【正文】 認(rèn)為動(dòng)態(tài)頻譜接入（ Dynamic Spectrum Access）是解決目前頻譜低效利用的有效技術(shù)。 然而，到目前為止，這樣的認(rèn)知無(wú)線電還沒(méi)有被實(shí)現(xiàn)過(guò)。認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通信采用 OFDM 調(diào)制方式，在無(wú)線傳輸環(huán)境中，信道的時(shí)域與頻域響應(yīng)是時(shí)變的；多徑引起的頻率選擇性衰落在不同的子載波上也表現(xiàn)出衰落的不一致性，從而導(dǎo)致 OFDM 符號(hào)各個(gè)數(shù)據(jù)子載波上出現(xiàn)畸變的不均勻性。 20xx 年 11 月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（ FCC）發(fā)布了一項(xiàng)由 SpectrumPolicy Task Force 提交的旨在有效管理美國(guó)頻譜資源的報(bào)告 [1]。 關(guān) 鍵 詞 ： 認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ； 正交頻分復(fù)用 ； 信道估計(jì) ； DSP 論文類型 ： 應(yīng)用研究 ?本研究得到國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“ 863”計(jì)劃）項(xiàng)目（編號(hào)： 20xxAA123940） 。接著介紹了實(shí)驗(yàn)終端 上 /下變頻器件和 D/A 器件的軟件配置，分析并解決了頻譜翻轉(zhuǎn)，子載波鏡像 ，高頻子載波幅度衰減等問(wèn)題。 論文 設(shè)計(jì)了基帶和中頻各模塊間的 軟件 接口， 包括 接收通道下變頻器件與同步模塊 、 DSP 與同步模塊 、 DSP 與譯碼模塊間的接口， 保證數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。陜西省自然科學(xué)基金 資助項(xiàng)目（ 20xxF41）；陜西省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（ 20xxK04G11）資助。該報(bào)告明確指出：“在許多頻帶，頻譜的準(zhǔn)入是一個(gè)比頻譜資源本身稀缺更加重要的問(wèn)題，很大程度上由于法規(guī)限制了這些頻譜上的潛在用戶獲得準(zhǔn)入。為 了達(dá)到高速率的數(shù)據(jù)傳輸，需要在 OFDM 系統(tǒng)中使用正交幅度調(diào)制（如16QAM， 64QAM 等）等調(diào)制方式，為了保證系統(tǒng)的性能不受信道多徑和衰落效應(yīng)的影響，就需要采用信道估計(jì)的方法跟蹤信道響應(yīng)的變化。 當(dāng)今的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采 用的是固定頻譜分配政策，即無(wú)線頻譜資源的規(guī)劃和使用是由政府部門制定的，收發(fā)機(jī)對(duì)它的使用需要得到政府的許可。 人們開(kāi)始考慮允許 未 授權(quán)用戶 在對(duì) 授權(quán) 用戶不產(chǎn)生任何干擾的情況下來(lái)使用 已 分配的許可頻段。然而這種操作即費(fèi)時(shí)又耗能，并且不具有實(shí)用性。而利用 OFDM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)這樣具備高度靈活性的系統(tǒng)，是一種相當(dāng)合適的選擇。 主要包括 DSP 和 FPGA 之 間 數(shù)據(jù)的正常 通信 、 DSP 與各中頻器件間的接口測(cè)試，使 DSP 和 FPGA 能夠正常工作。 第二章，認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的概述，介紹了認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，總體 結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以評(píng)估認(rèn)知無(wú)線電用戶對(duì)電視信號(hào)的干擾情況、認(rèn)知無(wú)線電用戶受外來(lái)發(fā)射機(jī)干擾的情況以及驗(yàn)證在認(rèn)知無(wú)線電用戶接入認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的過(guò)程中采用的禮儀和協(xié)議。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。 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。 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。 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。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。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)。 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 。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。 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。 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。 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。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。兩個(gè)級(jí)連的半帶濾波器的通帶為奈奎斯特頻率的 80%。 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)。寄存器 01h 的 Bit6 控制反 SINC 濾波器是否使能。 McBSP 支持多種方式的接口模式，其中就包括 SPI 模式。 （ 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。 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。 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。 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。 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。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。 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。 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。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。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)。 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。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）。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。 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]。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，此頻帶可以被其他用戶使用。 OFDM。之后對(duì)如何提高系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)率作了討論，列出了實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所能達(dá)到的技術(shù)參數(shù)。 