（电力电子与电力传动专业论文）基于软件无线电的短波电台设计.pdf

长春工业大学硬上学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt a k e s u pt h e m o s t i m p o r t a n tp o s i t i o n i nm o d e m c o m m u n i c a t i o n sa n di sw i d e l ya p p l i e di nb u s i n e s s ，w e a t h e rf o r e c a s t ，m i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n ， c i v i lc o m m u n i c a t i o na n do t h e rr e g i o n s s o f t w a r er a d i oi san o v e lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s e do nav e r s a t i l ep r o g r a m m a b l ep l a t f o r mt or e a l i z ea l lk i n d so f c o m m u n i c a t i o n sc r i t e r i o n sa n dt om e e tt h en e e do fm a n yi n c r e a s i n gn e wm o l d sa n d f u n c t i o n s r a d i os y s t e m sh a v em i g r a t e df r o ma n a l o gt od i g i t a li ns e v e r a lw a y si n c l u d i n g s y s t e mc o n t r o l l i n gt os o u r c ea n dc h a n n e lc o d i n gt oh a r d w a r et e c h n i q u e s r e c e n tp r o g r e s si n r a d i op r o t o t y p eh a se x t e n d e dt h eh o r i z o n so fr a d i ot e c h n o l o g yb yl i b e r a t i n gc h r o n i c s d e p e n d e n c eo nh a r d - w i r e dc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gf r e q u e n c yb a n d ，c h a n n e lb a n d w i d t h ，a n d c h a n n e lc o d i n g t h e s ee f f o r t sh a v el e d 璐t ot h ef e a s i b i l i t yo fd y n a m i c a l l yp r o g r a m m a b l e r e c e i v e r ss y s t e mo f s o f t w a r er a d i o i nm yd e s i g n ，s i g n a li sp r o c e s s e dd i r e c t l yw i t hs o f t w a r em e t h o db a s e do ns o f t w a r e r a d i oi d e a ，w h i c hr e a l i z e st h ea m s i g n a ld e m o d u l a t i o n t h ed e f i n i t i o no fs o f t w a r er a d i oi s t h a tt h es i g n a li sd i g i t a l i z e da f t e ra n t e n n a ，m a k ea l lp r o c e s s e sp r o g r a m m a b l ea n dm a k ea l l p r o c e s s e sb ed i s p o s e db ys o f t w a r e b u tw i t ht h el i m i t a t i o no fp e r f o r m a n c eo fa da n d p r o c e s ss p e e do fp r o c e s s o r , t h em o r ee f f e c t i v em e t h o d s d r ( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) e m e r g e s ，t h a ti st os a y , s d rr e s e r v e st h ea n a l o gp a r to fh i g hf r e q u e n c y t