第三章软件无线电结构

1、第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 软件无线电的基本结构软件无线电的基本结构 常见的几种软件无线电接收机数学模型常见的几种软件无线电接收机数学模型 常见的几种软件无线电发射机数学模型常见的几种软件无线电发射机数学模型 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.1 软件无线电的三种结构形式软件无线电的三种结构形式 n软件无线电的宗旨：软件无线电的宗旨： （1 1）尽可能地简化射频模拟前端，使）尽可能地简化射频模拟前端，使A/DA/D转换转换 尽量靠近天线，数字化后的信号尽量多用软尽量靠近天线，数字化后的信号尽量多用软 件处理。件处理。 （2 2）硬件平台应具有开放性、通用性，软件应）硬

2、件平台应具有开放性、通用性，软件应 具有可升级性，可替换性。具有可升级性，可替换性。 n软件无线电可分为三大组成部分：软件无线电可分为三大组成部分： 射频处射频处 理前端理前端 A/D D/A 数字处数字处 理软件理软件 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.1 软件无线电的三种结构形式软件无线电的三种结构形式 n基于采样方式的不同，软件无线电的组基于采样方式的不同，软件无线电的组 成结构可以分成以下成结构可以分成以下3 3种：种： 1 1）射频全宽带低通采样软件无线电结构）射频全宽带低通采样软件无线电结构 2 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 3 3

3、）宽带中频带通采样软件无线电结构）宽带中频带通采样软件无线电结构 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n组成结构如图所示：组成结构如图所示： 双工器双工器 超宽带超宽带 滤波器滤波器 超宽带超宽带 放大器放大器 超高速超超高速超 宽带宽带A/D 分波段分波段 滤波器滤波器 超宽带功超宽带功 率放大器率放大器 超高速超超高速超 宽带宽带D/A 超高超高 速速 DSP 软件软件 minmax ffmax 2 s ff 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 这种结构的优缺点这种结构的优缺点 n优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电 概念的定义。概念

4、的定义。 n缺点缺点： （1）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动 态、多位数的态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件水平时，显然目前的器件水平 无法实现。无法实现。 （2）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范 围有很高的要求，工程实现极为困难。围有很高的要求，工程实现极为困难。 所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 例：短波例：短波HFHF频段低通采样软件无线电结构频段低通采样软件无线电结构 n对于工作频段处于对于工作

5、频段处于0.1MHz到到30MHz范围的范围的HF 就可能采用上述结构，因为采样频率在就可能采用上述结构，因为采样频率在 100MHz左右精度为左右精度为14位的位的AD已基本能满足要已基本能满足要 求。求。 双工器双工器 滤波器滤波器放大器放大器A/DA/D 滤波器滤波器功放功放D/AD/A DSPDSP 软件软件 :75 90 s fMHzMHz0.1MHz30MHz 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.1.2 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 n组成结构如图所示：组成结构如图所示： 双工器双工器 窄带电调滤窄带电调滤 波器波器 放大器放大器 A/D

6、功功 放放 “0”内插上内插上 变频变频 D/A DSP 软件软件 0 0 /4 /4 S mSm ff ff (2n+1) (2m+3) m / SS ff 窄带电调窄带电调 滤波器滤波器 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 本结构说明本结构说明 n本结构采用了射频直接带通采样原理。本结构采用了射频直接带通采样原理。 n这种带通采样除了需要一个主采样频率这种带通采样除了需要一个主采样频率fs外，还需外，还需 要要M个个“盲区盲区”采样频率采样频率fsm(m= 0,1,2M-1)，M 值由下式确定：值由下式确定： 式中，式中，INTx表示取大于等于表示取大于等于x的最小整数。的最小整数。

7、 n盲区采样频率为：盲区采样频率为： ，式中，式中，m = 0, 1,2,M-1对应盲区号。对应盲区号。 max 2 s f MINT f 22 23 Sms m ff m 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n主采样频率主采样频率fs的确定主要取决于的确定主要取决于A/D器件的性能；器件的性能； 另外，还要考虑与后续另外，还要考虑与后续DSP的处理速度相匹配。的处理速度相匹配。 为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率 fmax一定的情况下，一定的情况下， fs应尽量选高。应尽量选高。 n本结构对本结构对A/D器件的要求是器件的要求是A/D需有足

8、够高的工需有足够高的工 作带宽。作带宽。 n优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不 同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有A/D 的采样速率不同；最后就是对的采样速率不同；最后就是对DSP的处理速度要的处理速度要 求不同。实现可行性较强。求不同。实现可行性较强。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的 A/D（高性能采样保持放大器）实现起来还是（高性能采样保持放大器）实现起来还是 有相当的难度。另外，本结构需要多个采样频有相当的难

