【优秀硕士论文参考】认知无线电实验终端的软件设计和OFDM导频辅助信道估计算法的实现

1、硕士学位论文认知无线电实验终端的软件设计和OFDM导频辅助信道估计算法的实现申请人： 学科专业：信息与通信工程指导教师： 2008年05月Software Design of Cognitive Radio Experimental Terminal and Implementation of OFDM PSAM Channel Estimation论文题目：认知无线电实验终端的软件设计和OFDM导频辅助信道估计算法的实现学科专业：信息与通信工程申请人： 摘 要 本研究得到国家高技术研究发展计划（“863”计划）项目（编号：2005AA123940）;陕西省自然科学基金资助项目（2006F41

2、）；陕西省科技攻关计划项目（2005K04-G11）资助。认知无线电(Cognitive Radio，CR)是一种用于提高无线通信频谱资源利用率的技术，为了对认知无线电的理论方法和礼仪协议进行更深入的实验评估和研究，项目组在第一版实验系统的基础上，研制了第二版认知无线电实验系统。论文主要完成了第二版认知无线电实验系统中的基带和中频部分的软件设计，实现了基于OFDM的无线通信功能，并在实验系统中实现了OFDM导频辅助的信道估计算法。论文首先介绍了认知无线电实验系统的设计目标，总体结构和性能指标。接着介绍了实验终端上/下变频器件和D/A器件的软件配置，分析并解决了频谱翻转，子载波镜像，高频子载波幅

3、度衰减等问题。论文设计了基带和中频各模块间的软件接口，包括接收通道下变频器件与同步模块、DSP与同步模块、DSP与译码模块间的接口，保证数据能够正确传输。然后介绍了DSP片内外设的配置情况以及一些初始化配置。之后对如何提高系统有效数据率作了讨论，列出了实现过程中所能达到的技术参数。随后在总结常见的OFDM导频辅助信道估计方法的基础上，论文给出了适合实验系统的信道估计实现方案，完成了算法的DSP实现，通过对程序的时间和空间复杂度的分析，表明算法能够满足系统设计的时序要求。最后论文设计了闭环测试程序，并在FDD工作方式下对误比特率进行了测试和分析，验证了实现方案能够满足系统设计的传输质量要求。论文

4、提到的认知无线电实验终端软件设计已完成并调试成功，系统能够正常工作。实现了OFDM导频辅助信道估计算法，算法能够满足系统设计的时序和传输质量要求。关 键 词：认知无线电实验系统；正交频分复用；信道估计；DSP论文类型：应用研究Title: Software Design of Cognitive Radio Experimental Terminal and Implementation of OFDM PSAM Channel EstimationSpeciality:Information and Communication EngineeringApplicant:Kun NiuSupe

5、rvisor:Associate Prof. Xinmin LuoABSTRACT Funded by“The research was supported by the Hi-tech Rearch and Development Program of China (“863”Plan)(NO.2005AA123910)“,“The Nature Science Fundation of Shaanxi Province(NO.2006F41)”,“The Science and Technology Plan Foundation of Shaanxi Province(NO.2005K0

6、4-G11)”.Cognitive Radio is a smart technology used to improve the utilization of spectrum resource.In order to verify not only the theory of Cognitive Radio technology, but also the etiquette and protocol of Cognitive Radio, we designed a new cognitive radio experimental system. This thesis mainly f

7、ocuses on software design of the baseband and IF of the receiving module,the implementation of wireless communication of the second edition CR experimental system and the implementation of OFDM channel estimation based on the second edition CR experimental system.The content of the thesis can be sum

8、marized as follows:Firstly,design object,total stucture,and parameters of CR experimental system were introduced.Secondly,the software configuration of IF devices was introduced,then the thesis analysized the reasons of spectrum flip,subcarrier mirror, high-frequency attenuation of subcarrier.The de

9、sign of interfaces between modules of baseband and IF,such as the interface between receiving module and sync module,the interface beween DSP and sync module and the interface between DSP and decoding module,was proposed.Through these interfaces data can be transmitted smoothly.Then the configuratio

10、n of DSP was introduced.Then the thesis discussed how to improve the data race.Thirdly, on the basis of the introduction of common OFDM PSAM channel estimation,the thesis introduced an implementation method of channel estimation for the CR experimental system and completed the DSP implementation of

11、the algorithm. The time and space complexity of the algorithm was analysized.The result is that the algorithm can meet the timing requirements.Through the closed-loop test program,the BER was tested and analysized.The result is that the method can match the transmission quality requirements of the s

