（电力电子与电力传动专业论文）fpga技术在软件无线电中的应用.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h es o f t w a r er a d i oi st h ew i r e l e s se q u i p m e n tw i t hh a r d w a r ep l a t f o r mo f r e c o n f i g u r a t i o n a b l e c a ra c r o s s 稍ms e v e r a lo fc o m m u n i c a f i o n a ls t a n d a r d s b e c a u s eo fl e s sc o s t , m o r ef l e x i b i l i t ya n db e t t e rp r o p e r t i e s ，t h es o r w a r er a d i oi s b e c o m i n gq u i c k l yt h ea c t u a l c r i t e r i o no fm i l i t a r ya f f a i r s ，p u b l i cs e c u r i t ya n d c o m m e r c i a lw i r e l e s st e r r i t o r y f p g at e c h n o l o g yo v e f c o m e se f f i c i e n t l ym a n y t e c h n o l o g yb o t t l e n e c k si nt r a d r i o n a ld s pa n dm a k e si tp o s s i b l et or e a l i z et h e s o f t w a r er a d i o n 圮a p p l i c a t i o no ff p g at e c h n o l o g yi nr e a l i z i n gq p s km o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o no f s o f t w a r er a d i oi ss t u d i e di nd e t a i l n 坨c o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c o fs o f t w a r er a d i oi si n t r o d u c e di nf i r s t , t h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ea p p l i c a t i o no f f p g ac h i pi ns o f t - w a r er a d i oi sd e s c r i b e da l s o a r e rt h a t , t h em o d e lb u i l d i n ga n d s i m u l a t i o ni nq p s km o d u l a t i o nd e m o d u l a t i o ns y s t e mi sf i n i s h e db ys y s t e mv i e w s o f t w a r e ，a l s o ，t h ek e ym o d u l e so fm o d u l a t i o nd e m o d u l a t i o ns y s t e ma r er e a l i z e d o nf p g ai ns o f t w a r er a d i os y s t e m i nt h ee n d , t h es o f t w a r er a d i o se x p e r i m e n t p l a t f o r m sb a s e do nn i o si is o r - m u c l e a t o rp r o c e s s o ro nf p g ab yp r o d u c e di n a l t e r ai sd e s i g n e d 。i tv e r i f i e sa d e q u a t l yf e a s i b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo fr e a l i z i n g s o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g yo i lf p g ac h i p ，t h ef u t u r ee x p a n s i o n sp r o b l e mi sa l s o s t u d i e da n dd i s c u s s e d ，t h i sw i l le s t a b l i s ht h ep o s i t i o nf o ri m p l e m e n t a t i o no f c o m p l e t es o f t w a r er a d i os y s t e m k e y w o r d ：s o f t w a r er a d i o ：f p g a ；m o d u l a t i o n ；d e m o d u l a t i o n ； q p s k , q u a r t u s i i i i 黑龙江科技学院学位论文独刨性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它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。 