【文章內(nèi)容簡介】 . 凰凰, 0 圖2,9帶通信好的數(shù)字譜 對(duì)此我們采用整帶抽取,所謂整帶抽取即帶通信號(hào)滿足如下關(guān)系時(shí)的抽取 ,o一半一(2川)魯 代入式(220)可得: 池13) ,為經(jīng)D倍抽取后的取樣率. () 式中,n為正整數(shù),0為帶通信號(hào)的中心頻率, (臺(tái)t2x(厶一rL)一2曰 .丘+厶.(2n+1)B () 14 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 即:厶(露+1)曰或五nB 式中,B為信號(hào)帶寬,即帶通信號(hào)的最高和最低頻率是信號(hào)帶寬的整數(shù)倍時(shí)稱其 為整帶抽取,這時(shí)抽取倍數(shù)D應(yīng)當(dāng)滿足。 2縣 () 也就是說當(dāng)在(.,魯),就可進(jìn)行整 帶抽取,只要抽取前用一個(gè)帶寬為B的帶通濾波器對(duì)感興趣的子帶進(jìn)行濾波即 可,該濾波器的特性如下: 日..1139。 【0, n寺sIII小+1)寺 其他 七十 ,我們采用頻譜 搬移的辦法,我們把位于中心頻率矗處的帶通信號(hào)搬移到基帶,然后再利用低 (n)的頻譜x(e39。7)是共扼 對(duì)稱的,其中心頻率^可以任意,我tf]用z+表示x(Pm39。)中,芑0的『F頻率分量, 用石一表示工(一27)中,so的負(fù)頻率分量,則z+與x一中的任何一個(gè)分量可以用 另一個(gè)分量來表示,所以我們只需關(guān)心其中的一個(gè)分量即可,現(xiàn)在我們用復(fù)信 號(hào)(移頻算子)em伽乘以原帶通信號(hào)x n),則石(e739。)中的負(fù)甄亭分量x一將 移至零頻,而其正頻分量x+將移至2fo撾:,如果用一個(gè)低通濾波器^(n)把2,o 處的高頻分量濾除,則可得到基帶信號(hào)孑(擰)(對(duì)應(yīng)的頻率表示為需(一27))為: 疊(^).[耳(n)e39。2抽】.Il(n) 2【x(n)cos(h脅)】^(n)+J[x(n)sin(2昝fon)】^(n) 令:Xz(以)一P(n)(2z加)】.Il(甩) () xQ(n)一p(n)sin(掃加)州n) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 分別稱而(件),%(訂)為x(n)的同相分量和正交分量,這時(shí)i(以)也可以表示為: j(n)_(玎)+j%(n) 與之對(duì)應(yīng)的頻譜為:2(en57)z,(e739。)+成(e77) Ixr168。噸39。】H(em7) 如果低通濾波器Ⅳ(em7)設(shè)計(jì)成: (219) H(|水罷 【0, 其他 就可以對(duì)z,%進(jìn)行直接低通抽取,帶通信號(hào)正交抽取結(jié)構(gòu)是軟件無線電最基 本的結(jié)構(gòu),通過改變,0可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)采樣頻段fo,冬)內(nèi)睜任一信號(hào)進(jìn)行抽取 和解調(diào). 由于帶通信號(hào)的正交抽取結(jié)構(gòu),最終輸出的信號(hào)是…個(gè)復(fù)信號(hào): y.(,1)。x,(n)+jb(n) (220) 而我們希望得到的是一個(gè)實(shí)信號(hào)輸出,采用邊帶調(diào)制技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)帶通信號(hào) ,必須把頻譜搬移成正負(fù)頻率對(duì)稱 ￡加把原帶通信 號(hào)的兩個(gè)正負(fù)頻率分量z+和x一搬移到基帶并通過低通濾波器h(n)濾除高頻成 分,得到: ),.(n)善,(n)4心(九) Y:(n)(^)一jxo(n) () 頻譜搬移過程與正交抽取時(shí)的頻譜搬移是一樣的,然后再對(duì)y.《起),y:(露)用頻 移算子eh爭把x(e,h,)和K(e,h7)頻譜分別左移和右移詈頻帶,最后把兩者 相加得到實(shí)信號(hào)譜K(e脅7). 16 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 帶通信號(hào)x(n)經(jīng)頻譜搬移后得到的基帶信號(hào)),.