9、度。另外，本结构需要多个采样频 率，增加了系统实现复杂度。率，增加了系统实现复杂度。 因此，我们将介绍下面一种软件无线电结构因此，我们将介绍下面一种软件无线电结构 宽带中频带通采样软件无线电结构。宽带中频带通采样软件无线电结构。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.1.3 宽带中频带通采样软件无线电结构宽带中频带通采样软件无线电结构 n组成结构如图所示：组成结构如图所示： 分波段分波段 滤波器滤波器 功功 放放 高高 放放 双工双工 器器 一本一本 振振 一中一中 放放 滤滤 波波 A/D D/A DSP (软软 件件) fs f0/4 s (2n+1)f 放放 大大 放放 大大 一

10、本一本 振振 二中二中 放放 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 本结构说明本结构说明 n本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的 中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结 构。构。 n本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接 收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化 处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽 适应性以及可扩展性。适应性以及可扩展性。 n本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将

11、射本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射 频信号转换为适合于频信号转换为适合于A/DA/D采样的宽带中频或把采样的宽带中频或把 D/AD/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。输出的宽带中频信号变换为射频信号。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.1.4 三种软件无线电结构的等效数字谱三种软件无线电结构的等效数字谱 n低通采样的软件无线电结构的数字谱：低通采样的软件无线电结构的数字谱： min f max f/2 s f f ( ) D Xf 图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画了图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画了 正半频率。正半频率。 第三章软件无线电结构第三章软件无线

12、电结构 n宽带中频带通采样的数字谱：宽带中频带通采样的数字谱： 由带通采样定理，采样速率由带通采样定理，采样速率 与中频与中频 满满 足条件：足条件： 其其ADAD采样数字谱采样数字谱 如下图如下图1 1所示，图所示，图2 2为中频信为中频信 号模拟频谱号模拟频谱 ： S f 0 f 0 (21) 4 S f fn D X A X 图图1 1 /4 S f B0 /2 s f f ( ) D Xf D X D X 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 图图2 2 ( ) D Xf 0 /4 S ff B0 0 /4 s ff f A X A X 0 f 当上式中当上式中n为偶数时，数字谱和

13、模拟谱的对应为偶数时，数字谱和模拟谱的对应 关系为关系为 ；当；当n为奇数时对应关为奇数时对应关 系系 。所以，无论。所以，无论 n 取确定的何取确定的何 值，带通采样的数字谱与原始模拟带通信号谱也值，带通采样的数字谱与原始模拟带通信号谱也 是一一对应，只是根据不同的中频选取不同的数是一一对应，只是根据不同的中频选取不同的数 字模拟对应关系而已。字模拟对应关系而已。 , DADA XXXX , DADA XXXX 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n射频直接带通采样技术射频直接带通采样技术 为消除因前置跟踪滤波器和不理想而产生的为消除因前置跟踪滤波器和不理想而产生的 采样采样“盲区盲区

14、”，需要多个采样频率，其中包括一，需要多个采样频率，其中包括一 个主采样频率个主采样频率 fS和和M个个“盲区盲区”采样频率采样频率 fSm。 主采样时的数字谱和射频信号谱分别如下二图。主采样时的数字谱和射频信号谱分别如下二图。 /4 S f B0 /2 s f f ( ) D Xf D X D X 图图1 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取 决于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器决于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器 （其中心频率设为（其中心频率设为 f fcent cent）位于偶数频段，满足： ）

15、位于偶数频段，满足： 00 (21)(21) 4242 SS cent fBfB nfn B0 f A X A X 0 f cent f cent f 跟踪滤跟踪滤 波器波器 ( ) A Xf 图图2 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 射频直接带通采样还存在射频直接带通采样还存在“盲区盲区”采样频带。采样频带。 “盲区盲区”频带的中心频率频带的中心频率 f0m由下式定：由下式定： 式中，式中，fS 为主采样频率，为主采样频率，m为为“盲区盲区”频带号频带号(m = 0,1, M-1)，其数字谱和射频信号谱如下图所示，其数字谱和射频信号谱如下图所示 0 1 2 mS m ff / 4 S

16、m f/ 2 sm f B0 f ( ) D Xf D X D X 图图1 B0 f A X A X 0 f cent f cent f 跟踪滤跟踪滤 波器波器 ( ) A Xf图图2 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 “盲区盲区”采样数字谱与采样数字谱与“盲区盲区”频带信号频带信号 谱的对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置，谱的对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置， 当其位于偶数当其位于偶数(m=0,2,4,6,(m=0,2,4,6,) )“盲区盲区”时，其对时，其对 应关系为：应关系为： 当其为于奇数当其为于奇数 (m=1,3,5,7,(m=1,3,5,7,) )“盲区盲区”时