研究生签名：黑圣日期：坦乙：翌 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：& 导师签乡菇到期：磁坳 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 近年来，f p g am 艺发展很快，其工作时钟频率也不断增高，使芯片的 处理能力增强。基于这样的发展，f p g a 已经成为实现软件无线电数字信号 处理的一种非常有效的选择。f p g a 内部结构可以实现高速的数据处理过程， 而它灵活的可重构性能可保证系统能够实现在线重构，使系统具有高度的灵 活性，当设备需要增加新的无线接口时，不需要增加新的f p g a 芯片，而只 需将现有f p g a 的内部逻辑重构就可以了，这样就降低了设备的成本，缩短 了开发周期，正是因为它的这些优点，f p g a 在软件无线电技术的研究和设 备开发中正在发挥越来越重要的作用。本文对f p g a 在软件无线电信号处理 中的应用进行了研究，重点是对软件无线电q p s k 调制解调的f p g a 实现进 行了研究。 1 1 论文的研究背景及意义 无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，广泛应用于商业、气象、 军事、民用等领域。当代无线通信系统很多，无线通信系统的调制方式也很 多，各种通信系统由于自身的特点而应用于不同的场合，传统无线电台的全 部功能都由硬件实现，只能工作于单一频段，单一的调制方式，电台之间的 差异极大地限制了不同电台之间的互通互连。在全球信息化时代，这些缺陷 极大地阻碍了军事，民用通信的进一步发展。 为了解决互通性问题，各国军方都进行了积极的探索，努力使不同设备 既能满足互通的要求，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。1 9 9 2 年5 月， m i t r e 公司的j o e m i t o l a 在美国电信系统会议上首次明确提出了软件无线电 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、加密模式、通 信协议等用软件来完成，并使宽带a d 、d a 尽量靠近天线，以研制出具有 高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用软件控 制和再定义的电台。选用不同软件模块就可以实现不同的功能，如果要实现 黑龙江科技学院硕士学位论文 新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。这在通信( 尤其是在移 动通信) 领域有着迫切的需求和广阔的应用前剥l 】：在军用通信方面软件无线 电代表了军用无线通信的未来，不但可以解决不同无线设备问的互连互通， 而且还可以现场开发新波形；在商业方面，软件无线电也将越来越多地用于 民用通信，尤其是在蜂窝移动通信方面，呈现了广阔的商业应用前景，可实 现移动通信的无缝接入和完全自由的个人通信，缩短系统的开发周期和降低 运营商的成本，现已成为3 g 和4 g 所采用的一项关键技术。可以预见，随着 计算机、微电子及天线技术的发展，软件无线电必将成为2 l 世纪无线电通信 领域的核心技术。 随着国内外的不断深入研究，软件无线电的理论已经逐步成熟，而且， 无论从军用还是从民用上，都有成功实现的案例。软件无线电的实现，使无 线通信的发展经历了继由模拟到数字、固定到移动之后由硬件到软件的第三 次变革。并可称为是从硬件无线通信到软件无线通信的革命。由于其自身的 开放性、灵活性和可扩展性，它成为目前通信与电子技术领域最重要、，最活 跃的研究领域之一，具有极大的应用价值和广泛的应用前景，但软件无线电 仅其频域中数字信号处理的等效速度需达5 0 g i p s ，也就是说实现软件无线电 的一个关键问题就是需要一个具有无限处理能力的数字处理核心。然而直到 目前为止，最快的d s p 处理器，如1 r i 的c 6 x 系列也没能超过5 g i p s ，与软 件无线电频域中数字信号处理速度差1 0 倍之多，采用多个处理器以提供更高 的处理能力是一种解决办法。但系统功能的可行性是一个问题。在软件无线 电领域，以处理器( d s pp r o c e s s o r ) 核心的传统d s p 系统具有很大的局限性， 例如其硬件结构的不可变性导致了其总线的不可变性，而固定的数据总线宽 度，己成为d s p 处理器一个难以突破的瓶颈。面向d s p 的各类专用a s i c 芯 片虽然可以解决并行性和速度的问题，但是高昂的开发设计费用、耗时的设 计周期，及不灵活的纯硬件结构，使得d s p 的a s i c 解决方案日益失去其实 用性，无法满足软件无线电技术的发展1 2 】。 而现代的d s p 系统，也就是利用f p g a 来实现的d s p 系统，克服了上 述方案的诸多不足。在这些f p g a 中，一般都内嵌有可配置的高速r a m 、 p l l 、l 、d s 、l v r r l 以及硬件乘法累加器等d s p 模块，因此用来实现数字 信号处理能够很好地解决并行性和顺序性的矛盾，直至速度问题，而且其灵 活的可配置特性，使得f p g a 构成的d s p 系统非常易于修改，易于测试及硬 件升级，能够满足软件无线电对数字信号处理的需求。