软件无线电原理与应用第3版 课件 第4-6章 软件无线电硬件平台设计、软件无线电信号处理算法、信道编译码技术

软件无线电原理与应用（第三版）软件无线电硬件平台设计第四章高等学校电子信息类精品教材01软件无线电硬件系统设计软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则软件无线电系统设计原则包括硬件设计原则和软件设计原则两部分，两部分设计原则的出发点和胶合点是软件通信体系结构(SCA)规范。硬件设计的原则概括来说有以下两条：●基于硬件体系结构模型设计原则；●基于标准总线设计原则。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则1.软件无线电硬件体系结构简介所谓体系结构是指组成系统各部件的结构、它们之间的关系以及制约它们设计随时间演进的原则和指南。按照软件无线电各功能模块的连接方式划分，目前，硬件体系结构可分为以下四种:●流水式硬件体系结构；●总线式硬件体系结构；●交换式网络硬件体系结构；●基于计算机和网络的硬件体系结构。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则1.软件无线电硬件体系结构简介(1)流水式硬件体系结构流水式硬件体系结构如图4.1所示，包括宽带多频段天线、射频(RF)部分、宽带ADC和DAC、DDC和DUC以及数字信号处理器(DSP)等。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则1.软件无线电硬件体系结构简介(2)总线式硬件体系结构总线式软件无线电结构中，各功能单元通过总线连接起来，并通过总线交换数据和控制命令，总线式硬件体系结构如图4.2所示。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则1.软件无线电硬件体系结构简介(3)交换式硬件体系结构交换式硬件体系结构是一种基于交换网络的软件无线电结构，如图4.3所示。该结构通过交换网络和适配器为各功能模块提供统一的数据通信服务。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则1.软件无线电硬件体系结构简介(4)基于计算机和网络的硬件体系结构基于计算机和网络的硬件体系结构由可编程前端、交换网络和并行计算机系统组成，如图4.4所示。用网络构成计算机群作为运算平台，用消息传递实现计算机间的互联，用协同计算方案软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则2.标准总线简介软件无线电只有采用先进的标准总线结构，才能发挥其适应性广、升级换代简便的特点。所以，软件无线电硬件系统的设计应基于主流的标准总线，这样的好处是显而易见的，主要是通用、设计难度降低、实现简单、可货架式采购和搭建、成本相对较低等。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则目前，主流标准总线有VME系列和PCI系列两大类，其发展历程如表4-2所示。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则两大标准为多种主流的互连协议制定了各自的工业标准，如表4-3所示。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则VME总线标准一直在发展，从最初的VME32,发展到VME64、VME2eSST、VXS,直至目前最新一代的总线标准——VPX。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统设计原则表4-4列出了VPX系列、VME64x和VITA41(VXS)等标准的功能和性能情况。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计具有宽带高速数据传输网络为保证大量数据的传输，软件无线电系统必须具有极高的数据交换和I/O吞吐能力，传输网络的链路传输速率应该达到10Gbps级以上。②系统架构单板级：射频模拟前端、A/D板、D/A板、信号处理板、数据处理板等；通道级：多个从天线到处理板再到天线的完整通道合成与分离；单机级：多个单机伸缩性要求。③支持多处理器系统由于软件无线电系统是在射频或中频上对宽带通道进行连续不断的采样(包括接收和发射),需要对高速数据流进行实时处理，运算量非常大，因此要求极高的处理速度，目前单片数字信号处理芯片一般难以胜任，需要多片数字信号处理芯片同时并行处理，软件无线电硬件系统应能保证多处理器的并行处理，共享系统资源。①1.软件无线电硬件系统结构软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计具有良好的机械和电磁兼容特性能够在恶劣的环境(包括温度、冲击、振动、气压、湿度等极端情况)中正常工作。⑤系统功能可重构系统通过加载不同的软件进行功能重构。④1.