（通信与信息系统专业论文）软件无线电在机载遥测中的应用.pdf

西北工业大学硕士学伉论文 摘要 摘要 软件无线电是指在简单通用的硬件平台上，通过可升级、可重配置的应用软件实现各 种无线电功能。软件无线电使得无线通信系统具有很好的通用性和灵活性，使系统的互 联和升级非常方面。正由于软件无线电在无线通信方面有如此具大的优点，使设备在标 准化方面迈出重大的一步，本论文把软件无线电的思想引入飞行测试的遥测方面，并对 其中的一些环节做一些改进。 本论文对软件无线电在飞行测试中遥测方面的应用进行了深入研究。首先对软件无 线电的组成结构和飞行测试中实际使用的信道进行了阐述，在此基础上提出了基于宽带 中频带通采样软件无线电结构在飞行遥测测试中的应用，在不改变原系统设备的情况 下，在遵守遥测标准的前提下，提出增加机载发射机和接收机信道容量的设计方案。其 次模块的硬件设计，主要包括：a d 转换器、数字下变频( d d c ) 以及d s p ，详尽地 介绍了a d 转换器件a d 6 6 4 4 、数字下变频h s p 5 0 2 1 6 、d s p 芯片的设计方法，模块的 软件设计主要是数字下变频参数的设计和后续基带信号的处理，并对该系统实现系统仿 真。本论文的研究表明软件无线电在机载测试方面的应用是可行的，本文所做的工作对 软件无线电的思想在飞行测试方面的应用有一定的参考价值。 关键字： 软件无线电宽带中频带通采样软件无线电结构数字信号处理 机载测试p c m 数据流a d 转换器数字下变频器( d d c ) 西北上业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s d r ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) d e f i n e st h a to nt h e s i m p l ea n dg e n e r a lh a r d w a r e p l a t f o r m ，v a r i o u sr a d i oa p p l i c a t i o n sc a nb ei m p l e m e n t e dw i t ht h eh e l po ft h es o f t w a r e w h i c hc a nb eu p d a t e da n d r e c o n f i g u r e d s d rn o to n l yc a nm a k et h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v eag o o df l e x i b i l i t ya n dg e n e r a l i t y , b u ta l s oc a nm a k ei t s i n t e r l i n k a g ea n du p d a t eo f t h es y s t e mm e r yc o n v e n i e n t t h e g r e a ta d v a n t a g e so fs d r o v e rr a d i om a k et h e a p p a r a t u so fc o m m u n i c a t i o nh a v eag r e a tp r o g r a mi n i t s s t a n d a r d i z a t i o n 1 nt h i sp a p e r , t h ei d e ao fs d rw a si n t r o d u c e dt ot h em e a s u r eo ft h e f l i g h t t e s t a n ds o m eo fi m p r o v e m e n t st ot h em e a s u r eo ft h ef l i g h tt e s tw e r ea l s o i n t r o d u c e d t h et h e s i sf o c u s e sj nd e p t ho nt h e a p p l i c a t i o no fs d r i nt h ef l i g h tt e s t f i r s t f h e s t r u c t u r eo fs d ra n dl h ec h a n n e io ff l i g h tt e s li nt h er e m o t es e n s i n ga r e e x p o u n d e d o nt h eb a s i so ft h i st h e o r y t h ea p p l i c a t i o n so f t h es d rs t r u c t u r eo fw i d e b a n da n d b a n d p a s ss a m p l i n g i n i f ( i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ) i n f l i g h t t e s t w e r eo f f e r e d ：i n c r e a s e t h es a m p l i n gi ni f ( i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ) i nf