1、基于DSP的软件无线电接收机研究和实现基于DSP的软件无线电接收机研究和实现.txt13母爱是迷惘时苦口婆心的规劝；母爱是远行时一声殷切的叮咛；母爱是孤苦无助时慈祥的微笑。 本文由ailybd2008贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 武汉理工大学 硕士学位论文 基于DSP的软件无线电接收机研究和实 姓名:甘泉 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:陈永泰 20050601 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以微电子技术为支撑的 软件无线电(Software Defined Ra
2、dio)自从1 年由 提出以来,在最 近几年取得了引人注目的进展,引起了包括.9军92事通信J,eo个M人ito移la动通信,微电子 以及计算机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣.人们普遍认为软件无线电将使 无线通信,甚至整个无线电领域产生重大变革,并由此推动电子信息技术的快 速发展,最终在全世界范围内形成巨大的软件无线电产业市场,产生巨大的经 济效益,推动社会和技术的进步. 软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一,可扩展性差的硬件为核心 的设计局限性,强调以开发性的最简单硬件为通用平台,尽可能地用可升级, 可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路.用户在同一硬件平 台上可以通过配置不
3、同的应用软件来满足不同时期,不同使用环境的不同功能 需求:投资商则可以在通用的可扩展的硬件平台上,通过开发新的应用软件来 满足用户或市场的新要求,适应不断发展的技术进步. 软件无线电这一概念在个人移动通信上已经得到了应用.国际电信联盟 (rru)所制定的IMT-2000系统标准,其主要目标是建立一个可以全球漫游, 跨系统,跨网络的无缝隙的第三代移动通信标准.而软件无线电技术将传统的 模拟和数字无线电平台转换成更具弹性的软件无线电平台,以支持多样化的通 信标准.本论文以软件无线电的概念,去实现适用于目前移动通信标准的中频 数字化硬件平台. 本文结构如下:第1章为概述,介绍了软件无线电的基本概念,
4、以及研究的 动机,意义和目标:第2章为软件无线电接收机的理论基础,主要介绍软件无 线电接收机所需的一些基础理论,包括信号采样定理,多速率信号处理基本理 论等,其中采样理论是本设计的核心理论基础:第3章为软件无线电接收机的 数学模型和信号解调模型;第4章介绍了软件无线电接收机的硬件实现,包括 射频前端电路,A/D,数字下变频器以及数字信号处理器等;第5章为总结,给 出了整个论文的结论. 关键词:数字信号处理,接收机,软件无线电,数字下变频器 武汉理工大学硕士学位论文 Abstract SDR(software in defined radio)has on got quiet great evo
5、lution since Jeo Mitola raised it COre 1992,which is based signal the theory of modern communication,with the of digjtal has processing,and supported by the technique of microelectronic.SDR in recent mobile years,and has caught the sight of military been improved communication,personal and other ele
6、ctronic communication(PMC),microelectronic,computers, thou曲t to fields.SDR is generally even greatly change the radio communication,and development of the SDR the whole radio field.And SDR will promote the quick can electronic information technique,and finally it US form a great market around the wo
7、rld.SDR will bring great economic benefits,and improve the society and the related techniques. SDR broke the expansibility hardware as limited design that the traditional radio has singld function with badly emphasis that it regards the simplest to hardware,and general developable platform.It adopts
8、 the new thinking way implement various can radio functions by different upgradeable and reconfigurable software.User fulfill the requirements of different time and different conditions with different applied software;but by the same hardware platform.Investors can meet the new demands of buyers and
