基于软件无线电QPSK调制解调实现的研究(共52页)

1、基于软件无线电QPSK调制解调实现的研究PAGE PAGE 56摘要(zhiyo)软件无线电在无线通信领域被称为是自模拟通信过渡到数字通信之后的又一次革命，在军用(jnyng)和民用方面都有着广阔的应用。它是一种新的无线通信技术，基于通用的可编程的硬件平台，把尽可能多的通信功能用软件实现，从而使系统的改进和升级都非常方便，容易实现不同通信系统之间的兼容。调制(tiozh)与解调是整个数字通信系统基带处理的基本组成部分，也基本上构建了数字通信系统的总体性能框架。其中，QPSK调制与解调是一种性能较好，易于实现且已广泛应用于实践的调制解调方式。本文在深入地研究了国内外有关软件无线电调制解调方面论文

2、的情况下，以现代移动通信最常使用的QPSK调制解调模式为研究对象，给出了具体的调制解调实现的方法，Matlab仿真。关键词 : 软件无线电，QPSK，调制解调，matlab仿真。ABSTRACTSoftware radio has called another revolution in radio communication after transition from analogue communication to digital communication. It has vast use in both of military and civil. Software radio is

3、 a novel wireless communications technology, which is based on a versatile programmable platform to realize all kinds of communications criterions and to meet the need of many increasing new molds and function. When doing this, the change and upgrade of the system are convenient, and different syste

4、ms can communicate effectively.Modem is the basic elements of the whole digital communication system and the performance of digital communication system is influenced easily and has been used in the projects widely. QPSK is a linear narrowband modulation, which has the features of high spectrum util

5、ization, better spectrum specification, and stronger ability of anti-fading and applicability of non-coherent detection.This article by thoroughly studied the domestic and foreign related software radio modulation and demodulation aspect papers , Take QPSK as the research object . Produced the detai

6、led modulation and demodulation realization method .Implement and test the QPSK using MATLAB.Key words: Software radio, QPSK, Modulation and demodulation, matlab Simulation.第一章 绪论(xln)1.1引言(ynyn)回顾通信的发展历史，可以看到通信技术发展迅速。其原因除了在于生活实际、社会要求和新器件发明的推动之外，通信理论的指导也起着十分重要的作用。在20世纪40年代至50年代通信理论的发展出现了高峰，过滤和预测理论、香

7、农信息论、纠错编码理论、信号和噪声理论、调制理论及信号检测(jin c)理论等使通信理论在有效性和可靠性等方面的研究出现了突破。当今，随着数字信号处理技术和集成电路制作工艺的发展，现代通信正朝着数字化方向发展，并融入计算机技术。当前广播电视领域的数字化革命也充分说明了这一点，而且它对人们的生活方式影响深远。移动通信发展到现在，出现了多种通信制式、多种通信标准并存的现象。例如第二代移动通信就有GSM、窄带CDMA等，第三代移动通信的主流标准有WCDMA、TD-SCDMA和CDMA-2000。现有系统标准众多，新旧体制并存，而通信技术发展日新月异，新的制式、标准又不断涌现，运营商和移动用户对多模式

8、的需求不断增长。目前第三代移动通通信系统已在我国实施。第三代移动通信的三种主流标准的调制解调方式都涉及到了QPSK，这就要求第三代移动通信系统最好能与GSM移动通信系统，CDMA通信系统相兼容。这就需要研究两种或两种以上模式（或称为多模式）的调制解调问题。如果仍像以前完全用硬件来实现移动通信的多模式调制解调，就会给用户和运营商带来许多问题。一是就硬件方面来实现多模式调制解调难度很大，二是通信技术迅速的升级换代也给运营商和用户的投资带来很大的损失，三是用硬件实现缺少灵活性。针对这种情况，可以在移动通信的调制解调中引入软件无线电，充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性和通用性，实现移动通信中多种调

9、制方式的并存，以及实现与先前的移动通信系统调制解调方式的兼容，并对将来新的通信所采用的调制解调方式的引入和升级带来非常大的便利，保护了运营商和用户的利益。显然,研究软件无线电中的调制解调技术对于现代移动通信技术发展的非常必要。本文所要做的具体的工作(gngzu)就是要实现软件无线电中的QPSK的调制。1.2软件无线电的起源(qyun)及发展现状软件无线电技术起源于军事通信应用的需要。通过近20年的发展，无线通信在现代通信中被广泛应用于商业、军事、民用等领域。随着(su zhe)通信技术的发展，在军事通信领域，各军兵种之间采取了不同的通信体制，不同的频段，波形以及调制方式，完成各自的通信任务。在

10、民用通信领域，以第三代移动通信为例，有W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等标准，这些通信系统的组网能力、移动性、安全性等都大大提高了，但是各通信系统间还无法实现无缝通信。随着无线通信的迅速发展，新的通信系统不断出现，产品的生存周期缩短，开发费用上升，使得原来以硬件为主的收发系统难以适应这种快速升级换代的局面。面对这一问题，国际上进行了大量的研究。大部分专家提出，把硬件收发系统作为基本平台，A/D、D/A变换尽量靠近天线，将尽可能多的无线通信功能用软件实现，这就是所谓的软件无线电。美国是软件无线电技术的发源地。1992年5月，MITRE公司的Joe Mitola首次明确提出了软件无