软件无线电硬件系统结构软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计1.软件无线电硬件系统结构(1)软件无线电硬件系统数字传输网络软件无线电硬件系统数字传输网络承载着系统重构性、伸缩性、通用性和实时性的实现。通过它可以：完成所有数字信号处理功能；运算资源集中控制、统一调度、并行/串联同步工作；系统资源按需分配、有效共享；满足原始数据/中间数据/结果数据从源地址无障碍、实时地传输到目标地址；数据的高速输入、输出。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计1.软件无线电硬件系统结构(2)软件无线电硬件系统数字传输网络拓扑结构软件无线电硬件系统的数字传输网络集中体现了系统的硬件体系结构和技术体制。首先，体现体系结构的开放性，这一点通过开放的网络拓扑结构来实现；其次是通用性，即传输网络的物理层应该通用，要有足够的包容能力。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计1.软件无线电硬件系统结构(3)软件无线电硬件系统数字传输网络传输协议目前主流的高速传输技术(协议)有PCIExpress(PCI-E)、RapidIO、InfiniBand、FibreChannel(光纤通道)和Ethernet(以太网)等。各种传输技术目前的应用情况如图4.10所示。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计PCIExpress的网络拓扑结构必须是树状的，如图4.11所示，这种网络结构对于系统的伸缩性有一定的影响。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计2.软件无线电硬件系统数字信号处理架构软件无线电硬件系统的数字信号处理架构主要涉及FPGA、DSP和GPP等器件。FPGA、DSP和GPP是目前主流的数字信号处理器件，各有特点，如表4-5所示。软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计软件无线电硬件系统设计01软件无线电硬件系统结构设计3.软件无线电硬件系统设计根据图4.7所示，基于全交换的软件无线电硬件系统包括可重构天线阵、可重构射频前端、可重构A/D/A,可重构数字信号处理和重构控制五部分。02软件无线电的射频前端软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构射频前端有三种结构：多次变频的超外差结构、直接变换的零中频结构、不变频结构。前两种前端结构适用于宽带中频采样的软件无线电体制，不变频前端结构则适用于射频低通、射频带通采样的软件无线电体制。多次变频的超外差射频前端结构如图4.13所示。软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构超外差的射频前端结构的主要优点是：①灵敏度高(由于有预选滤波器和信道滤波器);②总增益被分配到工作在不同频率的多级放大器上，降低了放大器的设计难度；③实信号变频只在一个固定频率上进行，对本振的相位和幅度平衡没有要求。软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构其主要缺点是：①复杂程度高；②需要多个本地振荡器；③镜频信号干扰的抑制比较困难，需要特殊的中频(IF)滤波器，很难用单片集成电路实现超外差接收机。图4.14给出一个实际超外差射频前端的例子。软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构直接变换的射频前端结构的主要优点是：①把射频信号直接混至基带，输出端不会出现镜频信号；②只要求简单的滤波；③容易实现电路集成。软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构主要缺点是：①本振泄露较严重，即本地振荡器产生的信号容易通过低噪声放大器反向泄露到RF端口，通过天线辐射出去；②由于为零中频，任何直流偏移都无法从有用信号中分离出来，而且较大的直流电平，容易使后端饱和；③如果同相、正交两路的平衡性不好，将严重影响接收机的性能。软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构软件无线电的射频前端02射频前端的组成结构不变频的射频前端结构如图4.16所示。软件无线电的射频前端02射频前端各功能模块的设计混频器(Mixer)混频器是将输入的两个不同信号的频率进行相加或相减运算，实现信号的频率搬移。混频器主要有两类：无源混频器(比如二极管)、有源混频器(采用有增益的器件，比如，双极性晶体管、场效应管)。2本地振荡器(LocalOscillator)与混频器紧密相关的一个器件是频率源(本地振荡器)。频率源最重要的参数是相位噪声(相噪)。3滤波器(Filter)射频滤波器主要实现对信号的预滤波，并提高接收模块和发射模块之间的隔离度。