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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，g s m ，c d m a 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f p g a + d s p 的频谱仪接收机的实 验平台，重点讨论了数字下变频的f p g a 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f p g a 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n i o s 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f p g a 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 f p g ad s p数字下变频 i i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 t h er e a l i z a t i o no f f r e q u e n c ys p e c t r u m a n a l y z e ri n s t r u m e n tb a s e do ns o f t a r er a d i o a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f c o m m u n i c a t i o n ，e s p e c i a l l y t h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，r f f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y z e r a sc o m m u n i c a t i o n m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti nt h er e s e a r c h ，m a n u f a c t u r ea n dm a i n t e n a n c eo ft h e c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ti sn e e d e du r g e n t l y ，a n di t sa p p l i c a t i o ni sw i d e ra n dw i d e r t h ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y z e rs h o u l dh a v es o m ec h a r a c t e r ss u c ha sf l e x i b i l i t y ， o p e n n e s sa n dc o m p a t i b i l i t y t h et r a d i t i o n a ls p e c t r u ma n a l y z e rw a sd i f f i c u l tt or e a l i z e t h e s ef u n c t i o nb u tw ec a ns o l v ei tb yu s e dt h ei d e a lo f s o f t w a r er a d i o t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no ft h er ff r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y z e r t h e a r c h i t e c t u r e so ft h er e c e i v e ra r er fp a s sb a n dd i r e c ts a m p l i n ga n di fp a s s - b a n d s a m p l i n gw i t hh i g h - s p e e da n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e ra f t e rr ft oi fc o n v e r s i o n t h e f i r s tk i n do f a r c h i t e c t u r e si sh a r dt or e a l i z eb e c a u s eo f t h e r e q u i s i t i o no f d e v i c e si st o o h i g h t h e ni t w i l ld os o m eo t h e rd i g i t a lp r o c e s s t h ee v o l u t i o no fp r o g r a m m a b l e h a r d w a r ea n di n c r e a s e d f l e x i b i l i t y v i ai n c r e a s e d p r o g r a m m a b i l i t y h a sb e e n a c c o m p l i s h e db yac o m b i n a t i o no ft e c h n i q u e s t h e s ei n c l u d em u l t i b a n da n t e n n aa n d r fc o n v e r s i o n ，w i d e b a n d a n a l o gt od i g i t a l ( a ，d ) a n dd i g i t a l t o a n a l o g ( d a ) c o n v e r s i o n 1 1 1 i sp a p e rf i r s te x p a t i a t e so nt h et h e o r yo fs o f t w a r er a d i o , d i s c u s s i n gt h e m u l t i - r a t ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g , h i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o n s ，d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r t h e no nt h eb a s i so ft h o s e ，am o d e lo fs o f t w a r er a d i or e c e i v e ri sg i v e n o p e r a t i o n sa r ed e t e r m i n e du s i n gh a r d w a r ew h o s ec o n f i g u r a t i o ni s u n d e rs o f t w a r e c o n t r 0 1 f i n a l l y ，t h ec i r c u i t s i r er e a l i z e dw i mh a r d w a r e ，i no r d e rt op r o v et h ed i s c u s s e d s c h e m e s t h ep a p e rs h o w st h a tt h es o f t w a r er a d i os y s t e mh a st h ef l e x i b i l i t y ，o p e n n e s sa n d c o m p a t i b i l i t yi np r o c e s s i n gt h em u l t i b a n da n dm u l t i m o d es i g n a l ，a n di n d i c a t e st h a t f p g ai se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h es t a n d a r d i z e dd e s i g n i n go fs w rw i t hi t sa d v a n t a g e o f r e c o n f i g u r a t i o na n dp a r a l l e lp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y z e ri n s t r u m e n t d i g i t a l d o w nc o n v e r t e rd s pf p g a 1 1 1 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! 。3 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3 。3 丑盘。 日期：垒塑6 = 3 王。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 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，g s m ，c d m a 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。 s r ( 软件无线电) 也叫做s b r ( 基于软件的无线电) 或者s d r ( 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，s r 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，s r 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。