l i g h tr e s tw e r eo f f e r e d ：i n c r e a s et h e c a p a c i t yo ft h et r a n s m i t t e ra n dt h et e r m i n a jr e c e i v e rc h a n n e l sw i t h o u tc h a n g i n gt h e a p p a r a t u so fo r i g i n a ls y s t e ma n do nt h ec o n d i t i o n so fo b e y i n gt h es t a n d a r dr e m o t e s e n s i n g s e c o n d t h ed e s i g no fh a r d w a r em o d u l ei n c l u d i n g dc o n v e r t e r ，d d c ( d i g t i a ld o w n c o n v e r t e r ) a n dd s pw a si i l u s t r a t e d i n t h i s p a r t t h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o no fa d 6 6 4 4 ，h s p 5 0 2 1 6a n dd s p c h i p sa r ef u i l yd i s c u s s e d t h ed e s i g n o fs o f t w a r em o d u l em a i n l yr e f e r st ot h ep a r a m e t e rd e s i g nf o rd d c 自i t e ra n dt h e b a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n go fd s pw h i c hi sr e a l i z e db ys o m es i m u l a t i o n t h e r e s u l t so ft h er e s e a r c hr e v e a lt h a tt h ea p p l i c a t i o no fs d ri nf i g h tt e s ta r er e a s o n a b l e t h ep a p e ri so fv a l u ei n p r o v i d i n gar e f e r e n c et od e v e l o pt h ea p p l i c a t i o no fs d r i n f l i g h t1 _ e s to fr e m o t es e n s i n g k e y w o r d s s d r ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o )n dc o n v e r t e r d d c ( d i g t i a lo o w n c o n v e r t e r ) t h es d rs t r u c t u r eo fw i d e b a n da n db a n d p a s s s a m p l i n gi ni f ( i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y ) d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) d a t as t r e a m 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 软件无线电概念产生的背景 无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，被广泛用于商业、气象、军事、民 用等领域。当代无线通信系统很多，f f e j 血n ，卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻 呼系统、短波通信系统、微波通信系统，等等。各种无线通信系统的调制方式也很多， 有a m 、f m 、l s b 、u s b 、f s k 、p s k 、m s k 、g m s k 、q a m ，等等。其多址方式有：时分多址( t d m a ) 、 频分多址( f d m a ) 、码分多址( c d m a ) 等。各种通信系统由于自身的特点而应用于不同 的场合。由于各个电台之间工作的频段不同，调制方式不同，波形结构不同，通信协议 不同，数字信息的编码方式、加密方式不同，等等。电台之间的这些差异极大地限制了 不同电台之间的相互连通。 经过几十年的发展，无线通信有了长足的发展。通信系统由模拟体制不断向数字化 体制过渡，出现了许多中频数字化接受机。例如，德国r s 公司研制的宽带数字化接受 机e b d 9 0 0 ，英国研制的p s v 3 8 0 0 接受机等，这些接受收机尽管能够覆盖多个频段，但 它们只能工作于单一的频段和模式，功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力也较差， 不同电台之间仍不能完全互通，无法满足现代军事通信和民用通信的需要。