如a l t e r a 基于f p g a 的d s p 等效速度大于7 0 g i p s ，现代d s p 技术不仅在速度上与传统d s p 技术 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 显示了突出的优势，而且在实时性、可靠性，自主知识产权化，系统的重配 置和硬件可重构性，单片d s p 系统的可实现性以及开发技术的效率方面显示 出了突出的优势。 本论文研究f p g a 技术在软件无线电中的应用，是在深入研究软件无线 电基本理论和f p g a 技术的基础上，利用f p g a 技术解决软件无线电中q p s k 调制解调等数字信号处理和数字控制问题。最终提出合理、可靠的技术解决 方案和实现模型，进一步推进软件无线电技术的应用和发展。 1 2f p g a 及其设计方法 1 2 1 f p g a 概述 f p g a 器件是八十年代中期出现的一种新概念用户现场可编程门阵 列集成电路，是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的最新一代系统设计积木 块，数字集成电路本身在不断地进行更新换代，其应用经历了电子管、晶体 管、小规模集成电路( s s i ) 、中规模集成电路( m s i ) 和大规模集成电路( l s i ) 乃 至超大规模集成电路( v l s i ，几万门以上) 以及许多具有特定功能的专用集成 电路a s i c 的过程，但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的 任务已不能完全由半导体厂商来独立承担，系统设计师们更愿意自己设计专 用集成电路a s i c 芯片，而且希望其设计周期尽可能短，最好是在实验室里 就能设计出合适的a s i c 芯片，并且能立即投入实际应用之中，因而8 0 年代 出现的可编程逻辑器件p l d ，在一定的程度上，为数字系统设计工程师的快 速、灵活设计提供了可能性。p l d 器件的应用，使一系列功能强、速度高、 灵活性大的积木式系统设计得以成功。但是，随着现代数字系统设计的发展， p l d 器件无论在集成容量、功耗、速度乃至逻辑设计的灵活性上，均不能满 足现代数字系统的大容量、高速度、现场灵活编程设计的要求。e p l d ( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ) 、f p g a 器件的产生正是由此而来，其作为一种 新型的用户现场可编程的专用集成电路，显示了诱人的应用前景【4 】。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存j 蝴( p r o m ) 、紫外线可擦除只 读存贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) _ 三种。由于结构的限制， 它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍复杂的可编 程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它能够完成各种数字逻辑功能，这一阶段 的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。这些早期的p l d 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的 结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年 代中期。a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd v i c c ) 和与标准门阵列类似的f p g a ，它们都具有体系结 构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等 其它a s i c 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具 先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广 泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中 小规模通用数字集成电路的场合均可应用f p g a 器件【5 l 。 f p g a 概括起来是由三大部分组成的：一个二维的逻辑块阵列，构成 p l d 器件的逻辑组成核心。输入，输出块，用来连接逻辑块的互连资源。 连线资源，由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关， 它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接【6 】。 纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力， 根本在于：f p g a 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题， 而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使f p g a 越来 越多地取代了a s i c 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使f p g a 成为首选。