【正文】 基于軟件無線電技術(shù)的擴(kuò)頻調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要 為了適應(yīng)移動通信的迅猛發(fā)展國際電聯(lián)西 TU 提出了把 IMT2020標(biāo)準(zhǔn)作為第 三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo) IMT2020 標(biāo)準(zhǔn)化建議中最有影響和應(yīng)用前景的就 是基于擴(kuò)頻通信技術(shù)的 WCDMAcdma2020 和 TDSCDMA 從而確立了 CDMA 通信技術(shù)在移動通信領(lǐng)域中的穩(wěn)固地位使擴(kuò)頻通信技術(shù)迅速成為引領(lǐng)通信發(fā)展 的新潮流此外將擴(kuò)頻通信理論與軟件無線電思想相結(jié)合也是當(dāng)今通信領(lǐng)域中 新興的研究方向 本文是在閱讀和學(xué)習(xí)大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上首先應(yīng)用 TI公司的 DSP 數(shù)字信 號處理 芯片 TMS320VC5402 和 AD 公司的 DDS 直接數(shù)字合成 芯片 AD9851 進(jìn)行 了硬件平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)根據(jù) TMS320VC5402芯片和 AD9851芯片的硬件特點(diǎn) 利用標(biāo)準(zhǔn) C語言編寫 BPSK直接序列擴(kuò)頻調(diào)制和 QPSK直接序列擴(kuò)頻調(diào)制的程序 模塊最后在硬件平臺上進(jìn)行了調(diào)試通過對本系統(tǒng)的軟件和硬件調(diào)試對于這 種基于軟件無線電概念的擴(kuò)頻通信硬件平臺的性能進(jìn)行了驗(yàn)證并得到了一些有 意義的結(jié)論 關(guān)鍵字?jǐn)U頻通信 軟件無線電 CDMA DSP DDS 萬方數(shù)據(jù) Abstract ForthegreatprogressinthemobilemunicationtheITUadvancesthestandard ofIMT2020asthetargetofthe3dgenerationmobilemunicationsystemAndthe mostinfluencingandapplicativemunicationaltechnologiesbasedonCDMAare WCDMAcdma2020andTDSCDMAAndthenthetechnologyofCDMAplaysa veryimportantroleinthe technologythetechnologyofSpread SpectrumCommunicationisleadingthefieldofmunicationtodevelopinanew wayOtherwisethebinationoftheprincipleofSpreadSpectrumwiththeconcept ofSoftwareRadioalsoisanewresearchwayinthefieldofmunication Basedonstudyingandreadingconsiderablerelativeliteraturesthedissertation usestheDSP DigitalSignalProcessor chipofTMS320VC5402andtheDDS Direct DigitalSynthesis chipofAD9851toconstructthehardwarecircuitanddesigningthe programsofBPSKQPSKdirectsequencespreadspectrummodulationwithClanguage basedontheperformanceofthechipsandrealizingonthehardwarecircuitThrough thedebugofsoftwareandhardwaretheperformanceofthespreadspectrum municationhardwarecircuitthatbasedontheconceptofsoftwareradiohasbeen validatedandleadstosomeusefulresults KeywordSpreadSpectrumCommunication Radio CDMA DSP DDS 萬方數(shù)據(jù) 緒論 一選題背景 擴(kuò)頻通信技術(shù)最早應(yīng)用于軍事通信中近年隨著移動通信的超高速發(fā)展 擴(kuò)頻通信技術(shù)受到了特別的重視應(yīng)用擴(kuò)頻理論的 CDMA 碼分多址技術(shù)已成為國際 電聯(lián) ITU 規(guī)定的第三代移動通信系統(tǒng) 3G 的主要標(biāo)準(zhǔn)將擴(kuò)頻通信理論與軟件無 線電思想結(jié)合也是當(dāng)今通信領(lǐng)域中新興的研究方向 