11、线电的概念，其核心是将宽带A/D和D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能。之后，开始实施Speakeasy计划并成功研制出多功能，多频段电台。研究基于软件无线电技术的3G的多频带多模式手机与基站，同时融合软件无线电技术与计算机技术，如麻省理工学院的Spectrum Wave计划。欧洲的ACTS（Advanced Communications Technologies Services）计划中，灵活的综合无线电系统FIRST（Flexible Integrated Radio System Technology），未来无线电宽频段多址系统FRWMAS（Future Radio Wi

12、deband Multiple Access System）和软件无线电技术SORT（Software Radio Technology）都将软件无线电技术应用在3G中。在日本，从1998年底开始，电气、信息和通信工程师协会（IEICE）成立了软件无线电技术研究小组，推动软件无线电技术的研发工作。在我国，对软件无线电技术也相当重视，在“九五”和“十五”预研项目和“863”计划中都将软件无线电技术列为重点研究项目。我国的大唐公司向国际电信联盟（ITU）提交并被采纳的第三代移动通信标准TD-SCDMA中也采用了软件无线电技术。这标志着我国对软件无线电的研究应用到了一个新阶段。软件无线电通过这些年的

13、发展，迅速显示出其重要意义，逐渐成为可提供高性能的地区性和全球性通信的第三代移动通信的基石。这一技术是无线通信技术从模拟到数字，从固定到移动这两次革命后的第三次革命，也成为了无线通信技术在21世纪(shj)初的发展方向。1.3软件(run jin)无线电的概念、组成(z chn)结构及其主要特点1.3.1软件无线电的概念软件无线电（Software Radio,简称SR），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。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。其基本思想(

14、sxing)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各种功能。功能的软件化势必要求减少功能单一，灵活性差的硬件电路，尤其减少模拟环节。软件无线电系统的无线电功能是通过软件而不是固定的硬件电路来完成的。其核心思想是在尽可能靠近(kojn)天线的地方使用宽带的“数字(shz)/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。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。“软件无线电”的基本概念包含以下三层含义第一是“全数字化”，将宽带A/D和D/A向射频(RF)端靠近，不仅在基带数字化，而且

15、要在中频甚至射频数字化;不仅接收机数字化，发射机也要数字化。第二是把硬件作为无线电通信的基本平台，而尽可能多的通信功能用软件实现，通信体制由软件定义。第三，软件无线电不仅仅是一种实现方法，更代表了一种新型的体制和开放的、可扩展的、模块化的软硬件平台体系结构，实现多频段、多模式、多业务、多个性。软件定义的无线电（SDR）是指在目前技术条件下可实现的软件无线电。也就是说通过使用可编程器件DSP和硬件支持来完成数字领域中的大部分信号处理,但是有些信号处理仍需借助模拟电路来完成，如RF,IF。软件无线电与软件定义的无线电的根本区别，是软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚，在系统结

16、构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能。1.3.2软件(run jin)无线电的基本(jbn)组成结构(jigu)软件无线电主要由三部分组成，即用于射频信号变换，位于A/D、D/A之前的射频处理（含天线）前端；高速A/D、D/A；以及数字信号处理（DSP）单元三部分。图1-1给出了软件无线电系统的结构框图。天线一般要覆盖比较宽的频带；射频前端主要完成模拟上/下变频、滤波、功率放大等任务；A/D转换器要有足够的动态范围，较高的采样率，12位以上的分辨率，以保证足够的动态范围；DSP器件负责承担A/D数字化后的处理任务。鉴于目前DSP器件水平的限制，A/D之后的数字信号可先经由专用数字下变

17、频器处理，降低数据速率，变换到基带，再由通用DSP进行处理，或者采用多片DSP并行处理的方法。图1-1 软件无线电系统的结构软件无线电的基本结构有三种：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采样数字化结构。它们的结构框图如图1-2所示。前两种结构为理想的软件无线电结构，但对A/D转换器的性能，DSP的处理速度等要求都比较高，现阶段难以实现。目前最易实现的是宽带中频采样数字化结构，且具有良好的波形适应性、信号带宽灵活性和扩展性。(a) 射频低通采样(ci yn)软件无线电结构(b) 射频(sh pn)带通采样软件无线电结构中频带通采样软件(run jin)无线电结构图1-2 软

18、件无线电三种基本结构1.3.3软件(run jin)无线电的主要(zhyo)特点：(1) 灵活性：软件无线电可通过增加软件模块，很容易(rngy)增加新的功能；可以和其它任何电台进行通信，并可以作为其它电台的射频中继；可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件。(2) 开放性：软件无线电由于采用标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新和扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和更新体制的电台通信，还能与旧体制电台兼容。1.4 软件无线电的关键技术(1) 开放式总线结构及实现开放性是软件无线电的一个重要特点，主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线结构上。在软件无线

19、电的研制开发过程中，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。(2) 宽带段射频前端和功率放大宽带射频前端要求有较宽的频率范围。软件无线电对这部分的要求包括：天线能覆盖所有工作频段；能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。主要完成低噪声放大、滤波、混频、自动增益控制（AGC）以及输出功率放大等功能。(3) A/D部分软件无线电对这部分要求很高，是软件无线电关键部分之一。就性能而言，对其的要求主要包括采样速率和采样精度。采样速率主要由信号带宽决定。由于软件无线电的接收信号带宽较宽，而采样速率一般要求大于信号带宽的2.