(行)的帶寬變?yōu)锽(相對(duì)于采 樣頻率正的帶寬或稱其為數(shù)字譜帶寬),故可對(duì)甄(再)進(jìn)行抽取,當(dāng)抽取倍數(shù)D 選為(下式中的‖為實(shí)際的模擬信號(hào)譜帶寬,B39。一戢): 2口39。39。2曰 這時(shí)可獲得最低輸出采樣速正39。:‖t妥一柚39。 工, () (石砌),sin(石砌)可得: 酬圳掣s(爭詈) 咖(玎圳n睜詈) 當(dāng)n=0,D,2D,3D,4D,5D,6D,7D…時(shí): c物, cos隆言)=139。o,也叫,o,也39。 stn(三詈)=,.,.1,.,.,.1,b,… 效結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn). (224) 所以帶通信號(hào)的實(shí)抽取結(jié)構(gòu)可以簡化為圖211,其抽取其可以采用多相濾波等 圖2—11 帶通信號(hào)的實(shí)時(shí)抽取結(jié)構(gòu) 17 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 本章從理論上全面論述了軟件無線電中的采樣定理,指出Nyquist采樣定理 ,并對(duì)其性 速率信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法的理論研究中,主要討論了數(shù)字信號(hào)的抽 ,為下文軟件無線電接收機(jī)的設(shè)計(jì)奠定 了理論基礎(chǔ). 18 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3章軟件無線電接收機(jī)的數(shù)學(xué)模型 軟件無線電的宗旨就是盡可能地簡化射頻模擬前端,使A/D轉(zhuǎn)換盡可能地 進(jìn)行處理,軟件無線電的硬件平臺(tái)應(yīng)具有開放性, 通用性,軟件可升級(jí),可替換. 軟件無線電主要由三大部分組成,即用于射頻信號(hào)變換,位于模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn) 換之前的射頻處理(含天線)前端,高速模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及位于A/D之后, D/A之前的數(shù)字信號(hào)處理單元(DSP)等三大部分, 分中,～D(D/A).起著最關(guān)鍵的作用, 不同的采樣方式將決定射頻處理前端的組成結(jié)構(gòu),也影響著其后DSP處理的處 理方式和對(duì)處理速率的不同要求。而且AID的性能如何也將嚴(yán)重制約整個(gè)軟件 ,為建立通用的數(shù)學(xué)模 型奠定基礎(chǔ)II J. 圖31軟件無線電的三大組成部分 【11. 19 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 掣 i一1超寬帶濾波器P匝夏至壹}一一t—D/A} I辨‰ .I. 超高 速DSP (軟 件) :～一分波段濾波器|168。 0超寬帶功率放大器}一 1超高主荔寬帶A,D 圖32中,min,m..分別為所要求的最低和最高工作頻率(一般要求 ,m..苫2GHz),根據(jù)Nyquist采樣定理,則采樣速率f應(yīng)滿足: 正≥2,m., 如果考慮到前鼉超寬帶濾波器的矩形系數(shù)r,則要求: 正土2f名.. 例如當(dāng),m..=2GHz,r=2時(shí):正包8GHz. 即使允許過渡帶混疊,最低采樣速度也應(yīng)滿足: (32) (31) .C≥(,+1),m.,6GHz (33) 如此高采樣速率的A/D(D/A)目前顯然是無法實(shí)現(xiàn)的,尤其當(dāng)需要采用大動(dòng)態(tài), …般只 適用于工作頻帶不是非常寬的場合,如短波HF頻段等. 射頻直接帶通采樣軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如圖33所示.[11,116lf23I L 習(xí) |時(shí)fo=《(22mn+鈣1))1∽,/4 ‰1 q功放H窄帶電調(diào)濾波器Ho內(nèi)插上變頻H:茇F= 1犁竿艄煳i u豎L廣掣1 20 DSP 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 這種結(jié)構(gòu)所基于的采樣原理是射頻直接帶通采樣原理,這種帶通采樣除了 需要一個(gè)主采用頻率正之外,還需要M個(gè)盲區(qū)采樣頻率厶,M的值由下 式確定 MIN/降】 式中,三^蠆fz 7表示取大于石的最小整數(shù),. (34) 主采樣頻率￡的確定主要取決于A/D器件的性能,還要考慮到與后續(xù)DSP 盲區(qū)采樣頻率的數(shù)量,在最高工作頻率^.