【正文】 戶接入認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的過(guò)程中采用的禮儀和協(xié)議。 包括一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電中心控制節(jié)點(diǎn)、四個(gè)認(rèn)知無(wú)線電 用戶 (CR 用戶終端 )、一個(gè) 電視信號(hào)發(fā)射 機(jī) (TV 信號(hào)發(fā)射塔 )和若干電視機(jī) (TV 信號(hào)接收機(jī) )。任意兩個(gè)終端通過(guò)直達(dá)的認(rèn)知無(wú)線電鏈路進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而不通過(guò) 中心控制節(jié)點(diǎn) 的轉(zhuǎn)接，但通信鏈路的建立和釋放則是在 中心控制節(jié)點(diǎn) 的控制下完成。 認(rèn)知無(wú)線電終端 一臺(tái) 認(rèn)知無(wú)線電 終端主要由物理層單元和鏈路層單元組成，應(yīng)用層在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)， 如 圖 22 所示為認(rèn)知無(wú)線電終端示 意圖。 3） 應(yīng)用層 將指定的數(shù)據(jù)文件通過(guò) 認(rèn)知無(wú)線電 終端傳送到另一臺(tái) 上位機(jī) 中 以及 通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電終端將數(shù)據(jù)文件再傳回來(lái)的 過(guò)程。 3)模擬中頻輸出，中心頻率為 36MHz，帶寬為 。 7)模擬中頻模塊輸出（ ADC 輸入），中頻模擬信號(hào)，中心頻率 36MHz，帶寬為。 Equation Chapter (Next) Section 1 3 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)終端中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計(jì) 9 3 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)終端 中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計(jì) 本課題要求建立一個(gè)通用的認(rèn)知 無(wú)線電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在此平臺(tái)上進(jìn)行一系列 CR 相關(guān)理論的研究。 3） 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)終端 所使用的 TMS320C6000 系列 DSP 不僅運(yùn)算速度高，而且片內(nèi)集成了許多外圍設(shè)備，支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議，能夠提供高帶寬的數(shù)據(jù) I/O。上位機(jī) 將數(shù)據(jù)通過(guò) ARM 子板 經(jīng)過(guò) HPI 接口傳給發(fā)送 DSP，在 DSP 中對(duì)比特信息進(jìn)行位組合，然后通過(guò) EMIFB 口送入到 FPGA 的編碼模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，然后再通過(guò) EMIFB 口讀回 DSP，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 QPSK 或 QAM 星座映射， OFDM 調(diào)制，插入導(dǎo)頻，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行峰均比抑制處理，并將數(shù)據(jù)通過(guò) EMIFB口 經(jīng) FPGA中的 FIFO 緩存后送入到 AD9857 上變頻 和 D/A處理。三種模式的選擇是通過(guò)對(duì)控制寄存器的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這些編程是通過(guò)串口完成。DDS 模塊提供一個(gè)局部正交（ SIN 和 COS）本振信號(hào)給正交調(diào)制器，在這里， I 和 Q數(shù)據(jù)與不同相位的載波相乘再相加（減），產(chǎn)生一個(gè)正交調(diào)制數(shù)據(jù)流。在該模式下沒(méi)有 14 位并行數(shù)據(jù)提供給 AD9857，內(nèi)部 DDS 核心依據(jù)頻率調(diào)制字產(chǎn)生一個(gè)單頻信號(hào)。3 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)終 端中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計(jì) 11 不同的是 PDCLK 按 I 路數(shù)據(jù)的頻率工作。 2） AD9857 的配置 DSP 通過(guò)多通道緩沖串口（ Multichannel Buffered Serial Port,McBSP）與 AD9857的串口以 SPI 模式接口 如 圖 32 所示 ，對(duì) AD9857 進(jìn)行配置 。DSP 通過(guò) McBSP 與 AD9857 的接口對(duì)其進(jìn)行配置時(shí)， McBSP 作為 SPI 主設(shè)備， AD9857作為從設(shè)備。