20、5倍，因此采样速率较高；采样精度在80dB的动态范围要求下不能低于12位。在无线通信中，信噪比（SNR）与无寄生动态范围（SFDR）等技术指标也非常重要。(4) 数字(shz)下变频部分数字下变频（DDC）是A/D变换后首先要完成的处理工作，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，包括数字下变频、滤波和重采样。对一个软件无线电系统来说，若要进行好的滤波等处理，一般认为需要对每个采样点进行100次操作。若系统带宽为10MHz，则采样率要大于25MHz，这样就需要2500MIPS（百万条指令每秒）的运算能力，这是现有的单个DSP难以(nny)胜任的。因此，一般都将DDC这部分工作交给

21、专用的可编程芯片完成。这样既保留软件无线电的优点，又具有较高的可靠性。(5) 高速数字(shz)信号处理部分这部分工作由高速信号处理器（DSP）完成，这是软件无线电的一个核心部件，也是一个主要瓶颈。主要任务是完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码等工作。当单片处理能力不足时，可采用多片DSP并行处理提高运算能力。(6) 信令处理部分软件无线电用于实现多模互联时，需实现通用信令处理，而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，所以有必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。1.5 软件无线电的应用前景软件无线电具有

22、极大的灵活性和适应性，特别适合多频段、多用户、多模式兼容及互联系统，它为解决各种不断涌现出来的新的通信协议之间的兼容提供了一条有效途径，并且一直广泛应用于无线电通信领域， 虽然其首先诞生于军事上的应用，但由于上述优良特点，软件无线电技术很快渗透到民用的无线移动通信领域，特别是在已走向商用的第三代移动通信领域的应用。1.5.1软件(run jin)无线电技术在军事通信中的应用软件无线电技术引入军事通信中具有十分重要意义，软件无线电的特点和体系结构能保证电台的模块化、通用化和系列化设计(shj)，有利于减少无线电设备及其保密机的品种，能降低电台装备和维护费用。在军用通信系统中，不同兵种和不同指挥级

23、别使用的频段、波形调制方式、语音编码方法及保密算法都不同，软件无线电特别适合军用通信系统，它可以集成各种通信频段，如HF、VHF、UHF、SHF等及其调制方式，软件无线电的内置通用可编程加密模块也可方便地实现各种保密算法，实现各军兵种协同通信。在无线发射电台组成(z chn)的网络中起到“网关”或“网桥”的作用。用可编程实现的软件无线电，能灵活配置信号波形，模拟各种正在服役和正在研制的电台的工作方式。这种软件无线电不仅能与已有各类电台互通，而且还能沟通由不同电台组成的无线电网络，完成频段调制、语音编码和保密算法的变换，起到类似于“网关”或“网桥”的作用。 软件无线电还可以可提高野战通信的抗毁能

24、力。软件无线电可摆脱传统的基于点对点组网的限制，通过采用分组无线电等通信协议，可组成包括栅格网在内面向任意拓扑结构的无线电网络。电台组网性能的增强，提高了无线电链路的沟通概率和频谱资源的利用率，可使野战通信的抗毁能力明显改善。1.5.2软件(run jin)无线电技术在民用(mnyng)通信(tng xn)中的应用软件无线电技术在民用通信，特别是在第三代移动通信中起到了至关重要的作用。第三代移动通信中存在着多模操作，在ETSI(欧洲电信标准学会)确定的通用移动通信标准UMTS中包含了WCDMA和TD-SCDMA标准。这样在第三代移动通信发展过程中，存在着多模操作，在处理对称和非对称业务中存在着

25、FDD和TDD两种模式，第三代移动通信必须与GSM移动通信系统兼容。在这种情况下，如果仍像以前完全用硬件来构造移动通信系统，就会给用户和运营商带来许多问题。一方面用户和运营商不能灵活地利用各具优点的多种通信标准制式，而另一方面，通信技术迅速的升级换代也给运营商和用户的投资带来很大的损失。针对这种情况，可以在第三代移动通信发展中引入软件无线电，充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性和通用性，实现第三代移动通信中多种空中接口的并存，以及第三代与GSM系统的兼容，并对将来新的通信标准的引入和升级带来非常大的便利，保护了运营商和用户的利益。在第三代系统中引入软件无线电技术，特别是利用软件无线电技术实现

26、第三代多模多媒体终端14 15，对软件无线电的相关技术提出了非常高的要求。目前技术的进步已经为采用软件无线电技术提供了坚实的基础，对于第三代移动通信，已经能够实现相当程度上的软件无线电。通常用通用CPU芯片和通用操作系统软件方式解决无线通信和分布式信号处理问题。在移动通信系统中利用通用CPU和操作系统，来进行无线通信的信号处理，并不能充分利用通用CPU和通用操作系统的性能。对于特定的移动通信信号处理，实时(sh sh)性是至关重要的，而利用现有通用CPU和通用操作系统来实现软件无线电，估计将是非常困难的。软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高，然而在一定的处理速度限制下，需要有效地实时应用