17、，时， 其对应关系为：其对应关系为： 所以，无论主采样还是所以，无论主采样还是“盲区盲区”采样都可以采样都可以 用一个等效的基带数字谱来唯一地表示射频信号，用一个等效的基带数字谱来唯一地表示射频信号， 只要确知前置滤波器在射频频带上所处的位置。只要确知前置滤波器在射频频带上所处的位置。 , DADA XXXX , DADA XXXX 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.2 软件无线电接收机数学模型软件无线电接收机数学模型 软件无线电接收机相对发射机而言结构比软件无线电接收机相对发射机而言结构比 较复杂，涉及内容多，所以首先介绍两种接收较复杂，涉及内容多，所以首先介绍两种接收 机数学模

18、型。机数学模型。 1 1）单通道软件无线电接收机数学模型）单通道软件无线电接收机数学模型 2 2）并行处理思想）并行处理思想 3 3）并行多通道软件无线电接收机数学模型）并行多通道软件无线电接收机数学模型 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.2.1 单通道软件无线电接收机数学模型单通道软件无线电接收机数学模型 n在同一时刻只能接收所选择的一个信道的信号在同一时刻只能接收所选择的一个信道的信号 进行接收解调分析。进行接收解调分析。 n射频信号经过不同形式的射频信号经过不同形式的AD采样数字化后，形采样数字化后，形 成了统一的基带数字谱成了统一的基带数字谱 ，对，对 处理的处理的 目的就

19、是如何从中提取出有效带宽目的就是如何从中提取出有效带宽 内信号载内信号载 频为频为 的信号的信号 S(n)。 n任何一种调制形式的信号都可以分解出同相分任何一种调制形式的信号都可以分解出同相分 量和正交分量，用它们完全可以描述该给定信量和正交分量，用它们完全可以描述该给定信 号的特征，而对信号进行接收解调的目的实际号的特征，而对信号进行接收解调的目的实际 就是提取这两个正交分量。就是提取这两个正交分量。 ( ) D Xf( ) D Xf 0 B 0 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 1 1）数字混频法的实现如图所示：）数字混频法的实现如图所示： () j LP He () j LP H

20、e 0 cos()n 0 sin()n S (n)I (n) Q(n) 图中的低通滤波器图中的低通滤波器 主要用来滤除主要用来滤除I(n)和和 Q(n)频谱分量以外的不需要的信号。低通滤波器频谱分量以外的不需要的信号。低通滤波器 的通带截止频率的通带截止频率 应为应为I(n)和和Q(n)频谱分量中对应频谱分量中对应 的最高频率，而滤波器的阻带截止频率的最高频率，而滤波器的阻带截止频率 应小于应小于 信道间隔的一半，以消除邻道干扰的影响。信道间隔的一半，以消除邻道干扰的影响。 () j LP He P f A f 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 经过分析可知，通过低通滤波后得到的基带经

21、过分析可知，通过低通滤波后得到的基带 正交信号正交信号I(n)、Q(n)不再是带宽为不再是带宽为 的信号，的信号， 而是带宽为而是带宽为 的信号，而且的信号，而且 ，所以可，所以可 以对以对I(n)、Q(n)进行进行D 倍抽取，抽取因子倍抽取，抽取因子D 由下式由下式 确定：确定： 如下图所示：如下图所示： () j LP He () j LP He 0 cos()n 0 sin()n S (n) I (m) Q (m) D D 2 S f A f 2 S A f D f 2/ sA ff 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 在上图中，低通滤波器和后续的抽取器一起在上图中，低通滤波器和后

22、续的抽取器一起 构成了一个标准的抽取系统，该抽取系统可以通构成了一个标准的抽取系统，该抽取系统可以通 过多相滤波结构来实现，以降低对滤波器吞吐率过多相滤波结构来实现，以降低对滤波器吞吐率 的要求。如果抽取因子的要求。如果抽取因子D 很大，需要用多级抽取很大，需要用多级抽取 来实现，如下图：来实现，如下图： X (n) 1( ) j H e 1( ) j H e 0 cos()n 0 sin()n I(m) Q(m) D1 D1 2( ) j H e 2( ) j H e D2 D2 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 图中共采用了图中共采用了M级抽取，每级的抽取因子分级抽取，每级的抽取因

23、子分 别为别为Dm( m = 1, 2, , M ), 总共抽取因子为：总共抽取因子为： 1 M m m DD 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 2 2）另一种是基于多相滤波正交化处理的实现方案，）另一种是基于多相滤波正交化处理的实现方案， 其数学模型如下图所示：其数学模型如下图所示： AD 1( ) j H e 0 cos() n 0 sin() n 2 2 1 Z X(t) 0 4 (21) S f f n () j Q H e I (m) Q (m) D D ()I m ()a m ()Q m ( )m ()f m 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n本结构模型对采样振荡