9、 the market,and suit the developing techniques,by designing new applied software. The concept of SDR has been system drawn up by ITU is applied in to PMC,The main object of the IMT-2000 a.4 establish seamless third generation mobile communication standard with the function of global roaming across a
10、ny systems and any networks.Software defined radio technique migrates the traditional analog and digital radio platforms to flexible software radio platforms that a can support multiple communication standards.In this thesis,l design receiver that on hardware platform with IF digital suited foT the
11、standard of current communication system,which based the concept of software defined radio. II 武汉理工大学硕士学位论文 ne frame of the thesis is: 1 is Chapter summarization.It introduces the basic concept of SDR and the motivation,significance,and target of the research. Chapter 2 is the basic theory of SDR re
12、ceiver.It presents the related fundamental the signal sampling theory of the SDR receiver,including with multiple speed,etc,And the Chapter 3 introduces the SDR receiver. the front Chapter 4 introduces the hardware implement of the SDR receiver,including theorem,signal processing signal sampling the
13、ory is the basic theory for SDR- mathematic model and the signal demodulation model of circuit,A/D,digital down converter,and the digital signal processor,etc Chapter 5 presents the conclusion of the thesis. Keywords:Digital signal processing,Receiver,Software defined radio Digital down converter 11
14、1 武汉理工大学硕士学位论文 第1章绪论 1.1研究动机嘲叭九63 由于全球电信自由化,使得无线通信产业蓬勃发展,各大通信设备及相关零 组件厂商也大力拓展市场.无线通信市场的需求更是惊人,根据国际电信联盟 (rru)的预估,以后全球无线通信的用户将过10亿.普及率更胜现今有线电话的 密度.这是因为无线通信产品的可移动性可以让人随时随地的使用,增加了相 当的便利性. 以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以微电子技术为支撑的 软件无线电(Software Defined Radio)自从1992年由Jeo Mitola提出以来,在最 近几年取得了引入注目的进展,引起了包括军事通信,个人移动
15、通信,微电子 以及计算机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣.人们普遍认为软件无线电将使 无线通信,甚至整个无线电领域产生重大变革,并由此推动电子信息技术的快 速发展,最终在全世界范围内形成巨大的软件无线电产业市场,产生巨大的经 济效益,推动社会和技术的进步. 软件无线电突破了传统的无线通信平台以功能单一,可扩展性差的硬件为 核心的设计局限性,强调以开发性的最简单硬件为通用平台,尽可能地用可升 级,可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路.用户在同一硬 件平台上可以通过配置不同的应用软件来满足不同时期,不同使用环境的不同 功能需求;投资商则可以在通用的可扩展的硬件平台上,通过开发新的应用软
16、 件来满足用户或市场的新要求,适应不断发展的技术进步. 作为无线通信中最重要的组成部分,个人移动通信,存在系统标准及通信协 议的差异,如何整合现有移动通信标准就成为重要课题.国际电信联盟(rrU) 所制定的第三代移动通信系统IMT2000,其主要目标是期望建立一个可供全球 漫游,跨系统,跨网络无缝隙的通信标准,并提供与现有第二二代(2G)移动通 信系统相容的需求,因此第三点(3G)移动通信系统的设备需具有相容性 (Compatibility),使用弹性(FIexibility),可重构性(Reconfigurability)和可升 级性(Upgradability)的多功能需求.而发展软件无线
