【正文】 號(hào)的功能，即將射頻信號(hào)經(jīng) 過(guò)一次或兩次混頻后，得到幾十ＭＨｚ的中頻段信號(hào)。這一部分的功能目前 只能依靠傳統(tǒng)高頻模擬器件組成的硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。但隨著高速Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ 器件的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理部分會(huì)越來(lái)越靠近天線，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的 軟件無(wú)線電。 ３．寬帶Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ部分 這一部分的ＡＤＣ和ＤＡＣ器件的主要指標(biāo)有采樣速率和采樣精度。采樣 述率１．要Ｉｌ Ｊ信弓帶寬決定，因?yàn)檐浖o(wú)線電系統(tǒng)的接收信號(hào)帶寬較寬，而采 樣速率一般要求大于信號(hào)帶寬的２．５倍，因此，采樣速率較高；采樣精度在 啥爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 ８０ｄＢ的動(dòng)態(tài)范圍要求下不能低于１２位。除了進(jìn)一步提高器件性能外，還可 采取多個(gè)Ａ／Ｄ并聯(lián)使用的方法。 ４．?dāng)?shù)字信號(hào)處理部分 這一部分主要是利用高速的數(shù)字信號(hào)處理器完成中頻采樣之后的所有數(shù) 字運(yùn)算，它包括中頻處理、基帶處理、比特流處理等部分。 對(duì)接收來(lái)說(shuō)，進(jìn)行中頻處理的信號(hào)是系統(tǒng)的整個(gè)頻段，包含有多路信道， 而對(duì)…個(gè)通信用戶而言，只占用其中的一個(gè)很窄的信道。中頻處理就是要提 取出一個(gè)特定的信道，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶。這需要頻率變換、濾波、二次 采樣等工作，為了進(jìn)行很好的濾波處理，每個(gè)采樣點(diǎn)需進(jìn)行ｌｏｏ次操作，對(duì) 采樣速率為２５ＭＨｚ的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就需要２５００Ｍ１ＰＳ的運(yùn)算能力，如此大的運(yùn) 算量是目前通用的ＤＳＰ芯片所無(wú)法承受的，所以，這部分處理運(yùn)算都交由特 定下變頻（ＤＤＣ）芯片來(lái)完成。同樣在發(fā)送時(shí)，使用上變頻器（ＤＵＣ）。 基帶處理和比特流處理由ＤＳＰ芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，它主要完成凋制／解調(diào)、編 碼／解碼、交織／解交織、信道均衡、定時(shí)、同步、加密／解密等功能。這部分 的復(fù)雜程度和運(yùn)算量主要取決于實(shí)現(xiàn)上述功能的方式和算法，由于目前ＤＳＰ 芯片的限制，廣泛使用多個(gè)ＤＳＰ并行實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 ５．開放式的總線結(jié)構(gòu) 上面提到，軟件無(wú)線電就是要建立通用的硬件平臺(tái)，通過(guò)加載不同的軟 件柬實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能的一種開放式體系結(jié)構(gòu)。這種開放性主要體現(xiàn)在軟件 無(wú)線電所采用的開放的標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)上，只有采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線結(jié)構(gòu)， 軟件無(wú)線電才能發(fā)揮其適應(yīng)性廣、升級(jí)換代方便的特點(diǎn)。在當(dāng)前的研究和實(shí) 驗(yàn)中，一般采用雙總線結(jié)構(gòu)：控制總線和高速數(shù)據(jù)總線。控制總線中首選ＶＭＥ 總線，這種總線是一種能支持多機(jī)并行處理的高性能總線。高速數(shù)據(jù)總線結(jié) 構(gòu)是軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，目前還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)研究正 在進(jìn)行中。 １．