要使 AD9857 正常工作，還要對(duì)內(nèi)部的 8 個(gè) 8 位控制寄存器進(jìn)行初始化配置， 8 個(gè)寄存器地址為 0007。 DAC 輸出頻譜具有 SINC 函數(shù)的特性，因此需要對(duì)其進(jìn)行反SINC 函數(shù)濾波，因此 Bit6 要配為 0，以使能反 SINC 濾波器。 AD9857內(nèi)部有固定內(nèi)插濾波模塊和可編程內(nèi)插模塊，固定內(nèi)插為 4 倍內(nèi)插，可編程內(nèi)插范圍為 263 倍，因此輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)插范圍為 8252 倍。這樣如果 OFDM 符號(hào)在 4161 的奇數(shù)子載波號(hào)上也調(diào)制數(shù)據(jù)的話，將與 525 子載波上的數(shù)據(jù)相互影響，導(dǎo)致不能正確解調(diào)。 DSP 要往 AD9857 寫的數(shù)據(jù)應(yīng)該是 0 0 1 1I QI Q 但 實(shí)際上讀入 AD9857 的數(shù)是 0 1 1 2QI QI ， IQ 不匹配導(dǎo)致了不同子載波產(chǎn)生不同幅 度衰減并產(chǎn)生鏡像子載波的情況?？捎脦挄?huì)限制通過(guò) AD9857的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)率。 對(duì)于高頻子在波通過(guò)固定內(nèi)插模塊后會(huì)有幅度衰減的問(wèn)題需要對(duì) OFDM 數(shù)據(jù)在基帶進(jìn)行過(guò)采樣， 就可以將數(shù)據(jù)的帶寬限制在濾波器通帶的平坦部分。輸入的 N 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào) { , 0 ,1, , 1}na n N??表示 頻域數(shù)據(jù)符號(hào)，經(jīng)過(guò) IFFT 變換后，得到時(shí)域數(shù)據(jù)符號(hào) { , 0 ,1, , 1}kA k N??，即： 101 , e x p ( 2 / )N nkk n N NnA a W W j NN ???? ? ?? (31) 如果希望通過(guò) 4 倍過(guò)采樣得到更加精確反映連續(xù)信號(hào)變換的時(shí)域離散采樣點(diǎn)，可以在 IFFT 輸入的頻域數(shù)據(jù)符號(hào)中間補(bǔ)充 3N 個(gè)零，即構(gòu)成： 0 1 / 2 1 / 2 13{ , , , , 0 , 0 , , 0 , , , }N N NNa a a a a??然后再做 4N 點(diǎn)的 IFFT，則可以按 4 倍過(guò)采樣得到 4N 個(gè)時(shí)域離散采樣點(diǎn)，即： 41,4014N nko v e r k n NnA a WN??? ?， , 0,1, , 4 1n k N?? (32) 由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)域信號(hào)的過(guò)采樣，更加精確地反映 OFDM 連續(xù)符號(hào)的變換。對(duì) OFDM 符號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣可以通過(guò)IFFT/FFT 來(lái)實(shí)現(xiàn)，做 IFFT 運(yùn)算時(shí)，需要在原始的 N 個(gè)輸入值的中間添加 (p1)N 個(gè)零。而且根據(jù) AD9857 器件手冊(cè)的建議發(fā)送端提供給 AD9857 的數(shù)據(jù)要至少已經(jīng)是二倍過(guò)采樣的數(shù)據(jù)。兩個(gè)級(jí)連的半帶濾波器的通帶為奈奎斯特頻率的 80%。 AD9857 輸入引腳TxENABLE 被置為高時(shí)， IQ 數(shù)據(jù)輸入使能，接下來(lái)第一個(gè) PDCLK 時(shí)鐘上升沿為 I 路數(shù)據(jù)，下來(lái) 為 Q 路數(shù)據(jù) ，依次類推，當(dāng) TxENABLE 為高電平的周期內(nèi)必然有偶數(shù)個(gè)PDCLK 上升沿，以使 IQ 匹配。 可以通過(guò)改變 AD9857 的內(nèi)插率來(lái)調(diào)整輸入到 AD9857 的數(shù)據(jù)的時(shí)鐘進(jìn)而改變OFDM 符號(hào)帶寬，如 圖 33 所示為通過(guò) 改變可編程內(nèi)插率來(lái)改變符號(hào)帶寬在發(fā)送端中頻用頻譜分析儀觀測(cè)到的不同帶寬信號(hào)。認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中頻工作在西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 36MHz，因此要通過(guò)寄存器 05h02h 設(shè)置輸出頻率， 36MHz*232/=FTWORD,將這四個(gè) 寄存器配為 B4000000。寄存器 01h 的 Bit6 控制反 SINC 濾波器是否使能。 圖 32 DSP 配置 AD9857 在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，除了在調(diào)試階段采用過(guò)單頻輸出模式外，系統(tǒng)都使用正交模式。 McBSP 支持多種方式的接口模式，其中就包括 SPI 模式。