滤波器的种类很多，主要有LC滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、机械滤波器等。1软件无线电的射频前端02射频前端各功能模块的设计功率放大器(PowerAmplifier)软件无线电必须能满足各种通信体制的功率放大要求，需具有较宽的发射带宽，特别是对效率、线性、杂散辐射等性能要求较高。5放大器(Amplifier)放大是整个前端电路中非常重要的一个环节。由于软件无线电的接收通道是宽带的，甚至是宽开的，通带内的信号可能有很多。4软件无线电的射频前端02射频前端的指标射频前端的技术指标很多，主要有噪声系数、二阶截点值、三阶截点值、动态范围、镜频抑制、本振反向辐射等。软件无线电的射频前端02射频前端的指标1.噪声系数(Noisefactor)噪声系数表明了一个模块或一个网络固有的噪声影响，说明通过这些模块、网络时，信号的信噪比降低的程度。软件无线电的射频前端02射频前端的指标软件无线电的射频前端02射频前端的指标2.灵敏度(Sensitivity)在介绍灵敏度之前，先来讨论一下最小可检测电平。最小可检测电平(MinimumDetectableSignal,MDS)对接收机来说是一个很重要的参数，它表征了系统可检测的最弱信号。软件无线电的射频前端02射频前端的指标软件无线电的射频前端02射频前端的指标3.截点值(InterceptPoint)表征接收机、发射机非线性性能的指标很多，比如有1dB压缩点、二阶截点值、三阶截点值等。软件无线电的射频前端02射频前端的指标软件无线电的射频前端02射频前端的指标4.动态范围(DynamicRange,DR)动态范围是指接收机在达到规定的信息质量下，能处理的信号电平范围。在数字通信中，信息质量常用误比特率来表示。动态范围可以用1dB压缩点与系统噪声电平之差来表示，如图4.33所示。该动态范围也称1dB增益压缩点动态范围。软件无线电的射频前端02射频前端的指标软件无线电的射频前端02射频前端的指标5.无虚假动态范围(Spur-FreeDynamicRange,SFDR)无虚假动态范围与三阶互调抑制比很类似。无虚假动态范围是指失真产物等于噪声功率时，基波功率与噪声功率之差，如图4.34所示。软件无线电的射频前端02射频前端的指标软件无线电的射频前端02射频前端的指标6.虚假响应混频器要把射频信号变频至中频信号(IF),如果是上变频则选择(fRF+fLO),下变频则选择(fRF-fLO)或(fLO-fRF)。软件无线电的射频前端02射频前端的指标软件无线电的射频前端02射频前端的指标7.举例下面我们通过一个例子，来说明多个级联模块(见图4.37)的总噪声系数、三阶截点值、灵敏度、动态范围等指标的计算方法。软件无线电的射频前端02射频前端的指标03软件无线电中的A/D/A技术软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类1.逐次比较式A/D转换器逐次比较(SA)式A/D转换器的应用范围很广，它可以用较低的成本得到很高的分辨率和采样速率。其通过速率可达到1MHz以上，转换位数可达到16位或更多。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类三级标题软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类2.并行式A/D转换器并行式A/D转换器的功能框图如4.40所示。模拟信号同时输入到2~-1个带锁存的比较器中，每一个比较器的参考电压都比下一个的参考电压高出一个LSB所代表的电压值。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类三级标题软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类3.子区式A/D转换器子区式(Subranging)A/D转换器功能框图如图4.41所示。以8位(bit)转换器为例，首先用第一片并行式A/D转换器(优于8位精度)数字化出高4位。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类三级标题软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类4.∑-△A/D转换器∑-△(总和增量)ADC是一种过采样量化器，其利用过采样、噪声整形、数字滤波等手段来提高数字化性能。通信信号对灵敏度、动态范围要求高，而带宽相对较窄，所以可以实现很高的过采样速率，达到很高的量化信噪比。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类三级标题软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器原理与分类三级标题软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标(1)转换灵敏度软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标（2）信噪比软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标(3)有效转换位数由于A/D转换部件不能做到完全线性，总会存在零点几位乃至一位的精度损失，从而影响A/D的实际分辨率，降低了A/D的转换位数。