f p g a 除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下优点【7 】： l 、随着v l s i ( 超大规模集成电路) 工艺的不断提高，器件的有效逻辑容 量密度也更高了，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a 芯片的规 模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，不仅大大减少了印刷电路 板的空间，降低了系统功耗，还极大地提高了系统设计的工艺可实现性和产 品的可取性，并且所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 2 、用户可以反复地编程、擦除、使用或在外围电路不动的情况下用不同 软件就可实现不同的功能。所以，用f p g a c p l d 试制样片，能以最快的速 度占领市场。f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设 计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的 输入、编泽、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更 能显示出f p g a c p l d 的优势。电路设计人员使用f p g a 、c p l d 进行电路 设计时，不需要具备i c ( 集成电路) 深层次的知识，f p g a 、c p l d 软件易学易 用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 3 、f p g a 的用户现场可编程的特性大大缩短了设计实现周期，可以在很 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 短的时间由设计工程师现场提供样机，使产品的上市时间大大缩短，适于现 代的市场竞争需求。同时，f p g a 可以反复编程，重复使用，没有前期投资 风险，且可以在开发系统中直接进行系统仿真，故也没有工艺实现的损耗， 以致在小批量的产品应用场合，成本远低于门阵列和全定制a s i c 。此外， f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担风险， 设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的 最终功能设计，所以它可做全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。f p g a 是设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 4 、f p g a 内部有丰富的触发器和引脚，并且f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 5 、为了更好的满足设计人员的需要，扩大市场，各大现场可编程逻辑器 件的厂商还不断扩充其知识产权( i p ) 核心库。这些核心库都是预定义的、经过 测试和验证的、优化的，可保证正确的功能。设计人员可以利用这些现成的 m 库资源，高效准确的完成复杂的片上系统设计。 正是由于f p g a 各方面相得益彰的特点和长处，使之近年来在通讯、航 天、电脑应用、程序控制等多方面获得较好的应用，特别是通信、网络产品 和专业图像处理设备，f p g a 都发挥着非常重要的作用。目前f p g a 的发展 趋势主要体现在以下几个方面嗍： 1 、继续向更高密度、更大容量的千万门系统级方向迈进，大容量f p g a 是市场发展的焦点。 2 、向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展，采用深亚微米的 半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于便携式应 用产品的发展，对现场可编程器件的低压、低功耗的要求日益迫切。 3 、口资源复用理念将得到普遍认同并成为主要设计方式，p 内核得到 进一步发展，由于通讯系统越来越复杂，f p g a 的设计也更加庞大，这促进 了设计人员对m 核的需求。各大厂家继续开发新的m ，并将提供“硬件”i p ， 即一些功能在出厂时就固化在芯片中。 4 、m c u 、d s p 、c p u 等嵌入式处理器口将成为f p g a 应用的核心， s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 时代将会到来，用户根据应用选择处理 器和i o ，然后就可以编程自己的s o p c 。由此，s o p c 就进入了d s p m c u 的应用领域，成为普及的产品。随着f p g a 规模不断变大，c p u 、d s p 、更 大规模的存储器都已经或即将嵌入f p g a 内，s o p c 的时代已离我们不远了。 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 2f p g a 的基本结构 f p g a 由6 部分组成，分别为可编程输入，输出单元、基本可编程逻辑单 元、嵌入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。 