12、ystem.Software design of CR terminal has already been finished.The system can work normally.The implementation has already been finished too,and the conclusion that the algorithm can match the timing and quality requirements of the system is made.KEY WORDS: Cognitive radio experimental system; OFDM;

13、 Channel estimation; DSPTYPE OF THESIS: Applied Research目 录1 绪论1 选题意义及应用背景1 国内外研究现状分析1 本文研究的主要工作和结构安排32 认知无线电系统概述5 认知无线电系统的设计目标5 认知无线电实验系统的总体结构5 认知无线电实验系统的网络拓扑结构5 认知无线电终端6 认知无线电实验系统参数7 本章小结83 认知无线电实验终端中频和基带模块的软件设计9 中频器件的配置9 发送模块中频器件的配置9 接收模块中频器件的配置14 基带和中频各模块间的接口设计193.2.1 GC1012B与同步模块的接口19 同步模块与DSP的

14、接口20 译码模块与DSP的接口213.3 DSP的初始化设置22 外部存储器接口23 扩展的直接存储器访问23 中断24 通用输入/输出外设25 关于提高有效数据率的讨论26 本章小结284 OFDM信道估计技术29 无线信道特性29 大尺度衰落29 小尺度衰落304.2 OFDM信道估计33 发送端导频的选择与插入33 接收端导频位置信道信息获取34 数据子载波位置信道信息获取36 本章小结385 OFDM信道估计在认知无线电系统中的实现39 实验系统整体对接结构39 实验方案设计和参数的确定405.3 OFDM信道估计的设计与实现42 在时域纠小数倍频偏435.3.2 FFT变换45 块

15、状导频作信道估计46 分散导频作信道估计49 算法复杂度和性能分析49 复杂度分析49 性能分析51 本章小结536 总结与展望54 总结54 展望54致 谢56参考文献57声明CONTENTS1 Preface11.1 Topic Signifacance and Background11.2 Status quo of the Research11.3 Main Work and Structure in the Dissertation32 Summary of Cognitive Radio System52.1 Designing Goals of CR Experimental S

16、ystem52.2 Structure of CR Experimental System5 Network Topology Structure5 CR Terminal62.2.3 Parameters of CR Experimental System72.3 Brief Summary83 Software Design of IF and Baseband Modules of CR System93.1 IF Devices Configuration9 Send Module IF Device Configuration9 IF Receiver Module Device C

17、onfiguration153.2 Design of Baseband and IF Interfaces between the Various Modules19 Design of Interface between GC1012B and SYNC Module20 Design of Interface between SYNC Module and DSP20 Design of Interface between Decoding Module and DSP213.3 DSP Configuration22 External Memory Interface Design23

18、 EDMA Configuration23 Interrupt Configuration24 GPIO Configuration253.4 Discussion on the Improvement of Effective Data Rate263.5 Brief Summary284 Research of OFDM Channel Estimation Method294.1 Characteristics of Wireless Channel29 Large-scale Decline29 Small-scale Decline304.2 OFDM Channel Estimat

19、ion334.2.1 Pilot Insertion Method in Send Module33 Channel Estimation of Pilot Subcarrier34 Channel Estimation of Data Subcarrier364.3 Brief Summary385 Implementation of Channel Estimation in CR System395.1 Structure of the Experimental docking System395.2 Design Expermental Method and Parameters405

20、.3 Design and Implementation of OFDM Channel Estimation42 Correct the Frequency Offset in Time Domain43 FFT45 Correct the Frequency Offset in Frequency Domain46 Channel Estimation by Scattered Pilot495.4 Algorithm Complexity and Performance Analysis495.4.1 Algorithm Complexity Analysis495.4.2 Perfor

21、mance Analysis515.5 Brief Summary536 Conclusions and Suggestions546.1 Conclusions546.2 Suggestion54Acknowledgements56References57Declaration在每一章的末尾插入下一章的MathType的章标记（打印前将其字体颜色变为白色，在打印预览中看不见即可）：1 绪论1.1 选题意义及应用背景无线频谱是一种珍贵的自然资源，它的分配利用通常是由无线电法规部门确定的。目前世界各国采用的是基于静态频带分配的原则和方案。近年来，通信界普遍认识到，静态频带分配是造成当前频谱资源日