h ea n a l o gp a r to f s d ri n c l u d e sm i x i n ga n dm a g n i f i c a t i o no fs i g n a lf r o ma n t e n n a i nm y s y s t e m ，i n p u ts i g n a l f r o ma n t e n n ai sf i l t e r e da n dm a g n i f i e da n dt h e nd i g i t a l i z e d t h e d e s i g ni sb a s e do nt h ei d e ao f s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ，s e e k i n gt oe x p l o r et h ep r e l i m i n a r y d e s i g no f t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r er a d i o ，n i o ss o f tc o r ep r o c e s s o ri su s e dt od e s i g ns o f t w a r e r a d i os h o r t w a v er a d i o t h i sp a p e ri sm a i n l yd e s i g n e df o rt h em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n so f s i n g l ei n f a n t r y i nt h i sp a p e r , s o f t w a r er a d i os y s t e mo ft h er a d i oh a r d w a r es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l ew e r er e s p e c t i v e l yd e s c r i b e da n db u i l t i na c c o r d a n c ew i t ht h eo v e r a l lp l a n ，t h eh a r d w a r ed e s i g nr e q u i r e m e n t sw e r e g i v e ni n t h i sp a p e r a n dt h ea n a l o gf r o n t ，a d ，d d c ，d d s ，p r o c e s s o ra n dv o i c ec o d i n gw a sd e t a i l d e s c r i b e da sp a r to f t h ed e s i g n t h ed e s i g n sb a s e do nt h en i o ss o f tc o r e ，a n db a s e do nt h eu s e o ft h ee x t e r n a ld e v i c e sw e r em a d eac o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n a ld e s c r i p t i o n t h ee x t e r n a l d e v i c e sa n dn i o ss o f tc o r ec i r c u i tc o n n e c t i o n sa n dt h es o f t w a r ei n t e r f a c ew e r eg i v e n i nt h e d e s i g n ，t h ep r o c e s s o r sc o n s t r u c t i o na n dg e n e r a t i o nn i o ss o f tn u c l e a rw a sg i v e nad e t a i l e d d e s i g n a tt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , t oc o m p l e t et h ee n t i r ea p p l i c a t i o n ，m a t l a bw a s u s e di ni fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n go f c o m p u t e rs i m u l a t i o n u 长春工业大学硕1 l 学位论文 k e yw o r d s ：，s o f t w a r er a d i o ，s a m p l i n g ，i fd i g i t i z a t i o n ，f p g a ，n i o s 1 1 1 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 峪永也 日期：年月 日 长春工业大学硕上学位论文 第一章绪论 所谓软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ，简称s d r ) ，就是采用数字信号处理技 术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能： 包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等“1 。