每个单元简介如下： l 、可编程输入输出单元0 o 单元) 目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活 配置，可适应不同的电器标准与物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上 下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。 2 、基本可编程逻辑单元 f p g a 的基本可编程逻辑单元是由查找表( l u t ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成 的，查找表完成纯组合逻辑功能，内部寄存器可配置为带同步异步复位和置 位、时钟使能的触发器，也可以配置成为锁存器。f p g a 一般依赖寄存器完 成同步时序逻辑设计。一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个 寄存器加一个查找表，但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差 异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。学习底层配置单元的l u t 和 r e g i s t e r 比率的一个重要意义在于器件选型和规模估算，由于f p g a 内部除 了基本可编程逻辑单元外，还有嵌入式的r a m 、p l l 或者是d l l 、专用的 h a r d i p c o r e 等，这些模块也能等效出一定规模的系统门，所以简单科学的方 法是用器件的r e g i s t e r 或l u t 的数量衡量。 3 、嵌入式块r a m 目前大多数f p g a 都有内嵌的块r a m ，嵌入式块r a m 可以配置为单端 口r a m 、双端口r a m 、伪双端口r a m 、c a m 、f i f o 等存储结构。c a m 即为内容地址存储器，写入c a m 的数据会和其内部存储的每一个数据进行 比较，并返回与端口数据相同的所有内部数据的地址；r a m 是一种写地址， 读数据的存储单元；c a m 与r a m 恰恰相反，除了块r a m ，x i l i n x 和l a t t i c e 的f p g a 还可以灵活地将u 玎配置成r a m 、r o m 、f i f o 等存储结构。 4 、丰富的布线资源 布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连 线上的驱动能力和传输速度。布线资源可划分为以下几种： ( 1 ) 全局性的专用布线资源：以完成器件内部的全局时钟和全局复位置 位的布线； ( 2 ) 长线资源：用以完成器件b a n k 间的一些高速信号和一些第二全局时 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 钟信号的布线； ( 3 ) 短线资源：用来完成基本逻辑单元问的逻辑互连与布线； ( 4 ) 其他：在逻辑单元内部还有着各种布线资源和专用时钟、复位等控 制信号线。 由于在设计过程中，往往由布局布线器自动根据输入的逻辑网表的拓扑结 构和约束条件选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块，所以常常忽略 布线资源。其实布线资源的优化与使用和实现结果有直接关系。 5 、底层嵌入功能单元 6 、内嵌专用硬核 与“底层嵌入单元”是有区别的，这里指的硬核主要是那些通用性相对较 弱，不是所有f p g a 器件都包含硬核1 6 j 。 1 2 3f p g a 设计方法 可编程逻辑器件的设计是指利用开发软件和编程工具对器件进行开发的 过程。高密度可编程逻辑器件的设计流程图如图1 1 所示1 7 1 ，它包括如下五 个过程： l 、设计准备 在对可编程逻辑器件的芯片进行设计之前，首先要进行方案论证，系统 设计和器件选择等设计准备工作。设计者首先要根据任务要求，如系统所完 成的功能和复杂程度，对工作速度和器件本身的资源和成本连线的可布性等 方面进行权衡，选择合适的方案和合适的器件类型。 2 、设计输入 设计者将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来并送 入计算机的过程称为设计输入。常用的有三种方式，即原理图、硬件描述语 言( h d l ) 、波形输入。本论文的设计主要是采用v e r i l o gh d l 文本的方式来作 为输入的。 3 、设计处理 这是器件设计中的核心环节，在设计处理过程中，编译软件将对设计输 入的文件进行逻辑化简、综合优化，并且适当地用一片或多片器件自动地进 行适配，最后产生编程用的编程文件。设计处理应当包括以下五个过程：语 法检查和设计规则检查、逻辑优化和综合、适配和分割、布局布线、生成编 程数据文件。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 4 、设计校验 设计校验包括功能仿真和时序仿真，这两项工作是在设计处理过程中同 时进行的。功能仿真是在设计输入完成之后，选择具体的器件进行编译之前 进行的逻辑功能验证，因此又称为前仿真，此时仿真无时延信息，对于系统 初步的功能检测非常方便。仿真前首先要利用波形编辑器或硬件描述语言建 立测试向量，仿真结果以报告的形式或波形的形式输出，从中可以看出各个 节点的错误，如果有错误，则返回设计输入中修改逻辑设计，系统前仿真的 结果直接决定着后仿真的正确性，所以在前仿真时要格外小心。