22、趋缺乏的一个主要原因。2002年11月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了一项由Spectrum-Policy Task Force提交的旨在有效管理美国频谱资源的报告1。该报告明确指出：“在许多频带，频谱的准入是一个比频谱资源本身稀缺更加重要的问题，很大程度上由于法规限制了这些频谱上的潜在用户获得准入。”事实确实如此，如果审视各类地域的频谱占用率，将会发现一些频带在绝大多数时间是未被占据的；一些频带是部分时间被占据的；而另外一些频带则是被密集使用的2。这种频谱利用不均的情况引导通信业界研究人员去思考“频谱空穴”（Spectrum Holes）3这样一个崭新概念，即“一个频谱空穴是分配给授权用

23、户的频带，但是，在某一指定时间和空间，在授权用户不占用这一频带的情况下，此频带可以被其他用户使用。”这样，频谱资源的潜在利用率可以得到明显提高。为了解决当前这种低效率的频谱管理方式与不断增长的频谱资源需求之间的矛盾，瑞典的Joseph Mitola博士于1999年在软件无线电的基础上，提出了认知无线电（Cognitive Radio, CR）的概念。认知无线电技术相应的被认为是未来探索频谱空穴特性、高效利用无线频谱的主要手段。为了对认知无线电的理论方法和礼仪协议进行深入的研究和实验评估，项目组设计了认知无线电实验系统。认知无线电实验系统通信采用OFDM调制方式，在无线传输环境中，信道的时域与频

24、域响应是时变的；多径引起的频率选择性衰落在不同的子载波上也表现出衰落的不一致性，从而导致OFDM符号各个数据子载波上出现畸变的不均匀性。为了达到高速率的数据传输，需要在OFDM系统中使用正交幅度调制（如16QAM，64QAM等）等调制方式，为了保证系统的性能不受信道多径和衰落效应的影响，就需要采用信道估计的方法跟踪信道响应的变化。信道估计的目的就是估计出信道的时域或频域响应，对接收到的数据进行校正和恢复，以获得相干检测的性能增益，并提高数据传输速率。1.2 国内外研究现状分析 “认知无线电”这个词最早由Joseph Mitola在1999年提出4-6。他描述了认知无线电怎样通过一种称作“无线电

25、知识表达语言（RKRL）”的新语言来提高个人无线业务的灵活性。随后，Mitola的博士论文5这样描述认知无线电：无线数字设备和相关的网络在无线电资源和通信方面具有充分的计算智能来探测用户通信需求，并根据这些需求来提供最适合的无线电资源和无线业务。这被认为最终会演进成一个扩展的软件无线电平台一个能够根据网络或（和）用户要求完全重新配置通信功能、参数的无线黑盒子。在Mitola的认知无线电中，在作出改变运行参数的决定的时候，无线节点和网络观察到的每一个可能的参数都被考虑到，所以Mitola的认知无线电通常被称为“全认知无线电”。然而，到目前为止，这样的认知无线电还没有被实现过。当今的无线网络采用的

26、是固定频谱分配政策，即无线频谱资源的规划和使用是由政府部门制定的，收发机对它的使用需要得到政府的许可。然而，各国的无线电法规制定部门，比如美国联邦通信委员会（FCC）发现无线频谱资源并没有得到充分利用7,8。FCC 2003年底的NPRM8指出目前分配出的频段利用率是从15%-85%不等，某些频带如移动 网络的频带是超负荷的，但是诸如业余无线电等相当多频段并没有得到充分使用。并且，频谱利用率在不同的空间和时间段也是不同的。然而，纵然拥有频谱使用批准的授权用户很少使用分配给他们的频段，法规也限制了那些潜在的、但不具备使用许可的用户的准入。尽管固定频谱分配政策在过去很有效，但在最近几年，无线业务急

27、剧增长，对有限的频谱的需求也随之剧增，这就挑战了传统频谱政策的有效性。有限的可利用频谱及频谱利用率的低下等问题使得一种全新的、优化使用频谱的无线通信模式变得十分必要。因此，研究一般认为动态频谱接入（Dynamic Spectrum Access）是解决目前频谱低效利用的有效技术。人们开始考虑允许未授权用户在对授权用户不产生任何干扰的情况下来使用已分配的许可频段。这样一种无线通信也被称作认知无线电。由于这种认知无线电仅仅以无线频谱为关注对象，因此被称作频谱感知认知无线电（Spectrum Sensing Cognitive Radio）。如今，人们对认知无线电的研究绝大多数仍旧集中在频谱感知认知