４課題的背景和主要工作簡(jiǎn)介 本課題來(lái)源于有關(guān)高性能通用ＤＳＰ平臺(tái)、多信道互通技術(shù)的國(guó)防研究項(xiàng) 目，目的之一是實(shí)現(xiàn)具有多種調(diào)制樣式的軟件無(wú)線電臺(tái)之間的互聯(lián)互通。木 哈爾濱工稃人學(xué)碩士學(xué)位論文 課題的主要任務(wù)是進(jìn)行其中的調(diào)制解調(diào)算法、調(diào)制樣式識(shí)別算法以及基于 ＤＳＰ的調(diào)制部分硬件平臺(tái)的研究。 軟件無(wú)線電優(yōu)于傳統(tǒng)的無(wú)線電，關(guān)鍵在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的軟件化，它的最終 目的就是使通信系統(tǒng)擺脫硬件結(jié)構(gòu)的束縛，可以說(shuō)，功能的軟件化是軟件無(wú) 線電最基本的特征，它勢(shì)必要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其 是要減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ）盡量靠近射頻天線，使數(shù)字 信號(hào)在數(shù)字信號(hào)處理器件中的軟件算法作用下，實(shí)現(xiàn)各種通信功能。軟件算 法是軟件電臺(tái)的“靈魂”，是軟件無(wú)線電研究的核心部分，而且，受當(dāng)前微電 子技術(shù)發(fā)展和高性能天線技術(shù)的限制，現(xiàn)有的器件，如ＡＤ、ＤＡ器件，ＤＳＰ器 件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)要求，所以，各種通信功能如 何用軟件去實(shí)現(xiàn)，以及如何在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，最大程度地實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線 電的性能要求，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。 現(xiàn)有的調(diào)制方式種類繁多；如果按照常規(guī)的方法，產(chǎn)生每一種調(diào)制信號(hào) 就需要一個(gè)硬件電路，甚至一個(gè)模塊，那么要使一部通信機(jī)中產(chǎn)生幾種、十幾 種通信信號(hào)，其電路就會(huì)極其復(fù)雜，體積重量都會(huì)很大。如果要增加‘種新 的調(diào)制方式就非常困難。而在軟件無(wú)線電中，各種調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生都是建立 在一個(gè)通用的硬件平臺(tái)之上的，調(diào)制方式是通過(guò)軟件來(lái)定義，“生的，要產(chǎn)生 某一種調(diào)制信號(hào)只需調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊即可，如要增加調(diào)制方式，只需編 寫新的軟件再下載進(jìn)去，而不需要對(duì)硬件進(jìn)行改動(dòng)。解調(diào)部分也是如此，對(duì) 于不同的調(diào)制信號(hào)，調(diào)用不同的解調(diào)軟件模塊，從而，使通信系統(tǒng)擺脫硬件 的束縛。 以往的通信電臺(tái)或系統(tǒng)由于調(diào)制樣式單一，通信雙方一旦開機(jī)，就是在 某一預(yù)先已知的調(diào)制方式上守侯，不需要進(jìn)行調(diào)制樣式的識(shí)別。而軟件無(wú)線 電臺(tái)由于它所特有的多頻段、多功能、多體制特性，使得通信雙方無(wú)法在某 一特定的調(diào)制方式上守侯，除非事先約定。所以，存對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)之 前，必須知道所接收的信號(hào)屬于哪種調(diào)制方式，它是無(wú)線電臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)互通 的前提。調(diào)制樣式的自動(dòng)識(shí)別是軟件無(wú)線電臺(tái)必須具備的功能。 本論文基于軟件無(wú)線電理論，進(jìn)行的主要工作如下： ｌ、研究了軟件無(wú)線電中的調(diào)制算法，主要包括基帶正交信號(hào)的產(chǎn)生和上 變頻算法兩大部分。