在插值 DAC 模式下，并口提供數(shù)據(jù)輸 出依然是基帶數(shù)據(jù)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制。 （ 3） 插值 DAC 模式 在插值 DAC 模式下， DDS 和調(diào)制器都不可用，而且只有 I 路數(shù)據(jù)路徑是激活的。 （ 2） 單頻輸出模式 在單頻輸出模式下， PDCLK/FUD 腳是輸入腳，并作為 FUD（頻率更新）控制信號(hào)。 PDCLK/FUD 引腳作為并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出，提供 AD9857 的輸入的同步信號(hào)，輸入數(shù)據(jù)必須與 PDCLK 的上升沿同步。 AD9857 的接口設(shè)計(jì)主要涉及到兩部分，一部分是 并行口，完成 I、 Q 數(shù)據(jù)的輸入，另一部分是串行口，完成 AD9857 芯片的一些控制設(shè)置和頻率控制字加載。 本章將對(duì)認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)終端中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計(jì)作詳細(xì)介紹。 基于軟件無(wú)線電的思想，項(xiàng)目組認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)終端的軟件設(shè)計(jì)包括： 1） 利用外處理器 （ DSP） 通過(guò)軟件編程對(duì)終端 的中頻器件如 AD985 GC1012B等進(jìn)行初始化配置， 能夠根據(jù)不同需要即時(shí)改變相應(yīng)參數(shù)，使這些中頻器件按設(shè)計(jì)要求工作。 9)數(shù)字下變頻輸出（基帶處理單元輸入），數(shù)字復(fù)信號(hào)，數(shù)據(jù) 率為 ， 實(shí)部、虛部位寬均為 12bits。 接收階段： 5)高頻頭模塊輸入，信號(hào)頻率范圍為 614MHz～ 734MHz，信號(hào)帶寬為 。 為了保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)φJ(rèn)知無(wú)線電技術(shù)作一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證，本課題 設(shè)計(jì) 的主要技術(shù)指標(biāo)如 下： 表 21 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目 指標(biāo) （室內(nèi)） 指標(biāo) （室外） 頻段 614734MHz 614734MHz 雙工方式 FDD FDD 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)覆蓋區(qū)域半徑 150m 600m 可容忍的時(shí)延擴(kuò)展 的統(tǒng)計(jì)平均值 保護(hù)間隔 的持續(xù)期 10 OFDM 符號(hào)的 有效 持續(xù)期（插入 CP 前） 10us 40 OFDM 符號(hào) 的持續(xù)期 （插 CP 后） ＝ 10us＋ 50 子載波頻率間隔 1/10us=100kHz 1/40=25kHz 信道帶寬 MHz FFT 點(diǎn)數(shù)（ N） M/100k=64 CP 點(diǎn)數(shù) G 16 64 OFDM 符號(hào)總點(diǎn)數(shù) 80 320 總子載波個(gè)數(shù) 64（約為 52） 208 導(dǎo)頻子載波個(gè)數(shù) 8 32 可用子載波個(gè)數(shù) 44 176 OFDM 符號(hào) 的 速率 1/=80kBauds 1/50=20kBauds 總的數(shù)據(jù) 符號(hào) 的 速率 441/= 總的符號(hào)速率（加入導(dǎo)頻） 521/= 映射方式 QPSK QPSK 比特速率 2＝ 發(fā)送階段： 1)基帶處理模塊輸出，數(shù)字復(fù)基帶信號(hào)，數(shù)據(jù)率為 （兆樣點(diǎn)每秒） ，實(shí)部、虛部位寬均為 14bits。 射頻模塊寬帶 A / D 、D / A模塊基于F P G A + D S P 的基帶處理模塊混頻單元（混頻器、放大器、帶通濾波器、雙工器）功率控制動(dòng)態(tài)頻譜管理O FD M模塊寬帶多天線系統(tǒng)或射頻捷變模塊 圖 22 認(rèn)知無(wú)線電終端示意圖 1） 物理層 能夠?qū)崿F(xiàn)編、解碼，調(diào)制、解調(diào)等功能， 能將鏈路層送來(lái)的信息發(fā)送出去以及能將另一個(gè) 認(rèn)知無(wú)線電 用戶發(fā)來(lái)的信息（滿足一定信噪比要求）解調(diào)出來(lái)，然后送往鏈路層； 認(rèn)知無(wú)線電 用戶能對(duì)接收頻段內(nèi)授權(quán)用戶的出現(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，若檢測(cè)到授權(quán)用戶出現(xiàn)， 能夠 轉(zhuǎn)移到 中心控制節(jié)點(diǎn) 預(yù)先分配的新信道上繼續(xù)通信 ， 并且操作員能對(duì)連 接和無(wú)線頻譜資源進(jìn)行管理和配置。通信結(jié)束之后，認(rèn)知無(wú)線電終端則向 中心控制節(jié)點(diǎn) 釋放所申請(qǐng)的通信信道。 