【正文】 現(xiàn)通信電臺(tái)的各種功能,最后經(jīng)寬帶D/A變換出符合要求的射頻信號(hào)。而接收過(guò)程也是如此,射頻信號(hào)經(jīng)寬帶A/D變換為數(shù)字碼。進(jìn)入DSP處理,最終由D/A變換為基帶信息提供給終端。圖1 軟件無(wú)線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖軟件無(wú)線電是與原來(lái)由硬件電路構(gòu)成無(wú)線電通信電臺(tái)完全不同的一種信息處理、傳送新體制,也與用軟件方式控制的數(shù)字無(wú)線電完全不同。由于DSP處理能力的制約,在射頻完成信息的軟件處理,目前是非常困難的。但隨著數(shù)字式上、下變頻技術(shù)的發(fā)展,已可實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字化、基帶DSP的實(shí)時(shí)處理。這樣的結(jié)構(gòu)具有較高的可實(shí)現(xiàn)特點(diǎn),其A/D和D/A轉(zhuǎn)換在中頻進(jìn)行,DSP實(shí)時(shí)處理在低頻進(jìn)行,數(shù)百M(fèi)OPS的處理能力要求易于滿足。并且,隨著DSP及DDC、DUC、A/D和D/A技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化頻段可向射頻段靠近,最終過(guò)渡到真正意義的軟件無(wú)線電系統(tǒng)。、研究手段和可行性分析第一，濾波器的設(shè)計(jì)：軟件無(wú)線電信道處理的關(guān)鍵技術(shù)在于獲得不同信道的信息,這就要設(shè)計(jì)不同的濾波器,對(duì)數(shù)字化FIR濾波器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入的研究,在其數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,利用Matlab軟件進(jìn)行了不同信道參數(shù)提取和仿真。第二，基于DSP平臺(tái)的數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)。在CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境下,將通過(guò)軟件編程得到信號(hào)初始數(shù)據(jù),用DSP匯編語(yǔ)言程序進(jìn)行運(yùn)行軟件的數(shù)據(jù)接口,并實(shí)現(xiàn)在CCS下的數(shù)字濾波,將濾波后的數(shù)據(jù)通過(guò)圖形化界面反映出來(lái),以此評(píng)估DSP對(duì)不同信道的處理效果。根據(jù)不同的研究對(duì)象擬采用不同的研究手段（途徑），本課題包括下面幾方面的內(nèi)容：，比較優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行性能對(duì)比；，簡(jiǎn)單的比較了它和通用處理器的異同，總結(jié)出DSP區(qū)別于通用處理器的主要性能特點(diǎn)；，經(jīng)MATLAB仿真驗(yàn)證其有效性和可行性；，選擇合適的外圍芯片，著重于互相之間的連接方式以及相互協(xié)同工作模式。該系統(tǒng)選擇TMS320VC5509芯片為處理芯片，該芯片具有性能（最高可達(dá)到200MHz的處理速度）、功耗低、接口多、外設(shè)豐富的特點(diǎn)，其良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS，可以實(shí)現(xiàn)各種算法的仿真設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，完成信道處理算法的仿真，并根據(jù)選擇的算法需求，選擇合適的外圍芯片，設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，在硬件平臺(tái)上完成軟件的設(shè)計(jì)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，使系統(tǒng)指標(biāo)符合要本論文在論述了軟件無(wú)線電技術(shù)的背景、研究現(xiàn)狀、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、以及它的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了本課題研究的目的和意義,找出了信道處理技術(shù)的關(guān)鍵是在于對(duì)不同頻帶的信號(hào)進(jìn)行接收處理,亦即設(shè)計(jì)不同的濾波器在通用硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線電中的濾波運(yùn)算可以用軟件實(shí)現(xiàn),也可以用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)指的是在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行編輯好的程序。這種方法靈活,但一般不能完成實(shí)時(shí)處理。硬件實(shí)現(xiàn)指的是根據(jù)數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)模型和算法,設(shè)計(jì)專用數(shù)字信號(hào)處理器,使計(jì)算程序全部硬件化。