28、无线电上尤其是研究利用电视广播（TV）频段进行通信，尽管认知无线电最初被认为是基于软件无线电的扩展（Mitola的认知无线电）。认知无线电必然会改变传统的无线电频谱资源分配制度。认知无线电系统中的认知无线电用户可以根据获取的频谱使用情况智能的改变所使用的频谱资源，从而可以大大提高频谱利用率。认知无线电技术的一个难点是认知无线电用户如何感知周围无线环境。早期的方法是认知无线电用户周期性的对所有可以使用的频谱资源进行扫描。然而这种操作即费时又耗能，并且不具有实用性。Oliver Holland等人提出了资源感知信道的概念（Resource Awareness Channel,RAC）9。RAC是一

29、个固定频率的随机接入通用信道，所有使用认知无线电频谱资源的无线电用户在RAC上传输频谱资源利用的信息。利用这种方法，每个认知无线电用户可以监听RAC，然后判断如果改变发送的频谱资源会对区域内无线电用户所造成的影响。而且这种方法是可扩展的，它不仅可以用于频谱资源的分配，如果容量和技术允许，它也可以应用于其它资源的分配，例如时隙（TDMA）和码片（CDMA）。目前国际上对认知无线电研究大多基于Fatih Capar等人给出的一种简单，容易实现的认知无线电的定义10，即认知无线电用户可以检测出某个频段的授权用户是否正在发射信号，如果有则认为有授权用户在使用该频段，如果没有则认为可以利用这个频段来进行

30、通信；同时认知无线电用户还必须保证，在它使用授权频段的过程中，一旦发现授权用户重新开始工作，则能够立即停止对该频段的使用，对授权用户产生尽可能小的干扰。正交频分复用(OFDM)是公认的易于实现频谱资源控制的传输技术，而认知无线电系统的主要特征是机会式的利用频谱资源以及子载波可重载。为了有效利用授权用户传输中的频谱空穴，认知无线电系统需具备控制发射信号频谱形状的高度灵活性。而利用OFDM技术实现这样具备高度灵活性的系统，是一种相当合适的选择。然而要想完全实现OFDM 技术所带来的性能的提高，还需进行相关关键技术的实现，而信道估计就是其中之一。信道估计是通信领域的一个研究热点，它是进行相关检测，解

31、调，均衡的基础。OFDM多载波的出现，为信道估计技术的应用提供了新的空间。从最早的无分集的单载波信道估计到现在的有分集的多载波信道估计，从时域或频域信道估计到现在的时频域二维估计，信道估计的性能在不断的提高。1.3 本文研究的主要工作和结构安排本文是在国家高技术研究发展计划（“863”计划）（编号：AA123910）的资助下完成的。为了对认知无线电系统的理论方法和礼仪协议进行更深入的实验评估和研究，项目组在第一版实验系统的基础上，研制了第二版认知无线电实验系统。论文作者主要完成如下工作：1）参与认知无线电实验系统的硬件调试工作。主要包括DSP和FPGA之间数据的正常通信、DSP与各中频器件间的

32、接口测试，使DSP和FPGA能够正常工作。2）在学习软件无线电相关知识并阅读上/下变频和D/A等中频器件手册的基础上，完成了DSP对相关中频器件的软件配置，实现了DSP通过FPGA与中频器件正常数据传输。解决了频谱翻转、子载波镜像、高频子载波受滤波器过渡带衰减等问题，从而提高了有效数据率。3）通过编程对DSP片内外设进行了配置；设计了OFDM同步算法、信道估计算法、信道编码等模块间的的软件接口。4）研究了复杂度较低的基于导频辅助的OFDM信道估计算法。设计了适用于实验系统的信道估计方案，然后编写DSP程序实现了数据传输的中 频对接和射频对接，完成了OFDM频偏纠正及信道估计等相关算法的实现。5

33、）通过CCS自带的代码剖析工具分析了解调程序的时间和空间复杂度，证明了信道估计实现方案的可行性；通过设计基于实验系统的闭环测试程序对不同信噪比下解调数据的误比特率分析证明了实现方案的合理性。本文共分6章，各章安排如下：第一章，绪论，提出了选题意义及应用背景，介绍了国内外对于认知无线电和OFDM信道估计的研究现状。第二章，认知无线电系统的概述，介绍了认知无线电实验系统的设计目标，总体结构和实验参数。第三章，认知无线电系统中频和基带模块的软件设计，介绍了中频器件的配置，和调试中出现的问题及相应的解决方案；然后介绍了基带和各中频模块的接口设计和DSP的片内外设的配置；最后分析了实际应用中对有效数据率

