【正文】 如圖 1 所示。對所傳送的模擬基帶信息 ,先通過 A/D 轉化為數(shù)字基帶碼 ,然后由數(shù)字信號處理器 (DSP)進行處理 ,實現(xiàn)通信電臺的各種功能 ,最后經(jīng)寬帶 D/A 變換出符合要求的射頻信號。而接收過程也是如此 ,射頻信號經(jīng)寬帶 A/D 變換為數(shù)字碼。進入 DSP 處理 ,最終由 D/A 變換為基帶信息提供給終端。 圖 1 軟件無線電系統(tǒng)體系結構框圖 軟件無線電是與原來由硬件電路構成無線電通信電臺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、下變頻技術的發(fā)展 ,已可實現(xiàn)中頻數(shù)字化、基帶 DSP 的實時處理。這樣的結構具有較高的可實現(xiàn)特點 ,其 A/D 和 D/A 轉換在中頻進行 ,DSP 實時處理在低頻進行 ,數(shù)百 MOPS 的處理能力要求易于滿足。并且 ,隨著 DSP 及 DDC、 DUC、 A/D 和 D/A 技術的發(fā)展 ,數(shù)字化頻段可向射頻段靠近 ,最終過渡到真正意義的軟件無線電系統(tǒng)。 論文的基本內(nèi)容、研究手段和可行性分析 論文的基本內(nèi)容 第一，濾波器的設計：軟件無線電信道處理的關鍵技術在于獲得不同信道的信息 ,這就要設計不同的濾波器 ,對數(shù)字化 FIR 濾波器的設計原理和實現(xiàn)方法進行了深入的研究 ,在其數(shù)學模型基礎上 ,利用 Matlab 軟件進行了不同信道參數(shù)提取和仿真。第二，基于 DSP 平臺的數(shù)字濾波器的實現(xiàn)。在 CCS 開發(fā)環(huán)境下 ,將通過軟件編程得到信號初始數(shù)據(jù) ,用 DSP 匯編語言程序進行運行軟件的數(shù)據(jù)接口 ,并實現(xiàn)在 CCS 下的數(shù)字濾波 ,將濾波后的數(shù)據(jù)通過圖形化界面反映出來 ,以此評估 DSP 對不同信道的處理效果。 論文的研究手段 根據(jù)不同的研究對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： 數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法 ，比較優(yōu)缺點，進行 性能對比； TMS320VC5509DSP 的體系結構，簡單的比較了它和通用處理器的異同，總結出 DSP 區(qū)別于通用處理器的主要性能特點； ，經(jīng) MATLAB 仿真驗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。 論文的可行性分析 該系統(tǒng)選擇 TMS320VC5509 芯片為處理芯片，該芯片具有性能（最高可達到 200MHz 的處理速度）、功耗低、接口多、外設豐富的特點，其良好的開發(fā)環(huán)境 CCS，可 以實現(xiàn)各種算法的仿真設計，在此基礎上，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，設計硬件平臺，在硬件平臺上完成軟件的設計，經(jīng)反復調試，使系統(tǒng)指標符合要 論文結構安排 本論文在論述了軟件無線電技術的背景、研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外發(fā)展狀況、以及它的特點的基礎上 ,提出了本課題研究的目的和意義 ,找出了信道處理技術的關鍵是在于對不同頻帶的信號進行接收處理 ,亦即設計不同的濾波器在通用硬件平臺上實現(xiàn)。 軟件無線電中的濾波運算可以用軟件實現(xiàn) ,也可以用硬件來實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)指的是在計算機上執(zhí)行編輯好的程序 。這種方法靈活 ,但一般不能完成實時處理。硬件實現(xiàn)指的是根據(jù)數(shù)字濾波器的數(shù)學模型和算法 ,設計專用數(shù)字信號處理器 ,使計算程序全部硬件化。實際上 ,這兩種方法是不能截然分開的。隨著計算機技術的發(fā)展 ,數(shù)字信號處理技術的應用范圍越來越廣泛 ,程度也越來越復扎 ,因而對于算法及實現(xiàn)的研究更顯重要。本文首先選用 Matlab,亦即矩陣實驗室來實現(xiàn)對所要求的濾波器的設計 ,然后利用器件對其進行了實現(xiàn)。 論文將按照下面的描述進行內(nèi)容的安排： 第一章在分析軟件無線電的起源、研究現(xiàn)狀以及存在問題的基礎上 ,提出 了本課題研究的目的與意義 。 第二章濾波器的設計。軟件無線電信道處理的關鍵技術在于獲得不同信道的信息 ,這就需要設計不同的濾波器 ,本章對數(shù)字化 FIR 濾波器的設計原理和實現(xiàn)方法進行了深入的研究 ,在其數(shù)學模型基礎上 ,利用 Matlab 軟件進行了不同信道參數(shù)提取和仿真 。 