實(shí)際上,這兩種方法是不能截然分開(kāi)的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛,程度也越來(lái)越復(fù)扎,因而對(duì)于算法及實(shí)現(xiàn)的研究更顯重要。本文首先選用Matlab,亦即矩陣實(shí)驗(yàn)室來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所要求的濾波器的設(shè)計(jì),然后利用器件對(duì)其進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。論文將按照下面的描述進(jìn)行內(nèi)容的安排：第一章在分析軟件無(wú)線電的起源、研究現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上,提出了本課題研究的目的與意義。第二章濾波器的設(shè)計(jì)。軟件無(wú)線電信道處理的關(guān)鍵技術(shù)在于獲得不同信道的信息,這就需要設(shè)計(jì)不同的濾波器,本章對(duì)數(shù)字化FIR濾波器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入的研究,在其數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,利用Matlab軟件進(jìn)行了不同信道參數(shù)提取和仿真。第三章基于DSP平臺(tái)的數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)。在CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境下,將通過(guò)軟件編程得到信號(hào)初始數(shù)據(jù),用DSP匯編語(yǔ)言程序進(jìn)行運(yùn)行軟件的數(shù)據(jù)接口,并實(shí)現(xiàn)在CCS下的數(shù)字濾波,將濾波后的數(shù)據(jù)通過(guò)圖形化界面反映出來(lái),以此評(píng)估DSP對(duì)不同信道的處理效果。第四章對(duì)并行處理數(shù)字濾波器進(jìn)行了理論研究,提出了由FPGA實(shí)現(xiàn)的技術(shù)思路,并與DSP的順序執(zhí)行情況進(jìn)行比較,為實(shí)時(shí)高速的真正意義上的軟件無(wú)線電研究提供了有益的探索。第五章對(duì)兩種實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了總結(jié)分析并對(duì)今后工作進(jìn)行了展望。第二章 軟件無(wú)線電中濾波器的理論與設(shè)計(jì)軟件無(wú)線電雖然是一種新型的無(wú)線通信體系結(jié)論,但它仍然是以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)的。FIR數(shù)字濾波器是指用有限精度算法實(shí)現(xiàn)的,完成信號(hào)濾波處理功能的離散時(shí)間線性非時(shí)變系統(tǒng),其輸入是一組由模擬信號(hào)取樣和量化得到的數(shù)字量,其輸出是經(jīng)過(guò)變換得另一組數(shù)字量。數(shù)字濾波器具有高穩(wěn)定性、高精度、靈活性大等突出優(yōu)點(diǎn)。在這一章中介紹了軟件無(wú)線電中信道處理所涉及的一些基礎(chǔ)理論,并且針對(duì)軟件無(wú)線電中對(duì)不同頻段濾波器的需求,給出了濾波器的理論以及它的設(shè)計(jì)流程。軟件無(wú)線電的核心思想是對(duì)由天線感應(yīng)的射頻模擬信號(hào)盡可能地直接進(jìn)行數(shù)字化,將其變換為適合于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或計(jì)算機(jī)處理地?cái)?shù)據(jù)流,然后通過(guò)軟件來(lái)完成各種功能,使其具有更好地可擴(kuò)展性和應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性。所以,軟件無(wú)線電首先面臨地問(wèn)題是如何對(duì)工作頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,也就是如何對(duì)感興趣地模擬信號(hào)進(jìn)行采樣,這些既是最基本,但也是軟件無(wú)線電信道處理技術(shù)中最關(guān)鍵的問(wèn)題,對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論與闡述,為軟件無(wú)線電研究奠定了理論基礎(chǔ)?！狽yquist采樣定理如果對(duì)某一時(shí)間連續(xù)信號(hào)(模擬信號(hào))進(jìn)行采樣,當(dāng)采樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，那么根據(jù)這些采樣值就能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)。Nyquist采樣定理可以表達(dá)如下:Nyquist采樣定理:設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào)x(t),其頻帶限制在(0,)內(nèi),如果以不小于角的采樣速率對(duì)x(t)進(jìn)行等間隔采樣,得到時(shí)間離散的采樣信號(hào)x(n)=x(nT)(其中T=1/為采樣間隔),則原信號(hào)x(t)將被所得到的采樣值x(n)完全確定。