34、的影响因素。第四章，OFDM信道估计技术，首先介绍了无线信道的特性，然后介绍了常见OFDM导频辅助的信道估计算法。第五章，OFDM信道估计在认知无线电系统中的实现，介绍了系统整体的对接结构，设计了信道估计实现方案并确定了实验参数；详细描述了实现各步骤的具体实现方法；最后进行了算法复杂度和性能的分析。第六章，总结与展望，对全文做出了总结，展望了后续的研究工作。2 认知无线电系统概述2.1 认知无线电系统的设计目标实验系统的初步目标是能够在一定距离内利用空闲电视频道建立起来点对点的无线通信，通信终端具有感知电视信号的出现和存在，及时切换到新的空闲频道保持通信的能力，能够验证认知无线电智能、动态频谱

35、管理特性。在实现初步目标的基础上，进一步完成在特定空间范围内、已分配的若干（连续或者不连续的）电视频道上完成自动检测频谱空穴11，自适应调整载波（子载波）频率、子载波个数、发射功率、编码方式等系统参数进行通信。电视发射机作为该实验系统的一部分，选择某一实验频道发射电视信号，认知无线电用户要能够针对此电视信号进行检测和反应。实验系统还可以评估认知无线电用户对电视信号的干扰情况、认知无线电用户受外来发射机干扰的情况以及验证在认知无线电用户接入认知无线电系统的过程中采用的礼仪和协议。2.2 认知无线电实验系统的总体结构2.2.1 认知无线电实验系统的网络拓扑结构本实验系统采用有中心控制节点的分布式A

36、dHoc网络结构。实验网络工作频段为西安地区2640号电视频道，频率范围从614734MHz，共120MHz的带宽。实验网络由多个小区组成，每个小区覆盖范围为300m。包括一个认知无线电中心控制节点、四个认知无线电用户(CR用户终端)、一个电视信号发射机(TV信号发射塔)和若干电视机(TV信号接收机)。认知无线电实验网络的网络体系架构如图 21所示。图 21 认知无线电实验网络拓扑中心控制节点位于服务区域的中心，主要负责电视频谱资源的分配以及认知无线电用户的呼叫接续的控制。而认知无线电终端则随机分布在服务区域中。任意两个终端通过直达的认知无线电链路进行点对点通信，而不通过中心控制节点的转接，但

37、通信链路的建立和释放则是在中心控制节点的控制下完成。在通信之前，主叫认知无线电终端会首先向中心控制节点申请一个可用的电视频段，作为通信信道，然后在通信信道上与被叫认知无线电终端进行通信；当在通信过程中，发现授权用户出现，则会切换到控制信道重新建立通信。通信结束之后，认知无线电终端则向中心控制节点释放所申请的通信信道。认知无线电终端与中心控制节点通过专用的控制信道传递信令信息，且假设电视信号发射机从开始到结束使用其授权频段发射信号为一个时间较长的过程，因此授权用户工作的持续期远远大于系统检测授权用户所需要的时间，同时设定服务区域的半径为300米，远小于电视信号发射机的覆盖范围，因此可以认为电视信

38、号发射机的信号功率在本实验系统服务区域内近似均匀分布。2.2.2 认知无线电终端一台认知无线电终端主要由物理层单元和链路层单元组成，应用层在上位机上实现，如图 22所示为认知无线电终端示意图。各层功能如下：图 22 认知无线电终端示意图1）物理层能够实现编、解码，调制、解调等功能，能将链路层送来的信息发送出去以及能将另一个认知无线电用户发来的信息（满足一定信噪比要求）解调出来，然后送往链路层；认知无线电用户能对接收频段内授权用户的出现进行准确的检测，若检测到授权用户出现，能够转移到中心控制节点预先分配的新信道上继续通信，并且操作员能对连接和无线频谱资源进行管理和配置。2）链路层主要需要在一定的

39、误比特率条件下完成数据包的分拆、合并以及差错校验等功能。3）应用层将指定的数据文件通过认知无线电终端传送到另一台上位机中以及通过认知无线电终端将数据文件再传回来的过程。2.2.3 认知无线电实验系统参数实验平台的中频模拟信号的中心频率是36MHz，实验系统设计带宽为6.4MHz，采用带通采样，采样率为51.2MHz。为了保证实验系统能够对认知无线电技术作一些简单的验证，本课题设计的主要技术指标如下： 表 21 实验系统主要技术指标项目指标（室内）指标（室外）频段614-734MHz614-734MHz双工方式FDDFDD实验系统覆盖区域半径150m600m可容忍的时延扩展的统计平均值保护间隔的