即整个无线电台从射频、中频、 基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。 其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字模拟”转换器，尽早地 完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现”h ”。总之， 软件无线电是一种基于数字信号处理，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。 1 1 软件无线电技术发展历史 软件无线电概念于1 9 9 2 年被首次提出，其目的就是希望建立开放式、标准化、模 块化的通用硬件平台，将各种功能，如频率、调制方式、数据率、加密模式、通信协 议等都用软件来完成。这样的系统具有很好的兼容性、可升级性和丌放性。由于它与 军方对无线电台的要求十分吻合，能保证通信设备的通用性、兼容性和可升级性，所 以美国军方对软件无线电技术十分重视，并运用这一思想_ 丌始对多波段、多模式无线 电台进行研究。最初由美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 提出了叫s p e a k e a s y 计划 “”1 ”，它覆盖的频段为2 - - 2 0 0 0 m l l z ，不仅要求能实现常规的h f v i t f u i t f 电台，还能与 跳频电台、卫星终端、1 1 号航空数据链、民用蜂窝通信系统等进行语音、数据甚至进 行图像通信。该项目于1 9 9 5 开始研究，主要由波音( b o e i n g ) 和雷神( r a y t h e o n ) 两家公 司负责，第一阶段主要进行软件无线电概念和需求论证研究，随后第二阶段进行了样 机的丌发和演示。该项目首次对软件无线电技术进行了较全面地、系统地研究，为软 件无线电技术的发展打下了基础。 与此同时进行软件无线电技术研究的还有s p e c t r u m w a r 项目和r d r n 计划( r a p i d l y d e p l o y a b l er a d i on e t w o r k sp r o j e c t ) 。前者由美国麻省理工学院进行研究，主要基 于工作站或p c 机对信号进行处理，来实现软件无线通信。由于p c 机的计算处理能力 相对不足，所以即使联合几十台机器来实现分布式处理，能达到的带宽还是十分有限。 但是该研究使得无线电通信系统和其他计算机应用平台变得十分类似，开发和试验软 件十分方便。r d r n 由k a n s a s 大学负责研究，主要针对无线异步传输模式( w i r e l e s sa t m ) 设计，能随无线环境的变化，自适应改变链路层和网络层以实现快速部署的高速无线通 信系统。该项目主要目的是进行无线a t m 协议验证、高级网络配置方法和自适应软件 控制电台的实验。其试验波段为1 3 g h z 、5 3 g h z 和5 8 g h z ，调制方式为m p s k 、速率为 1 m b s - 8 m b s 。 现阶段，软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统巾的应用越来 长春t 业大学硕上学位论文 越成为研究的热点。欧洲的先进的通信技术与业务计划中，有三项计划是将软件无线 电技术应用在第三代移动通信系统中；f i r s t ( 灵活的综合无线电系统和技术) 计划将软 件无线电技术应用到设计多频多模可编程手机。这种手机可自动检测接收信号以接入 不同的网络，且适应不同接续时间的要求；f r a m e s ( 未来的无线宽带多址系统) 计划的 目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足u m t s 要求，方法之一是采用 软件无线电技术 s o r t ( 软件无线电技术) 计划是演示灵活的有效的软件可编程电台， 它具有无线自适应接入功能，并符合u m t s 的标准“”。 我国对软件无线电技术也相当重视，例如我国提出的s c d m a 是一种同步的直接扩 频c d u a ( 码分多址) 技术，它结合了智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编码技术 等通信新技术。另外，软件无线电技术在第三代移动通信中的应用是国家“8 6 3 ”计划 的申请项目之一。 1 1 1 研究软件无线电技术在军事上的意义 首先，现代战争是军事通信高技术的竞争。战术通信是军事通信的重要一环，传 统的战术通信使用了多种通信电台，其频率覆盖h f ，v t l f ，u h f 和s i t f 多个频段，由于 这些电台的调制方式、抗干扰体制、保密体制和编码方式不同，使得不同电台之问的 兼容性和互通能力较差。