27、处理软件和实时操作系统支持，才能充分发挥处理器的性能。将面向数字信号处理的DSP芯片和通用CPU芯片结合，利用能够充分满足处理时间限制的实时操作系统，有效利用计算资源，是在第三代移动通信系统特别是在移动终端中实现软件无线电的最好方式。在我国自行提出的TD-SCDMA第三代移动(ydng)通信技术标准中，自豪地提出(t ch)了利用软件无线电技术完成设计的任务。软件无线电技术是TD-SCDMA的核心技术之一。可以在平台上实现3G的智能天线结构、获得DOA(信号到达方向估计)等空间特征矢量；完成天线阵列的波形赋形；实现各种基带数字信号处理：包括各类无线信令规则与处理、信号流变换、调制解调算法、信道

28、纠错编码、信源编码、多用户检测等。1.6 国内外软件无线电的发展动态由于软件无线电具有现有无线通信体制所不具备的许多优点，它有着广泛的应用前景。因此在国内外都成为了研究的热点。1.6.1国外的发展动态基于军事通信的需求，国外很早就开始了软件无线电方面的研究。20世纪90年代初期，美国国防部高级研究项目署(DARPA)提出了多模式、多功能无线电网关研究计划，目标是解决美军不同兵种、不同类型电台之间相互通信、相互联通的问题，即开发一种能实现(shxin)联合作战的、三军统一的多波段多模式电台(MBMMR，Multi-Band Multi-Mode Radio)。以此为目的的军用软件无线电SPEAK

29、easy项目(xingm)包括两个阶段(SPEAKeasy与SPEAKeasy)，要求在一个产品中包含200多种不同军用电台系列，把多个(du )不同的单频段电台合并成一个2MHz至2GHz的、具有灵活的射频接入能力的、软件可编程的电台。SPEAKeasy在1994年完成，当年八月进行了样机演示。它在演示中实现了如下功能:可以分别与美军现役的四种电台进行通信;同时和其中两种跳频电台进行通话;作为网桥连接两种不同的通信网络;演示语音、数据和图像的传输。SPEAKeasy项目从1995年开始，它的重点是解决实现中的问题，尤其是将SDR封装到大小、重量和功耗合理的开放体结构的商用硬件中去。在加州Ft

30、.lrwin的国家训练中心，SPEAKeasy电台在TaskForceXXI演习中实现了AM、FM、VHFSINCGARS、UHFHAVEQUICK、UHFSATCOM、GPS等波形兼容。实验单元仅重80磅，基于商用现货(COTS)技术，易于实现战场保障。目前该技术正被应用于JTRS、地空数据调制解调器(GADM)和其他项目。联合作战信息终端(JCIT)是一个由美军海军研究实验室开发的具有可编程调制解调的多波段、多功能终端。它作为能使用的产品投入研制，能够与很多从短波到2.SGH乙的射频波段军用电台实现互联。兼容的调制各式包括AM、FM、SSB、BPSK、QPSK、MSK、CPFSK、FH、G

31、PS、COMA等，数据率范围从50b/s到5Mb/s。I/O接口包括RS-232、RS-422、MIL-STD-1553、Ethernet等等。截至2000年6月，原型样机已经实现了许多技术指标。FIRST(Flexible Integrated Radio Systems Technology)是欧洲电信标准协会(ETSI)和欧共体高级通信技术与服务项目(Advanced Communications Technology and Services，ACTS)为促进第三代移动通信标准的研制而提出的多个项目之一，其目的在于深入研究IMT-2000中提出的软件无线电技术。它的前身可以追溯到英国B

32、班STOL大学1989年开始的800/900MHz多模无线电。FIRST项目1998年完成，建成了4个样机(demonstrator)，每一个都可配置为基站(base)或移动台(mobile)。发射机采用了直接变换(基带到射频)技术，接收机则采用了超外差的双中频结构。工作频率范围1710MHz-2200MHz，调制模式可以兼容DCS1800、UMTS(16QAM and CDMA)、DECT、AMPS、D-AMOS、TACS、CT2。最大信道带宽1.5MHz，A/D采样精度为12bit。FIRST电台能够提供多媒体服务，特别是实时视频服务，以及internet接入服务。该项目研究了一些关键技术

33、问题如空中接口、复用、高性能自适应编码(如turbo码)、DSP算法仓库等，还对比特率与空中接口自适应、基于网络的软件下载、多媒体服务提供等方面进行了探讨Spectrum Ware项目是由麻省理工学院(MIT)计算机科学实验室开发的基于通用处理器的软件无线电系统。它以通用计算机为处理平台，具有(jyu)最大的灵活性。由于在结构上与基于通用计算机的“虚拟仪器”相似(xin s)，又被称为“虚拟(xn)无线电”(Virtual Radio)。Spectrum Ware的处理平台为采用Linux操作系统的DEC Alpha工作站，宽带中频采样数据通过PCI插卡进入系统，大部分的后续数据处理由四片IN