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标(4)孔径误差孔径误差是由于模拟信号转换成数字信号需要一定的时间来完成采样、量化、编码等工作而引起的。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标(5)无杂散动态无杂散动态(SpuriousFreeDynamicRange,SFDR)是指在第一奈奎斯特区内测得信号幅度的有效值与最大杂散分量有效值之比的分贝数。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标(6)动态范围软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标(7)非线性误差非线性误差是指A/D转换器理论转换值与其实际特性之间的差别。非线性误差又可分为差分非线性(DifferentialNon-Linearity,DNL)误差和积分非线性(IntegralNon-Linearity,INL)误差。差分非线性误差是指，对于一个固定的编码，理论上的量化电平与实际中最大电平之差，如图4.47所示。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器性能指标(9)总谐波失真由于A/D器件的非线性，使其输出的频谱中出现许多输入信号的高次谐波，这些高次谐波分量称为谐波失真分量。软件无线电中的A/D/A技术03A/D转换器的选择在软件无线电的设计中，A/D器件的选择应保证软件无线电功能和性能的实现。根据上面的讨论和分析，可以得到以下A/D器件的选择原则。①采样速率选择。②采用分辨率较高的A/D器件。③选择模拟输入带宽宽的A/D器件。④选择动态范围大的A/D转换器。⑤根据环境条件选择A/D转换芯片的环境参数，比如功耗、工作温度。⑥根据接口特征考虑选择合适的A/D转换器输出状态。软件无线电中的A/D/A技术03数据采集模块的设计现代高速A/D转换器力求做到低失真、高动态、低功耗。数字采集系统的性能除了与A/D转换器本身的固有特性外有关，还与其外围电路关系密切。一般的数字采集系统由放大器，抗混叠滤波器、A/D转换器、RAM、时钟等组成，如图4.50所示。软件无线电中的A/D/A技术03D/A转换器的基本原理及性能指标软件无线电中的A/D/A技术03D/A转换器的基本原理及性能指标04软件无线电数字前端软件无线电数字前端04软件无线电数字前端的定义无线电系统前端的概念传统上一般是指安装在天线上或天线附近的模拟高频电路，通过电缆与离天线相当远的后端连接，常见的如大型卫星地球站系统。软件无线电数字前端04软件无线电中的数字接收前端(数字下变频DDC)1.数字下变频器组成正如第2章所介绍的，在软件无线电中，数字下变频器一般都采用正交数字下变频法实现，主要包括数字混频器、数字控制振荡器(NumericallyControlledOsillator,NCO)和低通滤波器三部分组成，重画如图4.58所示。软件无线电数字前端04软件无线电中的数字接收前端(数字下变频DDC)软件无线电数字前端04软件无线电中的数字接收前端(数字下变频DDC)2.数字控制振荡器工作原理数字控制振荡器(数字控制本地振荡器)在DDC中相对来说是最复杂的，也是决定DDC性能的最主要因素之一，或者说DDC需要一个高速、高精度的NCO,所以，作为重点进行介绍。NCO的目标就是产生理想的正弦波和余弦波，更确切地说是产生一个频率可变、时间离散的正弦波和余弦波的数据样本，如式(4-88)、式(4-89)所示。软件无线电数字前端04软件无线电中的数字接收前端(数字下变频DDC)软件无线电数字前端04软件无线电中的数字发射前端(数字上变频DUC)数字上变频器是数字下变频器的逆过程，两者的工作原理、结构和实现都大同小异，只处理顺序刚好相反。数字上变频器由成形滤波器、内插器、数字混频器、数字控制振荡器等成。数字正交上变频器原理框图如图4.60所示。软件无线电数字前端04软件无线电中的数字发射前端(数字上变频DUC)软件无线电数字前端04软件无线电中的数字发射前端(数字上变频DUC)数字上变频器是数字下变频器的逆过程，两者的工作原理、结构和实现都大同小异，只处理顺序刚好相反。数字上变频器由成形滤波器、内插器、数字混频器、数字控制振荡器等成。数字正交上变频器原理框图如图4.60所示。软件无线电数字前端04软件无线电中的数字发射前端(数字上变频DUC)1.NCO的FPGA设计后续基带处理中的信号解调对载波频偏十分敏感，而频偏的产生主要由本振的偏差和多普勒频移所引起的，因此，在数字前端中，设计一个性能较好的NCO是非常关键的。