在第二代数 字移动通信中，仍有许多种不同的通信体制，如g s m 、a m p s 、e t a c s 、p d c 、d a m p s 、c t 2 等，这些体制互不兼容，无论给用户还是给经营者都带来了极大的不便。为了解决互通 性问题，努力使不同设备既满足互通的要求，又能满足抗干扰、保密性好的要求：既 能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐，又能延长设备的使用寿命。其中一种设想是 研制多频段、多功能电台，用一个系列的电台来代替其他所有电台。这种想法固然可以 解决互通问题，然而开支庞大，而且其使用寿命也成问题，因为通信技术的发展是相当 迅速的，过不了多久这些电台就会落伍。 1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次提出了软件无线电( s o f t w a r er a d i o o rs o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) 的概念。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、 模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、通信协 议、加密方式等用软件来完成，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、开放性新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用软件控制和再定 义的电台。选用不同的软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新，其硬 件也可以像计算机一样不断的升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的。 西4 l z j l k 大学硕十学位论文第章绪沦 如果要实现新的业务或调制方式只要增加个新的软件模块即可。同时，由于它能形成 各种调制波形和通信协议，故还可以与旧体制各种电台通信，大大延长了电台的使用周 期，也节约了开支。 软件无线电的提出也有其硬件的基础，硬件工艺水平提高很快，a d a 、d s p 、c p u 等器件集成度越来越高，性能越来越好。现有可编程d s p 芯片的运算速度甚至可以达到 1 2 0 0 2 4 0 0 m i p s ( t m s 3 2 0 c 6 2 x x 或t m s 3 2 0 c 6 7 x x ) 运算能力，对于基带信号的处理已经是 绰绰有余。而且，具有高动态范围、高采样率的a d 变换器也已经运用在许多系统中。 更主要的是这些器件的性能还是在不断地在提高，也越来越接近理想软件无线电的要 求。但这种发展趋势还要进行很长一段时间，在不断满足性能要求的同时，价格也会进 一步下降。 1 2 软件无线电的特点 和传统的接收机相比，软件无线电接收机的优点主要体在以下几个方面： 1 、具有很强的灵活性软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。 可以与其它任何电台通信，并可以作为其它电台的射频中继。通过无线加载来改变软件 模块或更新软件。为了减少开支，可以根据所需要功能的强弱，取舍所选用的软件模块。 2 、具有较强的开放性软件无线电由于采用标准化、模块化的结构，其硬件可以 随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断地升级。软件无线电不 仅能和新体制电台通信，还能与旧体制电台兼容。这样。既延长了旧体制电台的使用寿 命，也保证了软件无线电本身有很强的生命周期。 正因为软件无线电在应用领域的杰出表现，世界各国都在进行深入的研究，美国尤 为突出。 1 3 研究的内容 用软件无线电的思想来解决机载测试中的遥测发射和接收设备信道容量有限、传输 信号方式单一、信号处理方式陈旧等问题，由于机载测试的特殊性，在实际的飞行测试工 作中，机载测试设备和接收设备不但要满足互通性好、抗干扰能力强、调制方式简单、 可以通过软件来加载，测试处理结果可以实时得到，这些要求也正式软件无线电所要达 到的结果。由于数字信号处理技术的飞速发展，过去那种模拟信号处理方式在许多技术 指标上落后数字信号处理技术，因此，在飞行试验中改变一些旧的信号传输处理模式也 是技术发展的要求。 2 西北工、i k 大学硕士学位论文第二章软件无线电的结构和原理 第二章软件无线电的结构和原理 第一章介绍了软件无线电基本概念及基本功能。简单说：软件无线电就是以开放性、 通用性、可扩展的、以最通用硬件为平台，通过加载各种应用软件来适应不同的用户、 不同应用的环境的不同要求，实现各种无线电功能。软件无线电是一种以现代通信理论 为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。本章 将介绍软件无线电的结构和相关的基础理论，主要包括信号采样理论、多速率信号处理 理论、高效数字滤波器等。 2 1 软件无线电的技术关键和难点 随着数字信号处理技术( d s p ) 在通信系统中越来越广泛的应用，接收、发射设备 向全数字、软件化方向发展已是一种大势所趋。软件无线电大致框图如图卜1 所示。 