24、器的要求比较高，它必须本结构模型对采样振荡器的要求比较高，它必须 根据信号的中心频率根据信号的中心频率 能精确地预置到带通采样能精确地预置到带通采样 公式：公式： n这种结构模型必须首先确知在哪个信道上有信号。这种结构模型必须首先确知在哪个信道上有信号。 其潜在问题是需要一个搜索或监视接收机的专用其潜在问题是需要一个搜索或监视接收机的专用 设备对全频段进行搜索监视，如果搜索速度不够设备对全频段进行搜索监视，如果搜索速度不够 快，就会遗漏或丢失信号。快，就会遗漏或丢失信号。 n通常，软件无线电采用宽带带通采样，采样的数通常，软件无线电采用宽带带通采样，采样的数 据包含多个信道的信息，如何同时处理

25、这些信息？据包含多个信道的信息，如何同时处理这些信息？ n引入并行多通道处理理论和软件无线电信道化结引入并行多通道处理理论和软件无线电信道化结 构模型。构模型。 0 f ) 12/(4nff os 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.2.2 传统并行多通道软件无线电接收机传统并行多通道软件无线电接收机 数学模型数学模型 n传统的并行多通道接收机数字模型是通过多个并传统的并行多通道接收机数字模型是通过多个并 联的单通道接收机来实现的。联的单通道接收机来实现的。 n在宽带采样后，多个信道的信号周期延托到第在宽带采样后，多个信道的信号周期延托到第1 1 NyquistNyquist频带内，

26、其载波频率发生了变化。频带内，其载波频率发生了变化。 n在每个信道处理时通过先乘上载波搬移到零中频，在每个信道处理时通过先乘上载波搬移到零中频， 然后滤波进行抽取得到各信道的数据流。然后滤波进行抽取得到各信道的数据流。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 并行多通道处理理论并行多通道处理理论 )(X )( fA f 宽宽 带带 采采 样样 )(X 各各 个个 信信 道道 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 并行多通道处理并行多通道处理 1 cos()n 1 sin()n cos() Ln sin() Ln 2 sin()n 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.3 信道化接

27、收机数学模型信道化接收机数学模型 n上一节介绍的两种结构模型只能对单个信号或上一节介绍的两种结构模型只能对单个信号或 有限几个信号进行解调接收，必须首先确知在有限几个信号进行解调接收，必须首先确知在 哪个信道上有信号。哪个信道上有信号。 n这种结构的潜在问题是需要一个搜索或监视接这种结构的潜在问题是需要一个搜索或监视接 收机的专用设备对全频段进行搜索监视，如果收机的专用设备对全频段进行搜索监视，如果 搜索速度不够快，就会遗漏或丢失信号。搜索速度不够快，就会遗漏或丢失信号。 n因此，本部分讨论基于多相滤波器组的信道化因此，本部分讨论基于多相滤波器组的信道化 接收机就可以实现全概率的信号截获。接收

28、机就可以实现全概率的信号截获。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.3.1 数字滤波器组与信道化基本概念数字滤波器组与信道化基本概念 n数字滤波器组是指具有共同输入，若干个输出数字滤波器组是指具有共同输入，若干个输出 端的一组滤波器，如下图所示。端的一组滤波器，如下图所示。 h 0 (n) h1 (n) h K-1 (n) x (n) y0 (n) y1 (n) yK-1 (n) n显然除显然除h0 (n) 可能是低通滤波器外，其他的数字可能是低通滤波器外，其他的数字 滤波器都是带通滤波器或单边带滤波器。滤波器都是带通滤波器或单边带滤波器。 D D D 第三章软件无线电结构第三章软件

29、无线电结构 复信道化滤波器组概念复信道化滤波器组概念 n如果这如果这K个滤波器是把宽带信号个滤波器是把宽带信号S(n)均分成均分成K 个子频带信号输出，那么就把这种滤波器叫做个子频带信号输出，那么就把这种滤波器叫做 信道化滤波器。信道化滤波器。 D/ () j K He 2+1+0D-1 D-2 0D/3D/D/3 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n可以得到滤波器组的各个滤波器可以得到滤波器组的各个滤波器 D ni j lp nTj lpi t DT i j lp tj lpi D i j lp j i enhenhnh ethethth DieHeH 2 2 ) 2 ( )()()