其中，上變頻算法是關(guān)鍵，它是數(shù)字處理中運(yùn)算量最大 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 的部分，本文通過(guò)對(duì)內(nèi)插理論的分析，得出了內(nèi)插器的高效結(jié)構(gòu)，并以此為 基礎(chǔ)，提出了節(jié)省計(jì)算量的上變頻算法。同時(shí)，本文對(duì)ＡＭ、ＳＳＢ（ＬＳＢ、ＶＳＢ）、 ＤＳＢ、２ＰＳＫ、２ＦＳＫ這五種調(diào)制樣式信號(hào)的數(shù)字化調(diào)制算法分別進(jìn)行了討論與 仿真。 ２、研究了軟件無(wú)線電中的解調(diào)算法。本文從數(shù)字信號(hào)的正交變換理論出 發(fā)，得出了通用】Ｆ交解調(diào)模型，并以此為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了節(jié)省硬件運(yùn)算量的 軟件下變頻算法，繼而形成了節(jié)省運(yùn)算量的正交解調(diào)模型，同時(shí)，本文利用 該模型對(duì)上面提到的五種調(diào)制樣式信號(hào)的數(shù)字化解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)行了 討論與仿真。 ３、研究了卜述幾種調(diào)制信號(hào)在軟件無(wú)線電接收機(jī)中的識(shí)別問(wèn)題。本文基 于對(duì)決策理論算法的分析，設(shè)計(jì)了ＡＭ、ＬＳＢ、ＵＳＢ、ＤＳＢ．２ＰＳＫ、２ＦＳＫ這六種 調(diào)制樣式信號(hào)自動(dòng)識(shí)別的流程圖，并且，提出了一種將該決策算法應(yīng)用于軟 件無(wú)線電接收機(jī)中的方法，同時(shí)，對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)大量仿真確 定判決門限，最后，給出了信道噪聲為高斯白噪聲情況時(shí)，不同信噪比下識(shí) 別的?。拼_概率情況。 ４、設(shè)計(jì)制作了一個(gè)基于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９、ＴＬＶ２５４１、ＴＬＶ５６３６的通用 ＡＤ．ＤＳＰ。ＤＡ硬件平臺(tái)，此平臺(tái)由ＤＳＰ的多通道緩沖串口ｆＭｃＢＳＰ０）與１２位 的串行ＡＤ、ＤＡ相連，并輔以一定的外圍電路構(gòu)成。經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試，在該 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了ＡＭ信號(hào)，雖然只做了一種調(diào)制方式，但其完全通過(guò)軟件編程 實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了平臺(tái)的通用性。 ６ 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第２章軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)形式 ２．１引言 軟件無(wú)線電的宗旨就是盡可能的簡(jiǎn)化射頻模擬前端，使Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換盡可能 地靠近天線去完成模擬信號(hào)的數(shù)字化，而且數(shù)字化后的信號(hào)要盡可能多地用 軟件來(lái)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各種功能和指標(biāo)。軟件無(wú)線電主要由三大部分組成， 即射頻處理（含天線）前端（用于射頻信號(hào)變換），高速模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Ａ／Ｄ、 Ｄ／Ａ）以及數(shù)字信號(hào)處理單元（ＤＳＰ）等三大部分，如圖２．１所示。在這三大 部分巾，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ起著關(guān)鍵的作用，不同的采樣方式將決定射頻處理前端的 組成結(jié)構(gòu)，也影響其后數(shù)字信號(hào)處理（ＤＳＰ）的處理方式和對(duì)處理速度的不同 要求，而且Ａ／Ｄ的性能如何也將制約著整個(gè)軟件無(wú)線電性能的提高。對(duì)于射 頻信號(hào)的采樣數(shù)字化可以有兩種方法，一是基于Ｎｙｑｕｉｓｔ定理的低通采樣； 二是帶通采樣。而帶通采樣又可以有兩種方式實(shí)現(xiàn)，即射頻直接帶通采樣和 中頻帶通采樣。