当部队执行任务时，如果通信系统中的许多设备不具备互操 作性，就阻碍了实现在综合战场上所需要的无缝通信。 在未来的数字化战场上更加需要广泛的系统互操作性，因此互操作性和无缝通信 是军方的一项基本需求。而用s d r 桥接相互之间不兼容系统的能力可以大大增强系统 间的互操作性n ”。 其次，军方传统的新设备长采购周期已经与通信技术的快速进步不相适应，往往 新研制的系统在装备部队之前在技术上就已经落伍了，丽且目前无线通信系统难以用 较低成本进行技术更新，高昂的费用困扰着通过提升功能来翻新旧系统的做法，使军 备水平下降。 s d r 具有通用硬件库，由所下载的软件决定电台功能，能通过修改、增加软件或单 元模块电路快速增添新的功能，因此可以在长时问内保持技术的领先性“”叫”1 。 再次，单用途电台给需要与诸军兵种互连互通的命令与控制中心带来体积、重量 和功耗等方面的问题。即使同时使用的电台仅占总数的一小部分，也需要配备大量的 电台以保证尽可能与所有可能出现的电台对通。软件无线电台兼容大多数现役电台， 在保证性能的前提下，改善系统体积、重量和功耗等方面的要求，减少闲置设备。 最后，随着冷战结束，和平与发展是世界发展的主流，许多西方发达国家不断削 减国防预算，但是通信需求却在不断增加，为了某种用途专门研制一套系统的做法在 经济上已经难以承受，即使负担得起也会导致力量分散。软件无线电充分利用丌放的 民用标准和丰富的商业现货( c o t s ) 进行设计，利用大量的民用资源，能够以富有竞争 2 长春工业大学硕士学位论文 力的价格降低整体费用( 1 i f ec o s t ) 减少电台种类，使国防技术水平保持在飞速发展的 商业技术的b 口端。 ， 软件无线电各方面有详尽的规范定义，并使用了被广泛采用的民用标准，标准化、 模块化程度高，符合即插即用要求，而且兼容大多数现役电台，能满足各军种需求， 是未来军队普遍装备的通信设备，因而市场需求较大，能够规模生产。综上所述，军 用设备的网络化，对经济地采购和维护通信系统的需要，以及足以跟上技术发展的灵 活性的要求，都使得研制一种能真正解决三军互连互通、网问桥接的新一代多频段、 软件可编程、模块化和开放结构的电台己成为各国军方急切解决的问题“”1 例。 1 1 2 研究软件无线电技术在民用上的意义 软件无线电多频段多模式工作，通过软件编程定义电台功能，一部电台能够与大 量现存的应急通信系统通信，所以软件无线电也为解决民用无线通信中的兼容问题提 供了一条途径。 目前，个人移动通信设备尚无法在各种标准如q s 一9 5 、g s m 、a m p s 等) 之间自由切 换。产品的技术复杂度越来越高，即使经过最严格的测试也难免仍然存在问题( b u g s ) ， 软件无线电能通过无线下载软件修下疏漏或增添新功能，不断提高服务质量，而这一 切对用户来说都是透明的。 可以看到，软件无线电是无线通信技术发展的新方向，无论在军事上，还是在民 用方面都有重大的意义，开展这方面的研究工作是极为必要的。 1 2 本章小结 本章提出了目前普遍公认的“软件无线电”的概念，并对其起源做了详细的叙述， 表明了当今软件无线电的发展现状及发展趋势。并且对美国及欧洲等发达国家的软件 无线电的阶段性开发成果做了阐述，指出了其技术在军用、民用上的重大意义。 3 长春工业大学硕上学位论文 第二章软件无线电短波电台的设计方案 2 1 传统无线电结构与软件无线电的对比 从传统的模拟无线电到数字无线电，再到软件无线电，代表了无线电技术发展的 趋势“”。图2 1 给出了这三种系统的结构方框图。对于传统的模拟无线电系统，其射 频部分、上下变频、滤波及基带处理全部采用模拟方式，某个频段、某种调制方式的 通信系统对应专门的硬件结构。数字无线电则是在尽可能靠近射频的地方对整个系统 进行a d ，d a 变换，以a d ，d a 为分界线，系统采用数字电路，如数字频率合成器、 数字下变频器、数字滤波器、数字调制解调器等。但是，系统是采用专用的数字电路， 只能实现单一的通信功能。软件无线电是在数字无线电的基础上，用可编程的数字处 理器件( 如d s p ) 代替专用的数字电路。因此，软件无线电系统的硬件结构与功能相对独 立，这样就可以基于相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并可对工 作频率、系统频带、调制方式等进行编程控制，系统的灵活性大大增加。 在无线电技术的发展过程中，由模拟无线电到数字无线电的转变具有重要的意义， 数字无线电技术不同于模拟无线电，它所实现的功能由算法来实现，数字调制解调算 法的优劣直接影响系统的性能和实时性。软件无线电系统具有很多优势，它不仅适用 于军事通信领域，在民用移动通信领域更有广阔的应用i j 景，实现软件无线电技术的 关键技术包括高速a d 及高速的可编程数字处理器等，目前的软件无线电系统多采用 专用处理芯片与d s p 相结合的方法平衡处理速度与灵活性的矛盾“。 ( a ) 模拟无线电系统结构 ( b ) 数字无线电系统结构 4 长春工业大学硕士学位论文 ( c ) 软件无线电系统结构 图2 1软件无线电与其他无线电系统对比框图 2 2 软件无线电的关键技术 软件无线电的研究还处于起步阶段，许多技术问题需要解决。