30、( )()()( , 2 , 1)( 0 0 n先设计一低通滤波先设计一低通滤波 器，如右图所示：器，如右图所示： 0 )( j lp eH D/2 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 复信道化滤波器组设计复信道化滤波器组设计 n显然以上滤波器组可以表示如下，这就是传统显然以上滤波器组可以表示如下，这就是传统 的并行处理算法实现框图，其中：的并行处理算法实现框图，其中： No Image ( ) LP Hn ( ) LP Hn 0 jn e 1 jn e x (n) D D ( ) LP Hn 1D jn e D 1, 2, 1 , 0/2DiDi i 第三章软件无线电结构第三章软件无线

31、电结构 实信道化滤波器组概念实信道化滤波器组概念 n如果在正频率段用如果在正频率段用K个滤波器是把宽带实信号个滤波器是把宽带实信号 S(n)均分成均分成K个子频带信号输出，就构成了实个子频带信号输出，就构成了实 信道化滤波器。信道化滤波器。 D/ () j K He 3+2+1+1- 2- 0D/2D/D/2 3- 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n可以得到滤波器组的各个滤波器可以得到滤波器组的各个滤波器 )sin()( )cos()()(2 )sin()( )cos()()(2 , 2 , 1 2 1 )( )()( D ni nh D ni nhnh t D i tht D i

32、thth DieHeHeH lplpi lplpi D i j lp D i j lp j i n先设计一低通滤波先设计一低通滤波 器，如右图所示：器，如右图所示： 0 )( j lp eH D/ D/ 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实际实信道化滤波器组设计实际实信道化滤波器组设计 n在实际应用以上滤波器组可以用更简单的表示，在实际应用以上滤波器组可以用更简单的表示， 构成传统的并行处理算法实现框图。构成传统的并行处理算法实现框图。 No Image 1, 2 , 1 , 0/ )cos()()( DiDi tthth i ilpi 其中： ( ) LP Hn ( ) LP Hn

33、x (n) D D ( ) LP Hn D )cos(t i )cos(t i )cos(t i 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n这种滤波器组把整个采样频带（这种滤波器组把整个采样频带（ ）划分成）划分成 若干个并行的信道输出，使得信号无论何时何若干个并行的信道输出，使得信号无论何时何 地（信道）出现，均能加以截获，并进行解调地（信道）出现，均能加以截获，并进行解调 分析，所以它具备了全概率截获的能力，是侦分析，所以它具备了全概率截获的能力，是侦 收跳频、收跳频、“突发突发”以及自适应通信信号的理想以及自适应通信信号的理想 接收机。接收机。 n本结构的缺点是：当信道数多时，本结构的

34、缺点是：当信道数多时，D值会很大，值会很大， 低通滤波器的阶数可能会很大，实现效率很低。低通滤波器的阶数可能会很大，实现效率很低。 下面介绍高效的实现方法。下面介绍高效的实现方法。 0 S f 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.3.2 基于基于DFT滤波器组的信道化接收机数学滤波器组的信道化接收机数学 模型（复信道化处理）模型（复信道化处理） n上面数字滤波器组和后面进行的抽取可以借助上面数字滤波器组和后面进行的抽取可以借助 多相分解算法减少运算量。多相分解算法减少运算量。 l D li j lp l iii D ni j lpi lnxelh lnxlhnhnxny enhnh

35、)()( )()()()()( )()( 2 2 抽取后：抽取后： l D li j lp mDn ii lmDxelhnymy)()()()( 2 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 基于基于DFT滤波器组的并行处理滤波器组的并行处理 nhlp (l )多相分解表示：多相分解表示： l =l*D +k，k = 0, 1, D-1 代入：代入： 1 0 2 * 1 0 * )(2 * * * * )()( )()()( D k D ki j l lp D kl D kDli j lpi ekDlmxkDlh kDlmDxekDlhmy )()( 1, 1 , 0)()()( * * *

36、kmDxmx DkzkDlhzEl k l l lplpk n由定义可知有：由定义可知有： 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 基于基于DFT滤波器组的并行处理滤波器组的并行处理 n代入上面两个定义式：代入上面两个定义式： 1 0 2 , 1 0 2 * )( )()()( * D k D ki j ki D k D ki j l klpki emy elmxlmy * * )()( )()()( * * , l klpk l lpki lmxl kDlmxkDlhmy n其中：其中： 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 基于基于DFT滤波器组的并行处理滤波器组的并行处理 nElp

37、k (z )为为hlp (l )多相表示，而多相表示，而xk (m)为为x (n) 的多的多 路延迟抽取的结果，因此处理结构为：路延迟抽取的结果，因此处理结构为： D 1 Z 1 Z )( 0 zE )( 1 zE )( 1 zED D D )( 0 mx )( 1 mx )( 1 mxD )(nx )( 0 , myi )( 1 , myi )( 1, my Di 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 基于基于DFT滤波器组的并行处理滤波器组的并行处理 n最后通过最后通过yi,k(m)计算计算yi(m)，是通过，是通过DFT运算来运算来 完成，具有高效特性：完成，具有高效特性： D 1