2.NCO优化设计相位累加器的位数N由要求的频率分辨率决定，而正弦查找表ROM的深度M及宽度W由杂散的要求决定。3.FIR的FPGA设计数字FIR滤波是个卷积运算，即乘法和累加运算。因而FIR滤波模块包括乘法器、加法器、延迟单元以及存储单元等。软件无线电数字前端04软件无线电数字前端的ASIC实现在某些成本、功耗、重量和尺寸等敏感的应用中，如无线移动通信系统中的基站和移动终端(手机),一般用ASIC来实现软件无线电数字前端单元。随着需求的不断增加和技术的不断进步，ASIC也不断地向集成数字基带处理、ADC、DAC、射频收发等更多单元以及从单通道接收、单通道发射到收发多通道的方向发展。软件无线电数字前端04软件无线电数字前端的ASIC实现05高速数字信号处理器高速数字信号处理器05软件无线电信号处理的特点(1)性能数字信号处理平台的性能主要用计算能力来衡量，软件无线电在不同的应用场合对计算能力的需求是不一样的。(2)模块化模块化是软件无线电系统构建的一种标准方式，是主流趋势。模块化可以分为硬件模块化和软件模块化。(3)可扩展可扩展性就是系统规模的可伸缩性，允许对软件无线电进行增强以提高系统的能力。(4)灵活性灵活性是指处理现有或是将来的各种空中接口和协议的能力，灵活性与性能、模块化和可扩展性等因素密切相关、密不可分。高速数字信号处理器05数字信号处理器件的选择技巧首先，需要指出本节的数字信号处理器件是指专用集成电路、现场可编程门阵列、通用数字信号处理器和通用处理器等所有具有数字信号处理功能和一定编程能力的器件，DSP专门指通用数字信号处理器。目前，可构建软件无线电数字实时处理系统的主要是四类器件。高速数字信号处理器05数字信号处理器介绍自从20世纪80年代初第一片数字信号处理器(DSP)诞生以来，伴随着微电子技术、数字信号处理技术的快速发展，DSP得到了日新月异的进步，在处理速度、运算精度、处理器的结构、指令系统、指令流程等诸多方面都有很大的提高。目前，DSP产品正在向高性能、多功能、低功耗、多领域等方向发展。DSP已经渗透到消费、军事、民用、商业等各个领域，成为许多电子产品的技术核心。高速数字信号处理器05通用处理器介绍通用处理器(GeneralPurposeProcessor,GPP),例如，Intel的CPU、Motorola的PowerPC等，多采用冯·诺依曼结构。普遍没有DMA通道控制器，数据传输和处理不能并行，普遍没有通用存储器接口和I/O接口，需要芯片组配合。高速数字信号处理器05图形处理器介绍软件无线电处理平台要实现各种机器学习的算力要求一般不会高于DL的算力要求，考虑开发难度、灵活度、可编程性、算法兼容性、通用软件兼容性等多个维度，在现阶段，基于CPU+GPU计算结构是目前软件无线电处理平台中额外配备专门用于实现智能计算的最合适的架构。06高速FPGA设计技术高速FPGA设计技术06软件无线电中的高速FPGA从软件无线电实现角度看，软件无线电最高设计原则有三点，即：●最大限度地进行宽带数字化；●最大限度地实现功能软件化；●最大可能地进行灵活重构。高速FPGA设计技术06软件无线电中的高速FPGA基于极高性能的FPGA实现软件无线电数字信号处理有以下五大好处。(1)极其强大的处理能力；(2)最理想化的算法定制；(3)最理想的适配接口；(4)无比灵活的重配置能力；(5)相对低的功耗高速FPGA设计技术06FPGA基本原理高速FPGA设计技术06软件无线电中的高速FPGA当前的FPGA具有以下主要特点：●容量大：高端的FPGA规模已达到上千万门级，能承担繁重的信号处理任务、完成复杂的功能；●功能强：以PowerPC、MicroBlaze和Nios等为代表的RISC处理器软硬IP核，极大地加强了FPGA的功能，可轻松实现大规模的片上系统(SOC);●保密性好：有防止反向技术的FPGA,能很好地保护系统的安全性和设计者的知识产权；●开发容易：FPGA开发工具功能强大，可完成从输入、综合、实现到配置芯片等一系列的功能。还有很多工具可以完成对设计的仿真、优化、约束和在线调试等功能。这些工具智能化程度高、易学易用。高速FPGA设计技术06基于高速FPGA的软件无线电系统设计1.软件无线电处理系统中高速FPGA的一般性设计；2.基于高速FPGA的软件无线电系统硬件体系结构设计；高速FPGA设计技术06基于高速FPGA的软件无线电系统设计3.基于高速FPGA的软件无线电处理系统硬件概要设计高速FPGA设计技术06基于高速FPGA的软件无线电系统设计4.FPGA重配置设计(1)FPGA配置设计由于FPGA中静态随机存储器掉电后数据会丢失，系统每次上电后需要重新配置数据后才能运行。以Xilinx公司FPGA为例，FPGA的配置模式归纳起来有8种，见表4-24。(2)多片FPGA系统配置设计软件无线电系统一般都是由多片FPGA组成的系统，这时系统配置可以这样设计。(3)软件上载的配置设计采用配置芯片对FPGA进行配置，每次上电后只能载入固定配置的文件。