其中的关键技术有： 【l 叼一l i e 1 、开放式总线结构及实现： 软件无线电的一个重要特点是其开放性，这主要体现在软件无线电所采用的丌放 式标准化总线结构上，只有采用先进的标准化总线，软件无线电才能发挥适应性广， 升级换代方便等特点。在软件无线电的研制丌发过程中，必须逐步形成标准化的硬件 平台，而标准化的总线则是构筑上述平台的奠基石。现有的软件无线电研究和实验系 统中一般采用双总线结构，即：标准总线和自定义的( 或d s p 开发商提供的) 高速数据 总线。标准总线结构，如v m e 总线，p c i 总线等，d s p 丌发商提供的高速数据总线如： p e n t e k 公司的m i x 总线1 。高速数据总线结构则是软件无线电体系结构的关键，目前 还没有形成标准，世界各国都在努力研究，以期得到适合软件无线电高速数据处理的 总线结构标准。 2 、宽带多频段天线： 这是软件无线电的信号出入口，只能靠硬件本身来完成，软件无线电对这部分的 要求包括：天线能覆盖所有的工作频段。关键技术包括：组合式多频段天线及智能化 天线技术；模块化、通用化收发双工技术；多倍频程宽带低噪音放大器方案。 3 、a d 和d a 部分： 软件无线电对a o 和d a 的要求是很高的。对它们的要求主要包括采样速率和位 数。采样速率主要由信号带宽决定，因为软件无线电系统的接收信号带宽较宽，因此 采样速率较高。而现有的a d 还不能同时满足速度与采样位数的要求，除了进一步提 高器件性能外，还需研究多个a d 并联使用的方法。 4 、数字下变频部分： 数字下变频( d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ) d d c 是a d 变换后首先要完成的处理工作， 包括数字下变频、滤波和二次采样，是系统中数字处理运算量最大的部分，也是最难 完成的部分。一般认为，要进行较好的滤波等处理，需要对每个采样点进行1 0 0 次操 长春工业大学硕上学位论文 作。对于一个软件无线电系统来说，若系统带宽为l o m l t z ，则采样率要大于2 5 m h z 。这 样就需要2 5 0 0 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 百万条指令的运算能力， 这是现有的任何单个d s p 很难胜任的，因此一般都将d d c 这部分工作交给专用的可编 程芯片完成”。这样既能保留软件无线电的优点，又有较高的可靠性。能方便地通过 改变控制参数来改变信道的中心频率、带宽和二次采样率，完成从一个宽带信号中滤 出所需的带宽和频率点的多个信号的功能。 5 、高速信号处理部分： 关键技术包括高速数字信号处理器的研制，应用于高速数字信号处理器的实时操 作系统的研制，多处理器并行算法的研究o ”。这部分工作通常用高速数字信号处理器 d s p 完成，这是软件无线电的一个核心部件，但也是一个主要瓶颈。 6 、信令处理部分： 在现在的移动通信系统中，信令部分已经是用软件完成，软件无线电的任务是将 通信协议及软件标准化、通用化和模块化。无线接叁是无线通信的重要内容，其协议 的主体部分是公共空间接口，目前己形成许多不同的标准。因此，当用软件无线电实 现多模块互联时，实现通用信令处理是很必要的。这就需要把现有的各种无线信令按 软件无线电的要求划分成几个标准的层次，开发出标准的信令模块，研究通用信令框 架”一“。 2 3 软件无线电设计方案的选择 随着数字信号处理器技术的发展，无线电台设计经历了从模拟到数字的演变过程， 并因a d c 器件水平的提高，数字化程度越来越高。如何将模拟信号变换为数字信号变 成了实现超越以往无线电台系统的关键之一。根掘a d c 在电台系统结构中所处的位置。 目自d 电台设计方案主要有以下三种方案： 1 、应用a d c 直接在射频端进行模拟数字变换的方案。该方案是理想的无线电台的 设计方案，具有很大的灵活性，但存在如下的问题： ( 1 ) 严重影响电台的选择性和灵敏度，容易造成a d c 超载或丢失弱信号，加上为 降低量化噪声，要求a d c 有很大的动态范围，然而目前条件下，难度很大； ( 2 ) 采样频率疋高，采样孔径抖动引起的信噪比恶化相对严重； ( 3 ) a d c 前的抗混叠滤波器难以适应多频段多制式的要求。 2 、零中频方案。亦称直接变换方案d c r ( d r i e c tc o n v e r t e rr e c e i v e r ) 提出了另 外的一种解决方案。 该方案将r f 信号直接转化到基带上。其优点在于：信号转化的步骤少，能够用简 单的模拟滤波器与d s p 上的数字滤波器级联，有更灵活的调谐范围和更大的信道带宽， 其缺点在于： 6 k 春工业大学硕上学位论文 ( 1 ) 高增益低噪声混频器存在泄漏，实现困难； ( 2 ) 对模拟器件要求有极高的动态范围； ( 3 ) 需要有准确的i 、q 相位平衡； ( 4 ) 直流偏移待消除。 3 、宽带中频数字化方案 该方案是目前切实可行的方案。经过下变频，将射频信号变换为中频i f 信号，在 宽带a d c 前可用一个中心频率固定的高性能抗混叠滤波器滤除带外无用信号，并可在 中放级实现自动增益控制，获得最大信号增益，减轻带内信号过载的可能性。同时， d c 后用数字滤波代替了模拟滤波，提高了系统的灵活性和滤波器的选择性。