上述Nyqulst采樣定理告訴我們,如果以不低于信號(hào)最高頻率兩倍的采樣速率對(duì)帶限信號(hào)進(jìn)行采樣,那么所得到的離散采樣值就能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)。由于軟件無(wú)線電所覆蓋地范圍一般都要求比較寬,作為軟件無(wú)線電,只有這樣寬的頻段才能有廣泛地適應(yīng)性,這也是它的最突出的特點(diǎn)之一。但是如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少大于4GHz,目前這是不可能實(shí)現(xiàn)的。所以,對(duì)于寬頻帶工作的軟件無(wú)線電臺(tái)是無(wú)法采用Nyquist采樣技術(shù)來(lái)采樣的。而必須采用帶通采樣,在本文的濾波器設(shè)計(jì)中也同樣采樣帶通采樣。Nyquist采樣定理討論了頻譜分布在(0,)上的基帶信號(hào)的采樣問(wèn)題,而在適用的軟件無(wú)線電模式,我們從中頻開(kāi)始全數(shù)字化,因?yàn)橛杏眯盘?hào)只是占據(jù)了整個(gè)中頻帶寬的一部分,所以如果將整個(gè)帶寬進(jìn)行采樣,不僅數(shù)據(jù)非常大,而且也包含很多無(wú)用信息,我們只需要進(jìn)行帶通采樣。帶通采樣定理:設(shè)一個(gè)頻率帶限信號(hào)x(t),其頻帶限制在(,)內(nèi),如果其采樣頻率滿足: （21） 式中,n取能滿足2()的最大整數(shù)(0,1,2,…),則用進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值x(n)能準(zhǔn)確地確定信號(hào)x(t)。 式(2l)用帶通信號(hào)的中心頻率場(chǎng)和頻帶寬度B也可以表示為: （22）式中，,n取能滿足B(B為頻帶寬度)的最大整數(shù)。由(22)可見(jiàn),當(dāng)頻帶寬度B一定時(shí),為了能用最低采樣速率即兩倍頻帶寬度速率(B)對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣,帶通信號(hào)的中心頻率必須滿足: （23）當(dāng)n取不同的值時(shí)，就對(duì)應(yīng)了不同的中心頻率，也就是說(shuō)任何一個(gè)中心頻率為（n=0, 1, 2,…）,帶寬為B的帶通信號(hào)均可以用同樣的采樣頻率=2B對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，這些采樣均能準(zhǔn)確地表示位于不同頻段(中心頻率不同)原信號(hào)。 值得指出的是，上述帶通采樣定理適用的前提條件是:只允許在其中的一個(gè)頻帶上存在信號(hào)，而不允許在不同的頻帶上同時(shí)存在信號(hào)，否則將會(huì)引起信號(hào)的混疊。 根據(jù)Nyquist信號(hào)采樣定理的概念，在設(shè)計(jì)軟件無(wú)線電濾波器時(shí)，就需要考慮到用信號(hào)處理器及其軟件來(lái)對(duì)帶寬B內(nèi)位于某一特定信道上的信號(hào)進(jìn)行分析、識(shí)別等處理。該軟件主要完成數(shù)字濾波(可變寬帶)以及解調(diào)等信號(hào)處理任務(wù)，這樣，就可以通過(guò)在軟件上加載不同的程序來(lái)完成對(duì)不同體制、不同帶寬以及不同種類信號(hào)的接收解調(diào)等信號(hào)處理任務(wù)，這樣就對(duì)信號(hào)環(huán)境的適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性就大大提高了。所謂的數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例或者濾除某些頻率成分的數(shù)字器件。所以，數(shù)字濾波器和模擬濾波器實(shí)現(xiàn)的功能相同，只是信號(hào)形式和實(shí)現(xiàn)濾波的方法不同。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn):精度高，體積小，穩(wěn)定性好，重量輕，方便靈活，不要求阻抗匹配等。如果使用模數(shù)相互轉(zhuǎn)換，就可以使用數(shù)字濾波器對(duì)模擬信號(hào)濾波。數(shù)字濾波器按照分類方法的不同有很多種，但總起來(lái)說(shuō)可分為兩大類。一類稱為經(jīng)典濾波器，即一般濾波器，特點(diǎn)是輸入信號(hào)中有用頻率和希望濾除的頻率成分各占不同的頻帶，通過(guò)一個(gè)合適選頻濾波器達(dá)到濾波的目的。但是，如果信號(hào)和噪聲相互混疊經(jīng)典濾波器就無(wú)能為力，這時(shí)就需要現(xiàn)代濾波器?，F(xiàn)代濾波器按照隨機(jī)信號(hào)內(nèi)部的一些統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，從干擾中最佳地提取信號(hào)。、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器等。一般數(shù)字濾波器從功能上分類，也可以分成低通、高通、帶通和帶阻等濾波器。理想的數(shù)字濾波器是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗鼈兊膯挝幻}沖響應(yīng)均是非因果而且是無(wú)限長(zhǎng)的。但是這些濾波器可以作為逼近的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性，可分為兩種，即無(wú)限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(IIR)濾波器和有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)(FIR )濾波器。