时序仿真是 在选择了具体器件并完成布局布线之后进行的时序关系仿真，因此也称为后 仿真。由于不同的器件内部的延时不一样，不同的布局、布线方案也给延时 造成不同的影响，因此在设计处理以后，对系统和各模块进行时序仿真、分 析其时序关系，估计设计的性能以及检查和消除竞争冒险是非常有必要的。 实际上这也是与实际器件工作情况基本相同的仿真。 图1 1 可编程逻辑器件设计流程图 f i g 1 一i t h ef l o wc h a ro f p r o m g r a m m a b l el o g i cd e v i c ed e s i g n 5 、器件编程 编程是将编程数据放到可编程器件中去。器件编程要满足一定的条件， 如编程电压、编程时序和算法等。器件编程完毕之后，可以用编译时产生的 文件进行检验、加密等工作。对于具有边界扫描测试能力和在系统编程能力 的器件来说，测试起来就更加方便【6 】。 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 3 本文章节安排 软件无线电是日前通信领域中最重要的研究方向之一，其理论逐渐走向 成熟，并在实际中取得了成功的应用，在软件无线电实现上，各种数字信号 处理算法通常采用通用d s p 来完成，这样做虽然可以提高系统的灵活性，但 实现成本高，功耗、体积大，不适合于手持式移动终端。事实上，在d s p 领 域，除了普通的d s p 处理器以外，利用f p g a 来实现d s p 系统己十分普遍。 而且在许多诸如实时图象处理、联合战术无线电通信系统、3 g 移动通信基站、 实时工控系统、卫星导航设备等领域中，f p g a 的d s p 解决方案已成为非此 莫属的选择了! 本文主要研究了处于无线通信技术前沿的软件无线电技术和处于e d a 技术前沿的f p g a 技术。全文基于软件无线电技术的基本原理，研究了宽带 中频采样软件无线电系统中q p s k 调制解调系统的f p g a 设计及其实现，全 面论述了系统的设计思想，硬件结构，关键模块的仿真和硬件实现。论文共 分为五章，各章的主要内容如下： 第一章绪论，介绍了本文的研究背景、意义及方法，同时也阐述了f p g a 技术及其设计方法。 第二章为论文的理论基础，详细阐述了软件无线电系统的基本原理和结 构，分析了软件无线电在硬件方面的技术需求及最新研究进展情况，并论述 了f p g a 在实现软件无线电中的应用及优势。 第三章在s y s t e m v i e w 仿真软件中对软件无线电q p s k 调制解调系统进 行了设计和仿真，得出了系统设计的具体指标及系统硬件实现框图。 第四章在第三章的基础上，对q p s k 调制解调中部分关键模块进行硬件 仿真，使用a l m a 公司的系列软件q u a r t u s l i 对f p g a 进行设计开发，主要包 括v e r i l o g 设计输入、m o d e l s i m 波形仿真，设计文件在s y n p l i f y 上可综合执 行。 第五章为系统建立了一个基于f p g a 的软件无线电验证实验平台，重点 论述了实验平台的整体实验环境设计及f p g a 硬件部分的系统结构图，其研 究结果进一步验证了用f p g a 作为软件无线电数字信号处理器件的可行性和 灵活性。 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章软件无线电原理简介 要实现标准的软件无线电，面临众多的硬件和软件挑战，很多方面还需 要进一步研究。较理想的软件无线电实现结构是直接对射频信号低通采样数 字化，但这对a d 、d a 以及后续的数字信号处理速度要求非常高。由于目 前器件处理速度的限制，很难对射频信号直接进行低通采样处理，采用宽带 中频接收机数字化技术是目前实现软件无线电一种较为可行的方案1 9 j 。本章 简要介绍了软件无线电的基本原理和体系结构，着重分析了它在硬件方面的 技术需求及最新进展，并对f p g a 在软件无线电中的应用及其优势进行了分 析。 2 1 软件无线电简介 2 1 1 软件无线电特点 在1 9 9 2 年5 月的全美远程系统会议( n a t i o n a lt e l e s y s t e m sc o n f e r e n c e ) 上， m i t r e 公司的科学家j o em i t o l a 在同i e e e 的一位会员谈话时，首先提出了软 件无线电的概念。他认为：软件无线电基于一硬件平台，其a d 变换应尽量 地靠近天线，而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现。与传统的通信体 制相比，软件无线电有以下几个特点： l 、系统功能软件化 软件无线电将a 仍变换尽量向射频端靠拢，将中频以后全部进行数字化 处理，使通信功能可由软件来控制，系统的更新换代变成软件版本的升级， 开发周期与费用大为降低。 2 、系统硬件模块化 它采用模块化设计，不同的模块实现不同的功能，同类模块通用性好， 通过更换或升级某种模块就可实现新的通信功能。 3 、利于互联 不同通信系统都基于相同标准的硬件平台，只要加载相应的软件就可完 成不同电台、不同系统之间的互联。 4 、系统监控方便 l o 黑龙江科技学院硕士学位论文 由于软件无线电至少在中频以后进行数字化处理，通过软件，就可很方 便地完成宽带天线监控、系统频带调整、信道监测与自适应选择、信号波形 在线编程、调制解调方式控制及信源编码与加密处理等o j 。 软件无线电的标准结构如图2 - l 所示。