而且，就 系统的可编程性而言，宽带中频数字化与射频数字化方案相当。宽带中频数字化的特 点是： ( 1 ) 支持多频带多制式大动态范围输入； ( 2 ) 高选择性，高稳定性； ( 3 ) 信号处理链可重组且硬件复杂度低； ( 4 ) 调试周期短，成本低。 宽带中频数字化电台中，a d 变换之前的模拟滤波器是一款带通滤波器，包括多个 信道。a d c 同时对多个信道数字化，用数字滤波的方法，可分离出多个信道，且各个信 道可以是不同带宽的。这种结构灵活性强，且可最大限度的降低硬件复杂度，与传统 电台相比具有极大的优越性。综合以上分析讨论，本设计采用中频数字化接收的方案 是合理可行的。 2 4 软件无线电短波电台的设计结构 软件无线电系统可以带来许多明显的好处。它可以减少系统器件数量，从而减少 无线电系统的造价，尺寸和整体功耗。利用可编程处理器实现无线电系统意味着当系 统增加新的功能或系统进行升级时，不需要重新设计硬件，而设计硬件，特别是高频 电路时往往花费很多的时间和费用。现在只需要编写和装入软件就可以了。这样从整 体上，软件无线电系统灵活，容易修改和升级，相对而言比基于硬件的系统要廉价。 软件无线电技术还具有其他优点：利用数字化技术，系统具有更高的可重复性和稳定 性，在信号处理中，可以用数字化方式完成模拟器件难以完成的一些功能，如可以实 现电路中经常用到的具有尖锐特性和线性相位特性的滤波器等。 宽带中频带通采样软件无线电短波电台的结构组成如图2 2 所示。接收部分结构 与常规的超外差无线电台收讯机是类似的，但两者的本质区别是中频带宽不一样，常 规电台的中频带宽为窄带结构，而图2 2 所示的软件无线电的中频带宽为宽带结构。 由于中频带宽不仅使前端电路( 如本振频率合成器等) 设计得以简化，信号经过接收通 道后的失真也小，而且与常规窄带超外差电台相比，这种宽带巾频结构雨配以后续的 长春工业大学硕士学位论文 数字化处理，使其具有更好的波形适应性，信号带宽适应性以及可扩展性。所以图2 2 所示的这种宽带中频带通采样软件无线电从结构形式上看似乎与常规窄带超外差电台 没有多大区别，但这种软件无线电台从性能上将会有质的飞跃，是窄带系统所无法达 到的。 射频r f悃咽一 天线、一部分 ii 天线盯段 高燕处理段低速处理段 图2 2软件无线电短波电台结构框图 语音 调整 由图2 2 所示的组成结构，这种软件无线电电台的射频前端( a d 前的预处理电路) 比较复杂，它的主要功能是把射频信号变换为适合于a d 采样的宽带中频信号通过相 对复杂的射频前端把高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信号后，给 后续的高速a d 采样数字化大大减轻了负担。这时不仅不需要超高速采样，而且使a d 设计大大简化，这是射频前端复杂性所带来的好处。在a d 器件无法满足要求的情况 下，增加点复杂性也是值得的，况且这种宽带射频| j i 端与窄带超外差前端相比还是 相对要简单一些，无疑是近期软件无线电一种较可行的设计方案。1 5 - - 3 0 m l t z 射频信 号被射频天线感应接收以后，先进行预选和低噪声放大，然后通过混频器与一个可调 谐本振混频，滤波放大后产生一个中频信号，通过抗混叠滤波后作为高速模拟数字变 换器( a d c ) 的模拟输入信号，模拟自动增益控制( a g c ) 可以提高电台的输入信号动态范 围。a d c 通过采样将模拟信号数字化，并将量化后的信号送到数字下变频器( d d c ) ，数 字下变频器完成数字化频谱搬移、降采样，最后用数字滤波抑制带外能量，并将数据 传送给通用数字信号处理器，用通用数字信号处理器进一步完成信号的分路、同步等 功能。解调的信号经过低速d a 转换芯片还原成语音音频信号。同样道理，语音信号 经过低速a d 送入处理器进行分路、调制经过d u c 、高速d a 送到射频部分完成语音的发 送。相比之下语音的接收较为复杂。 对于电台软件发射机部分，有以处理器加数字下变频为硬件核心及以处理器加 d d s 为硬件核心的2 种软件无线电发射机。处理器加数字上变频方案运用了数字正交调 制技术、数字上变频技术及多速率转换技术。随着器件处理能力的提高，最终所有这 些技术都能在处理器中用软件编程来实现。那么这种方案的发射机就近似于理想的软 件无线电发射机。它的缺点是：在目前器件技术水平上。发射机受数字上变频器( d u c ) 性能的限制，降低了发射机的灵活性。处理器加d d s 方案的优点是运用了直接数字频 氏春工业大学硕上学位论文 率合成技术。处理器与d d s 结合起来实现多模调制功能，方法简单易行、软件编程灵 活。缺点是由于d d s 本身电路结构的问题其输出杂散成份丰富，从而对发射机的性能 影响较大，需要采用专用的措施来抑制“杂散”，提高性能。但在目前我们的技术条件 和经济状况，这种方案仍不失为一种切实可行的h f 软件无线电发射机方案，本论文设 计即采用了这一方案。 2 5 本章小结 本章首先把软件无线电台与传统的无线电台进行了对比，阐明了应用软件无线电 思想设计电台的先进性，并且重点指出了软件无线电在设计过程中所要面对和解决的 关键技术问题，为后续具体设计打下基础。在列举现有软件无线电台的设计方案后， 折衷选取了切合实际可行的设计方案，并且具体阐述了本软件短波电台的设计结构， 为下一章设计奠定了基础。 