【正文】 戶接入認知無線電系統(tǒng)的過程中采用的禮儀和協(xié)議。 包括一個認知無線電中心控制節(jié)點、四個認知無線電 用戶 (CR 用戶終端 )、一個 電視信號發(fā)射 機 (TV 信號發(fā)射塔 )和若干電視機 (TV 信號接收機 )。任意兩個終端通過直達的認知無線電鏈路進行點對點通信，而不通過 中心控制節(jié)點 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 的控制下完成。 認知無線電終端 一臺 認知無線電 終端主要由物理層單元和鏈路層單元組成，應(yīng)用層在上位機上實現(xiàn)， 如 圖 22 所示為認知無線電終端示 意圖。 3） 應(yīng)用層 將指定的數(shù)據(jù)文件通過 認知無線電 終端傳送到另一臺 上位機 中 以及 通過認知無線電終端將數(shù)據(jù)文件再傳回來的 過程。 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，中心頻率 36MHz，帶寬為。 Equation Chapter (Next) Section 1 3 認知無線電實驗終端中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計 9 3 認知無線電實驗終端 中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計 本課題要求建立一個通用的認知 無線電實驗平臺，在此平臺上進行一系列 CR 相關(guān)理論的研究。 3） 認知無線電實驗終端 所使用的 TMS320C6000 系列 DSP 不僅運算速度高，而且片內(nèi)集成了許多外圍設(shè)備，支持多種工業(yè)標準的接口協(xié)議，能夠提供高帶寬的數(shù)據(jù) I/O。上位機 將數(shù)據(jù)通過 ARM 子板 經(jīng)過 HPI 接口傳給發(fā)送 DSP，在 DSP 中對比特信息進行位組合，然后通過 EMIFB 口送入到 FPGA 的編碼模塊對數(shù)據(jù)進行信道編碼，然后再通過 EMIFB 口讀回 DSP，對數(shù)據(jù)進行 QPSK 或 QAM 星座映射， OFDM 調(diào)制，插入導(dǎo)頻，最后對數(shù)據(jù)進行峰均比抑制處理，并將數(shù)據(jù)通過 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對控制寄存器的編程來實現(xiàn)的，而這些編程是通過串口完成。DDS 模塊提供一個局部正交（ SIN 和 COS）本振信號給正交調(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)生一個正交調(diào)制數(shù)據(jù)流。在該模式下沒有 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)生一個單頻信號。3 認知無線電實驗終 端中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計 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 AD9857 進行配置 。DSP 通過 McBSP 與 AD9857 的接口對其進行配置時， McBSP 作為 SPI 主設(shè)備， AD9857作為從設(shè)備。要使 AD9857 正常工作，還要對內(nèi)部的 8 個 8 位控制寄存器進行初始化配置， 8 個寄存器地址為 0007。 DAC 輸出頻譜具有 SINC 函數(shù)的特性，因此需要對其進行反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 符號在 4161 的奇數(shù)子載波號上也調(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拗仆ㄟ^ AD9857的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)率。 對于高頻子在波通過固定內(nèi)插模塊后會有幅度衰減的問題需要對 OFDM 數(shù)據(jù)在基帶進行過采樣， 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 個數(shù)據(jù)符號 { , 0 ,1, , 1}na n N??