其系统的工作过程是在射频或中 频( i f ) 对接收信号进行数字化，通过软件编程来灵活实现各种宽带数字滤波、 直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信令控制、信源编 码及加解密功能。在接收时，来自天线的信号经过r f 处理和变换，由宽带 a d 数字化，然后通过可编程数字信号处理( d s p ) 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。利用在线和离线软件，可以实 现通信环境的分析、管理以及业务和图2 1 理想的软件无线电系统结构性能 的升级【1 1 1 。 图2 - 1 软件无线电标准结构 f i g 2 - 1 t h es t a n d a r dg n l c t i i mo f s o f t w a r er a d i o 2 1 2 软件化程度的衡量 受器件发展水平的限制，上述理想的软件无线电系统结构目前是无法实 现的。目前有相当多的系统都自称为软件无线电系统，但事实上，它们只是 在一定意义上具有了软件无线电的特点。为对目前软件无线电系统水平进行 衡量，软件无线电概念的提出者j m i t o l a 在1 9 9 7 年5 月在欧洲召开的软件无 线电会议中提到一种思路：用一个矢量( n ，p d a ，h m ，s f a ) 来表示其“软件” 程度【6 1 。该矢量的每一维坐标取值均为o 3 ，其含义如下1 1 2 j ： n 是指空中接1 ：3 所能够支持的频道数，分为4 种类型：单一频道【o 】；双 频道【1 】；多频道( 小于6 个) 【2 】；以及r f 频段中的所有频道【3 】。 p d a 是指可编程数字化访f 司( p r o g r a m m a b l ed i g i t a la c c e s s ) ，即指软件无线 电中数字可编程的程度，也分为4 种类型：无可编程性( 完全模拟或者固定功 能的数字无线电) 【0 】；在基带可编程【1 】；在中频可编程【2 】；在射频可编程f 3 】。 黑龙江科技学院硕士学位论文 h m 指硬件的模块化程度( h a r d w a r em o d u l a r i t y ) ，实际硬件可编程程度， 分为4 类：无可编程性【o 】；系统采用可编程专用模块【l 】；系统采用d s p 2 以及采用f p g a 3 等。 s f a 指软件模块化程度，也可以认为是软件的可重用性，即软件是否可 以应用于不同的硬件平台上，有如下4 类：无定义空中接口的软件【o 】；硬 件平台上只能够运行一个厂商所提供的软件【l 】；多个厂商的软件均可加载到 硬件平台上，但硬件平台是一个 2 】；多个厂商的软件可加载到多个硬件平台 上 3 】。 按照矢量分布，从4 个尺度均为0 到均为3 ，作者给出了对软件无线电 评价的级别，也是从0 级到3 级，0 级的无线系统的功能是固定的，不能够 被编程；l 级的无线系统在基带是可编程的；2 级的无线系统在中频可编程； 3 级的软件无线电具有可编程的射频，它也是最理想的软件无线电，目前很 多的可编程数字无线电处于级别1 。 从上面的描述可以看出，目前国内外对于软件无线电概念的认识正逐步 加深，不仅无线通信系统中的各个功能模块是用软件实现，同时要求整个系 统中的软件和硬件都应该具有灵活性和开放性，也就是对其“软件”特性提出 了更高的要求【l 州。 2 2 软件无线电的结构分析 软件无线电主要由三大部分组成：即射频处理( 含天线) 前端，高速模数、 数模转换器，数字信号处理单元。在这三部分中，a d ( d a ) 起着最关键的作 用，不同的采样方式将决定射频处理前端的结构，也影响其后数字信号处理 单元的处理方式和对处理速度的要求；a d 的性能也制约整个软件无线电的 性能。对射频模拟信号的采样数字化可以有两种方法，一是基于n y q u i s t 定 理的低通采样；二是带通采样，带通采样又可以用两种方式实现：即射频直 接带通采样和中频带通采样。对应这三种采样方式，软件无线电也有三种组 成结构：射频全宽开低通采样结构、射频直接带通采样结构和宽带中频带通 采样结构1 1 3 】。 2 2 1射频全宽开低通采样软件无线电结构 射频全宽开低通采样的软件无线电，典型结构如图2 - 2 所示1 1 1 。其结构 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 简洁，把模拟电路的数量减少到最低程度，是理想的软件无线电结构。但是 由于从天线进来的信号经过滤波放大后就由a d 进行采样量化，这种结构不 仅对a ，d 转换器的性能提出了非常高的要求，同时对后续数字信号处理单元 的处理速度也要求特别高。例如，磊。，厶。分别为所要求的最低和最高工作 频率( 一般要求厶细s o 1 m h 乏厶。z 2 g h z ) 。根据n y q u i s t 采样定理，则其采样 速率正应满足： 工( 2 1 ) 如果考虑到前置超宽带滤波器的矩形系数，则要求： 石2 ，一 ( 2 2 ) 例如当厶穰g h z ，r = 2 时：石8 g h z 。 即使允许过渡带混叠，最低采样速率也应满足： 石( r + 1 ) 厶矿6 g h z( 2 3 ) 超高 速数 字信 号处 理 图2 - 2 射频全宽开低通采样软件无线电结构 f i g 2 - 2 t h es d r ss t r u c t u r eo f r a d i of r e q u e n c yl o w - p a s ss a m p l i n gi nf u l lb m a d b a n d 如此高采样速率的a d ( d a ) 目前显然是无法实现的，尤其是当需要采 用大动态、多位数( 1 2 位以上的a d ( d ，a ) ) 时就更加困难。