宽 a d 下变 信 带 射或 频器 号 多 频l 卜 d a门王、 或 l h 、处 频 l 卜 厂叫 理 厂v 前 厂 转 厂 段 端换 上变 天 器 频器 器 ( d s p ) 线 图卜1 软件无线电典型硬件平台 软件无线电包括五个关键组成部分：宽带多频段天线、宽带低噪声前置放大器、 高速宽带a d 与d a 变换器、可编程数字下变频( p d c ，p r o g r a m m a b l ed i g i t a l d o w n c o n v e r t e r ) 与可编程数字上变频( p u c ，p r o g r a m m a b l ed i g i t a lu p c o n v e r t e r ) 、 通用信号处理处理器( d s p ) 。 如前所述，软件无线电会带来很多好处，同时也提出了许多问题需要解决。图1 1 所示软件无线电通信硬件平台对硬件的技术指标的要求比现有的硬件系统所能提供的 指标提高了很多，因此，对理想化的软件无线电平台来说实现起来还存在着一些器件上 的困难。下面分别讨论这些关键的技术和实现的难点。 1 宽带多频段天线与宽带低噪声前置放大器和功率放大器 西北工业大学硕士学位论文第二章软件无线电的结构和原理 软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段，例如1 m h z 2 g h z ，要求每个频段的特 性均匀，以满足各种业务的要求，实现起来也是比较困难的。为便于实现，可以在全频 段甚至每个频段使用几付天线，并采用智能化天线技术来满足软件无线电对信号的要 求。 2 a d 变换器 对a d 要求的主要包括采样率和位数。采样率主要由信号的带宽决定。两倍信号带 宽的采样速率只有理论意义，一般要求至少大于两倍的信号带宽。采样速率高会带来一 系列的好处，当然也不能太高。必须考虑到采样后系统的处理能力，以及现有a d 的速 度及系统的要求，来选择合适的采样速率。a d 的位数必须满足一定的动态范围要求和 数字部分处理精度的要求。 3 上下变频器 模拟信号进行数字化后的信号处理的任务全由d s p 软件承担。为了减轻通用d s p 的 处理压力，通常把a d 转换器转换而来的数字信号，经过专用数字信号处理器件( 如： 可编程数字下变频器p d c ) 进行处理，降低数据流的速率。并把载波信号变成基带信号后， 再把数据送给通用d s p 进行处理。可编程数字下变频器包括数控振荡器、数据内插、抽 样、滤波等，是信号处理系统中数据运算量最大的部分，也是最难完成的部分。一般认 为要对一个采样点进行较好的数据处理，需要对这个采样点进行1 0 0 次操作。对一个系 统带宽1 0 0 1 v n z 的系统，采样率要大于2 5 m h z ，这样就需要2 5 0 0 m i p s 的运算能力，这是 任何单个的d s p 器件很难胜任的，因此必须用多个d s p 并行或专用的芯片来更快速地完 成这一处理。 4 通用d s p 处理处理器 通用d g p 处理处理器主要完成各种数据速率相对较低的基带信号处理，例如信号的 调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等，还要完成经信源码后的前 向纠错( f e c ) 、比特填充和链路加密等算法。 5 高性能的互连接结构 软件无线电的硬件具有开放性，其硬件必将采用总线式的结构，工业控制总线的标 准很多，例如：i s a 、p c i 、e i s a 、v e s a 、v i l e 等。i s h 总线和v 她总线在目前的数字信 号处理和工业控制中用的较多，而v e m 总线和比i s a 总线更有优势。i s a 总线的数据为 1 6 位，地址总线为2 4 位，地址空间为1 6 m b ，其总线带宽仅有几兆赫。v m e 总线的数据 4 西北工业大学硕士学位论文第二章软件无线电的结构和原理 宽度为3 2 位，地址总线为3 2 位，地址空间为4 g b ，其总线带宽仅有几十兆赫。v m e 总 线是针对多处理器系统设计，而i s a 总线是单处理器系统，故在采用多处理器时系统的 调度能力较低，而在软件无线电中为了提高信号的处理能力往往采用多处理器系统。因 此，v m e 总线已经，。泛应用在工业控制中，具有众多的支持者和强大的生命力，因此也 是软件无线电采用的首选的总线结构。 同样，软件无线电的软件也具有开放性，可以不断的更新或升级，而软件的加载或 更新应该可以通过有线或无线的接口来实现。 2 2 软件无线电理论基础 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直接进行数字化，将 其变换为适合于数字信号处理器( d s p ) 或计算机处理的数据流，然后通过算法来完成 各种功能，使其具有更好的扩展性和应用环境的适应性。所以软件无线电首先面临的问 题就是如何对工作频带( 例如0 i e l z 2 0 h z ) 内的信号进行数字化问题，也就是如何对 感兴趣的模拟信号进行采样? 采样速率应该取多大? 软件无线电中的采样有些什么特 殊性? 这也是软件无线电中最为关键的问题之一，通过下面介绍的定理可以回答以上的 问题。 2 2 1 基本采样理论一n y q u i s t 采样定理 n y q u i s t 采样定理设一个频率带宽有限的信号工( f ) ，其频带限制在( o 厶，内， 如果以不小于u s = 2 厶的采样速率对z ( f ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 x ( n ) = x ( n r 。) ( 其中瓦= 1 兀称为采样间隔) ，则原信号工( f ) 将被所得到的采样值x ( n ) 完 全确定。