對(duì)應(yīng)這三種采樣方式，軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)也有三種：射 頻全寬開低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)、射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)和寬 帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)ｍ。 圖２．１軟件無(wú)線電的三大組成部分 ２．２射頻全寬開低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 射頻全寬開低通采樣軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)圖２．２所示。 哈爾濱１二程大學(xué)碩士學(xué)位論文 超高速 ＤＳＰ （較件） 圖２．２射頻全寬開低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 在圖２．２中，厶。、厶。分別為所要求的最低和最高工作頻率，（一般要 求ｆｍ?！埽埃保停龋?，ｆｍ?！荩玻牵龋鶕?jù)Ｎｙｑｕｉｓｔ采樣定理，則其采樣頻率， 應(yīng)滿足： 工≥２ｆｍ。 如果考慮到前置超寬帶濾波器的矩形系數(shù)ｒ，則要求 正≥２ｃ廠ｍ。 （２－１） （２—２） 例如，當(dāng)．，ｊ。＝２ＧＨｚ，ｒ＝２時(shí)，六２ ８ＧＨ：。 如此高采樣速率的ＭＤ、Ｄ／Ａ以目前的技術(shù)水平是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而且，如 此之大的數(shù)據(jù)速率對(duì)ＤＳＰ也提出了過(guò)高的要求，所以，這種射頻全寬開的低 通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)一一般只適用于工作帶寬不是非常寬的場(chǎng)合，例如短波 頻段（ＨＦ）或者超短波頻段（ＶＨＦ），尤其是短波頻段，根據(jù)目前器件的水平 采用這種低通采樣軟件無(wú)線電來(lái)實(shí)現(xiàn)是有可能的。基于低通采樣的短波軟件 無(wú)線電組成結(jié)構(gòu)如圖２．３所示，圖中的采樣頻率取值范圍為７５塒Ⅳ，一９０ＭＨ， 這豐要取決于前置濾波器的矩形系數(shù)，濾波器的矩形系數(shù)越小，對(duì)應(yīng)的采樣頻 率就可以選得越低，這樣有利于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可以減輕后續(xù)ＤＳＰ 的負(fù)擔(dān)，所以，前置寬帶濾波器是軟件無(wú)線電的關(guān)鍵部件之 壞對(duì)整個(gè)軟件無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)將起到?jīng)Q定性作用。 ，它的性能好 ＤＳＩ’ （軟件） 圖２．３短波低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 ２＿３射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)如圖２．４所示，這種結(jié)構(gòu)所基 于的采樣定理是射頻直接帶通采樣原理，這種帶通采樣除了需要一個(gè)主采樣 頻率工以外，還需Ｍ個(gè)“盲區(qū)”采樣頻率厶，（塒＝０，１，２…Ｍ—１），Ｍ的值 由卜．式?jīng)Q定： Ｍ：胛ｌ型ＭＩ（２－３） Ｌ Ｌ， ｊ 式中，肼Ｔｋ】表示為大于等于ｘ的最小整數(shù)，ｍ。為最高工作頻率。 ＤＳＰ （軟件） 圖２．４射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對(duì)Ａ／Ｄ的采樣速率要求并不高，而且整個(gè)前端接收通 帶并不是全寬開的，而是先由窄帶電調(diào)濾波器選擇所需的信號(hào)，然后進(jìn)行放 大，再進(jìn)行帶通采樣，這顯然有助于提高接收通道信噪比，也有利于改善動(dòng) 態(tài)范圍，它對(duì)Ａ／Ｄ的要求是Ａ／Ｂ有足夠高的工作帶寬，或者說(shuō)Ａ／Ｄ中采樣保 持器件以及放大器的性能要高。 圖２．４與圖２．２比較可見，兩者的最大不同點(diǎn)是前置濾波器的差異，前 者采用了窄帶電調(diào)濾波器，后者為寬帶濾波器；另外就是Ａ／Ｄ的采樣速率不 一‘樣，前者為中高速采樣（１００ＭＨ，以內(nèi)），而后者為超高速采樣，取決于工 作頻率。最后就是對(duì)ＤＳＰ的處理要求不一樣，前者要求低，后者要求高，如 果要求工作帶寬很寬，后者往往是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。