ，0 弦) 中不仅含 有x ( e j 国) 的基带分量，而且还含有其频率大于z t l i 的高频成分，为了能够从 x i ( e 。珊) 中恢复原始谱，则必须对内插后的信号进行低通滤波( 滤波器的带宽为 石) ，则滤波后的频谱结构如图所示。也就是说原来插入的零值点变为x ( n ) 的准确内插值，经过内插大大提高了时域分辨率。 值得指出的是，利用内插不仅可以提高时域分辨率，而且也可以用来提高输 入信号