【正文】 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,(n)和Q(H)不再是帶寬為誓的信號, 且厶口冬,所以可以對,(,t)和Q(一),: 2厶 () 如圖35(b),抽取后的信號,(m),O(m)并不會 改變原有的信號譜結(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 (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(H.(e歸)).經(jīng)過 前兩級抽取濾波后,采樣率已明顯降低,所以后續(xù)各級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。 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 (3 stn(三詈)=,.,.1,.,.,.1,b,… 效結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn). (224) 所以帶通信號的實(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 ,并對其性 速率信號處理系統(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應(yīng)具有開放性, 通用性,軟件可升級,可替換. 軟件無線電主要由三大部分組成,即用于射頻信號變換,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 理方式和對處理速率的不同要求。 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。2曰 這時(shí)可獲得最低輸出采樣速正39。一戢): 2口39。20) 而我們希望得到的是一個(gè)實(shí)信號輸出,采用邊帶調(diào)制技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)帶通信號 ,必須把頻譜搬移成正負(fù)頻率對稱 ￡加把原帶通信 號的兩個(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)】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z,%進(jìn)行直接低通抽取,帶通信號正交抽取結(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)對整個(gè)采樣頻段fo,冬)內(nèi)睜任一信號進(jìn)行抽取 和解調(diào). 由于帶通信號的正交抽取結(jié)構(gòu),最終輸出的信號是…個(gè)復(fù)信號: y.(,1)。)+成(e77) Ixr168。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))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(移頻算子)em伽乘以原帶通信號x n),則石(e739。 【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搬移到基帶,然后再利用低 (n)的頻譜x(e39。陽r 對于軟件無線電接收機(jī),我們所要處理的信號往往是帶通信號,即是前文 所假設(shè)低通信號(o,厶)的整個(gè)數(shù)字頻帶中的某一帶寬(,L,厶) . 凰凰, 0 圖2,9帶通信好的數(shù)字譜 對此我們采用整帶抽取,所謂整帶抽取即帶通信號滿足如下關(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為帶通信號的中心頻率, (臺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為信號帶寬,即帶通信號的最高和最低頻率是信號帶寬的整數(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 在實(shí)際設(shè)計(jì)中,當(dāng)抽取倍數(shù)D很大時(shí),所需的濾波器之階數(shù)將非常高,乃 至無法實(shí)現(xiàn),因此,我們可以考慮采用分級抽取,使濾波器的階數(shù)大為減小, 這樣,可以大大降低對濾波器的設(shè)計(jì)要求. 設(shè)輸入采樣速率為L—IOOMHz,抽取倍數(shù)D為500,即最終需要得到200kHz 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的采樣速率,信號帶寬為50kHZ,要求 ,則當(dāng)采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)這樣的濾波器時(shí)所需的濾波器階數(shù) N為: N.—2—0l:,..十1 Ⅳ… 式中,6為阻帶衰減,Ⅳ為過渡帶寬度,正為采樣速率. 一一一一一一一一一一一一一一一1 () 一 廣一一一一一一一一一一一一一一～1 L一一一一一一一一一一一一一一一J L一一一一一一一一一一一一一一～J 39。(p)。)可 以準(zhǔn)確的表示z(e)ee4,.(e燦)進(jìn) 行處理等同于對x(P妲)的處理,但前者的數(shù)據(jù)流速率只有后者的D分之一,大 大降低了對后續(xù)處理(解調(diào)分析等)速度的要求. 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 H(e o) Ⅱ D , Ⅱ/E (I】 ,。)中的頻譜成分是一 .(e39。圖24給出了抽取 U● (D=2)的頻譜結(jié)構(gòu)(混疊) 10 .墓堅(jiān)堡三奎蘭堡主堂垡堡塞 由圖24可見,抽取后的頻率如(e柚)產(chǎn)生了嚴(yán)霎混疊,使得從并.(e燦)中 已無法恢復(fù)出x(e扣) 器(濾波器帶寬為石/D)對x(e扣)進(jìn)行濾波,使x(e扣)中只含有小于萬/D的頻 率分量(對應(yīng)模擬頻率為告正),再進(jìn)行D倍抽取,則抽取后的頻譜就不會發(fā)生 混疊,如圖25所示,這樣x.(e39。F箭 _ 把z—e一代入式()可得抽取序列XD(珂)之離散傅氏變換為: 礎(chǔ).)一吉耕掣] 前后的頻譜結(jié)構(gòu)變化圖. ∽11) 由式()可見,抽取序列的頻譜(離散傅氏變換)x.(P39。(朋)表達(dá)式代入可得: () %(z)薹}(州39。(|I,2)除了珊為D的整數(shù)倍時(shí)不為零外,其余均為零,所以上式可以重薪寫 為: 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 Xo(z)∑善39?！?