38、Z 1 Z )( 0 zE )( 1 zE )( 1 zED D D )( 0 mx )( 1 mx )( 1 mxD )(nx)( 0, myi )( 1 , myi )( 1, my Di DFT )( 0 my )( 1 my )( 1 myD 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 讨论与教材上的推导之不同？ n主要区别是信道划分的不同主要区别是信道划分的不同 D/ () j K He 2+1+0D-1 D-2 0D/3D/D/3 本教案本教案 D/ () j K He D-1D/2+1D/2-1 0 0 D/ 教材：教材：D为偶数为偶数 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 讨

39、论与教材上的推导之不同？ n主要区别是信道划分的不同主要区别是信道划分的不同 D/ () j K He D-1(D-1)/2 0 0 D/ 教材：教材：D为奇数为奇数 1, 1 , 0)()( )()()( ) 2 1 ( 2 2 0 Dienhnh enhenhnh n D i D j lpi D ni j lp nTj lpi 教材： 教案： 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 讨论与教材上的推导之不同？ Dh0(m) h1(m) hD-1(m) D D Z-1 Z-1 Z-1 DFT y0(m) y1(m) yD-1(m) 0( ) x m 1( ) x m 1( )D xm S

40、(n) m or) 1(1 m or) 1(1 m or) 1(1 D D j D e )1( 1 ) 1( D j e 1 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 讨论与教材上的推导之不同？ n仔细学习书上分析（五十分钟），合上书自仔细学习书上分析（五十分钟），合上书自 己推出上面图示的基于己推出上面图示的基于DFTDFT滤波器组的并行处滤波器组的并行处 理的表达式。理的表达式。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n同样引入多相滤波结构，到实信道化并行接收同样引入多相滤波结构，到实信道化并行接收 机数学模型中，可推导如下：机数学模型中，可推导如下： 3.3.3 基于基于DCT滤波器

41、组的信道化接收滤波器组的信道化接收 机数学模型（实信道化处理）机数学模型（实信道化处理） l lp l iii lpi lnx D li lh lnxlhnhnxny D ni nhnh )()cos()( )()()()()( )cos()()( 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化实信道化DCT滤波器组处理滤波器组处理 l lp Dmn ii lDmx D li lhnymy)2()cos()()()( 2 nhlp (l )多相分解表示：多相分解表示：l = l*2D + k，k = 0, 1, , 2D-1 代入：代入： n按照按照2D抽取比抽取后：抽取比抽取后： 12

42、0 * 12 0 * * * 2 )2 cos2)()2( )22( )2( cos)2()( * * D kl lp D kl lpi D ki kDlmxkDlh kDlDmx D kDli kDlhmy 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化实信道化DCT滤波器组处理滤波器组处理 n由定义可知有：由定义可知有： 12 , 1 , 0)2()( )2()()( * * * DkkDmxmx zkDlhzEl k l l lplpk n代入上面两个定义式：代入上面两个定义式： 12 0 , 12 0 * 2 )2 cos)( 2 )2 cos)()()( * D k ki D k

43、l klpki D ki my D ki lmxlmy 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化实信道化DCT滤波器组处理滤波器组处理 n其中：其中： * * )()( 2)()2()( * * , l klpk l lpki lmxl kDlmxkDlhmy 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化实信道化DCT滤波器组处理滤波器组处理 nElpk (z )为为hlp (l )多相表示，而多相表示，而xk (m)为为x (n) 的的 多路延迟抽取的结果，因此处理结构为：多路延迟抽取的结果，因此处理结构为： 2D 1 Z 1 Z )( 0 zE )( 1 zE )( 12

44、zE D 2D 2D )( 0 mx )( 1 mx )( 12 mx D )(nx )( 0 , myi )( 1 , myi )( 12, my Di 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化实信道化DCT滤波器组处理滤波器组处理 n最后通过最后通过yi,k(m)计算计算yi(m)，是通过，是通过DCT运算来运算来 完成，具有高效特性：完成，具有高效特性： 2D 1 Z 1 Z )( 0 zE )( 1 zE )( 12 zE D 2D 2D )( 0 mx )( 1 mx )( 12 mx D )(nx)( 0, myi )( 1 , myi )( 12, my Di DCT