9 长春工业大学硕上学位论文 第三章软件无线短波电台的硬件电路设计与软件实现 硬件电路的实现是检验理论的最有效的方法，由于篇幅和技术重点所在，接收部 分是本系统的论述重点。本系统是基于软件无线电中频带通采样，使用专用数字上下 变频芯片进行设计的，具体要实现模拟上下变频、采样、数字上下变频、信号处理、 模拟输入输出、编码转换还原等功能。这罩针对相应的重点部分加以论证实现。 3 1 硬件整体实现方案 软件无线电接收机的整体电路设计包括： 1 ：模拟前端利用3 s k l 6 5 、a d 8 3 1 、a d 6 0 3 模块实现射频信号的模拟下变频，将信号 变换到中频； 2 ：高速a d 中频带通采样及数字下变频、数字合成器，此部分用a d 6 6 4 0 、a d 6 6 2 0 、 a d 9 8 5 1 实现； 3 ：模拟音频信号编码输入、输出，调整，此部分用w c l 4 l c 5 4 8 0 、0 4 4 0 1 实现； 4 ：高速d a 转换，此部分用t l v 5 6 1 9 实现： 5 ：软件无线电短波电台系统框图如图3 1 所示： 图3 1 软件无线电短波电台系统框图 3 2 模拟前端的设计 随着a d 及d s p 器件性能的提高，目前，在短波频段内对信号进行直接射频数字 化已经不存在问题，但对a d 之前的全频段中心频率连续可调抗混叠滤波器要求较高， 实现起来有一定难度，成本也相对较高，故目前在短波频段现实的做法仍然是采用外 差模式。 短波数字接收机模拟前端的设计，主要是根据所给出的接收机性能指标，重点考 0 长春1 = 业大学硕j 二学位论文 一 虑灵敏度与动态范围，而其它性能指标，如镜向抑制比、中频抑制比、倒易混频、三 阶截获点以及带外衰减等都受灵敏度和动态范围的影响，并与具体器件的性能有关， 在做总体方案设计时可暂不考虑。灵敏度和动态范围的设计主要涉及到d 口端的总体增 益、总的噪声系数和a g c 动态范围的确定。”。 3 2 1 模拟前端增益的分配 模拟体制接收机前端增益的确定原则是：保证解调器输入端一定信噪比( 即对电 台前端噪声系数的要求) 情况下，把灵敏度信号电平放大至解调器工作门限。而对中 频数字化接收机来说，由于中频信号先进行a d 变换，解调由数字信号处理器件中的 软件算法完成，因此前端增益必须保证足够大，理论上应使灵敏度附近的微弱信号电 平加上接收机噪声电平，在a d 的输入端至少大于一个a d 变换器量化电平。 模拟前端主要模块器件的选择，系统性能指标主要是灵敏度和动态范围，丽在选择 器件时，我们主要考虑的性能指标是噪声性能、三阶截点以及各种干扰的抑制性能等。 这罩我们主要讨论三个模块器件的选择。 1 ，低噪声放大器( l n a ) l n a 位于接收部分的前端，所以要求它的噪声系数越小越好；同时为了抑制后面各 级器件噪声对系统的影响，还要求它有一定的增益；但l n f i 本身是个宽带放大器，考 虑到输入输出匹配以及带内平坦度，增益又不宜过大，根据我们的设计，增益控制在 l o d b 1 5 d b ，同时具备一定的a g c 能力，a g c 范围在0 d b l o d b 。 基于以上几点考虑，我们选择了s o n y 公司生产的双栅场效应管3 s k l 6 5 来完成l n a 的设计。它是n 沟道，工作电压8 v ，功率0 1 5 w ，该产品在室温测试下具有极小的 噪声系数1 2 d b ，工作频带可达8 0 0 m h z ，最高增益为2 0 d b ，器件指标满足设计要求。 通过改变增益控制栅对源极的电压，可使l n a 的增益在o d b 1 0 d b 范围内变化。 图3 23 s k l 6 5 的电路连接图 长春工业大学硕上学位论文 2 、混频器 混频器在广播、通信、电视等外差式设备及频率合成设备中具有广泛的应用，它是 用来进行信号频率变换并可保持调制性质不变的电路组件，其性能对整个系统有着举 足轻重的作用，a d 8 3 1 是a d 公司生产的低失真、宽动态范围的单片有源混频器，它的外 围电路简单、动态范围大、失真小，且输入输出方式多样，使用灵活方便，是性价比高的 混频器。 在采用一次变频方案的短波数字接收部分中，混频器是相当关键的一个环节，直 接影响整机的灵敏度、隔离度、三阶截点、各种干扰抑制性能以及动态范围等重要性 能指标。我们在设计中选择了a d 8 3 1 。 表3 1a d s 3 1 的引脚功能说明 引脚名称功能引脚名称功能 l v p正电源 1 1l o p 本振输入 2i f n 混频级电流输出 1 2 v p 正电源 3 a n 输出放人器负输入端 1 3 g n d 地 4g n d 地 1 4 一b i a s 偏置输入 5v n 负电源 1 5v n 负电源 6r f p 射频输入 1 6o u t输出放人器输出 7r f n 射频输入 1 7v f b 输山放人器反馈输入 8v n 负电源 1 8c ( 瑚 输山放器输山公共端 9 y p正电源 1 9a p输山放人器止输入端 1 0l o n 本振输入 2 0i f p混频级电流输 同没有放大器的混频器相比，它不仅省去了对大功率本振驱动器的要求，而且避免 了由大功率本振所带来的屏蔽、隔离等问题。