17、电系统就是解决方法之一, 此系统具有整合多模式,多频段通信标准的能力.软件无线电目的已经是业界 武汉理工大学硕士学位论文 研究发展的重点,也是我国电信研究重点之一.世界大厂,如Ericssion,Nokia, Lucent,Motorola,Harris,Analog Device等均已表示积极从事软件无线电相关 系统及关键器件的研究.1996年10月,软件无线电技术被正式列入国家863高 技术计划通信主题的研究项目.目前软件无线电在我国取得了长足的进展,我 国的TD-SCDMA技术上也大量采用了软件无线电技术,哈尔滨工业大学等院校 和科研机构也在积极的从事软件无线电研究.此外欧,美,日先进国
18、家也举办 过专门的软件无线电会议,如欧洲的Software Radio workshop和日本的 Software Radio and MMITs Forum,IEEE也有许多专刊论文,如IEEE Personal Communication,IEEE Journal on Selected Areas in Communication,IEEE communication.由此可见软件无线技术已经在业界受到相当的重视. 1.2研究软件无线电技术的目的和意义 以目前嵌入式计算能力的水平来说,用软件定义性能,基于数字信号处理器 的调制解调器的想法己经成为现实,软件无线电(sDRl通过运行在通用硬
19、件上的 软件来定义大量的功能,不用修改硬件就可以增强系统功能,与个人微机一样, SDR可使用户在通用硬件平台之上,以适合具体应用的软件来满足通信需求. 理想的软件无线电是一种以软件的形式定义各层协议f包括物理层),具有动 态容量的多频段多功能电台.能够兼容现在甚至将来的不同通信标准,不仅可 以实现区域和全球漫游,而且大大降低新系统的开发时间和费用. 1.2.1研究软件无线电技术在军事上的意义.卜哺 在军事领域,随着技术的进步,战争手段不断变化,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.因此,长期以来各国都在探索一种能够使不同本兵种,不同频率
20、范围,不 同工作方式的电台实现互联,互通的无线电通信体制.靠传统的无线电体制根 本无法达到这一目的.1992年5月,MILTRE公司的JoeMitola首次明确地提出 了软件无线电的概念,为这一问题的解决提供了一个方向.只有采用软件无线 电实现的军用电台的业务种类,工作速率,调制方式,接口类型,工作领率, 加密方式等可实时变化.而且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 武汉理工大学硕士学位论文 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, 美国军方的Speakea
21、sy电台,就是这方面的典型代表,目前该项目已经完成 了第一阶段的研究工作,正在进行第二阶段的研究工作.Speakeasy电台试图通 过全数字,软件可编程,基带信号处理,多频段,小功率射频发信机,大功率 放大器和天线分系统来实现各种功能.该电台的硬件和软件均采用模块化,开 放式的结构形式. 1.2.2研究软件无线电技术在民用土的意义_嘲D 软件无线电在民用,商业等方面的应用也取得了很大的发展.例如在己研制 成功的220MHz地震遥测系统,采用16QAM的调制方式,信道带宽为20kHz(数 据速率达60kb/s 1.利用此系统的灵活性,能使其中的任何一台无线电设备即可 成为标准设备又可成为射频中继
22、器.这样,如果有的设备所处的位置不好,就 可用别的设备进行射频中继,把数据以实时方式转发回基地台.因此,利用这 种设备不必专门设计中继设备,不但降低了成本,还提高了系统的灵活性. 在移动通信方面,无论是第二代还是第三代移动通信,都有多种接口标准, 给全球通信造成了一定的困难.将软件无线电技术应用于移动通信时,它的多 模式性,可重配置,自适应性三个优点有望得到发挥.多模式性表示一个单一 的无线设备可以对应多个系统和多种介质,如果将它应用于终端,基站或中继 站中,就有可能出现各种各样的新业务.软件无线电技术用在终端上,用户就 可以超越系统和介质享受多种业务;用在基站,一个基站就可以包容各类系统 的
23、用户:用在中继站,就可以跨接不同的系统.可重配置是系统可以根据具体 应用环境进行软件升级或更换.而且,由于只需要软件的开发以及软件的加载 就能做到,所以,可望大幅度地缩减开发经费和开发周期.比如,从比较长远 的观点考虑对蜂窝基站设备的投资和维护管理经费时,它的优点就远远地超过 了功能不能变更的基站.自适应性是指自适应地改变传输方式的功能.根据用 户或应用要求的业务质量(OoS),传输路径的条件以及通过量等情况,在硬件资 源允许的范围内,通过对频率,天线的方向性,比特速率,调制方式,纠锗编 码率等参数,有时是无线方式本身动态地进行切换,就能实现最佳的无线方式. 软件无线电在移动通信领域所具有的这
24、三个突出优点是以往传统专用设备所可 望而不可及的. 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述,在软件无线电系统,技术及其应用的研究方面,人们只是完成了 第一步,前面还有许多的坎坷.但是,随着现代微电子技术及计算机软硬件技 术的飞速发展,在21世纪,这些问题都将得到圆满解决. 1.3本文所作的工作 1,通过对软件无线电接收机的基本结构的了解,及其实现的技术方法,来 确定本研究所采用的软件无线电接收机的结构.本论文基于传统的超外差结构, 采用宽带中频带通抽样结构.第一次混频采用模拟混频器将RF信号下混频到中 频然后进行高速数字采样后用数字信号处理技术对信号进行处理. 2,制定中频数字接收电台数字信号处理
25、平台方案.软件无线电要求具有开 放式结构,由所下载软件确定电台功能.数字信号处理平台是软件无线电接收 机的基础,因此硬件平台采用了当前性能最优的器件:以功能强大的数字信号 处理器(DSP)和控制单元(MCU)为核心.以可编程器件相辅助,包括参数 可编程器件和FPGA等,尽量提高系统的可编程性和灵活性. 3,本论文针对移动通信终端应用来设计软件无线电中频数字接收机,故频 率源是整个电路设计的重点之一,也是本文作者在整个系统设计中的重点工作, 本论文采用传统的PLL+VCO结构来进行设计,以保证频率源的杂散范围和频率 输出动态范围.本论文所采用的可编程频率合成器保证了频率源能产生多种本 振频率.