40、持续期10OFDM符号的有效持续期（插入CP前）10us40OFDM符号的持续期（插CP后）50子载波频率间隔1/10us=100kHz1/40=25kHz信道带宽 MHzFFT点数（N） M/100k=64/25k=256CP点数G1664OFDM符号总点数80320总子载波个数64×0.8（约为52）208导频子载波个数832可用子载波个数44176OFDM符号的速率=80kBauds1/50=20kBauds总的数据符号的速率44×1/1=3.52MBauds总的符号速率（加入导频）52×1=映射方式QPSKQPSK比特速率2×3.52Mbps7.

41、04Mbps7.04Mbps发送阶段：1)基带处理模块输出，数字复基带信号，数据率为6.4MSPS（兆样点每秒），实部、虚部位宽均为14bits。2)数字上变频输出，数字实信号，数据率为102.4MSPS。3)模拟中频输出，中心频率为36MHz，带宽为6.4MHz。4)射频捷变频模块输出，频率范围为614MHz734MHz，信号带宽为6.4MHz。接收阶段：5)高频头模块输入，信号频率范围为614MHz734MHz，信号带宽为6.4MHz。6)高频头输出（模拟中频模块输入），中频模拟信号，中心频率36MHz。7)模拟中频模块输出（ADC输入），中频模拟信号，中心频率36MHz，带宽为6.4MH

42、z。8)数字下变频输入（ADC输出），数字实信号，数据率为51.2MSPS，位宽为12bits。9)数字下变频输出（基带处理单元输入），数字复信号，数据率为6.4MSPS，实部、虚部位宽均为12bits。2.3 本章小结本章首先介绍了认知无线电实验系统的设计目标，然后给出了该实验系统的总体结构，最后介绍了认知无线电实验系统的数据处理流程和主要技术指标。3 认知无线电实验终端中频和基带模块的软件设计本课题要求建立一个通用的认知无线电实验平台，在此平台上进行一系列CR相关理论的研究。为了保证此实验平台的通用性，项目组利用软件无线电的思想对其进行设计，这样就可以在不改变硬件结构的情况下，利用软件编程

43、实现不同的理论成果及相关算法。基于软件无线电的思想，项目组认知无线电实验终端的软件设计包括：1）利用外处理器（DSP）通过软件编程对终端的中频器件如AD9857、GC1012B等进行初始化配置，能够根据不同需要即时改变相应参数，使这些中频器件按设计要求工作。2）认知无线电实验终端基带采用的是DSP+FPGA的设计，FPGA和DSP都承担着基带算法任务，因此必须要合理设计各算法模块的接口，才能保证数据的正确传输。3）认知无线电实验终端所使用的TMS320C6000系列DSP不仅运算速度高，而且片内集成了许多外围设备，支持多种工业标准的接口协议，能够提供高带宽的数据I/O。在DSP初始化时必须要根

44、据设计需要对使用到的片内外设进行配置，以使其按照设计要求工作。本章将对认知无线电实验终端中频和基带模块的软件设计作详细介绍。3.1 中频器件的配置3.1.1 发送模块中频器件的配置发送模块基带和中频的数据流如图 31所示，发送DSP要完成对上位机传来的数据的调制，还要配置AD9857并进行中频增益的控制。上位机将数据通过ARM子板经过HPI接口传给发送DSP，在DSP中对比特信息进行位组合，然后通过EMIFB口送入到FPGA的编码模块对数据进行信道编码，然后再通过EMIFB口读回DSP，对数据进行QPSK或QAM星座映射，OFDM调制，插入导频，最后对数据进行峰均比抑制处理，并将数据通过EMI

45、FB口经FPGA中的FIFO缓存后送入到AD9857上变频和D/A处理。下面对AD9857作简单介绍：图 31 发送模块基带和中频结构图1） AD9857简介AD9857是AD公司采用多项先进的数字技术生产的具有高集成度的高性能正交数字上变频器，它内部集成了直接数字频率合成器（DDS）、正交数字上变频器、倍频电路、多种数字滤波器、14位数模转换器以及调制和控制电路，使其能够在单片上完成单频输出、频率调制、相位调制、幅度调制以及IQ正交调制等多种功能，广泛应用于通信和雷达领域。AD9857的接口设计主要涉及到两部分，一部分是并行口，完成I、Q数据的输入，另一部分是串行口，完成AD9857芯片的一