圖 21 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 中心控制節(jié)點(diǎn) 位于服務(wù)區(qū)域的 中心，主要負(fù)責(zé)電視頻譜資源的分配以及認(rèn)知無(wú)線電用戶的呼叫接續(xù)的控制。 實(shí)驗(yàn) 網(wǎng)絡(luò)工作頻段為西安 地區(qū) 26~40 號(hào)電視 頻道， 頻率 范圍從 614~734MHz，共 120MHz 的帶寬。在實(shí)現(xiàn)初步目標(biāo) 的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成在特定空間范圍內(nèi)、已分配的若干（連續(xù)或者不連續(xù)的）電視頻道上完成自動(dòng)檢測(cè)頻譜空穴 [11]，自適應(yīng)調(diào)整載波（子載波）頻率、子載波個(gè)數(shù)、發(fā)射功率、編碼方式等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行通信。 第四章， OFDM 信道估計(jì)技術(shù) ， 首先 介紹了無(wú)線信道的特性， 然 后介紹了常見(jiàn)OFDM 導(dǎo)頻輔助的信道估計(jì)算法。 5） 通過(guò) CCS 自帶的代碼剖析工具分析了解調(diào)程序 的時(shí)間 和空間復(fù)雜度，證明了信道估計(jì) 實(shí)現(xiàn)方案的可行性 ；通過(guò)設(shè)計(jì)基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試程序?qū)Σ煌旁氡认陆庹{(diào)數(shù)據(jù)的誤比特 率分析證明了實(shí)現(xiàn)方案的合理性。解決了頻譜翻轉(zhuǎn)、子載波鏡像、 高頻子載波受濾波器過(guò)渡帶衰減等問(wèn)題，從而提高了有效數(shù)據(jù)率。 為了對(duì)認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的理論方法和禮儀協(xié)議進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)評(píng)估和研究 ，項(xiàng)目組在第一版實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 研制了 第二版 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。信道估計(jì)是通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它是進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，解調(diào)，均衡的基礎(chǔ)。 正交頻分復(fù)用 (OFDM)是公認(rèn)的易于實(shí)現(xiàn)頻譜資源控制的傳輸技術(shù)，而認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的主要特征是機(jī)會(huì)式的利用頻譜資源以及子載波可重載。 RAC 是一個(gè)固定頻率的隨機(jī)接入通用信道，所有使用認(rèn)知無(wú)線電頻譜資源的無(wú)線電用戶在 RAC 上傳輸頻譜資源利用的信息。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)是認(rèn)知無(wú)線電用戶如何感知周圍無(wú)線環(huán)境。由于這種認(rèn)知無(wú)線電僅僅以無(wú)線頻譜為關(guān)注對(duì)象，因此被稱作頻譜感知認(rèn)知無(wú)線電（ Spectrum Sensing Cognitive Radio）。有限的可利用頻譜及頻譜利用率的低下等問(wèn) 題使得一種全新的、優(yōu)化使用頻譜的無(wú)線通信 模式變得十分必要。FCC 20xx 年底的 NPRM[8]指出目前分配出的頻段利用率是從 15%85%不等，某些頻帶如移動(dòng)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的頻帶是超負(fù)荷的，但是諸如業(yè)余無(wú)線電等相當(dāng)多頻段并沒(méi)有得到充分使用。 在 Mitola 的認(rèn)知無(wú)線電中，在作出改變運(yùn)行參數(shù)的決定的時(shí)候，無(wú)線節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)觀察到的每一個(gè)可能的參數(shù)都被考慮到，所以 Mitola 的認(rèn)知無(wú)線電通常被稱為“全認(rèn)知無(wú)線電”。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 “認(rèn)知無(wú)線電”這個(gè)詞最早由 Joseph Mitola 在 1999 年提出 [46]。 為了對(duì)認(rèn)知無(wú)線電的理論方法和禮儀協(xié)議進(jìn)行深入的研究和實(shí)驗(yàn)評(píng) 估， 項(xiàng)目組 設(shè)計(jì)了認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這種頻譜利用不均的情況引導(dǎo) 通信業(yè)界研究人員去思考“頻譜空穴”（ Spectrum Holes） [3]這樣一個(gè)嶄新概念，即“一個(gè) 頻譜空穴是分配給 授權(quán)用戶的頻帶，但是，在某一指定時(shí)間和空間，在授權(quán) 用戶不占用這一頻帶的情況下