26、4,本论文中使用数字下变频芯片HSP50214B进行设计的,数字下变频是近 年来发展起来的新型变频器,负责接收高速模/数变换的采样数据,进行正交混 频,可编程低通滤波和抽取等预处理,然后将数据存入缓存,等待数字信号处 理器进一步处理,太大减轻了数字信号处理器的处理负荷.数字下变频器有许 多可变参数,如可编程滤波器带宽,抽取率,正交本振频率等,本论文根据应 用场合,经过理论分析确定相关参数设置,不同应用场合的参数设置方法也相 互具有指导意义. 5,整个硬件电路具体要实现模拟下变频,采样,数字下变频,信号处理, 模拟输出,接VI控制等功能.编写和调试模拟话音调相数字化接收程序.软件 决定了软件无线
27、电的功能,是软件无线电的灵魂. 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2章软件无线电技术的理论基础 2.1软件无线电中的采样定理 软件无线电的核心思想是对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行 数字化,将其变换为适合于数字信号处理器(DSP)或计算机处理的数据流,然 后通过软件来完成各种功能,使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性.所 以,软件无线电首先面临的问题是如何对工作频带内的信号进行数字化,也就 是如何对感兴趣的模拟信号进行采样,这些既是最基本,但也是软件无线电中 最关键的问题,对此进行详细讨论与阐述,为软件无线电研究奠定理论基础. 2.1.1基本采样定理Nyqu st采样定理.1】刀叫1
28、 如果对某一时间连续信号(模拟信号)进行采样,当采样率达到一定数值 时,那么,根据这些采样值就能准确地确定原信号.Nyquist采样定理可以表达 如下: Nyquist采样定理:设有一个频率带限信号x(t),其频带限制在(o,厶)内, 如果以不小于正2厶的采样速率对x(f)进行等间隔采样,得到时间离散的采样 信号x()一工(n正)(其中t一1/正为采样间隔),则原信号x(f)将被所得到的采 样值z(n)完全确定. 上述Nyquist采样定理告诉我们,如果以不低于信号最高频率两倍的采样速 率对带限信号进行采样,那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号. P(t) +I O 图2.1信号采样 5
29、 武汉理工大学硕士学位论文 2.1.2带通信号采样定理111伽 由于软件无线电所覆盖的范围一般都要求比较宽,例如从0.1MHz到2GHz, 作为软件无线电,只有这样宽的频段才能有广泛的适应性.但是如此宽的频带 采用Nyquist低通采样所需的采样速率至少大于4GHz,目前这是不可能实现的. 所以,对于宽频带工作的软件无线电台是无法采用Nyquist采样技术来采样的. 而必须采用带通采样. Nyquist采样定理讨论了频谱分布在(o矗)上的基带信号的采样问题,而 在适用的软件无线电模式,我们从中频开始全数字化,因为有用信号只是占据 了整个中频带宽的一部分,所以如果我们将整个带宽进行采样.不仅数据
30、非常 大,而且也包含很多无用信息,我们只需要进行带通采样. 带通采样定理:设一个频率带限信号z(),其频带限制在(矗,厶)内,如果 其采样频率f满足: 正一%导 f,且 沼D 式中,n取能满足五22(厶一)的最大整数(o,1,2,),则用正进行等闾 隔采样所得到的信号采样值x(,Iz)能准确地确定信号x(f). 式(2,1)用带通信号的中心频率五和频带宽度B也可以表示为: (2-2) 式中,矗-毕,n取能满足正之2B(B为频带宽度)的最大整数. 2,l+1 由(2-2)可见,当频带宽度B一定时,为了能用最低采样速率即两倍频带 宽度速率(f一2B)对带通信号进行采样,带通信号的中心频率必须满足:
31、 .丝型B 2 (2.3) 当n取不同的值时,就对应了不同的中心频率,0.,也就是浣任何一个中心频率 为,o.(n=O,1,2,)带宽为B的带通信号均可以用同样的采样频率正一2B对 信号进行采样,这些采样均能准确地表示位于不同频段(中心频率不同)原信 号. 值得指出的是,上述带通采样定理适用的前提条件是:只允许在其中的一 个频带上存在信号.而不允许在不同的频带上同时存在信号,否则将会引起信 武汉理工大学硕士学位论文 号的混叠. 图2-2带通信号的采样 为了满足这样的一个条件,可以采用跟踪滤波器的办法来解决,即在采样前先 进行滤波,如图2.2,也就是当需要对某一个中心频率的带通信号进行采样时, 就先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率,0.上,滤出所感兴趣的带通信号, 然后再进行采样,以防止信号的混叠. 当带宽很窄时,例如对常规的军用战术电台(vHFn 7HF),其信号带宽B: 为25KHz(含保护间隔),则采样速率应取为50KHZ.但是这种方法实现起来比 较困难的.主要表现在D前面的抗混叠滤波器无法实现,因为它要求该滤波 器在整个频带都保持相同的滤波器带宽和阻带特性,这几乎是不可能做到的. 为了解决上述问题,可以采用所谓的超外差接收体制,即先用一个本振信 号与输入信号进行混频(可以进过几次混频),-将其变换成为统一的