46、些控制设置和频率控制字加载。AD9857有三种工作模式：正交调制模式（默认）、单频输出模式和插值DAC模式。三种模式的选择是通过对控制寄存器的编程来实现的，而这些编程是通过串口完成。下面对AD9857的三种工作模式做简单介绍：（1） 正交调制模式在正交调制模式下，I和Q数据路径都是可用的。PDCLK/FUD引脚作为并行数据时钟输出，提供AD9857的输入的同步信号，输入数据必须与PDCLK的上升沿同步。一个I数据和一个Q数据组成一个内部数据组，它们在内部数据路径上是并行传输的。DDS模块提供一个局部正交（SIN和COS）本振信号给正交调制器，在这里，I和Q数据与不同相位的载波相乘再相加（减），

47、产生一个正交调制数据流。这些都是在数字域内发生的，而且只有数字的数据流允许加到14位DAC，最后产生正交调制模拟信号。（2） 单频输出模式在单频输出模式下，PDCLK/FUD脚是输入脚，并作为FUD（频率更新）控制信号。在该模式下，DDS的余弦部分作为信号源，输出信号由单一频率组成，这个频率是由每个帧中适当的控制寄存器储存的频率调节字决定。在该模式下没有14位并行数据提供给AD9857，内部DDS核心依据频率调制字产生一个单频信号。然后单频信号输出，提供给反SINC滤波器和输出幅度控制器，最后，数字单频信号通过14位DAC转化成模拟信号。（3） 插值DAC模式在插值DAC模式下，DDS和调制器

48、都不可用，而且只有I路数据路径是激活的。与正交调制模式一致的是PDCLK脚为输出脚，并作为AD9857输入数据的同步时钟。不同的是PDCLK按I路数据的频率工作。这是因为相对于正交调制模式时的交叉I/Q形式，在该模式下只有I路数据送往并口。在插值DAC模式下，并口提供数据输出依然是基带数据，没有经过调制。对信号进行过采样操作并保持原始信号的频谱不变时，使用该模式。2） AD9857的配置DSP通过多通道缓冲串口（Multi-channel Buffered Serial Port,McBSP）与AD9857的串口以SPI模式接口如图 32所示，对AD9857进行配置。C6000系列DSP的Mc

49、BSP基本功能包括全双工串行通信；双缓冲数据寄存器，允许连续数据流；收发独立的帧同步和时钟信号；数据传输可以利用外部时钟或片内的可编程时钟等。McBSP支持多种方式的接口模式，其中就包括SPI模式。SPI是Series Protocol Interface的缩写，这是一个四根信号线的串行接口协议，包括主/从两种模式。DSP通过McBSP与AD9857的接口对其进行配置时，McBSP作为SPI主设备，AD9857作为从设备。如图 32CLKX为时钟信号，FSX为从设备使能信号，DX和DR分别为数据输出和输入信号。图 32 DSP配置AD9857在实验系统中，除了在调试阶段采用过单频输出模式外，系

50、统都使用正交模式。通过FPGA锁相环产生12.8MHz的时钟送给AD9857的REFCLK引脚，作为AD9857的参考时钟。要使AD9857正常工作，还要对内部的8个8位控制寄存器进行初始化配置，8个寄存器地址为00-07。下面对寄存器关键比特位的配置作简单介绍：设置寄存器00h的Bit4-Bit0为4，这样AD9857内部时钟将倍频为51.2MHz，所有AD9857内部模块的时钟都由此51.2MHz的时钟SYSCLK提供。寄存器01h的Bit6控制反SINC滤波器是否使能。过采样的载波数据流输入给AD9857的内部集成模块DAC。DAC输出频谱具有SINC函数的特性，因此需要对其进行反SIN

51、C函数滤波，因此Bit6要配为0，以使能反SINC滤波器。寄存器01h的Bit1-Bit0控制工作模式，配为0，表示工作在正交调制模式。认知无线电实验系统中频工作在36MHz，因此要通过寄存器05h-02h设置输出频率，36MHz*232/51.2MHz=FTWORD,将这四个寄存器配为B4000000。寄存器06h的Bit7-Bit2为CIC内插率控制位。AD9857内部有固定内插滤波模块和可编程内插模块，固定内插为4倍内插，可编程内插范围为2-63倍，因此输入数据的内插范围为8-252倍。反CIC滤波器用于预先补偿CIC（积分梳状滤波器）的幅度衰减，因此寄存器06h的Bit0位要设为0，以