前者的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來(lái)要容易 的多，可行的多，這種結(jié)構(gòu)將會(huì)成為未來(lái)軟件無(wú)線電的發(fā)展主流。 盡管圖２．４所示的射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電其實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)，可能達(dá) 到的性能也比較高，但無(wú)論是前置窄帶電調(diào)濾波器還是高工作帶寬的Ａ／Ｄ實(shí) 現(xiàn)起來(lái)還是很有難度的，另外射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的另一缺陷 是需要多個(gè)采樣頻率，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。為了避免這些困難，下面介紹 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 軟件無(wú)線電的第三種結(jié)構(gòu)即寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)。 ２．４寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)組成如圖２．５所示，這種結(jié)構(gòu)與常 規(guī)的超外差無(wú)線電臺(tái)的收／發(fā)信機(jī)是類似的，但兩者的本質(zhì)區(qū)別是中頻帶寬不 一樣，常規(guī)電臺(tái)的中頻帶寬為窄帶結(jié)構(gòu)，而２．５所示的軟件無(wú)線電的中頻帶 寬為寬帶結(jié)構(gòu)。由于中頻帶寬寬不僅使前端電路（如本振頻合器）設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn) 化，信號(hào)經(jīng)過(guò)接收通道后的失真也小，而且與常規(guī)窄帶超外差電臺(tái)相比，這 種寬帶中頻結(jié)構(gòu)再配以后續(xù)的數(shù)字化處理，使其具有更好的波形適應(yīng)性，信 號(hào)適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性。所以這種寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)從形 式上看與常規(guī)窄帶超外差電臺(tái)沒(méi)有多大區(qū)別，但這種軟件無(wú)線電臺(tái)從性能Ｌ 將會(huì)有質(zhì)的飛躍，是窄帶系統(tǒng)所無(wú)法達(dá)到的。 圖２．５寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 從圖２．５所示的組成結(jié)構(gòu)可以看出，這種軟件無(wú)線電的射頻前端（Ａ／Ｄ前、 Ｄ／Ａ后的模擬預(yù)處理電路）比較復(fù)雜，它的主要功能是把射頻信號(hào)變換為適合 于Ａ／Ｄ采樣的寬帶中頻信號(hào)或把Ｄ／Ａ輸出的寬帶中頻信號(hào)變換為射頻信號(hào)。 通過(guò)相對(duì)復(fù)雜的射頻前端把高頻信號(hào)變換為中心頻率適中、帶寬適中的寬帶 中頻信號(hào)后，給后續(xù)的Ａ／Ｄ采樣數(shù)字化大大減輕了負(fù)擔(dān)，這時(shí)與前面兩種軟 件無(wú)線電結(jié)構(gòu)相比不僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所要求的超高速采樣，也不要求第 二種結(jié)構(gòu)所需的高精度、高工作帶寬所要求的采樣保持放大器，使Ａ／Ｄ設(shè)計(jì) 大大簡(jiǎn)化，這是射頻前端復(fù)雜性所帶來(lái)的好處。在Ａ／Ｄ器件無(wú)法滿足要求的 情況下，增加一一點(diǎn)復(fù)雜性也是值得的，況且這種寬帶射頻前端與窄帶超外差 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 薊瑞相比還是相對(duì)要簡(jiǎn)單一些：而且采樣頻率只有一個(gè)。因此這無(wú)疑是近期 軟件無(wú)線電一種較可行的設(shè)計(jì)方案。 ２．５三種軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的等效數(shù)字譜 第一種基于低通采樣的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的數(shù)字譜最為簡(jiǎn)單，由Ｎｙｑｕｉｓｔ 采樣定理，數(shù)字譜中的頻率完全可由模擬譜頻率來(lái)表示，如圖２．６所示，圖 中只畫了正頻部分（在這一章中的頻