二擴(kuò)頻通信領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展 擴(kuò)頻通信理論的研究很早但隨 著擴(kuò)頻通信技術(shù)在移動通信中的應(yīng)用尤其 是在 CDMA 系統(tǒng)中擴(kuò)頻通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展與應(yīng)用到二十一世紀(jì)初移動 通信用戶數(shù)將會超過固定通信用戶成為通信發(fā)展的主流和最大市場這就需要尋 求能夠支持及其大量用戶的新系統(tǒng)由于社會信息化進(jìn)程越來越快僅僅通話已 不能滿足人們對信息交流的需求除話音外的各種多媒體信息業(yè)務(wù)和服務(wù)將成為 移動通信必不可缺的業(yè)務(wù)為適應(yīng)這些變化和發(fā)展 ITU提出了把 IMT2020標(biāo)準(zhǔn) 其 含義是 3G 統(tǒng)一使用 2020MHz 頻段最高數(shù)據(jù)傳輸速率 2020kbits 并計(jì)劃于2020 年投入使用 作為第三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo) IMT2020 標(biāo)準(zhǔn)化建議中最有影 響和應(yīng)用前景的是基于 CDMA 通信技術(shù)的 WCDMAcdma2020 和 TDSCDMA 時(shí)分同步 碼分多址 [271 cdma2020 源于美國工 S95 體系是北美 3G 體制標(biāo)準(zhǔn)的代表屬 CDMAFDD體 制主要沿用 工 S95技術(shù)屬同步寬帶 CDMA技術(shù) cdma2020可能的演進(jìn)路線是 cdmaOne 一 edma2020lx cdma2020[271 世界上絕大多數(shù)窄帶 CDMA 運(yùn)營商將按此 路線向 3G 運(yùn) 營過渡是北美 3G 體制過渡的主要方式 WCDMA 是歐洲和日本提出的 3G 后選方案最終融合的標(biāo)準(zhǔn)同屬 CDMAFDD體 制它是建立在窄帶 CDMA 技術(shù)基礎(chǔ)上的一種異步寬帶 CDMA 技術(shù) WCDMA 可能的 演進(jìn)路線是 GSM HSCSD GPRS EDGE WCDMA 此路線是歐洲及日本 3G 體制過渡 的主要方式是目前 GSM 運(yùn)營商向 3G 運(yùn)營的首先方案 3[81 TDSCDMA 是中國電信科學(xué)技術(shù)研究院 大唐電信的前身 在 1998 年向國際電信 萬方數(shù)據(jù) 聯(lián)盟 IT 切提出也是中國首次獨(dú)自提出的移動通信國際標(biāo)準(zhǔn)它與前兩個標(biāo)準(zhǔn)最 大不同之處是采用了 TDD雙工方式并將 TDMA與 CDMA技術(shù)結(jié)合應(yīng)用相比之下 TDSCDMA 演進(jìn)路線尚不明朗開發(fā)廠商宣稱 TDSCDMA 主要基于 GSMMAP 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)平 滑過渡同時(shí)也兼容 ANS工一 41向 3G過渡能最大程度地降低過渡成本但這都有 待于實(shí)際運(yùn)營檢驗(yàn) 2020 年 2 月三星率先推出全球首個 TDSCMDA 商用成品 樣機(jī)這對于移動運(yùn)營商來說又多了一種技術(shù)選擇特別是新興移動運(yùn)營商選擇 的可能性較大 TDCDMA將憑借 TDD無線通信固有特點(diǎn)在未來 3G網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)一 席之地 2[81 未來 3G 網(wǎng)絡(luò)受體制標(biāo)準(zhǔn)及商業(yè)利益影響初期將是 家族式多元化網(wǎng)絡(luò) 其成員應(yīng)包括三大主流應(yīng)用技術(shù)及衛(wèi)星移動通信的應(yīng)用各成員間相互提供漫游 服務(wù)同時(shí)兼容現(xiàn)有 2G網(wǎng)絡(luò) 3G運(yùn)營環(huán)境將是多層次結(jié)構(gòu)基本話音業(yè)務(wù)主要還 用 2G 網(wǎng)絡(luò)承載只是在有 3G 業(yè)務(wù)需求的地區(qū)疊加 3G 網(wǎng)絡(luò)提供 3G 移動多媒 體業(yè)務(wù)降低初期網(wǎng)絡(luò)成本但隨著技術(shù)的融合業(yè)務(wù)需求的增長最終 3G 將全 面取代 2G 網(wǎng)絡(luò) 三軟件無線電的發(fā)展 軟件無線電是由美國的 JoeMitola首次于 1992年 5月明確提出的它的基 本思想就是最大程度的通過軟件來實(shí)現(xiàn)電臺的各種功能軟件無線電充分利用嵌 入通信設(shè)備的微處理器和專用芯片的可編程能力提供一種通用的無線電臺硬件 平臺這樣既能保持無線電臺硬件結(jié)構(gòu)的簡單化又能解決由于擁有電臺類型 性能不同帶來的無線電聯(lián)系的困難美國于 1994 年 8 月已實(shí)現(xiàn)了三軍通用的軟件 無線電平臺一 Speakeasy 其他國家也在競相研制 [P81 