45、)( 0 my )( 1 my )( 12 my D 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化实信道化DCT滤波器组接收机数学模型滤波器组接收机数学模型 讨论：讨论： n以上计算的信道输出中只有前以上计算的信道输出中只有前D个是对应信道个是对应信道 的输出的输出yi(m)。 n其他处理方法：其他处理方法： 1）如教材上将实信道看成复信道，借助复信）如教材上将实信道看成复信道，借助复信 道的处理方法。道的处理方法。 D/ () j K He 3+2+1+1- 2- 0D/2D/D/2 3- 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化的实信道化的DFT滤波器组接收机模型滤波器组接

46、收机模型 Dh0(m) h1(m) hD-1(m) D D Z-1 Z-1 Z-1 DFT y0(m) y1(m) yD-1(m) 0( ) x m 1( ) x m 1( )D xm S (n) 2/ ) 1( mjm e D D j D e )1( 1 ) 1( D j e 1 2/ ) 1( mjm e 2/ ) 1( mjm e 2 2 2 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 实信道化实信道化DCT滤波器组接收机数学模型滤波器组接收机数学模型 讨论：讨论： n其他处理方法：其他处理方法： 2）先将实信道进行正交处理成复信号，再借）先将实信道进行正交处理成复信号，再借 助复信道的处

47、理方法。此时信道带宽为原助复信道的处理方法。此时信道带宽为原 来实信号的一半，故来实信号的一半，故 2D 抽取。抽取。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n软件无线电的发射机的基本组成结构为：软件无线电的发射机的基本组成结构为： n本节将讨论本节将讨论 3 种不同的发射机结构：种不同的发射机结构： n单通道发射机数学模型单通道发射机数学模型 n多通道发射机数学模型多通道发射机数学模型 n信道化发射机数学模型信道化发射机数学模型 3.4 软件无线电发射机数学模型软件无线电发射机数学模型 基带基带 调制调制 上变频上变频功率功率 放大放大 天线或天线或 介质介质 第三章软件无线电结构第三章

48、软件无线电结构 3.4.1 单通道软件无线电发射机模型单通道软件无线电发射机模型 n任何一个无线电信号均可表示为：任何一个无线电信号均可表示为： 式中，式中， 分别表示该信号的幅度调制信息分别表示该信号的幅度调制信息 和相位调制信息，和相位调制信息， 为信号载频。为信号载频。 n对上式进行数字化，可得：对上式进行数字化，可得： 式中，式中， 为采样间隔，上式可简化为：为采样间隔，上式可简化为： 0 ()()cos2() SSSS S nTa nTf nTnT 0 ( )( )cos2( )S ta tf tt ( ), ( )a tt 0 f 1/ SS Tf 0 ( )( )cos( )S

49、na nnn 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n为便于进行信息调制，通常进行正交分解：为便于进行信息调制，通常进行正交分解： 式中式中: n也就是说，给定任何一种调制方式，就可以计算也就是说，给定任何一种调制方式，就可以计算 出相应的两个正交分量出相应的两个正交分量I (n), Q (n)，然后分别与，然后分别与 两个正交本振两个正交本振 相乘并求和，即可得相乘并求和，即可得 到调制信号到调制信号S (n)。 00 ( )( )cos()( )sin()S nI nnQ nn ( )( )cos ( ),( )( )sin ( )I na nn Q na nn 00 cos() si

50、n()nn、 正交正交 调制调制 信号产生信号产生 I(n) Q(n) 0 cos()n 0 sin()n S(n) 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n由于两个正交基带信号由于两个正交基带信号I(n)、Q(n)的带宽仅为信的带宽仅为信 号带宽，为使产生的基带信号与后面的采样速率号带宽，为使产生的基带信号与后面的采样速率 相匹配，在进行正交调制之前必须通过内插把低相匹配，在进行正交调制之前必须通过内插把低 数据速率的基带信号提升到采样频率上，整个实数据速率的基带信号提升到采样频率上，整个实 现过程如下图。本结构又称基频发射机。现过程如下图。本结构又称基频发射机。 基带基带 正交正交 信

51、号信号 产生产生 I(m) Q(m) 0 cos()n 0 sin()n S(n) I I I(n) Q(n) 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n如何用目前中低速采样率的发射机来产生更高如何用目前中低速采样率的发射机来产生更高 频率的信号：频率的信号：1）利用模拟上变频的办法来实现。）利用模拟上变频的办法来实现。 2）采用内插技术实现数字上变频。）采用内插技术实现数字上变频。 n内插技术的基本原理：设调制模型产生的数字内插技术的基本原理：设调制模型产生的数字 谱为：谱为： 对对S(n)进行进行I倍内插倍内插 后的信号谱为：后的信号谱为： 0 /2 S ff S(f ) 0 /2 S