表示 頻域數(shù)據(jù)符號，經(jīng)過 IFFT 變換后，得到時域數(shù)據(jù)符號 { , 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 4 倍過采樣得到更加精確反映連續(xù)信號變換的時域離散采樣點，可以在 IFFT 輸入的頻域數(shù)據(jù)符號中間補充 3N 個零，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 點的 IFFT，則可以按 4 倍過采樣得到 4N 個時域離散采樣點，即： 41,4014N nko v e r k n NnA a WN??? ?， , 0,1, , 4 1n k N?? (32) 由此可以實現(xiàn)對時域信號的過采樣，更加精確地反映 OFDM 連續(xù)符號的變換。對 OFDM 符號進行過采樣可以通過IFFT/FFT 來實現(xiàn)，做 IFFT 運算時，需要在原始的 N 個輸入值的中間添加 (p1)N 個零。而且根據(jù) AD9857 器件手冊的建議發(fā)送端提供給 AD9857 的數(shù)據(jù)要至少已經(jīng)是二倍過采樣的數(shù)據(jù)。兩個級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， IQ 數(shù)據(jù)輸入使能，接下來第一個 PDCLK 時鐘上升沿為 I 路數(shù)據(jù)，下來 為 Q 路數(shù)據(jù) ，依次類推，當 TxENABLE 為高電平的周期內(nèi)必然有偶數(shù)個PDCLK 上升沿，以使 IQ 匹配。 可以通過改變 AD9857 的內(nèi)插率來調(diào)整輸入到 AD9857 的數(shù)據(jù)的時鐘進而改變OFDM 符號帶寬，如 圖 33 所示為通過 改變可編程內(nèi)插率來改變符號帶寬在發(fā)送端中頻用頻譜分析儀觀測到的不同帶寬信號。認知無線電實驗系統(tǒng)中頻工作在西安交通大學碩士學位論文 12 36MHz，因此要通過寄存器 05h02h 設(shè)置輸出頻率， 36MHz*232/=FTWORD,將這四個 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 在實驗系統(tǒng)中，除了在調(diào)試階段采用過單頻輸出模式外，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)，沒有經(jīng)過調(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。 PDCLK/FUD 引腳作為并行數(shù)據(jù)時鐘輸出，提供 AD9857 的輸入的同步信號，輸入數(shù)據(jù)必須與 PDCLK 的上升沿同步。 AD9857 的接口設(shè)計主要涉及到兩部分，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。 本章將對認知無線電實驗終端中頻和基帶模塊的軟件設(shè)計作詳細介紹。 基于軟件無線電的思想，項目組認知無線電實驗終端的軟件設(shè)計包括： 1） 利用外處理器 （ DSP） 通過軟件編程對終端 的中頻器件如 AD985 GC1012B等進行初始化配置， 能夠根據(jù)不同需要即時改變相應(yīng)參數(shù)，使這些中頻器件按設(shè)計要求工作。 9)數(shù)字下變頻輸出（基帶處理單元輸入），數(shù)字復(fù)信號，數(shù)據(jù) 率為 ， 實部、虛部位寬均為 12bits。 接收階段： 5)高頻頭模塊輸入，信號頻率范圍為 614MHz～ 734MHz，信號帶寬為 。 為了保證實驗系統(tǒng)能夠?qū)φJ知無線電技術(shù)作一些簡單的驗證，本課題 設(shè)計 的主要技術(shù)指標如 下： 表 21 實驗系統(tǒng)主要技術(shù)指標 項目 指標 （室內(nèi)） 指標 （室外） 頻段 614734MHz 614734MHz 雙工方式 FDD FDD 實驗系統(tǒng)覆蓋區(qū)域半徑 150m 600m 可容忍的時延擴展 的統(tǒng)計平均值 保護間隔 的持續(xù)期 10 OFDM 符號的 有效 持續(xù)期（插入 CP 前） 10us 40 OFDM 符號 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 點數(shù)（ N） M/100k=64 CP 點數(shù) G 16 64 OFDM 符號總點數(shù) 80 320 總子載波個數(shù) 64（約為 52） 208 導(dǎo)頻子載波個數(shù) 8 32 可用子載波個數(shù) 44 176 OFDM 符號 的 速率 1/=80kBauds 1/50=20kBauds 總的數(shù)據(jù) 符號 的 速率 441/= 