也就是说采样值x ( n ) 包含了原始信号z ( f ) 的全部信息。其公式可以由下面的推 导得到。 引入单位冲激函数占( t ) ，构成周期冲激函数p ( t ) ： p ( f ) = 占o n 毛) 其对应的频域函数为： p ( j n ) = 2 x l t s 6 ( c a n g ) s ) n = o ，l ，2 a a 一 西北工业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 对x ( f ) 用采样频率 进行抽样后的到的抽样信号可表示为： x s ( r ) = p 0 ) + x ( t ) 其对应的频域函数为： 墨如) ：f 1 艺彳洄一孚n ) ：了1 艺x - - n o ) s ) 1 s 一 1 s 1s o 式中鸭= 等= 2 矾 由此可见，抽样信号之频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加。如果原信号x ( f ) 的 频谱如图1 所示，抽样信号的频谱如图2 所示( 图中国。= 2 矽；) 。 h 0 h 图1 抽样前后的信号频谱 2 c o s 由图2 可见，x s ( c o ) 懈x g x ( c o ) 的频谱成分，如图中的阴影部分所示。而且满 足以下条件： 钒2 或兀2 厶 则阴影部分不会与其他频率成分相混叠。这时只需要一个带宽不小于n k 的滤波器，就 能滤出原来的信号工( f ) 。 2 2 2 带通信号采样理论 n y q u i s t 采样定理只讨论了其频谱分布在( o ， ) 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频带( 正，厶) 上时，那么该如何对这样的带限信号进 行采样那? 这就是带通采样理论要回答的问题。 6 西北t 业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 带通采样定理设一个频率带宽有限信号工( f ) ，其频带限制在( ，厶) 内，如 果采样频率正满足： 厶：划( 2 - 1 ) o 3 一f 2 n + 1 1 式中，n 取能满足兀2 一正) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，。) ，则用 进行等间 隔采样所得到的信号采样值x 0 疋) 能准确地确定原信号工( f ) 。 式( 2 1 ) 用带通信号的中心频率，0 和频带宽度b ( b = 厶一 ) 也可表示为： 疋：盟 2 - 2 ) “ 2 n + 1 式中，o ：毕，n 取能满足兀2 b ( b 为频带宽度) 的最大正整数。 由式f 2 2 ) 可见，当频带宽度b 一定时，为了能用最低采样速率既两倍频带宽度 速率( 兀：2 b ) 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率厶必须满足： t o ：垒掣曰或 + 厶= ( 2 n + 1 归 也即信号的最高( 最低) 频率是带宽的整数倍，如图3 所示( 图中只画出了正频率部分， 费频率部分是对称的) 。 一 h 一矗- a 0 l 扎l hf0 厶b ，2 b 工z 3 b 工，4 b f 图3 带通信号的频谱 也就是说位于图3 任何一个中心频率为厶。o = 0 , 1 ，2 ，3 ，a ) ，带宽为b 的带通信号均 可以用同样的采样频率兀：2 b 对信号进行采样，这些采样均能准确地表示位于不同频 段( 中心频率不同) 的原信号( f ) ，x 。o ) ，x ：( f ) ，a 。 7 西北工业大学硕上学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 值得说明的是，上述带通信号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，否则将会引起信号的混叠。例 如当在( 2 b ，3 b ) 频带上存在信号时( 如图3 阴影部分所示) ，那么在其他任何频带上就 不能同时存在信号。为了满足这一前提条件，可以采用跟踪滤波器的办法来解决，即在 采样前先进行滤波，如图4 所示： 图4带通信号的采样 x fn ) 也就是当需要对某一个中心频率的带通信号进行采样时，就先把跟踪滤波器调到与 之对应的中心频率上厶。上，滤出所感兴趣的带通信号( f ) ，然后在进行采样，以防止 信号的混叠。这样的跟踪滤波器称之为抗混叠滤波器。显然，如果滤波器理想的话，采 用同一采样速率( 兀= 2 b ) 就能实现对整个工作频带( 如0 1 m h z 2 g h z ) 上的射频信 号进行数字化。例如取b = 2 5 k z ，通过调节理想跟踪滤波器的中心频率，就能实现对 0 1 m h z 2 g h z 频段内任何一个信道( 信道间隔2 5 k h z ) 上的带通信号进行采样数字化， 然后用软件方法进行解调分析。上述频带宽度b 不仅限于某一信号的带宽，这里的b 应 理解为处理带宽，也就是说在这一处理带宽内可以同时存在多个信号，而不只限于一个 信号。 