34、TELMMX200完成。该项目目前还无法用于移动通信，因为处理能力还不能满足实时信号处理要求。近十年来软件无线电技术的研究引起了全球范围的兴趣。IEEE通信杂志1995年5月出了一期专刊，成为软件无线电发展过程的中的里程碑。1996年3月美国政府邀请工业部门组建了模块化多功能信息传输系统(MMITS)论坛，借以促进政府与工业部门之间的对话，重点讨论民用产品、民用业务与军用无线通信装备。该论坛1999年更名为SDR论坛。欧共体(EC，European Community)1997年在布鲁塞尔召开了第一次欧洲软件无线电学术研讨会。第一次亚洲软件无线电学术研讨会则于1998年4月在日本召开，同年6月

35、在希腊召开了第一次软件无线电国际学术研讨会。1999年2月的IEEE通信杂志以软件无线电全球化为主题，刊载了关于软件无线电特性的系列文章。同年4月的IEEEJSAC也刊载了软件无线电的系列文章。 国内的发展(fzhn)动态我国对软件无线电研究(ynji)起步较晚，但却引起了政府部门与各高校、研究(ynji)机构相当的重视。863-中国高技术研究发展计划中就有软件无线电研究项目，由清华大学微波与数字通信国家重点实验室承担。他们对软件无线电体系结构进行了研究，提出了基于交换网络的硬件平台。中国科学院空间科学与应用研究中心研制了采用软件无线电技术的空基遥科学指令接收机，调试时在不改变硬件的前提下完成

36、了对BPSK与QPSK两种调制方式的解调。还有其他一些研究机构提出在卫星遥控系统、靶场移动终端、GPS等场合采用软件无线电技术;甚至有人预言软件无线电系统将成为遥测的“万能工具”。目前，在我国第三代移动通信已全面铺开，用户可以通过手机终端、笔记本终端无线高速上网，收看电视节目。而且与GSM网络完美兼容，不能不说是与软件无线电技术的发展和技术成熟有着紧密的联系。第二章 软件(run jin)无线电中的调制解调实现的研究本章主要讨论(toln)软件无线电中的数字调制和解调(ji dio)的原理。软件无线电具有灵活性、可扩展性等主要特点，这主要是因为软件无线电的所有功能都是用软件来实现的，通过软件的

37、增加、修改或升级就可以实现新的功能。可以说，功能的软件化是软件无线电的最大优势之一。同样，我们这章所要讨论的软件无线电中的调制和解调最终也要通过软件来实现。2.1软件(run jin)无线电系统结构软件(run jin)无线电的核心思想在于使宽带A/D与D/A转换器件尽可能靠近天线，将模拟信号尽早数字化，然后采用高速数字信号处理芯片作后续处理，通过(tnggu)软件来实现各种无线通信功能。一个软件无线电系统主要由三大部分构成:包括天线在内的射频处理模块、宽带A/D与D/A转换器件、高速数字信号处理模块。理想的软件无线电如下图2一1所示 图2-1 理想软件无线电由于天线与ADC器件带宽等因素限制

38、，上述的理想软件无线电 ( SWR ) 目前无法实现，工程上实现的称为软件定义的无线电(Software defined radio )。在一个软件无线电( SDR )系统中，A/D器件的位置非常重要，称为数字接入点，它表明了数字化处理的起点。软件无线电要求系统的全部可编程性，包括可编程的射频(RF)频带、信道接入模式以及信道调制等等，这是它与多模式无线电等的区别所在。J.Mitola 从信号流的角度分析了软件无线电系统的结构，包括以下几个部分:实时信道处理流实时信道处理实现无线通信系统基本信息流处理，包括射频子系统、宽带(kun di)A/D与D/A变换、信道分离、调制解调、安全处理(加/解

39、密)等等。环境(hunjng)管理流环境管理(gunl)包括无线电环境识别与高级控制，属于近实时信息流。它可以从频域、时域、空域多个角度描述无线电环境，完成信道识别、环境参数如信道干扰电平估值等等。环境管理采用模块化操作，如快速傅立叶变换(FFT)、小波变换、波束成形矩阵算法进行数据处理，提取信道参数后控制实时信道处理。在线自适应在线自适应功能的目的是根据无线电环境实现信噪比(SNR)/误比特率(BER)优化，频带与模式选择优化等，提供高的服务质量(QoS)。离线软件支持离线工具包括实现系统分析、增强信号处理等的软件平台。软件无线电凭借离线软件 (软件工厂) 而支持业务增强。它允许定义增强的业

40、务如改进的波束成形、均衡器、网络解码器等等。这些改进可以纳入到样机的信道处理流中，进行参数设置试验，图2-2 软件(run jin)无线电信号流排除算法(sun f)中的错误，最后确定改进的价值 (增加的用户密度) 以及耗费的资源(I/O带宽、时间延迟、处理容量等)。基于软件的增强可以与开放体系结构软件接口(ji ku)标准一致，于是可以通过空中接口分发到其它软件无线电节点。这样，软件无线电通信网就可以提供新的业务。2.2 软件无线电中的调制实现的研究连续波数字调制是以正弦信号(可以是高频正弦信号，也可以是音频正弦信号)为载波，调制信号为数字信号的调制方式。数字信号的载波传输，就是指以正弦信号