第三章基于 DSP 平臺的數(shù)字濾波器的實現(xiàn)。在 CCS 開發(fā)環(huán)境下 ,將通過軟件編程得到信號初始數(shù)據(jù) ,用 DSP 匯編語言程序進行運行軟件的數(shù)據(jù)接口 , 并實現(xiàn)在 CCS 下的數(shù)字濾波 ,將濾波后的數(shù)據(jù)通過圖形化界面反映出來 ,以此評估 DSP 對不同信道的處理效果 。 第四章對并行處理數(shù)字濾波器進行了理論研 究 ,提出了由 FPGA 實現(xiàn)的技術思路 ,并與 DSP 的順序執(zhí)行情況進行比較 ,為實時高速的真正意義上的軟件無線電研究提供了有益的探索。 第五章對兩種實現(xiàn)方法進行了總結分析并對今后工作進行了展望 。 第二章 軟件無線電中濾波器的理論與設計 軟件無線電雖然是一種新型的無線通信體系結論 ,但它仍然是以現(xiàn)代通信理論為基礎的。 FIR 數(shù)字濾波器是指用有限精度算法實現(xiàn)的 ,完成信號濾波處理功能的離散時間線性非時變系統(tǒng) ,其輸入是一組由模擬信號取樣和量化得到的數(shù)字量 ,其輸出是經(jīng)過變換得另一組數(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。在這一章中介紹了軟件無線電中信道處理所涉及的一些基礎理論 ,并且針對軟件無線電中對不同頻段濾波器的需求 ,給出了濾波器的理論以及它的設計流程。 軟件無線電中的采樣定理 軟件無線電的核心思想是對由天線感應的射頻模擬信號盡可能地直接進行數(shù)字化 ,將其變換為適合于數(shù)字信號處理器 (DSP)或計算機處理地數(shù)據(jù)流 ,然后通過軟件來完成各種功能 ,使其具有更好地可擴展性和應用環(huán)境適應性。所以 ,軟件無線電首先面臨地問題是如何對工作頻帶內(nèi)的信號進行數(shù)字化 ,也就是如何對感興趣地模擬信號進行采樣 ,這些既是最基本 ,但也是 軟件無線電信道處理技術中最關鍵的問題 ,對此進行詳細討論與闡述 ,為軟件無線電研究奠定了理論基礎。 基本采樣定理 —— Nyquist 采樣定理 ??5 如果對某一時間連續(xù)信號 (模擬信號 )進行采樣 ,當采樣率達到一定數(shù)值時，那么根據(jù)這些采樣值就能準確地確定原信號。 Nyquist 采樣定理可以表達如下 : Nyquist 采樣定理 :設有一個頻率帶限信號 x(t),其頻帶限制在 (0, Hf )內(nèi) ,如果以不小于 HS ff 2? 角的采樣速率對 x(t)進行等間隔采樣 ,得到時間離散的采樣信號 x(n)=x(nTS)(其中 TS =1/ Sf 為采樣間隔 ),則原信號 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 ,如果以不低于信號最高頻率兩倍的采樣速率對帶限信號進行采樣 ,那么所得到的離散采樣值就能準確地確定原信號。 帶通信號采樣定理 由于軟件無線電所覆蓋地范圍一般都要求 比較寬 ,例如從 2GHz,作為軟件無線電 ,只有這樣寬的頻段才能有廣泛地適應性 ,這也是它的最突出的特點之一。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,目前這是不可能實現(xiàn)的。所以 ,對于寬頻帶工作的軟件無線電臺是無法采用Nyquist 采樣技術來采樣的。而必須采用帶通采樣 ,在本文的濾波器設計中也同樣采樣帶通采樣。 Nyquist采樣定理討論了頻譜分布在 (0, Hf )上的基帶信號的采樣問題 ,而在適用的軟件無線電模式 ,我們從中頻開始全數(shù) 字化 ,因為有用信號只是占據(jù)了整個中頻帶寬的一部分 ,所以如果將整個帶寬進行采樣 ,不僅數(shù)據(jù)非常大 ,而且也包含很多無用信息 ,我們只需要進行帶通采樣。 帶通采樣定理 :設一個頻率帶限信號 x(t),其頻帶限制在 ( Lf , Hf )內(nèi) ,如果其采樣頻率 Sf 滿足 : )12( )(2 ??? n fff HLS （ 21） 式中 ,n 取能滿足 ?Sf 2( LH ff ? )的最大整數(shù) (0,1,2,? ),則用 Sf 進行等間隔采樣所得到的信號采樣值 x(n ST )能準確地確定信號 x(t)??6 。 式 (2l)用帶通信號的中心頻率場和頻帶寬度 B也可以表示為 : 124 0?? nffS （ 22） 式中， 20 HL fff ??,n取能滿足 2?Sf B(B 為頻帶寬度 )的最大整數(shù)。由 (22)可見 ,當頻帶寬度 B 一定時 ,為了能用最低采樣速率即兩倍頻帶寬度速率 ( 2?Sf B)對帶通信號進行采樣 ,帶通信號的中心頻率必須滿足 : Bnf 2 120 ?? （ 23） 當 n 取不同的值時，就對應了不同的中心頻率 nf0 ，也就是說任何一個中心頻率為 nf0 （ n=0, 1, 2,? ） ,帶寬為 B 的帶通信號均可以用同樣的采樣頻率 sf =2B對信號進行采樣，這些采樣均能準確地表示位于不同頻段 (中心頻率不同 )原信號。 