带通采样的结果是把位于( 柚，0 + 1 归) ( n = 0 , 1 ，2 ，a ) 不同频带上的信号都用位于 ( o ，口) 上相同的基带信号频谱来表示，但要注意的是这种表示在n 为奇数时，其频率的对 应关系是相对中心频率“反折”的，既奇数通带上的高频分量对应于基带上的低频分量， 奇数通带上的低频分量对应于基带上的高频分量。 2 3 软件无线电中的采样理论 由于软件无线电所覆盖的频率范围一般要求比较宽，例如从0 1 m h z 到2 2 g h z ，作 西北工业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 为软件无线电，只有这样宽的频段才具有广泛的适应性，但如此宽的频带必须采用带通 采样。下面主要讨论带通采样定理在软件无线电中应用所面临的一些具体问题。 在软件无线电的数字化采样中曾存在这两种模型：窄带中频采样数字化、宽带中频 采样数字化。其模型分别为图5 ，图6 本振 图5 窄带中频采样模型 本振 本振 图6 宽带中频采样模型 窄带中频采样数字化模型是先用一个本振信号与被数字化输入信号进行混频( 可以 经过几次混频) ，将其变为统一的中频信号，然后进行数字化。其主要的缺点是在天线 与a d 之间增加了很多模拟信号处理环节，如：混频、本振信号产生、各种滤波等。这 种模拟电路不仅会造成信号失真( 特别是混频器和窄带滤波器) ，而且对缩小体积、降 低成本和功耗也是极其不利的。另外，由于在天线与a d 之间模拟环节过多，使的这种 体制在对信号的适应性以及可扩展性方面存在明显不足。总之，这种窄带中频采样数字 化模型严格来讲并不是软件无线电概念上的一种理想结构形式。宽带中频采样数字化模 型改善上述中频数字化体制在对信号环境的适应性以及可扩展性，可以通过适当增加中 频带宽日的办法部分解决窄带中频采样数字化的问题。 下面根据带通信号采样定理给出一种接近理想化的软件无线电设计方案：射频直接 爹 两北工业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 带通采样软件无线电体制和原理。 宽带中频数字化接收机与窄带中频数字化接收机相比在其对信号的适应能力方面 虽然有了很大的改进和提高，但与理想化的软件无线电思想还存在较大的差距。射频直 接带通信号采样软件无线电体制是建立在带通信号采样的理论基础之上。我们知道一般 的无线电信号( 通信信号、雷达信号、遥控遥测信号等) 其瞬时信号带宽都是比较窄的， 例如一般常规v u h f 战术通信电台其信号带宽( 间隔) 为：5 0 k h z 、2 5 k h z 、1 2 5 k h z 等， 而短波电台的信号带宽就更窄，即使像非常规的扩频信号，其带宽也只有几兆赫，超过 几百兆赫的信号很少，雷达信号也不会超过几百兆赫。所以单独对某一信号进行接收解 调时就完全可以应用带通信号采样定理对其进行数字化处理，其模型如图7 图7 射频直接采样软件无线电接收模型 又图可见这种接收体制与理想化的软件无线电是比较接近，因为天线与a d 之间只 存在跟踪滤波器和放大器，如果a d 灵敏度足够高，或者说a d 自身带有增益足够高、 动态范围足够大的宽带放大器的话，那么图中的放大器也就不需要了，这样在天线与 a d 之间只存在跟踪滤波器，这与软件无线电所要求的a d 尽可能靠近天线的设计宗旨 就完全一致了下面介绍射频直接带通信号采样接收体制的设计思路 有前面讨论的带通信号采样定理知道，当采样速率 对( 0 ，k ) 频带内的信号进行 数字化时，如果a d 前的抗混叠滤波器是理想的话( 矩形系数为1 ，带宽为兀2 ) ，就可以 实现整个频带的无“盲区”采样但是这种矩形系数为1 的理想滤波器实际当中是做不 到的，比较理想的基本可实现滤波器如图8 ( a ) 所示，从图中可以清楚看出这种可实现滤 波器所造成的不良后果是存在采样“盲区”，如图中阴影部分所示，阴影部分的中心频 1 0 西- i g m 业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 率为如+ 1 虮2 ，也就是说当信号落入“盲区时将被滤波器所滤除，而无法对这些信 号进行采样数字化( 至少将降低信号采样灵敏度) 解决的办法是对这些“盲区”通过选 择合适采样频率进行“异频”或“异速率”采样设主采样速率兀，则“盲区”的中心频 率为： 爿。= 掣厶 = 0 ，1 ，2 ，a ) ( 2 - 1 ) ( a ) ( b ) - u ( s ) r 以 _ 厂翁咖瓢。 d 氐 ll 五，lll 兀2 l五( 一lii 丘 j 懒彦刁励。 0 s as d 。厶矗1， 图8 射频直接带通采样原理一“盲区采样 根据带通信号采样定理，对中心频率为矗的这一“盲区”频带进行采样数字化，所 要求的采样速率为： 矗= 熹爿。0 = 0 , 1 2 0 , 1 , 2 , a ) ，m 。五石_ ，m 2， 代入式( 2 一1 ) 可得到氏与兀的关系为： 氏：掣兀 式中，m 取0 ，1 ，2 ，3 ，人对应不同的“盲区”，而 t 的选取应尽量使矗靠近兀( 但小于厶) ， 以减小采样振荡器的频率覆盖范围。 “盲区”采样频率确定后，并不意味着就能够实现无“盲区”采样，还必须对滤波 器的特性( 矩形系数) 提出一定要求，否则采样“盲区”仍然无法消除。对于此问题不 是本论文不加讨论。 2 4 多速率信号处理理论 软件无线电所基于的最基本理论是带通采样定理，而且在前置窄带滤波器的配合下 采用几个有限的采样频率( 其中包括1 个主采样频率和取决工作频率范围以及主采样频 西4 h t _ , l k 大学硕士学位论文第二章软件无线电的结构和原理 率的若干个“盲区”采样频率) 就能实现对整个工作频带内的射频信号进行直接采样 数字化，然后通过软件或信号处理算法完成对各种类型或调制样式信号的解调、处理功 能。