論 文主要完成了 第二版 認(rèn)知無(wú)線電 實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng) 中的 基帶和中頻 部分 的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于 OFDM 的無(wú)線通信 功能 ， 并 在實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng) 中實(shí)現(xiàn)了 OFDM 導(dǎo)頻輔助的 信道估計(jì) 算法 。 論文提到的認(rèn)知無(wú)線電實(shí)驗(yàn)終端 軟件 設(shè)計(jì) 已完成并調(diào)試成功，系統(tǒng)能夠正常工作。目前世界各國(guó)采用的是基于靜態(tài)頻帶分配的原則和方案。 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)相應(yīng)的被認(rèn)為是未來(lái)探索頻譜空穴特性、高效利用無(wú)線頻譜的主要手段。這被認(rèn)為最終會(huì)演進(jìn)成一個(gè)擴(kuò)展的軟件無(wú)線電平臺(tái) —— 一個(gè)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)或（和）用戶要求完全重新配置通信功能、參數(shù)的無(wú)線黑盒子。盡管固定頻譜分配政策在過(guò)去很有效，但在最近幾年，無(wú)線業(yè)務(wù)急劇增長(zhǎng)，對(duì)有限的頻譜的需求也隨之劇增，這就挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)頻譜政策的有效性。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中的認(rèn)知無(wú)線電用戶可以根據(jù)獲取的頻譜使用情況智能的改變所使用的頻譜資源，從而可以大大提高頻譜利用率。 目前國(guó)際上對(duì)認(rèn)知無(wú)線電研究大多基于 Fatih Capar 等人給出的一種簡(jiǎn)單，容易實(shí)1 緒論 3 現(xiàn)的認(rèn)知無(wú)線電的定義 [10]，即認(rèn)知無(wú)線電用戶可以檢測(cè)出某個(gè)頻段的授權(quán)用戶是否正在發(fā)射信號(hào)，如果有則認(rèn)為有授權(quán)用戶在使用該頻段，如果沒(méi)有則認(rèn)為可以利用這個(gè)頻段來(lái)進(jìn)行通信；同時(shí)認(rèn)知無(wú)線電用戶還必須保證，在它使用授權(quán)頻段的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)授權(quán)用戶重新開(kāi)始工作，則能夠立即停止對(duì)該頻段的使用，對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生盡可能小的干擾。 本文研究的主要工作和結(jié) 構(gòu)安排 本文是在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“ 863”計(jì)劃）（編號(hào)： AA123910）的資助下完成的。設(shè)計(jì)了適 用 于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信道估計(jì)方案， 然后 編寫 DSP 程序 實(shí)現(xiàn)了 數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹? 頻對(duì)接和 射頻 對(duì)接 ，完成 了 OFDM 頻偏糾正及 信道估計(jì)等相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn) 。 Equation Chapter (Next) Section 1 2 認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)概述 5 2 認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)概述 認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的初步目標(biāo)是能夠在一定距離內(nèi)利用空閑電視頻道建立起來(lái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線通信，通信終端具有感知電視信號(hào)的出現(xiàn)和存在，及時(shí)切換到新的空閑頻道保持通信的能力，能夠驗(yàn)證認(rèn)知無(wú)線電智能、動(dòng)態(tài)頻譜管理特性。 認(rèn)知無(wú)線電 實(shí)驗(yàn) 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如 圖 21 所示。 各層功能如下 ： A / D / ACR策略其他天線 amp。 4)射頻捷變頻模塊輸出，頻率范圍為 614MHz～ 734MHz，信號(hào)帶寬為 。為了保證此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的通用性，項(xiàng)目組利用軟件無(wú)線電的思想對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣就可以在不改變硬件結(jié)構(gòu)的情況下，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)不同的理論成果及相關(guān)算法。 下面對(duì) AD9857 作簡(jiǎn)單介紹： 西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 圖 31 發(fā)送 模塊 基帶和中頻結(jié)構(gòu)圖 1） AD9857 簡(jiǎn)介 AD9857 是 AD公司采用多項(xiàng)先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度的高性能正交數(shù)字上變頻器，它內(nèi)部集成了直接數(shù)字頻率合成器（ DDS）、正交數(shù)字上變頻器、倍頻電路、多種數(shù)字濾波器、 14 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制和控制電路，使其能夠在單片上完成單頻輸出、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制以及 IQ 正交調(diào)制等多種功能，廣泛應(yīng)用于通信和雷達(dá)領(lǐng)域。這些都是在數(shù)字域內(nèi)發(fā)生的，而且只有數(shù)字的數(shù)據(jù)流允許加到 14 位 DAC，最后產(chǎn)生正交調(diào)制模擬信號(hào)。這是因?yàn)橄鄬?duì)于正交調(diào)制模式時(shí)的交叉 I/Q形式，在該模式下只有 I 路數(shù)據(jù)送往并口。如 圖 32CLKX 為時(shí)鐘信號(hào)， FSX 為從設(shè)備使能信號(hào)， DX 和 DR 分別為數(shù)據(jù)輸出和輸入信號(hào)。寄存器 01h 的 Bit1Bit0控制工作模式，配為 0，表示工作在正交調(diào)制模式。 0 10 20 30 40 50 6000 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 41 . 61 . 82x 1 04 (a) (b) (a)接收端數(shù)據(jù)幅頻圖 (b)發(fā)送端中頻模擬信號(hào)頻譜圖 圖 34 頻譜鏡像接收端和發(fā)送端的頻譜特性 （ 2） 問(wèn)題分析 在中頻，將輸出的中頻信號(hào)通過(guò) SMA 線連到頻譜分析儀觀察輸出頻譜特性， 如 圖 34 (b)所示， 可以看出在發(fā)送端中頻輸出之后的信號(hào)的頻譜幅度隨著子載波號(hào)的增加幅西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 度衰減而且會(huì)產(chǎn)生鏡像，因此，確定問(wèn)題出在發(fā)送端中頻器件這里。所以通過(guò)上述對(duì)級(jí)聯(lián)半帶濾波器傳輸特性的分析，為了使幅度錯(cuò)誤不超過(guò) 1dB，輸入信號(hào)的帶寬不能超過(guò)奈奎斯特頻率的 9