它們的系統(tǒng)函數(shù)為：N1階FIR濾波器 （24） N階IIR濾波器 （25）無(wú)限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)((IIR)濾波器有以下幾個(gè)特點(diǎn):（1）系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h(n)是無(wú)限長(zhǎng)的。（2）系統(tǒng)函數(shù)H(z)在有限z平面()上有極點(diǎn)存在。（3）結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結(jié)構(gòu)上是遞歸型的。 但是，同一種系統(tǒng)函數(shù)H(z)可以有多種不同的結(jié)構(gòu),它的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有直接I型、直接II型、級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型四種。有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h(n)在有限個(gè)n值處不為零。(2)系統(tǒng)函數(shù)H(z)在處收斂,在處只有零點(diǎn),有限z平面只有零點(diǎn)，而全部極點(diǎn)都在z=0處(因果系統(tǒng))。(3)結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)有輸出到輸入的反饋，但有些結(jié)構(gòu)中(例如頻率抽樣結(jié)構(gòu))也包含有反饋的遞歸部分。因?yàn)镕IR數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，所以它永遠(yuǎn)是穩(wěn)定的。在數(shù)字信號(hào)處理的許多領(lǐng)域中，常常需要濾波器具有線型相位，對(duì)FIR數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)h(n)施加一定的約束，就可以很容易地做到這一點(diǎn)。由于FIR系統(tǒng)只有零點(diǎn)、系統(tǒng)穩(wěn)定，便于實(shí)現(xiàn)FFT算法、運(yùn)算速度快、線性相位的特性和設(shè)計(jì)更為靈活等突出優(yōu)點(diǎn)而在工程實(shí)際中獲得廣泛應(yīng)用。在軟件無(wú)線電濾波器的設(shè)計(jì)中，也采用FIR濾波器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。IIR濾波器的特征是，具有無(wú)限持續(xù)時(shí)間沖激響應(yīng)。這種濾波器一般需要用遞歸模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此有時(shí)也稱之為遞歸濾波器。FIR濾波器的沖激響應(yīng)只能延續(xù)一定時(shí)間，在工程實(shí)際中可以采用遞歸的方式實(shí)現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有多種，如雙線性變換法、窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、插值逼近法和Chebyshev逼近法等等。隨著Matlab軟件尤其是Matlab的信號(hào)處理工具箱的不斷完善，不僅數(shù)字濾波器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成為可能，而且還可以使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本步驟如下： （1）確定指標(biāo)在設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實(shí)際的需要確定濾波器的技術(shù)指標(biāo)。在很多實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)選頻操作。因此，指標(biāo)的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。幅度指標(biāo)主要以兩種方式給出。第一種是絕對(duì)指標(biāo)。它提供對(duì)幅度響應(yīng)函數(shù)的要求，一般應(yīng)用于FIR濾波器的設(shè)計(jì)。第二種指標(biāo)是相對(duì)指標(biāo)。它以分貝值的形式給出要求。在工程實(shí)際中，這種指標(biāo)最受歡迎。對(duì)于相位響應(yīng)指標(biāo)形式，通常希望系統(tǒng)在通頻帶中任有線型相位。運(yùn)用線性相位響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn): 只包含實(shí)數(shù)算法，不涉及復(fù)數(shù)運(yùn)算。 不存在延遲失真，只有固定數(shù)量的延遲。 長(zhǎng)度為T(mén)的濾波器(階數(shù)為N1)，計(jì)算量為N/2數(shù)量級(jí)。 （2）逼近確定了技術(shù)指標(biāo)后，就可以建立一個(gè)目標(biāo)的數(shù)字濾波器模型。通常采用理想的數(shù)字濾波器模型。之后，利用數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)際濾波器模型來(lái)逼近給