带通信号采样定理的应用大大降低了所需要的射频采样率，为后面的实时处理奠定 了基础。但是从对软件无线电的要求来看，带通信号采样的带宽应该越宽越好，这样对 不同的信号就有更好的适应性，而且由前面讨论知道采样率越高，在相同的工作范围内 所需要的“盲区”采样频率数量就越少，有利于简化系统设计；另外当对一个频率很高 的射频信号采样时，如果采样频率取的太低，这对提高采样量化的信噪比是不利的。所 以在可能的情况下，带通信号采样速率应该尽可能地选得高一些，使瞬时采样带宽尽可 能地宽。 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太高，导致 后续的信号处理速度跟不上，特别对有些同步解调算法，其计算量大，如果其数据吞吐 率太高是很难满足实时性要求的，所以很有必要对a d 变换后的数据流进行降速处理。 一个实际的无线电通信信号的带宽一般为几十千赫到几百千赫，实际对单个或一个处理 带宽的频带不是很宽的信号进行采样时所需要的采样速率是不高的，所以对这种窄带信 号的采样数据流进行降速处理是完全可能的。多速率信号处理技术为这种降低数据速率 处理的实现提供了理论依据，其中最为重要也是最为基本的理论是数据的抽取和内插。 数据的抽取是软件无线电下变频的理论基础，数据的内插是软件无线电上变频的理论基 础。 2 , 4 1 抽取 抽取是把原始采样序列z ( h ) 每隔( d 一1 ) 个数据取一个，以形成一个新序列杨( 神，即： 而( 坍) = x ( m d ) 很显然如果z ( n ) 序列的采样率为兀，则其无模糊带宽为厶2 。当以d 倍抽取率对x ( n ) 进行抽取后得到的抽取序列的取样率为厶d ，其无模糊带宽为兀( 2 d ) ，当x ( n ) 含 有大于兀( 2 d ) 的频率分量时，而( 柚就必然产生频谱的混叠，导致从而( 神中无法恢复 x o ) 中小y - l ( 2 d ) 的频率分量信号。抽取序列的频谱如t 归j 为抽取前原始序列的频 谱x 0 加) 经频移和d 倍展宽后的d 个频谱的叠加和。其对应的表达式如下： = 五1 车d - i x 妙r 2 叫 但是如果首先选用一个数字滤波器( 滤波器的带宽为) 对原始序列进行滤波， 使原始序列中只含有小于的频率分量( 对应模拟频率兀) ，再进行d 倍的抽取， 咀抽取后的频谱就不会发生混叠，其示意图如下所示： 西北工业人学硕士学位沦文 第二章软件无线电的结构和原理 入 j 、x 【e 。j 1 队以小、 ， 一2 ；c一石 ) 盯2 石 3 石颤 沁一 乙 一刀 1 r 八价 。 门门 j2 p 。) i 。j 一2 1 r o 2 1 r 抽取( d = 2 ) 前后的频谱结构( 无混叠) 这样工。g ，。) 的频谱成分与z k 一) 中的频谱成分是一一对应的，或者说盖。0 如) 可 以准确地表示x 如扣) ，进一步可以说x 。g “) 可以准确地表示x g 归) 中小于或 兀的频率分量信号。所以这时对x 。g 扣) 进行处理等同于对x g 加) 的处理，但前者 的数据流速率只有后者的d 分之一，大大降低了对后处理速度的要求。通过抽取提高了 频域分辨率。其抽取方框图如图9 所示： 酬叫互囵 _ 压习p 。) 图9 完整的抽取器方框图 西i l a l _ _ i k 大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 2 4 2 内插 内插就是指在两个原始抽样点之间插入( i 一1 ) 个零值，内插后的信号频谱为原始序 列谱经i 倍压缩后得到的频谱。内插后的信号频谱为： x ，e 一) = x g 剧) 下图给出内插前后的频谱结构： ( a ) 原始谱 ( b ) 滤波 ( c ) 滤波后 一2 万 一万一彳。彰万 2 万 国 内插( i = 2 ) 前后的频谱结构图 上图( b ) 中为内插后未经过滤波的频谱图，这时在x ，k 弘) 中不仅含有x 忙”) 的基 带分量( 如图中阴影部分所示) ，而且还含有其频率大于形的高频成分( 称其为x ( e ”j 的高频镜像) ，为了从x ，g ，。) 中恢复原始频谱，则必须对内插后的信号进行低通滤波( 滤 波器的带宽为形) ，滤波后的频谱结构如上图( c ) 所示，也就是说原始序列经过内插 处理，原来插入的零值点变为而) 的准确内插值，经过内插大大提高了时域分辨率。这 种方法在工程信号处理时非常有用，如：g p s 接收机接收的参数中，每秒钟只更新2 0 次，如果要提高信号的接收精度，可对接收的信号经过内插处理。其内插方框图如图1 0 昕示： 1 4 两j 匕工业大学顿+ 学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 图l o 完整的内插器方框图 2 4 3 多相滤波结构 从信号的抽取和内插的两种模型可知，抽取和内插两种对运算速率要求都相当高。 对于抽取：这主要表现在抽取模型的低通滤波器位于抽取算子上d 之前，也就是说低通 滤波器的滤波是在降速之前实现的：而对于内插，其低通滤波器位于内插算子1 、，之后， 也就是说低通滤波器是在提速之后进行的。总之，无论抽取还是内插其抗混叠数字滤波 均是在高取样率条件下进行，这无疑大大提高了对运算速度的要求，对实时处理是极其 不利的。为了解决这个问题可以采用多相滤波结构。 