(m)z一∑x39。(n)一工(n)【吉萋ej警] 由于b(m)=x(Dm)*工39。177。 根據(jù)恒等式: 土警.,警.』1,(n另外當(dāng)對一個(gè)頻率很高的射頻信號采樣時(shí), 如果采樣頻率取得太低, 況下,帶通采樣速率應(yīng)該盡可能地選得高一些,使瞬時(shí)采樣帶寬盡可能地寬. 但是隨著采樣速率的提高帶來的另外一個(gè)問題就是采樣后的數(shù)據(jù)流速率很高, 導(dǎo)致后續(xù)的信號處理速度跟不上,特別是對有些同步解調(diào)算法,其計(jì)算量大, 如果其數(shù)據(jù)吞吐率太高是很難滿足實(shí)時(shí)性要求的,所以很有必要對A/D的數(shù)據(jù) . Ⅲ九九 所謂箍數(shù)倍抽取是指把原始采樣序列x(n)每隔(JD1)個(gè)數(shù)據(jù)取一個(gè),以形 成一個(gè)新序列%(m),即: (2—4) b(m)一x(mD) 式中,D為正整數(shù),抽取過程如圖23所示,很顯然如果x(n)序列的采樣速率 為正,則其無模糊帶寬為正/(H)進(jìn)行抽取后得到的抽取 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 序列b(m)之取樣率為正/D,其無模糊帶寬為六/(20)伽 由于軟件無線電所覆蓋的范圍一般都要求比較寬, 作為軟件無線電, 采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少大于4GHz,目前這是不可能實(shí)現(xiàn)的. 所以,對于寬頻帶工作的軟件無線電臺是無法采用Nyquist采樣技術(shù)來采樣的. 而必須采用帶通采樣. Nyquist采樣定理討論了頻譜分布在(o39。1∞11.以可編程器件相輔助,包括參數(shù) 可編程器件和FPGA等,盡量提高系統(tǒng)的可編程性和靈活性. 3,本論文針對移動(dòng)通信終端應(yīng)用來設(shè)計(jì)軟件無線電中頻數(shù)字接收機(jī),故頻 率源是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一,也是本文作者在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)工作, 本論文采用傳統(tǒng)的PLL+VCO結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì),以保證頻率源的雜散范圍和頻率 振頻率. 4,本論文中使用數(shù)字下變頻芯片HSP50214B進(jìn)行設(shè)計(jì)的,數(shù)字下變頻是近 年來發(fā)展起來的新型變頻器,負(fù)責(zé)接收高速模/數(shù)變換的采樣數(shù)據(jù),進(jìn)行正交混 頻,可編程低通濾波和抽取等預(yù)處理,然后將數(shù)據(jù)存入緩存,等待數(shù)字信號處 理器進(jìn)一步處理, 多可變參數(shù),如可編程濾波器帶寬,抽取率,正交本振頻率等,本論文根據(jù)應(yīng) 用場合,經(jīng)過理論分析確定相關(guān)參數(shù)設(shè)置,不同應(yīng)用場合的參數(shù)設(shè)置方法也相 互具有指導(dǎo)意義. 5,整個(gè)硬件電路具體要實(shí)現(xiàn)模擬下變頻,采樣,數(shù)字下變頻,信號處理, 模擬輸出, 決定了軟件無線電的功能,是軟件無線電的靈魂. 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章軟件無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ) 軟件無線電的核心思想是對由天線感應(yīng)的射頻模擬信號盡可能地直接進(jìn)行 數(shù)字化,將其變換為適合于數(shù)字信號處理器(DSP)或計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)流,然 后通過軟件來完成各種功能, 以,軟件無線電首先面臨的問題是如何對工作頻帶內(nèi)的信號進(jìn)行數(shù)字化,也就 是如何對感興趣的模擬信號進(jìn)行采樣,這些既是最基本,但也是軟件無線電中 最關(guān)鍵的問題,對此進(jìn)行詳細(xì)討論與闡述,為軟件無線電研究奠定理論基礎(chǔ). —Nyqu 】刀叫1 ● 如果對某一時(shí)間連續(xù)信號(模擬信號)進(jìn)行采樣,當(dāng)采樣率達(dá)到一定數(shù)值 時(shí),那么, 如下: Nyquist采樣定理:設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號x(t),其頻帶限制在(o,厶)內(nèi), 如果以不小于正投資商則可以在通用的可擴(kuò)展的硬件平臺上,通過開發(fā)新的應(yīng)用軟 件來滿足用戶或市場的新要求,適應(yīng)不斷發(fā)展的技術(shù)進(jìn)步. 作為無線通信中最重要的組成部分,個(gè)人移動(dòng)通信,存在系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及通信協(xié) 議的差異,(rrU) 所制定的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT2000,其主要目標(biāo)是期望建立一個(gè)可供全球 漫游,跨系統(tǒng),跨網(wǎng)絡(luò)無縫隙的通信標(biāo)準(zhǔn),并提供與現(xiàn)有第二二代(2G)移動(dòng)通 信系統(tǒng)相容的需求,因此第三點(diǎn)(3G)移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)備需具有相容性 (Compatibility),使用彈性(FIexibility),可重構(gòu)性(Reconfigurability)和可升 級性(Upgradability), 此系統(tǒng)具有整合多模式, 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 研究發(fā)展的重點(diǎn),如Ericssion,Nokia, Lucent,Motorola,Harris,Analog Device等均已表示積極從事軟件無線電相關(guān) ,軟件無線電技術(shù)被正式列入國家863高 ,我 國的TDSCDMA技術(shù)上也大量采用了軟件無線電技術(shù),哈爾濱工業(yè)大學(xué)等院校 ,美,日先進(jìn)國家也舉辦 過專門的軟件無線電會議,如歐洲的Software Radio work