(4)IRL重配置[23]因特网重配置逻辑(InternetReconfigurableLogic,IRL)是Xilinx等公司推出的一种能够通过互联网对目标系统的硬件进行远程更新和动态重构的设计方法。07软件无线电系统设计实例软件无线电系统设计实例07软件无线电系统主要技术指标：●工作频段：1～2GHz;●通道带宽：60MHz;●通信路数：8路；●调制样式：BPSK、QPSK;●瞬时动态：≥60dB;●噪声系数：≤6dB。软件无线电系统设计实例07软件无线电系统设计师在设计方案时，需要对各个方面的因素进行综合考虑，主要有以下几点：●体系结构选择；●选择中频和采样频率；●选择目标硬件；●划分模拟和数字部分；●系统性能；●为子系统分配设计指标；●确定信号精度和电平；●解决抽象和独立性的需求；●选择特定的滤波设计；●硬件和软件的划分；●采用已存在的硬件器件和软件库；●对处理器/进程/芯片分配实体。感谢观看，再见！软件无线电原理与应用（第三版）高等学校电子信息类精品教材软件无线电原理与应用（第三版）软件无线电信号处理算法第五章高等学校电子信息类精品教材01软件无线电中的调制算法软件无线电中的调制算法01信号调制通用模型随着现代通信的飞速发展，通信体制的变化也日新月异：一些旧的通信方式或者被改进完善，或者被淘汰，适合现代通信体制的新通信方式不断涌现并且日臻完善。目前常用的模拟调制方式主要有AM、FM、SSB、CW等，而数字信号通信的调制方式却非常多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、QAM等。软件无线电中的调制算法01信号调制通用模型软件无线电中的调制算法01模拟信号调制算法软件无线电中的调制算法01模拟信号调制算法软件无线电中的调制算法01模拟信号调制算法软件无线电中的调制算法01模拟信号调制算法软件无线电中的调制算法01模拟信号调制算法软件无线电中的调制算法01模拟信号调制算法4.单边带信号(SSB)上文已经提到，SSB信号是通过滤除双边带信号的一个边带而得到的。滤除其上边带就是下边带(LSB)信号，滤除其下边带就可得到上边带(USB)信号。由于单边带信号的频谱宽度仅为双边带信号的一半，单边带一方面可以为日益拥挤的短波频段节约频率资源；另一方面，单边带只传送携带信息的一个边带功率，因而在接收端获得同样信噪比时，单边带能大大节省发射功率。因此短波频段广泛应用单边带信号传输信息。软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法1.振幅健控(2ASK)信号软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法2.二进制频移键控(2FSK)信号软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法3.二进制相移键控(2PSK)信号软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法4.M进制数字振幅调制(MASK)信号软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法5.M进制数字频率调制(MFSK)信号软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法6.四进制数字相位调制(QPSK)信号软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法7.正交振幅调制(QAM)信号正交振幅调制是一种多进制混合调幅调相的调制方式。4QAM就是QPSK,我们画出8QAM和16QAM的信号分布图如图5.10所示，这种分布图通常称为星座图。软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法8.最小移频键控(MSK)信号正交振幅调制是一种多进制混合调幅调相的调制方式。4QAM就是QPSK,我们画出8QAM和16QAM的信号分布图如图5.10所示，这种分布图通常称为星座图。软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法9.高斯最小移频键控(GMSK)信号正交振幅调制是一种多进制混合调幅调相的调制方式。4QAM就是QPSK,我们画出8QAM和16QAM的信号分布图如图5.10所示，这种分布图通常称为星座图。软件无线电中的调制算法01数字信号调制算法02软件无线电解调算法软件无线电解调算法02信号解调通用模型为了便于信号发射，提高信道利用率、发射功率效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同，解调方法大致有相干解调和非相干解调二类。软件无线电解调算法02信号解调通用模型软件无线电解调算法02模拟调制信号解调算法1.AM解调；2.DSB解调；3.SSB解调；4.FM解调；软件无线电解调算法02数字调制信号解调算法1.ASK解调；2.MASK解调；3.FSK解调；4.MFSK解调；5.MSK解调；6.GMSK解调；7.SFSK解调；8.PSK解调；9.MPSK解调；10.QPSK解调；11.OQPSK解调；12.