一 定的情況下, ￡的選取應(yīng)以器件能否滿足給定要求為主要考慮因素,但最低采樣頻率必須滿 足對(duì)最大信號(hào)帶寬進(jìn)行無混疊采樣數(shù)字化的要求. 率要求不高,而且整個(gè)前端接收通帶并不是全寬開的,而是先由窄帶電調(diào)濾波 器選擇所需的信號(hào).,然后進(jìn)行放大,再進(jìn)行帶通采樣,這有助于提高接收通道 信號(hào)噪聲比,也有助于改善動(dòng)態(tài)范圍. ,[231,/241捌 超外差無線電臺(tái)收/發(fā)訊機(jī)是類似的, 規(guī)電臺(tái)的中頻帶寬為窄帶結(jié)構(gòu), 寬不僅使前端電路(如本振等)設(shè)計(jì)得以簡化,信號(hào)經(jīng)過接收通道后的失真也 小,而且與常規(guī)窄帶超外差電臺(tái)相比,這種寬帶中頻結(jié)構(gòu)在加上后續(xù)的數(shù)字化 處理,使其具有更好的波形適應(yīng)性,信號(hào)帶寬適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性. i2 圃 [卜 t}一2n+1)fJ4 圖34寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu) 一一 21 甲￡ H 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 , 主要功能是把射頻信號(hào)變換為適合于A/D采樣的寬帶中頻信號(hào)或把D/A輸出的 寬帶中頻信號(hào)變換為射頻信號(hào). 軟件無線電數(shù)學(xué)模型是對(duì)軟件無線電進(jìn)行理論分析,工程設(shè)計(jì)以及專用集 成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提,也是深入理解軟件無線電概念,形成系統(tǒng)性理論框 ,是很好的理解調(diào)制識(shí)別與解調(diào) ,例如并行多通道軟件無線電接 收機(jī)數(shù)學(xué)模型和基于多相濾波的信道化軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型等,本章以 單通道軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型為例,以便建立軟件無線電接收機(jī)的概念【l】. 所謂單通道軟件無線電接收機(jī)是指這種接收機(jī)在同一時(shí)刻只能接收所選擇 的一個(gè)信道的信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)分析,不能同時(shí)接收多個(gè)信號(hào)【.我們知道,射 頻信號(hào)經(jīng)過不同形式的A/D采樣數(shù)字化后,形成了統(tǒng)一的基帶數(shù)字譜Ⅳ.(,), 對(duì)工.(廠)處理的目的就是如何從中提取出有效帶寬Bo內(nèi)信號(hào)載頻為‰的信號(hào) S(,11(為敘述方便對(duì)頻率和角頻率不加以嚴(yán)格區(qū)分).我們知道,任何一種調(diào)制 形式的信號(hào)shl均可表示為: s(露)一8《n)cos『toon+甲(捍)1 (3—5) 式中,a(H),妒(行)分別為信號(hào)的幅度調(diào)制分量和相位調(diào)制分量,‰為信號(hào)載頻 ,則上式可改寫為: s(n)一,(挖)cos(%n)Q(n)sin(roan) 式中,(n)一n(n)cos妒(n) Q(n)一a(n)sinq.(n) (36) ‰不含信息,所以用同相, 正交分量即可完全描述給定信號(hào)的特性,而對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)的目的實(shí)際上 ,即數(shù)字混頻法 (a)所示,圖中的低通 濾波器Ⅳ.