軟件無線電的發(fā)展是以大規(guī)模集成電路和可編程器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的數(shù)字 信號處理器 DSP 是軟件無線電的關(guān)鍵部件之一它是完成調(diào)制器中的大部分信號 處理和控制功能另外直接數(shù)字合成技術(shù) DDS 器件也是在軟件無線電中可以選用 的器件之一它能夠產(chǎn)生頻率和相位可控的正弦波因此可以利用這一特點(diǎn)來用 DSP 對其控制以獲得不同調(diào)制其優(yōu)勢在于在很寬的頻帶范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度高控 制較方便而且不需要高性能的濾波器 萬方數(shù)據(jù) 四設(shè)計(jì)的目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方法 本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在一個硬件平臺上完成多種擴(kuò)頻調(diào)制功能利用軟件無線電 的概念只用一個通用的硬件平臺在不同情況下通 過改變軟件程序來實(shí)現(xiàn)不同 的擴(kuò)頻調(diào)制方式以及射頻調(diào)制方式 在本設(shè)計(jì)中分為硬件平臺設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 硬件平臺設(shè)計(jì)通過選用美國 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320VC5402 和美國AD 公司 的直接數(shù)字合成 DDS 芯片 AD9851 組合方式實(shí)現(xiàn)以及其他相關(guān)的外圍器件 系統(tǒng)軟件通過對從 PC機(jī)發(fā)出的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后利用 DSP產(chǎn)生的用于 擴(kuò)頻調(diào)制的偽隨機(jī)序列 Cm 序列 將偽隨機(jī)序列與信息數(shù)據(jù)相模二和生成用于控 制 DDS芯片 AD9851的相位控制字和頻率控制 字實(shí)現(xiàn) BPSK直接序列擴(kuò)頻調(diào)制 DBPSK 直接序列擴(kuò)頻調(diào)制和 QPSK 直接序列擴(kuò)頻調(diào)制最后經(jīng)過低通濾波器輸出波 形 萬方數(shù)據(jù) 第 1 章 擴(kuò)頻通信原理 概述 擴(kuò)展頻譜通信 SpreadSpectrumCommunication 是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽 隨機(jī)碼 擴(kuò)頻序列 SpreadSequence 調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸接收端則采 用同樣的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)顯然這種通信 方式與 一般常見的窄帶通信方式相反是在擴(kuò)展頻譜后的寬帶通信再相關(guān)處理恢復(fù)成 窄帶信號后進(jìn)行解調(diào)數(shù)據(jù)因此具有偽隨機(jī)編碼調(diào)制和信號相關(guān)處理兩大特點(diǎn) 正是這兩大特點(diǎn)使擴(kuò)展頻譜通信方式有許多優(yōu)點(diǎn)如抗干擾抗噪聲抗多徑 衰弱能在低功率譜密度下工作有保密性可多址復(fù)用和任意選址可高精度 測量等擴(kuò)展頻譜通信作為新型通信方式特別引人注 目得到了迅速發(fā)展和廣 泛應(yīng)用 2 擴(kuò)頻通信的原理與工作方式 從利用電磁波來看擴(kuò)頻通信是與一般現(xiàn)有的常規(guī)通信方式完全不相同的 擴(kuò)頻通信用偽隨機(jī)碼把 基帶信號 信息數(shù)據(jù)窄帶信號 的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展形成相當(dāng) 寬帶的低功率譜密度信號發(fā)射使用不同的偽隨機(jī)編碼不同通信用戶可在同一 頻段同一時(shí)間工作互不影響或影響很小常規(guī)通信是在頻段上細(xì)分 頻分 或 時(shí)間上細(xì)分 時(shí)分 給通信用戶彼此互不干擾的分別使用因此擴(kuò)頻通信在調(diào) 制解調(diào)上是與眾不同的 [151 擴(kuò)頻通信的基本原理如圖 11 所示信息數(shù)據(jù) D 經(jīng)通常的數(shù)據(jù)調(diào)制后變成帶 寬為拭的信號 B 為基帶信號帶寬 用擴(kuò)頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼 PN編 碼 PseudoNoiseCode 去對基帶信號 作擴(kuò)頻調(diào)制形成帶寬為 BZ B2 盡 功率譜密度極低的擴(kuò)頻信號再發(fā)射 萬方數(shù)據(jù) 圖 11 擴(kuò)頻通信的基本原理圖 擴(kuò)頻通