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頻帶上存在信號，而不允許在不同的 頻帶上同時存在信號，否則將會引起信號的混疊。 根據(jù) Nyquist 信號采樣定理的概念，在設計軟件無線電濾波器時，就需要考慮到用信號處理器及其軟件來對帶寬 B 內(nèi)位于某一特定信道上的信號進行分析、識別等處理。該軟件主要完成數(shù)字濾波 (可變寬帶 )以及解調等信號處理任務，這樣，就可以通過在軟件上加載不同的程序來完成對不同體制、不同帶寬以及不同種類信號的接收解調等信號處理任務，這樣就對信號環(huán)境的適應性以及可擴展性就大大提高了。 軟件無線電中的數(shù)字濾波理論 所謂的數(shù)字濾波器，是指輸入、輸出均為數(shù)字信號，通過一定 運算關系改變輸入信號所含頻率成分的相對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現(xiàn)的功能相同，只是信號形式和實現(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 :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)相互轉換，就可以使用數(shù)字濾波器對模擬信號濾波。 數(shù)字濾波器的分類 數(shù)字濾波器按照分類方法的不同有很多種，但總起來說可分為兩大類。一類稱為經(jīng)典濾波器，即一般濾波器，特點是輸入信號中有用頻率和希望濾除的頻率成分各占不同的頻帶，通過一個合適 選頻濾波器達到濾波的目的。但是，如果信號和噪聲相互混疊經(jīng)典濾波器就無能為力，這時就需要現(xiàn)代濾波器。現(xiàn)代濾波器按照隨機信號內(nèi)部的一些統(tǒng)計分布規(guī)律，從干擾中最佳地提取信號。如維 .納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應濾波器等。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現(xiàn)的，因為它們的單位脈沖響應均是非因果而且是無限長的。但是這些濾波器可以作為逼近的標準。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖激響應函數(shù)的時域特性，可分為兩種，即無限長沖激響應 (IIR)濾波器和有限長沖激響應 (FIR )濾 波器 ??7 。 它們的系統(tǒng)函數(shù)為： N1 階 FIR 濾波器 ? ? ? ? nNn znhzH?????10 （ 24） N階 IIR 濾波器 ? ?? ????????? NkkkMrrzaznhzH101 （ 25） 無限長單位沖激響應 ((IIR)濾波器有以下幾個特點 : （ 1）系統(tǒng)的單位沖激響應 h(n)是無限長的 。 （ 2）系統(tǒng)函數(shù) H(z)在有限 z平面 ( ???z0 )上有極點存在 。 （ 3）結構上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結構上是遞歸型的。 但是，同一種系統(tǒng)函數(shù) H(z)可以有多種不同的結構 ,它的基本網(wǎng)絡結構有直接 I 型、直接 II 型、級聯(lián)型和并聯(lián)型四種。 有限長單位沖激響應濾波器有以下幾個特點 : (1)系統(tǒng)的單位沖激響應 h(n)在有限個 n值處不為零 。 (2)系統(tǒng)函數(shù) H(z)在 0?z 處收斂 ,在 0?z 處只有零點 ,有限 z 平面只有零點，而全部極點都在 z=0 處 (因果系統(tǒng) )。 (3)結構上主要是非遞歸結構，沒有輸出到輸入的反饋，但有些結構中 (例如頻率抽樣結構 )也包含有反饋的遞歸部分 ??8 。 因為 FIR 數(shù)字濾波器的單位沖激響應是有限長的，所以它永遠是穩(wěn)定的。在數(shù)字信號處理的許多領域中，常常需要濾波器具有線型相位，對 FIR 數(shù)字濾波器的沖激響應 h(n)施加一定的約束，就可以很容易地做到這一點。由于 FIR 系統(tǒng)只有零點、系統(tǒng)穩(wěn)定，便于實現(xiàn) FFT 算法、運算速度快、線性相位的特性和設計更為靈活等突出優(yōu)點而在工程實際中獲得廣泛應用。在軟件無線電濾波器的設計中， 也采用 FIR 濾波器來進行設計與試驗。 數(shù)字濾波器設計的基本步驟 IIR 濾波器的特征是，具有無限持續(xù)時間沖激響應。這種濾波器一般需要用遞歸模型來實現(xiàn)，因此有時也稱之為遞歸濾波器。 FIR 濾波器的沖激響應只能延續(xù)一定時間，在工程實際中可以采用遞歸的方式實現(xiàn)，也可以采用非遞歸的方式實現(xiàn)。數(shù)字濾波器的設