π/4QPSK解调；13.QAM解调。03软件无线电中的同步算法软件无线电中的同步算法03数字锁相环锁相环(PLL)是实现两个信号相位同步的自动控制系统，它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)等组成，如图5.13所示。鉴相器可以用乘法器后接一个低通滤波器来实现。软件无线电中的同步算法03同步参数估计实现各种同步时，首先需要知道一个参数的初值，对同步所需要的各种参数进行估计，并且估计精度至少要达到同步捕获的要求。对于信号解调来说，需要对载波频率、信息码速率、伪码速率、信号带宽等参数进行估计。软件无线电中的同步算法03同步参数估计1.载波估计软件无线电中的同步算法03同步参数估计2.码速率估计数字信号的码速率估计也可以利用FFT的方法来实现。由于信号在码元交替时，在其包络上总会呈现出相应的变化，特别是对于经过成形滤波的数字信号，其幅度谱的基波分量就是码元速率。图5.14是采用滚降系数为0.35的升余弦滤波器成形后的QPSK信号幅度谱。软件无线电中的同步算法03同步参数估计2.码速率估计软件无线电中的同步算法03同步参数估计3.信噪比估计介绍一种利用特征值分解和子空间分割实现对信噪比估计的方法，先构造出接收信号的相关矩阵，然后利用最小描述原理(MDL)来确定接收数据中信号子空间的维数，从而分离出信号子空间和噪声子空间7。软件无线电中的同步算法03软件无线电中的载波同步算法载波同步(跟踪)可以分为两类：接收到的信号中存在载频分量时，如有载波的模拟或数字调制信号，此时采用窄带滤波器或基本的锁相环路就可以提取出载波分量，锁相环中VCO的输出就是载波；而对于一些接收信号中不含载波分量的信号，也就是抑制载波的调制信号，比如BPSK、QPSK等就需要通过一些特殊的环路来实现对同步载波的恢复。软件无线电中的同步算法03软件无线电中的载波同步算法软件无线电中的同步算法03软件无线电中的载波同步算法载波同步的第三种方法是采用判决反馈环，其基本原理是对信号进行相干解调，然后将解调出来的信号去抵消接收信号中的调制来恢复载波分量。其组成框图如图5.20所示。软件无线电中的同步算法03软件无线电中的载波同步算法软件无线电中的同步算法03软件无线电中的位同步算法数字通信中解调器必须产生一个频率与符号速率相同的定时抽样脉冲，以在合适的时刻对输出波形进行抽样判决。这个定时抽样脉冲是通过位同步也叫定时同步来获得的。软件无线电中的同步算法03软件无线电中的载波同步算法软件无线电中的同步算法03载波和位同步的联合最大似然估计算法在上面的讨论中，载波和位同步信号的获取主要是通过锁相环实现的，有一个控制反馈的过程。近年来，人们提出了接收端的本地参考载波和定时时钟都独立振荡于固定频率，不再需要反馈控制的方法。软件无线电中的同步算法03软件无线电中的帧同步算法帧同步的作用是在数字信息流中插入特殊的码组作为每帧的头尾标记。接收端产生与发射端相同的码组，并与接收到的信号进行相关运算，当相关值为最大时，就认为找到了帧的起始位置。作为帧同步的码组应是具有尖锐单峰特性的局部自相关函数，而且识别器要尽量简单。软件无线电中的同步算法03软件无线电中的帧同步算法04软件无线电的中均衡算法软件无线电的中均衡算法04线性均衡算法最常用的线性均衡器是横向滤波器，其组成如图5.33所示。软件无线电的中均衡算法04线性均衡算法1.基于最大失真准则的线性均衡器软件无线电的中均衡算法04线性均衡算法2.基于最小均方误差(MMSE)的均衡器软件无线电的中均衡算法04判决反馈均衡算法判决反馈均衡器(DFE)是一种非线性均衡器，它由一个前馈滤波器和一个反馈滤波器组成4。前馈滤波器的输入是接收信号序列，其功能与线性横向滤波器相同，反馈滤波器把先前被检测符号的判决序列作为输入，反馈滤波器用来消除当前估计值中由先前被检测符号引起的码间干扰。其组成框图如图5.36所示。软件无线电的中均衡算法04判决反馈均衡算法软件无线电的中均衡算法04自适应均衡算法1.迫零算法前面提到，在线性均衡的峰值失真准则中，通过选择均衡器系数cj;,可以使得峰值失真最小。除了均衡器输入端的峰值失真小于1的特殊情况，一般没有实现最佳化的简单方法。该失真小于1时，令均衡器具有如下响应，可使均衡器输出端的峰值失真最小。软件无线电的中均衡算法04自适应均衡算法2.最小均方(LMS)类算法为便于分析，下面先讨论横向滤波器系数的自适应更新问题。M阶FIR滤波器的抽头系数为cj;(j=1,…,M),滤波器的输入输出分别为x(n),y(n),而d(n)为期望输出，则有：软件无线电的中均衡算法04盲自适应均衡算法不需要已知信号I(n)进行自适应均衡的算法称为盲自适应均衡算法。盲自适应均衡算法有Bussgang算法、基于高阶统计量的算法、基于周期特性的算法、最大似然估计算法等。