(e 74)主要用來濾除,(n)和Q(n)頻譜分量以外不需萼的信號(hào)a 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 CO《.f1) cos(f】oon) 鼬,忡) bP叵弧 b≯匣強(qiáng) 所以低通濾波器的通帶截止頻率丘應(yīng)為,(,1)和Q(n)頻譜分量中對(duì)應(yīng)的最 高頻率,而濾波器的阻帶截止頻率^應(yīng)小于信道間隔的一半,以消除鄰道干擾 的影響,經(jīng)過低通濾波后得到的 基帶正交話號(hào),(n)和Q(H)不再是帶寬為誓的信號(hào), 且厶口冬,所以可以對(duì),(,t)和Q(一),: 2厶 () 如圖35(b),抽取后的信號(hào),(m),O(m)并不會(huì) 改變?cè)械男盘?hào)譜結(jié)構(gòu),而其數(shù)據(jù)率(采樣率) (b)中,低通濾波器和后接的抽取器一起構(gòu)成了 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的抽取系統(tǒng),該抽取系統(tǒng)可以采用多相濾波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),以降低對(duì)濾 波器吞吐率(計(jì)算速度)的要求【11.【141. 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 .HLp(eI.) / ≮ ≯ . 廣泛用于抽取內(nèi)插系統(tǒng)的兩種高效數(shù)字濾波器即:級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器 (cIc)和半帶濾波器(HalBB觚d FilterHBF).由于CIC濾波器無需乘法運(yùn)算,可 以實(shí)現(xiàn)高速濾波,所以CIC濾波器一般用在輸入采樣率最高的第一級(jí) (H,lej)).而半帶濾波器雖然需要乘法運(yùn)算,但只有普通FIR濾波器運(yùn)算量 的一半,所以HBF濾波器一般用在中等輸入采樣率的第二級(jí)(H.(e歸)).經(jīng)過 前兩級(jí)抽取濾波后,采樣率已明顯降低,所以后續(xù)各級(jí)抽取濾波器可以采用普 ,一個(gè)可供實(shí)現(xiàn)的軟件無線電接收 機(jī)數(shù)學(xué)模型如圖33所示. a(糟)J,2(m)+口39。■) Mm) Q(m) 小).zrctaa淵 ,(m),■)一9■一1) 瞬時(shí)特征提取 叫岫 f(m) Hm) 己調(diào)信號(hào)s(n)經(jīng)過正交混頻和D倍抽取濾波后得到的正交基帶信號(hào),(m), Q■)送到瞬時(shí)特征提取單元進(jìn)行瞬時(shí)幅度4(m),瞬時(shí)相位妒加)和瞬時(shí)頻率 ,(m)的計(jì)算,最后把這三個(gè)瞬時(shí)特征連同兩個(gè)正交基帶信號(hào),(m),Q(腳)一起 送到后續(xù)的解調(diào)分析模塊完成信號(hào)的識(shí)別,解調(diào)等功能. 軟件無線電的幾乎所有功能都將用軟件來實(shí)現(xiàn), 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 地載波去相干解調(diào)1,在 移動(dòng)通信中,接收到的信號(hào)受到嚴(yán)重衰減時(shí),提取出來的載波質(zhì)量往往達(dá)不到 要求, 解調(diào)法[,理論上正交解 調(diào)法可以對(duì)幾乎所有的調(diào)制模式進(jìn)行解調(diào)【lJ. 盡管調(diào)制樣式多種多樣,但實(shí)質(zhì)上調(diào)制不外乎調(diào)制信號(hào)去控制載波的某一 個(gè)(或幾個(gè))參數(shù), 弦波或脈沖序列, 續(xù)波調(diào)制信號(hào)的解調(diào). 對(duì)于連續(xù)波調(diào)制,已調(diào)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: s(行)A n)cos『w(n)n+日(月)1 (38) 調(diào)制信號(hào)可以分別寄生在已調(diào)信號(hào)的振幅A(,1),頻率∞(雎)和相位口(n)中, 相應(yīng)的調(diào)制就是調(diào)幅, 有著一定的關(guān)系,為了方便分析,將式()改寫為: S(n)t爿(n)cosfq玎+妒(,1)1 式中,: (39) s(^)一A(n)cosp(n)】cos(婢n)A