“3 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： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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 ( 3 ) 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f p g a + d s p 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f p g a 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 2 课题目的 ( 1 ) 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； ( 2 ) 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d s p ，a s i c 和f p g a 的应用。f p g a 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； ( 3 ) 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 3 论文期间个人所做的工作 ( 1 ) 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； ( 2 ) 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。 ( 3 ) 学习d s p 软件开发平台( v i s u a ld s p + + ) ，f p g a 开发工具o u a r t u si i ，n i o s 开 发环境； ( 4 ) 学习高速硬件设计理论并用于实践中； ( 5 ) 完成实验板原理图设计、p c b 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 2 1 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m i t r e 公司的j o s e p h m i t o l a 于1 9 9 2 年5 月在国家远程系统会议( 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。 ( 1 ) 软件定义的无线电( s d r ) ：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； ( 2 ) 理想的软件无线电( s w r ) ：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s d r 阶段演变到s w r 阶段的过程中，主要依赖于包括a i d 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； ( 3 ) 自适应智能软件无线电( a i - s r ) ：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。 2 2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p c i 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2 1 所 刁斤： 图2 - 1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p c i 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p c i 局部总线传输给p c i 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2 2 所示。 软件无线电主要由天线，射频前端，宽带a 9 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1 m h z - - x g h z ，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2 - 2 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d s p 软件承担，为了减轻d s p 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d s p 处理，通用 d s p 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2 - 3 所示： 图2 - 3 射频低通采样数字化的理想软件无线电结构 图2 - 3 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d s p 的处理速度要求也非常高。 图2 4 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d s p 的 过高的要求。 这种结构与图2 - 3 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d s p 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2 - 4 射频带通采样软件无线电结构 目前常采用的结构图如图2 - 5 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2 - 5 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。 2 3 软件无线电的特点和关键技术及发展 2 3 1软件无线电的特点 软件无线电是由“a d d s p o 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。“1 ( 1 ) 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 d s p ，a s i c ，f p g a ，c p l d 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。 ( 2 ) 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。 2 3 2 推动软件无线电发展的关键技术及要求 ( 1 ) 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2 2 0 0 0 m h z ，天线就应该能覆盖它的1 0 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。 ( 2 ) 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r f 器件的水平还只能支持2 0 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r f 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r f 模块，例如，高 度小型化的多频段多模式( 邪删) r f 芯片已于2 0 0 3 年投入生产，另一方面，超导 r f 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。 ( 3 ) 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，a d c 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2 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2 5 f m ，而且采样信号动态 范围不小于8 0 d b ，采样精度不低于1 2 位，所以对0 1 2 0 0 0 m i j z 的射频信号进行抽 样时就需要至少5 g h z 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2 0 0 2 年4 月就已经投入商用的6 位a d c 就己经达到了3 2 6 s s 。 ( 4 ) 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d s p 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 d c 送入d s p 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d s p 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d s p 的数据速率，另 一方面要不断提高d s p 的处理能力。目前可行的方案有：采用d s p 并联技术，即使 用多片d s p 并联进行数据处理，提高d s p 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d d c 器件进行数字下变频。另外把现场可编程门阵列 ( f p g a ) 芯片引入到硬件平台，让f p g a 和d s p 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f p g a 具有低功耗、小尺寸、较强的现场可编程性等 优点，让d s p 以软件方式，f p g a 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。 ( 5 ) 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i s a ，p c i ，e i s a ，v e s a 和v 崛等总线标准，其中i s a 总线 和v m e 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1 6 m b ，其总线带 宽仅有几兆赫。而w e 总线数据宽度为3 2 位，地址线共有3 2 位，地址空间有4 6 b ， 总线带宽为几十兆赫。另外v i e 总线结构支持多机并行处理，支持多个不同c p u 之 间的协调工作、共享系统资源，而i s a 总线是单处理器系统总线，处理调度能力 较低，所以v i e 总线是短波软件无线电的首选总线。 ( 6 ) 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( a p i ) ，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( o m g ) 提出了一种基于公共对象请求代理体系结构( c o m m o no b j e c t r e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，c o r b a ) 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 o r b ( 对象请求代理) ，被确定数量的对象用c o r b a 接口来实现即插即用( p l u g p l a y ) ，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s r 和a i s r 的发展。 2 4 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：“1 ( 1 ) 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( i f ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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 l o 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( p s t n ) 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： ( 1 ) 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) 。 ( 2 ) 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) 。 ( 3 ) 灵活的多址方式，多业务，多重组网和接口能力。 2 5 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r f 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i f 、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( s d r ) ；理想的软件无线电( s w n ) 和自适应智能软 件无线电( a i - s r ) 。 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 3 1 接收机设计 3 1 1 接收机的特性 接收机的基本功能是接收小功率的r f 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s d r 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 ( 2 ) 小功率：小于一1 0 7 d b m ( 3 ) 大动态范围：大于一1 5d b m ( 4 ) 频谱：带通，中心频率为8 7 6 - - 5 7 2 5 i 】f l l z 输出( 到数字式子系统) 信号特性如下： ( 1 ) 信号类型i 复信号( i q ) ( 2 ) 频谱：基带，带宽达到2 0 v 珊z ( 3 ) 动态范围：因a g c 的存在而减小，以满足a d c 的要求。 为此接收机应该满足以下几点： ( 1 ) 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b e r 性能。 ( 2 ) 确保大功率的输入信号不会使接收机过载 ( 3 ) 确保附近大功率信号( b l o c k e r s ) 不会影响对需要的信号的检测 ( 4 ) 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( f i x i n g ) 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。 3 1 2 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。 1 ) 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3 - 1 所示。 该接收机有一个低噪声放大器( l n a ) 组成，它以低的噪声系数提供合适的 r f 增益。l n a 的输出信号经过预选滤波器滤波，由复数( i ，q ) 混频器进行下变 图3 - 1 直接下变颊接收机结构图 频。大部分的增益及a g c 有一个高的增益的基带放大器提供。 这种接收机船优点为： ( 1 ) 复杂性低； ( 2 ) 适合集成电路实现； ( 3 ) 要求简单的滤波； ( 4 ) 镜频信号抑制容易( 与多次变频体制相比较而言) 。 缺点为： ( 1 ) 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； ( 2 ) 混频器必须是平衡型的且能够工作在相对宽的频段内； ( 3 ) 通过混频器和l n a 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”d c 偏移是一个需要解决的问题； ( 4 ) 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： ( 5 ) 1 f 噪声是主要问题； ( 6 ) 二阶失真产物混进了“带内”。 2 ) 多次变频体制 多次变频接收机见下图3 2 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3 - 2 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： ( 1 ) 复杂程度高： ( 2 ) 要求多个本地振荡器； ( 3 ) 需要特殊的i f 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i l f 段用硬件 实现，另一级在数字信号处理器( d s p ) 中用软件实现) ，更进一步的变 频可以在d s p 中通过“抽取”和或“子采样( s u b s a m p l i n g ) ”来实 现。这种体制的接收机是目前s d r 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s d r 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r f 硬件级，而其他所 有变频均在d s p 中完成。 3 ) 低i f 体制 采用低i f 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i f 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d c 偏 移问题。 采用低中频体制的优点主要有； ( 1 ) 与直接交频体制有关的d c 偏移问题能够被克服而保留了该体制的大部分 优点 ( 2 ) 比超外差体制的复杂程度低 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 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。 3 2 软件无线电系统设计中t j d 采样 目前较为常用的采样方式有过采样( o v e r s a m p l i n g ) 正交采样( q u a d r a t u r e s a m p l i n g ) 和带通采样( b a n d p a s ss a m p l i n g ) 等。 9 ) 3 2 1 过采样 根据奈奎斯特定理，当f 2 ，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2 丘就是为了保证采样后的信号频谱不重叠，当工= 2 ，眦 时，采样前后的信号频谱如图3 3 所示。 图3 - 3 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5 0 d b ，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2 5 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7 0 h l h z ，l o 艇l z 带宽的中频信号采样，分辨率为1 2 b i t s ， a d 转换器的采样速率需达1 5 0 m s 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 3 2 2 正交采样 正交采样方式如图3 - 4 所示， d s p 处理 正交采样将信号分为3 9 t ，分别与本振的2 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1 2 ，采样速率就可 以降为原来的l 2 ，但其代价是要用2 片相位一致的a d 转换器，这实现起来比较 困难。 3 2 3带通采样 带通采样又叫欠采样( u n d e rs a m p l i n g ) 或谐波采样( h a r m o n i c s a m p li n g ) ，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 2 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2 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( 3 - - 1 ) 珂疗一1 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： 。 2 打立 矗一无 式( 3 2 ) 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。 3 2 4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2 5 m h z ，中频为7 0 m i z 。 采样速率的确定： 在本系统中采取中频带通采样，中频i f = 7 0 m f z ，带宽：b = 2 5 i h z ，则： 最高频率矗= 7 04 - 2 5 1 2 = 8 2 5 m h z 蛀低频率 = 7 0 2 5 2 = 5 7 5 m