a d 8 3 1 的本振和射频输入频率可达到 5 0 0 m h z ，中频输出方式有两种差分电流输出和单端电压输出，在采用差分电流输出时， 输出频率可达2 5 0 m h z ；采用单端电压输出时，输出频率大于2 0 0 m t t z 。a d 8 3 1 既可用双电 源供电也可以用单电源供电，双电源供电时所有端口均可采用直流耦合，因而可由用户 根据需要通过外围电路控制电源功耗。a d 8 3 1 采用2 0 脚p l c c 封装，表3 1 是它的引脚 功能说明。 2 长春工业大学硕士学位论文 图3 3a d s 3 1 的电路连接方式 a d 8 3 1 由混频器、限幅放大器、低噪声输出放大器和偏置电路等组成，主要用于h f 和v l t f 接收机中射频到中频的频率转换等场合。a d 8 3 1 采用双差分模拟乘法器混频电路， 具有+ 2 4 d b m 三阶交叉点，且三阶互调失真小，同时有l o d b m 的l d b 压缩点，线性动态范围 大，本振输入信号仅需一l o d b m ，满足我们的设计要求。 3 、中频放大模块 模拟前端的增益及动态范围主要靠中频放大模块提供。它是一个窄带放大器，容 易将增益做得高一些，但我们采用的是一次变频方案，在一个频点附近也不可能把增 益做得太高，否则容易自激1 。在我们的设计中将中频增益定为5 6 d b ，a g c 动态范围 ( - 1 4 d b 5 6 d b ) 。我们选用了摩托罗拉公司的低噪声可变增益放大芯片单片窄带电路 芯片m c 3 3 7 1 。m c 3 3 7 l 有以下特点： 1 ：宽工作电压范围：2 肛_ 9 0 v ； 2 ：极限灵敏度：- 3 b b ( 典型值) ； 3 ：低功耗( 在v c c = 4 o v ，静噪电路关闭时耗电仅为3 2 m a 典型值 ) ： 4 ：当静噪电路封锁时，最小的消耗电流； 5 ：信号电平指示器具有6 0 d b 的动态范围； 6 ：最高的工作频率达i o o m h z ； 7 ：少量的外接元件； 鉴壹三些盔兰堡生竺堡堡苎 j 一1 8 ：d i p l 6 、t s s o p - 1 6 和s 0 - 1 6 三种封装形式。 m c 3 3 7 1 能提供低噪声，在高稳定性前提下具备较宽的工作电压范围，满足本设计 要求。m c 3 3 7 1 在本设计中的连接电路图如图3 4 所示 v 图3 4m c 3 3 7 1 的l 乜路连接方式 3 3 中频放大a d 采样模块， a d 转换器在系统中所处的位置是很关键的，因为它直接反映软件化的程度，对理 想的软件无线电而言，a d 转换器的动态范围必须为l o o d b 1 2 0 d b ，最大信号输入频 率在1 g h z s g h z 之间，目前器件发展水平很难实现这些技术指标，即使实现了这些指 标，如此大的数据量也是后面的处理器无法承担的，所以折衷的方案就是进行中频采 样”一。 n o 转换器的选择既要考虑a d 转换器的性能又要考虑能满足系统所要求的动态 范围和性能指标。评价a d 转换器的性能指标主要有a d 转换位数、无寄生动态为 ( s f d r ) 、信噪比( s n r ) 、转换速率、量化灵敏度等。一般来晚a d 转换器的转换位数 越多越好，转换位数越多，其动态范围就越商。”。 为软件无线电短波电台选择a d 时，主要考虑a d 转换器的性能指标，如转换灵 敏度、信噪比、有效转换位数、孔径误差、无寄生动态范围等。 1 4 长春工业大学硕士学位论文 3 3 1a d 6 6 4 0 性能和工作原理 本系统选取a n l o gd e v i c e 公司的a d 6 6 4 0 ，典型应用包括c e l l u l a r p c s 基站，多 通道多模式接收机，g p s 抗干扰接收机、通信接收机、相控阵接收机等。其主要性能指 标如下： 1 ：单电源5 v 供电，功耗7 1 0 m w ； 2 ：1 2 b i t 采样数据输出； 3 ：3 3 vc m o s 兼容输出； 4 ：8 0 d b 无寄生动态范围； 5 ：采样速率高达6 5 m h z ； 6 ：i f 采样的频率可达7 0 m t l z 。 a d 6 6 4 0 模拟转换器采用两级转换模式，这种设计方法可以在低功耗下满足1 2 位的 精度，从功能框图可以看出，a d 6 6 4 0 有互补的两个模拟输入引脚a i n 与a i n 。每个模 拟输入都是以+ 2 4 v 基准为中心，并围绕这个基准电压可以有o 5 v 的摆幅波动。因为 a i n 和a i n 是1 8 0 0 反相，所以差分模拟输入信号可有2 v 的峰值。 在第一个跟踪保持放大器前，有两个模拟输入的缓冲放大器。当e n c o d e 脉冲处 于高电平时，置t h l 为保持模式。t h i 的保持值被加到一个6 位的粗转换a d c 电路上。 粗转换a d c 的数字输出驱动一个6 位d a c ，该d a c 精度为1 2 位。6 位d a c 输出t h 3 输 出端，被t h 2 输出的模拟值减去，以便产生一个剩余差信号。t h 2 作模拟流水工作是为 了抵消前一个6 位a d c 产生的延迟。剩余的差信号在下一个时钟周期通过保持放大器 t h 3 ，经放大后由7 位精转换a d c 电路产生7 位数据代码a 6 位粗转换代码与7 位精转换 代码在数字纠错逻辑中合并加以校正，产生1 2 位输出代码，以二进制补码方式输出， 输出逻辑与c