41、为载波传输或运载数字信息的信息传输方式。数字信号可以看成是模拟信号的特殊情况，在这种意义上可以把连续波数字调制看成是连续波模拟调制的特殊情况。数字调制的基本类型主要有振幅键控(ASK)，频移键控(FKS)和相移键控(PSK)等等。如果按照常规的方法，产生每一种信号就需要一个硬件电路，甚至一个模块，那么要使一部(y b)通信机中产生几种、十几种通信信号，其电路就会极其复杂，体积重量都会很大。如果要增加一种新的调制方式就非常困难。软件无线电中的各种调制信号是以一个通用的数字信号处理平台为支撑，利用各种软件来产生的。每一种调制算法都做成软件模块形式，要产生某种调制信号只需调用相应的模块即可。由于各种

42、调制用软件来实现，因此在软件无线电中，可以不断地更新调制模块的软件来适应不断发展的调制体制，具有相当大的灵活性和开放性。软件无线电的各种调制完全(wnqun)可以基于数字信号处理技术来实现。在当代通信中，通信信号的种类很多，下面仅就PSK信号的实现方法加以(jiy)讨论。从理论上来说，各种通信信号都可以用正交调制的方法加以实现。具体的方法是把信号分成同相分量(I路)和正交分量Q(路)，然后再分别调制。可以写出它的时域表达式。S(t)=I(t)cos(ct)+Q(t)sin(ct) （2-1）其中，c为载波频率。调制信号的信息包含在I(t)和Q(t)内。由于各种调制信号都是数字域实现的，因此，在

43、数字域实现时要对式(2一1)进行数字化。S(n)=I(n)cos (nc/s)+Q(n)sin(nc/s) （2-2）s为采样频率的角频率。在对调制信号和载波频率进行数字化时，其采样频率可能不一样。我们可以采用多相滤波器来提高数据源的采样速率，使得调制信号的采样速率和载波的采样速率一致。下面就几种典型的数字(shz)调制方式作一介绍。2.2.1软件无线电中的ASK调制(tiozh)实现的研究一个二进制振幅键控信号可以表示(biosh)为一个单极性脉冲与一个正弦波相乘，即 （2-3）式（2-3）中，g(t)是持续时间为T的矩形脉冲，an为信源给出的二进制符号0,1。如果令 （2-4）那么 （2-

44、5）因此，要实现正交调制，只要令 I(t)=0 （2-6） Q(t)=m(t) （2-7）就可以实现2ASK调制。2.2.2软件无线电中的FSK调制实现的研究2FSK信号是符号O对应载波角频率为，符号1对应载波角频率为的己调波形。它可以用一个矩形脉冲对一个载波进行调频实现，其表达式为 （2-8）式中，的取值为0，1，g(t)为矩形脉冲,为an的反码，T为码元周期。因此，只要把调制数据序列(xli)形成矩形脉冲，并把2FSK看成两个ASK信号相加就可以(ky)了，并令 （2-9） （2-10）然后(rnhu)再利用式(26)，式(27)就可以实现正交调制。2.2.3软件无线电中的PSK调制实现的

45、研究2PSK方式是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的数字调制方式。2PSK的信号形式一般表示为: （2-11）式中，的取值为-1，+1，即发送二进制符号0时取1，发送二进制符号1时取-1。这种调制方式的正交实现与2ASK信号十分类似。在用2PSK调制方式时由于发送端以某个相位作为基准，因而在接收端也必须有这样一个固定的基准相位作参考。如果参考相位发生变化，则接收端恢复的信息就会出错。即存在“倒”现象。为此在实际中一般采用养分相移键控(2DPSK)。2DPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位去表示数字信息的一种表示方法。2DPSK和2PSK只是对信源数据的编码不同。在实现2DPSK调制时

46、，只须把2PSK码序列变成2DPSK码，其他的操作和2PSK完全相同。假设在2PSK调制时，数字信息0用相位0，数字信息1用相位表示，在2DPSK调制时数字信息0用相位变化0,数字信息1用相位变化表示，则2PSK和2DPSK调制举例如下。数字信息: 0 0 1 1 1 0 0 1 0 12PSK相位(xingwi): 0 0 0 0 0 2DPSK相位(xingwi): 0 0 0 0 0 在实现2DPSK调制时，只要先把原信息序列(xli)(绝对码)变换成相对码，然后进行2PSK调制就可以了。相对码就是按相邻符号不变表示原信息0，相邻符号改变表示原信息1的规律变换成的。上述信息码的相对码为:

47、 2DPSK编码 0 0 1 0 1 1 1 0 0 12.3 软件无线电中的解调实现的研究为了便于信号发射，提高信道利用率、发射功率以及改善通信质量，人们研制出各种通信信号的调制样式，相对于调制的逆过程解调也因调制样式的不同而不一样，解调方法大致有相干解调和非相干解调二类。一般而言相干解调性能比非相干解调好，在某些场合利用非相干解调的主要原因是其解调电路简单，硬件成本低。在解调需要用硬件电路实现的时代，当然有其存在的理由，但其不足也是显而易见的，如非相干解调过程中通常存在的“门限效应”。软件无线电中由于大部分功能用用软件实现，硬件的总体成本降低。在软件无线电中解调一般采用数字相干解调的方法。