软件无线电的中均衡算法04盲自适应均衡算法1.Sato算法软件无线电的中均衡算法04盲自适应均衡算法2.Godard算法05调制样式自动识别算法调制样式自动识别算法05模拟调制信号的自动识别假设所要识别的调制样式主要有：AM(调幅)、FM(调频)、DSB(双边带)、LSB(下边带)、USB(上边带)、VSB(残留边带)以及AM-FM(组合调制)7种模拟调制样式。任何调制样式的信号均可采用以下统一的数学表达式来表示：调制样式自动识别算法05数字调制信号的自动识别调制样式自动识别算法05数字调制信号的自动识别调制样式自动识别算法05模拟数字调制信号的联合自动识别调制样式自动识别算法05模拟数字调制信号的联合自动识别调制样式自动识别算法05模拟数字调制信号的联合自动识别调制样式自动识别算法05信号调制样式自动识别中应注意的几个问题前面对基于决策理论的信号调制样式自动识别的基本原理进行了介绍讨论，在实现这些算法时还会碰到许多具体的实际问题，比如采样速率的选取、载频的精确估计(非线性相位分量的计算)、瞬时频率的计算、特征参数门限电平的确定以及非弱信号段的实际选取等。下面就这些问题进行简单讨论。调制样式自动识别算法05信号调制样式自动识别中应注意的几个问题调制样式自动识别算法05基于人工神经网络的调制识别基于ANN的模拟信号调制识别原理结构如图5.43所示，该人工神经网络采用了三层结构即1个输入层，1个输出层，1个中间层。调制样式自动识别算法05基于人工神经网络的调制识别感谢观看，再见！软件无线电原理与应用（第三版）高等学校电子信息类精品教材软件无线电原理与应用（第三版）信道编译码技术第六章高等学校电子信息类精品教材01信道编译码基础信道编译码基础01现代通信飞速发展的一个重要原因是模拟信号的数字化，数字通信具有模拟通信无法比拟的特殊优点，如抗干扰能力强、便于实现保密、通信质量不受距离影响、能适应各种业务、电路易于集成化等。信道编译码基础01那么到底什么是信道编码呢?广义的信道编码是指从信源编码信息到信道波形的映射，因此复接、代数编码、调制、成形滤波、扩频、上下变频等都可归于广义的信道编码范畴，如图6.1所示。02信道编码概述信道编码概述02在通信加扰中，从扰码序列是否独立于用于加扰的伪随机序列来看，扰码可分为自同步扰码和同步扰码两种，伪随机序列一般由一个或多个线性反馈移位寄存器(LFSR)来产生。扰码关系如图6.2所示。扰码信道编码概述02扰码信道编码概述02扰码信道编码概述02纠错码及交织纠错码按功能可分为检错码和纠错码，按对信源序列进行的不同处理方式可分为分组码、卷积码及级联码，按照信息码元在编码之后是否保持原来的形式不变，又可分为系统码与非系统码。信道编码概述02信道编码的应用及性能在对信道编码半个多世纪的研究中，能够更加逼近Shannon限的编译码方法不断出现，Shannon限已基本达到。从汉明码、BCH码、RS码，到卷积码、级联码，以及Turbo码、LDPC码，所能达到的性能与Shannon限的距离正在不断缩小。这些先进的信道编码技术已经在数字通信领域大放异彩，与人们的生活息息相关，如卫星通信、深空通信、地面移动通信、网络传输、数字电视等。表6-3列出了一些信道编码的使用情况。信道编码概述02信道编码的应用及性能信道编码概述02信道编码的应用及性能在AWGN信道，不同调制方式下对码率为1/2的(171,133)卷积码进行性能比较，性能曲线如图6.13所示。信道编码概述02信道编码的应用及性能图6.15所示是DVB-T、DVB-C、DVB-S及DVB-S2的信道编码方案。03几种简单的检纠错码几种简单的检纠错码03线性分组码是信道编码中最基本的一类码，它有明显的数学结构，是讨论各类码的基础。一般把信道编码中非0码元的个数称为码组重量(简称码重),如0001码组的码重为1,定义码距为两个码组中对应位上不同码元的个数。几种简单的检纠错码03一般情况下，对于分组码存在以下结论：几种简单的检纠错码031.奇偶校验码奇偶校验码是一种非常简单的编码方式，在计算机通信中得到广泛应用，奇偶校验码中无论信息位有多少位，校验位都只有1位，一般插入在一组码的末尾，码率等于k/(k+1)。几种简单的检纠错码032.恒比码恒比码中每个码组均含有相同数目的“1"或"0”。在检测时，只要计算接收码组中的“1'的数目是否对，就知道有无错误。恒比码编码简单，适用于传输字母和符号，对二进制随机数字序列不适用。几种简单的检纠错码033.正反码正反码是一种简单的能够纠错的编码。正反码中编码的校验位数目与信息位数目相同，校验位内容为信息位的重复或取反，具体由信息码中"1"的个数而定，如可定义“1”的个数为奇数时校验位重复信息位，“1”的个数为偶数时校验位为信息位的反码。如0101的正反码为01011010,0111的正反码为01110111。几种简单的检纠错码034.群计数码群计数码是将k位信息元经分组之后，计算出每个信息码组中“1”的数目，然后将这个数目用r位二进制表示，并作为校验码元附加在信息码元后面一起传输，组成(k+r,l)码。如1101001共有4个“1”,用二进制100表示十进制的4,则传输码组变为1101001100。几种简单的检纠错码035.汉明码汉明码的发现时间其实早于Shannon论文的发表时间，由于技术专利的原因导致其直到1950年才发表。汉明码是一