而这种前端完全宽 开的软件无线电( 前置滤波器为整个工作带宽) 由于同时进入接收通道的信号 数大幅度上升，对动态范围的要求就更高，给工程实现( 无论是前端放大器， 还是a d 变换等) 带来了极大的难度。所以，这种射频全宽开软件无线电结构 一般只适用于工作带宽不是非常宽的场合，例如短波i - i f 波段 ( o 1 m h z - 3 0 m h z ) 或超短波v h f 波段( 3 0 m h z 1 0 0 m h z ) ，尤其是h f 波段， 根据目前的器件水平采用低通采样软件无线电结构是有可能的，因为此时要 求a d c 的采样速率为1 0 0 m h z 以内，目前的1 4 位a d c 己经达到这样的要 求，基于低通采样的软件无线电组成结构如图2 3 所示。图中采样频率取值 范围为7 5 m i - i z 9 0 m h z ，主要取决于其本身信号带宽和前置滤波器的矩形系 数，滤波器的矩形系数越小，过渡带越窄，对应的采样频率可以选择低一点， 1 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 有利于a d c 的实现，同时可以显著减减轻后续d s p 的负担。因此，前置宽 带滤波器是软件无线电的关键部件之一，它的性能( 如插入损耗，过渡带宽等) 好坏直接影响到整个软件无线电的实现。 d s p ( 软 件) 图2 - 3 短波低通采样软件无线电结构 f i g 2 - 3 t h es d rs t r u c t u r eo f s h o r t w a v el o w - p a s ss a m p l i n g 射频全宽开低通采样软件无线电结构的数字谱如图2 - 4 所示( 为方便起 见，本章图中频率全部用模拟频率表示，而且仅画出正频部分) ，根据n y q u i s t 采样定理可知，由此可见低通采样的a d 数字谱与实际的信号谱是一一对应 的，也就是说进入接收通道的射频信号耐靠j 都可以从与其唯一对应的 a d 数字谱( 石) 中找到。图2 - 4 中，厶“、缸分别表示信号的最低和最高频 率，b 是信号带宽( b = 厶。磊曲，西表示a d 的采样频率。 0 f m i nof s 2 ， 图2 _ 4 射频全宽开低通采样的数字谱 f i g 2 - 4t h ed i g i t a ls p e d n l mo f r a d i o e q 咖c yl o w - p a s ss a m p l i n gi nf u l lb r o a d b a n d 2 2 2 射频直接带通采样软件无线电结构 一般的无线电信号( 如通信信号、雷达信号，遥控遥测信号等) ，其瞬时 所用信道带宽都是比较窄的，例如一般的常规v u h f 战术通信电台其信号带 宽间隔为5 0 k i - i z ，2 5 k h z 或1 2 5 k h z 等，而短波电台的信号带宽就更窄，即 使是扩频信号，其带宽也只有几m h z ，超过几百i v l h z 的信号很少，带通信 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 号的特点为带通采样提供了理论基础。 射频直接带通采样软件无线电结构可以较好地解决上述射频全宽带低通 采样软件无线电结构对a d 转换器、高速d s p 等要求过高以至无法实现的问 题。它在a d 前端采用了带宽相对较窄的电调滤波器，选择所需的信号( 即前 面所述一般带宽不超过几m h z 的带通信号) ，再进行放大和带通采样，这显 然有助于提高接收通道的信噪比，也有助于改善动态范围。这种结构虽然对 a d 采样速率的要求不那么高了，但对其工作带宽的要求还是比较高，或者 说对a d 中采样保持器及放大器的性能要求高。另外，此种结构另一缺陷是 需要多个采样频率，增加了系统的复杂度。系统结构如图2 5 所示【”。 根据带通采样原理，对于一个频带限制在j l - f x 的带限信号，其采样频率 z 满足： ，； f ：堑五：盘2f 24 、 ” 2 疗+ 1 7 式中 n 取能满足z22 ( f u 一无) 的最大正整数。 i ) s p ( 软 件) 图2 - 5 射频直接带通采样软件无线电结构 f i g 2 - 5 t h es d rs t r u c t u r eo f r a d i of r e q u e n c yb a n d p a s ss a m p l i n g 此时，用z 进行采样可以准确恢复原信号。公式( 2 4 ) 用带通信号的中心 频率。 和频带带宽b 也可表示为： ，：! 生 “2 行+ 1 式中 ( 2 5 ) 石= 五专直，n 取能满足z 芝2 b 的最大正整数。 但是，这种带通采样除了需要一个主采样频率正外，还需要m 个“盲区” 1 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 采样频率厶。所谓“盲区”是指由于窄带电调滤波器的特性非理想、存在 过渡带而引起的，如果仅用一个主采样频率进行采样，就会使得过渡带信息 丢失，此时的过渡带就称为“盲区”，因此需要多个辅助采样频率以获得“盲 区”信息。“盲区”采样频率厶( m 卸，1 ，2 ，m 1 ) ，m 值由下式确 定1 2 】： 一 争】 ( 2 6 ) 式中 i n t x 取大于等于x 的最小整数； 厶r 一最高工作频率，例如当厶。产2 g h z ，石= 1 0 0 m h z 时，m = 4 0 ，即 需要4 0 种。盲区”采样频率才能覆盖整个工作带宽。 “盲区”采样频率公式