48、数字相干解调从原理上讲与模拟相干解调法一样。常见用于模拟解调电路的一般相干解调法（指用一个同频同相的本地载波去相干解调），当同频同相不满足时，解调就会严重失真。例如，在移动通信中，接收到的信号受到严重衰落时，提取出来的载波质量往往达不到要求，特别是在多谱勒效应等引起的频偏环境下更是如此。由于正交解调法在一定程度上能克服以上这些弱点，因此，软件无线电的解调一般采用数字正交解调法。一般调制都能用正交调制法进行，也就是说，正交解调法从理论上说可以对几乎所有的调制样式进行解调。尽管调制样式多种多样(du zhn du yn)，但实质上调制不外乎用调制信号去控制载波的一个（或几个）参数，使这个参数按照调

49、制信号的规律而变化的过程。载波可以是正弦波或脉冲序列，以正弦型信号作为载波的调制叫做连续波调制。对于连续波调制(tiozh)，已调信号的数字表达式为： （212）调制信号(xnho)可以分别“寄生”在已调制信号的振幅A(n)、频率和相位中，相应的调制就是调幅、调频及调相这三大类熟知的调制方式。由于频率与相位有着一定的关系，为便于分析，可将式（212）改写为 （2-13）式中，表示载波角频率。所以，（2-14）式中， （215） （216）这就是我们所希望(xwng)获得的同相和正交两个分量，根据、，就可以对各种调制样式(yngsh)进行解调。下面就几种典型(dinxng)的数字解调方式作一介绍

50、。2.3.1软件无线电中的ASK解调实现的研究ASK信号表达式： （217）式中，为输入码元，且0,1；是幅度为1，宽度为码元传输速率倒数的矩形脉冲门函数。ASK的解调，应先对信号进行正交分解，得同相和正交分量：同相分量为: （218）正交分量为: （219）对同相分量与正交分量平方之和开方： （220）计算出后，再对进行抽样判决，就可恢复出调制的码元信号。2.3.2软件(run jin)无线电中的FSK解调实现(shxin)的研究信号(xnho)表达式为: （221）式中，为载波角频率间隔；为输入的码元，1，1。FSK解调同样要先对信号进行正交分解，得同相和正交分量：同相分量为： （222）

51、正交分量为： （223）瞬时频率f(n)可以表示为： （224）在计算出瞬时频率f(n)后，对f(n)经抽样门限判决，即可恢复出传输的数据。2.3.3 软件无线电中的PSK解调实现的研究信号表达式： （225）式中，PSK解调：对信号(xnho)进行正交分解后，得同相和正交分量：同相分量(fn ling)为： （226）正交分量(fn ling)为： （227）瞬时相位可以表示为： （228）在计算出瞬时相位后，对抽样判决，即可恢复数据。第三章 四相相移键控（QPSK）技术(jsh)3.1 多进制数字相位(xingwi)调制（MPSK）多进制数字相位调制(tiozh)也称多元调相或多相制。它利

52、用具有多个相位状态的正弦波来代表多组二进制信息码元，即用载波的一个相位对应于一组二进制信息码元。如果载波有个相位，它可以代表k位二进制码元的不同码组。多进制相移键控也分为多进制绝对相移键控和多进制相对（差分）相移键控。在MPSK信号中，载波相位可取M个可能值，（n=0,1,2,M-1）。因此，MPSK信号可表示为假定载波频率是基带数字信号速率的整数倍，则上式可改写为上式表明，MPSK信号(xnho)可等效为两个正交载波进行多电平双边带调幅所得已调波之和。因此，其带宽与MASK信号带宽相同，带宽的产生也可按类似于产生双边带正交调制信号的方式实现。3.2 四相相移键控（QPSK）简介(jin ji

53、) QPSK即为Quadrature Phase Shift Keying,正交相移键控，或Quaternary Phase Shift Keying,四相相移键控，有时也称为4PSK。它是多相相移键控(MPSK)中常用的一种，是目前数字微波或卫星数字通信中最常用的一种载波传输方式。四相相移键控（QPSK）是一种性能优良，应用十分广泛的数字调制方式，它的频率利用率高，是二进相移键控（BPSK）的2倍，采用相干检测时其误码性能与BPSK相同。它可以(ky)看成由两个BPSK调制器构成，这在上一节中我们已经讲述过了。输入的串行二进制序列经过串并变换分I路和Q路，分成两路速率减半的序列，然后经过成形