52、ff Sl(f) S f(1)/2 S If /2 S If 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n用带通滤波器滤出第用带通滤波器滤出第m次镜频，就相应得到了次镜频，就相应得到了 载频为载频为m倍于基带载频倍于基带载频(m=1)的高频信号。的高频信号。 基带基带 正交正交 信号信号 产生产生 I(m) Q(m) 0 cos()n 0 sin()n S(n) I1 I1 I2 FIRDA S(t) 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n数字带通滤波器实现起来比较困难，可以采用数字带通滤波器实现起来比较困难，可以采用 下面的模拟域滤波方案：下面的模拟域滤波方案： 电电 调调 滤滤 波波

53、 器器 基带基带 正交正交 信号信号 产生产生 I(m) Q(m) 0 cos()n 0 sin()n S(n) I1 I1 I2 DA S(t) 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n上面结构对上面结构对DA转换器的要求相当高，为避免内转换器的要求相当高，为避免内 插给插给DA带来的负担，可以设想把零内插移至带来的负担，可以设想把零内插移至 DA之后通过模拟接零开关来实现，如下图：之后通过模拟接零开关来实现，如下图： 零点零点 电电 调调 滤滤 波波 器器 基带基带 正交正交 信号信号 产生产生 I(m) Q(m) 0 cos()n 0 sin()n S(n) I1 I1 DA S(t

54、) 开关说明：接地时间开关说明：接地时间 接信号时间接信号时间 1 (1) S IT T I 2S TTI 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.4.2 多通道软件无线电发射机模型多通道软件无线电发射机模型 n本结构其实就是多个单通道发射机构成的并行本结构其实就是多个单通道发射机构成的并行 发射机。发射机。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 Q2(m) 2 cos()n 基带正交基带正交 信号产生信号产生 I2(m) 2 sin()n S2(n)I I 基带正交基带正交 信号产生信号产生 I1(m) Q1(m) 1 sin()n S1(n)I I cos() Ln 基带正交基带

55、正交 信号产生信号产生 IL(m) QL(m) sin() Ln SL(n)I I 1 cos()n DA 镜频滤镜频滤 波器波器 S(t) 零点零点 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 n本结构可以同时发射的多个信号只能位于单通本结构可以同时发射的多个信号只能位于单通 道的某个频段内，即下面的频段内：道的某个频段内，即下面的频段内： 12 (1),., 22 SS L ff mfffm 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.5 信道化软件无线电发射机模型信道化软件无线电发射机模型 n前面的两种结构模型只能对单个信号或有限几个前面的两种结构模型只能对单个信号或有限几个 信号进行调

56、制发射，如果信道数比较多，则多通信号进行调制发射，如果信道数比较多，则多通 道方案就显得过于复杂。道方案就显得过于复杂。 n信道化模型不仅能同时发射整个处理带宽（信道化模型不仅能同时发射整个处理带宽（0 fs）内所有信道上的信号，而且运算效率高，实）内所有信道上的信号，而且运算效率高，实 时处理能力强，结构简单。时处理能力强，结构简单。 n本结构核心同信道化接收机，都是基于多相滤波本结构核心同信道化接收机，都是基于多相滤波 来实现的，通过内插的方式。来实现的，通过内插的方式。 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3.5.1 发射机信道化的基本概念发射机信道化的基本概念 n全信道化发射的原

57、理说明全信道化发射的原理说明 1）对对i 个待发射基带复信号个待发射基带复信号mi(t)进行频率为进行频率为fs 的采样，得到的数字谱如下图所示：的采样，得到的数字谱如下图所示： 0( ) M I/ I/ 1( ) M I/ I/ 1( )i M I/ I/ 2）对）对 进行进行I倍内插和滤波后得到的数字倍内插和滤波后得到的数字 谱为下图所示：谱为下图所示： ( ) i M 0( ) M 1( ) M 1( )i M 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 3）然后分别用移频因子）然后分别用移频因子 把基带移至把基带移至 处，如处，如 下图所示：下图所示： k jn e k 其中其中 由下式

58、确定：由下式确定： k 21 () 2 k I k I ( )Y 0( ) M 1( ) M 0 1 1i 2 / I 4 / I 2 /I 0 1( )i M 为了简化，修改移频方法如下图所示：为了简化，修改移频方法如下图所示： ( )Y 0( ) M 1( ) M 1 1i 0 1( )i M 2 I k k 2 第三章软件无线电结构第三章软件无线电结构 整个频谱搬移实现过程可以如下图：整个频谱搬移实现过程可以如下图： m0(k) I I m1(k) Iml-1(k) h(n) h(n) h(n) 0( ) m n 1( ) m n 1( )l mn y0(n) y1(n) yl-1(n) 0 jn e 1 jn e 1i jn e y(n) 内插上变频内插上变频 DA 镜频滤镜频滤 波器波器 S(t) 零