设数字滤波器的冲击响应为h ( z ) ，则其z 变换日0 ) 定义为： 经过变换可写为 其中： e 。如) = h ( z ) = ( ”) 盯” h ( z ) 艺：一嘎 h ( n d + k ) z 1 上式即为抽取数字滤波器日( z ) 的多相滤波结构，其等效抽取的网络结构图如图所示： 图1 1 抽取器的多相滤波结构 y ( 玎) 两北j 二业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 由图可见，此时数字滤波器风0 ) 均位于抽取器、ld 之后，即滤波是在降速之后进 行的，这就大大降低了对处理速度的要求，提高了实时处理的能力，另外，这种多相滤 波结构的另一个好处是每一个支路滤波器的系数由原先的个减少为个，可以减小 滤波运算的累积误差，提高计算精度。同理可以得到内插器的多相滤波结构，其形式如 下： h ( z ) 式中，r , v - 7 ) = e “_ 。1 ( z 嘎 艺。- ( ，+ 仉心( z ，) 其等效内插的网络结构图如图1 2 所示： 图1 2 内插器的多相滤波结构 由图可见，此时数字滤波器e 。( z ) 均位于内插器上z 2 _ 前，也就是说数字滤波是在提 速之前进行的，这对降低对处理速度的要求，提高了实时处理的能力是极为有利的。另 外跟抽取器的多相滤波结构一样，这时分支滤波器的阶数只有原来的，分之一。 2 5 软件无线电中的高效数字滤波 实现取样率变换的关键问题是在抽取前内插后的数字滤波，都需要设计一个满足抽 取或内插要求的抗混叠滤波器。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，在软件无线电中比较理想滤波器积分梳状( c l c ) 滤波器，该滤波器的 冲击响应具有如下形式： ，、f 1 , 0 n d 一1 “2 1 0 ，其他 c i c 滤波器之z 变换为： 1 6 西北丁业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 h ( z ) = f 了o _ z - d ) = 日。o ) 日：扛) 式中：h l o ) = r 了，日：( z ) = 1 一：一。 c i c 滤波器的频率总响应为： 日o ”) 一勋( 警 晰1 ( 詈) 功率谱为： ，2 f 梳状积分滤波器的频谱结构 当d 1 时，单级c i c 滤波器的旁瓣电平是比较大的，只比主瓣低1 3 4 d b ，这也就 意味着阻带衰减很差，一般难以满足实用要求为了降低旁瓣电平，可以采用多级c i c 滤 波器级联的办法来结决，5 级级联c i c 滤波器具有6 7 r i b 左右的衰减，基本能满足实际要 求其等效结构如下图所示： 由图可见，c i c 抽取滤波器实现起来还是非常简单的，c i c 滤波器具有如下的优点： 1 、不需要乘法器。 2 、滤波器的系数不需要存储。 3 、相对于级联f i r 结构，中间存储寄存器数量大大减少。 4 、c i c 滤波器的结构很规则，同时控制简单扼要。 5 、适用于在大范围的抽取因子d ，仅需少量的附加电路守成增益调整。 这无论是对提高实时性，还是简化硬件都有重要的意义，所以c i c 滤波器在多速率 信号处理中具有特别重要的。 2 6 软件无线电的结构及组成 2 6 1 软件无线电原理框图 软件无线电是基于一个通用的硬件平台，其功能主要分为两大部分，无线电部分和 1 7 曲- 1 e 2 1 业大学硕士学位论文 第二章软件无线电的结构和原理 数字信号处理部分。软件无线电的无线部分是用来完成对空中无线电信号的接收、采样、 滤波和下变频，包括宽带天线、射频前端、a d 转换器、专用数字下变频芯片。信号处理 部分要做的工作包括：解调、自动增益控制、信道解码、信源解码等，主要是由d s p 来 完成，这不是软件无线电目前迫切需要解决的问题，如何实现多种空中接口、多种模式 和宽广的接收范围的硬件平台，才是软件无线电真正的挑战。 软件无线电要求的原理框图，如下图所示。 图1 4 软件无线电的三大组成部分 在这三大部分中，a d ( d a ) 起着最关键的作用，可以说是整个软件无线电的核心。 因为不同的采样方式将决定射频处理前端的组成结构，也影响其后d s p 的处理方式和对 处理速度的不同要求，而且a d 的性能如何也将严重制约整个软件无线电性能的提高。 2 6 2 射频直接带通采样软件无线电结构 射频直接带通采样软件无线电结构如图1 5 所示： 图1 5 射频直接带通采样软件无线电结构 其中疋为主采样频率，f 。 埘= o ，l ，2 a ，m 一1 ) 是m 个“盲区”采样频率。 由2 3 节软件无线电中的采样理论的论述知道，这种软件无线电结构与理想的软件 无线电比较接近。这种结构特点对a d 采样的频率要求并不高，而且整个前端接收通带 并不是全宽开的，而是先由有窄带电调滤波器选择所需要的信号，然后进行放大，再进 行带通采样，这显然有助于提高接收信道的信噪比，有助于改善动态范围。可实现性较 强，可能达到的性能也较高，这种结构将会成为未来软件无线电的发展主流。但无论前 置窄带电调滤波器，还是高工作带宽的a d 器件实现起来还是有相当困难的，例如，要 求工作带宽为：0 1 m i t z 2 g h z ，则必须分几个或十几个分频段来实现，需要多个采样频 率，增加了系统的复杂度，并且，目前1 0 位以上的a d 也只能工作在1 g h z 左右，使得 在较宽的频带内减少采样率的