54、滤波后分别与cost和sint载波相乘，最后把I路和Q路两路信号相加后即得到QPSK信号。QPSK调制原理框图如图3-1所示：图3-1 QPSK调制原理(yunl)框图可以(ky)看出，QPSK是由两路BPSK信号构成，且两路信号相互正交的，图3-2 QPSK调制信号功率(gngl)谱密度（单边）图3-3 QPSK相位转移图图3-4 QPSK误码率性能即相位差相差(xin ch)90，两路BPSK信号(xnho)相加，即得到QPSK信号。由图3-1得到的QPSK信号是一个抑制载波的单边带信号，即在已调射频信号中不存在载波分量和下边带分量。其功率谱、信号相位转移图及误码率性能分别如图3-2、图3

55、-3和图3-4所示。与BPSK相比，QPSK有着相近（几乎相同）的误码率性能，从图中可以看到它们的误码率曲线基本重合，而QPSK的频谱效率却高了一倍，因此QPSK在光纤、卫星、微波(wib)等通信系统中被广泛采用。不过这种调制方式却不适合用在移动通信系统中，其原因是：1.带外辐射强：窄带移动通信系统对射频信号的带外辐射都有严格的要求，专业模拟移动通信系统一般要求的邻道功率为不大于70dBc，如CPS标准系统；数字系统一般为60dBc，如TETRA系统。而从图中我们可以看到，QPSK信号频谱的滚降速度很慢，远远达不到要求。2.不能使用非线性放大器：普通QPSK信号中载波的相位变化可以是0度、90

56、度、180度和270度中的任意一个。这样的信号在经过带通滤波器之后其包络就会出现起伏，特别是在相位产生180度变化的地方，包络可以降到0，而当一个有着非恒定包络的带限线性调制载波经过非线性放大后，其原已被滤掉或原本并不存在的旁瓣就会被恢复，同时还会产生同相、正交信号间的带内串扰。这将引起严重的邻道和同信道干扰。经过非线性放大后系统的误码性能也会下降。这样一来，通过线性调制所获得的频谱效率在经过非线性放大后就完全丧失了。3.不能使用非相干解调：普通的QPSK是依靠载波的绝对相位来传递信息的，只能用相干检测来进行解调，而不能使用非相干检测（差分或鉴频器）。这样系统难以快速获得同步，抗快衰落能力不强

57、，同时系统设备复杂，成本高。为了解决这些问题，人们采用了基带滤波、相位交错、差分编码等方法，由贝尔电话实验室的贝克尔（Baker）于1962年首先提出了/4-QPSK这种调制方式。最初提出这种方式的目的是为了在电话线上传送数据，后经研究发现它的性能可以满足数字移动通信系统对调制技术的要求. 这种经过(jnggu)改进的调制方式将QPSK中载波相位的变化限制到了/4和3/4。由于(yuy)载波中不存在的相位变化，因此大大减少了包络波动，也降低了系统性能对信道非线性的敏感度。加入平方根升余弦（RRC）基带滤波器可以大大加快调制信号的带外滚降速度，能够满足移动通信系统对带外辐射的要求。采用差分编码，

58、使系统既可以使用相干检测也可以使用非相干检测来进行解调，一方面简化了设备，另一方面也使系统具备了快速获得同步(tngb)、抗快衰落、抗多普勒频移的能力。为了减少/4-QPSK在快衰落移动信道中时延扩散对系统性能的影响，采用这种调制方式的数字移动通信系统都使用突发模式如TDMA、FHMA来进行数据传输。虽然都是/4-QPSK，但各个系统所规定的具体参数如信道间隔、传输速率等却不尽相同，因此性能也都略有差异。我国数字集群移动通信系统体制国家电子行业标准体制A中所采用的/4-QPSK是差分编码、/4相移的QPSK，即/4-DQPSK。3.3 QPSK的发展及其特点根据被调参数的不同，数字调制方式主要

59、有振幅调制(ASK)、频率调制(FSK)和相位调制(PSK)三种。振幅调制是最早应用的数字调制方式，它是一种线性调制系统。其优点是设备简单、频带利用率高，缺点是抗噪声性能差，而且它的最佳判决门限与接收机输入信号的振幅有关，因而不易使取样判决器工作在最佳状态。但是，随着电路、滤波和均衡技术的发展，多电平调制技术越来越受到人们的重视。频移调制是数字通信中的一种重要的调制方式。其优点在于(ziy)抗干扰能力强，缺点是占用频带较宽，尤其是多进制调频系统，频带利用率低。目前主要应用于中、低速传输系统中。相移键控分为绝对相移和相对相移。绝对相移是利用载波振荡不同相位的绝对值来传递数字信息的，其在解调时存在

60、相位模糊的缺点，因而在实际中较少采用。相对相移是依靠前后两个接收码元信号的相位差来恢复数字信号的，所以不存在相位模糊的问题。相对相移的实现通常(tngchng)是先进行码变换，将绝对码变为相对码，然后对相对码进行绝对相移。解调时先进行绝对相移解调，然后再进行码的变换，恢复信号。在恒参信道下，相移键控比ASK及FSK具有较高的抗干扰性能，而且能较高地利用频带，所以相移键控是一种高传输效率的调制方式，在中、高速数字通信中被广泛采用。相位调制中常采用的是四相和八相调制，均可看作是振幅相等而相位不同的调制，传输效率高，得到广泛的应用。QPSK具有很好的误码率性能，非常适合频谱利用率为1-2bps/Hz