總的符號速率（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，數(shù)據(jù)率為 （兆樣點每秒） ，實部、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 認知無線電終端示意圖 1） 物理層 能夠?qū)崿F(xiàn)編、解碼，調(diào)制、解調(diào)等功能， 能將鏈路層送來的信息發(fā)送出去以及能將另一個 認知無線電 用戶發(fā)來的信息（滿足一定信噪比要求）解調(diào)出來，然后送往鏈路層； 認知無線電 用戶能對接收頻段內(nèi)授權(quán)用戶的出現(xiàn)進行準確的檢測，若檢測到授權(quán)用戶出現(xiàn)， 能夠 轉(zhuǎn)移到 中心控制節(jié)點 預(yù)先分配的新信道上繼續(xù)通信 ， 并且操作員能對連 接和無線頻譜資源進行管理和配置。通信結(jié)束之后，認知無線電終端則向 中心控制節(jié)點 釋放所申請的通信信道。 圖 21 認知無線電實驗網(wǎng)絡(luò)拓撲 西安交通大學碩士學位論文 6 中心控制節(jié)點 位于服務(wù)區(qū)域的 中心，主要負責電視頻譜資源的分配以及認知無線電用戶的呼叫接續(xù)的控制。 實驗 網(wǎng)絡(luò)工作頻段為西安 地區(qū) 26~40 號電視 頻道， 頻率 范圍從 614~734MHz，共 120MHz 的帶寬。在實現(xiàn)初步目標 的基礎(chǔ)上，進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檢測頻譜空穴 [11]，自適應(yīng)調(diào)整載波（子載波）頻率、子載波個數(shù)、發(fā)射功率、編碼方式等系統(tǒng)參數(shù)進行通信。 第四章， OFDM 信道估計技術(shù) ， 首先 介紹了無線信道的特性， 然 后介紹了常見OFDM 導(dǎo)頻輔助的信道估計算法。 5） 通過 CCS 自帶的代碼剖析工具分析了解調(diào)程序 的時間 和空間復(fù)雜度，證明了信道估計 實現(xiàn)方案的可行性 ；通過設(shè)計基于實驗系統(tǒng)的閉環(huán)測試程序?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渡帶衰減等問題，從而提高了有效數(shù)據(jù)率。 為了對認知無線電系統(tǒng)的理論方法和禮儀協(xié)議進行更深入的實驗評估和研究 ，項目組在第一版實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 研制了 第二版 認知無線電實驗系統(tǒng)。信道估計是通信領(lǐng)域的一個研究熱點，它是進行相關(guān)檢測，解調(diào)，均衡的基礎(chǔ)。 正交頻分復(fù)用 (OFDM)是公認的易于實現(xiàn)頻譜資源控制的傳輸技術(shù)，而認知無線電系統(tǒng)的主要特征是機會式的利用頻譜資源以及子載波可重載。 RAC 是一個固定頻率的隨機接入通用信道，所有使用認知無線電頻譜資源的無線電用戶在 RAC 上傳輸頻譜資源利用的信息。認知無線電技術(shù)的一個難點是認知無線電用戶如何感知周圍無線環(huán)境。由于這種認知無線電僅僅以無線頻譜為關(guān)注對象，因此被稱作頻譜感知認知無線電（ Spectrum Sensing Cognitive Radio）。有限的可利用頻譜及頻譜利用率的低下等問 題使得一種全新的、優(yōu)化使用頻譜的無線通信 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，某些頻帶如移動手機網(wǎng)絡(luò)的頻帶是超負荷的，但是諸如業(yè)余無線電等相當多頻段并沒有得到充分使用。 在 Mitola 的認知無線電中，在作出改變運行參數(shù)的決定的時候，無線節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)觀察到的每一個可能的參數(shù)都被考慮到，所以 Mitola 的認知無線電通常被稱為“全認知無線電”。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 “認知無線電”這個詞最早由 Joseph Mitola 在 1999 年提出 [46]。 為了對認知無線電的理論方法和禮儀協(xié)議進行深入的研究和實驗評 估， 項目組 設(shè)計了認知無線電實驗系統(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]這樣一個嶄新概念，即“一個 頻譜空穴是分配給 授權(quán)用戶的頻帶，但是，在某一指定時間和空間，在授權(quán) 用戶不占用這一頻帶的情況下