52、使能反CIC滤波器。可以通过改变AD9857的内插率来调整输入到AD9857的数据的时钟进而改变OFDM符号带宽，如图 33所示为通过改变可编程内插率来改变符号带宽在发送端中频用频谱分析仪观测到的不同带宽信号。(a) (b)(c) (d)图 33 通过改变AD9857寄存器值改变带宽3） 调试中出现的问题及解决方法（1） 调试中出现的问题在认知无线电实验系统中，在发送端发送OFDM数据，比如对于一个64子载波OFDM符号在频域使用5-25的奇数号子载波上传QPSK调制数据，在接收端对接收数据进行分析，如图 34 (a)所示为对接收数据画幅频图，5-25子载波上数据的幅度有一个递增的衰减，而且除

53、了在原来的子载波号上有数据外，在41-61的奇数号子载波上也会产生镜像，但实际上在这些子载波上本来没有传任何数据。这样如果OFDM符号在41-61的奇数子载波号上也调制数据的话，将与5-25子载波上的数据相互影响，导致不能正确解调。(a)(b)(a)接收端数据幅频图 (b)发送端中频模拟信号频谱图图 34 频谱镜像接收端和发送端的频谱特性（2） 问题分析在中频，将输出的中频信号通过SMA线连到频谱分析仪观察输出频谱特性，如图 34 (b)所示，可以看出在发送端中频输出之后的信号的频谱幅度随着子载波号的增加幅度衰减而且会产生镜像，因此，确定问题出在发送端中频器件这里。AD9857输入引脚TxEN

54、ABLE被置为高时，IQ数据输入使能，接下来第一个PDCLK时钟上升沿为I路数据，下来为Q路数据，依次类推，当TxENABLE为高电平的周期内必然有偶数个PDCLK上升沿，以使IQ匹配。通过QuartusII自带的逻辑分析工具SignalTap抓取的时序图分析显示，送入AD9857的数据不满足时序要求。DSP要往AD9857写的数据应该是但实际上读入AD9857的数是，IQ不匹配导致了不同子载波产生不同幅度衰减并产生镜像子载波的情况。另外，AD9857的固定4倍内插模块是通过两个半带滤波器实现的，原始数据通过此模块后即被4倍过采样。两个级连的半带滤波器的通带为奈奎斯特频率的80%。阻带为120

55、%-400%奈奎斯特频率，最少会产生85dB的衰减。可用带宽会限制通过AD9857的数据流的数据率。所以通过上述对级联半带滤波器传输特性的分析，为了使幅度错误不超过1dB，输入信号的带宽不能超过奈奎斯特频率的90%。而且根据AD9857器件手册的建议发送端提供给AD9857的数据要至少已经是二倍过采样的数据。（3） 解决方法在DSP往AD9857中写的数组前面加一个0，这样就可以避免IQ不匹配的问题。对于高频子在波通过固定内插模块后会有幅度衰减的问题需要对OFDM数据在基带进行过采样，就可以将数据的带宽限制在滤波器通带的平坦部分。如果不预先对数据过采样，边带会产生6dB甚至更多的衰减。对OFD

56、M符号进行过采样可以通过IFFT/FFT来实现，做IFFT运算时，需要在原始的N个输入值的中间添加(p-1)N个零。下面以p=4为例来说明这种过采样的实现。输入的N个数据符号表示频域数据符号，经过IFFT变换后，得到时域数据符号，即： 如果希望通过4倍过采样得到更加精确反映连续信号变换的时域离散采样点，可以在IFFT输入的频域数据符号中间补充3N个零，即构成：然后再做4N点的IFFT，则可以按4倍过采样得到4N个时域离散采样点，即：， 由此可以实现对时域信号的过采样，更加精确地反映OFDM连续符号的变换情况。最终在系统中采取了对基带数据2倍过采样之后再送给AD9857发送方式。 3.1.2 接收模块中频器件的配置接收模块基带和中频的数据流如图 35所示，GC1012B下变频后的数据通过FPGA中的同步模块和FIFO缓存后由接收DSP的EMIFB口读入DSP对数据纠正频偏，然后进行信道估计，通过估计的信道信息对数据进行纠正后，通过EMIFB口将数据送出给FPGA中的译码模块，译码结束后DSP再将数据读回DSP通过HPI口将比特信息传回给上位机。下面对GC1012B作简单的介绍：图 35 接收端基带和中频结构图1） GC1012B 简介GC1012B是GrayChip公司（TI子公司）推出的单通道宽带中频数字下变频器件。GC1012B