【正文】 I ● ● l t ●, ,l l l F I l l (D2)的頻率結(jié)構(gòu)(混頻 由式()可見,抽取序列的頻譜(離散傅氏變換)Xn0一)為抽取前原始序列 之頻譜X0p) 化圖. ,抽取后的頻譜%0弦)產(chǎn)生了嚴重混疊,使得從%◇‖)中已 無法恢復(fù)礁X和歸)(濾 波器寬帶為萬/D)對X◇一)進行濾波,使X(e抄)中只含有小于露/拶的頻率分量 (對應(yīng)模擬頻率為妥五),再進行D倍抽取,則抽取后的頻譜就不會發(fā)生混疊, u ,這樣石D◇‖)中的頻譜成分與X39。1 t l ● ● ● ● 0 一囂,露 ● P,..l‖一l ! . 一一F ,}\. l /,}』蛩一,j !彬￡ l t I ● l ● l I ● l , 39。 39。10)可得抽取序列勃仍)之離散傅氏變換為: 縱∽=去萋X[ej(w2M)ID] 39。(掰)除了m為D的整數(shù)倍時不為零外,其余均為零,所以上式可重新寫為: %o)=∑x39。, x39。(Dm)z哺 Z一 (2..0) \39。(強)可表示為: 由予xo(m)=x(mD)=x39。+織坳,..≥} (2《) 19 ——一. 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 Illll。由清華大學(xué)和北京郵電大學(xué)合作完成,這 ,我國將開展軟 件無線電的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究,并以蜂窩移動通信系統(tǒng)的多模平臺為背景,重 硬件(包括射頻部分,以及由FPGA等實現(xiàn)的中頻部分)和帶有NIC的高速局域 (900MHz和1800MHz),并兼容四 種以上的傳輸方式(包括GSM,DCSl800,IS95,IS54等). 2002年5月28日,國家自然科學(xué)基金委員會信息科學(xué)部組織專家,對清華大 學(xué)電子工程系和北京郵電大學(xué)聯(lián)合承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金資助的重點項目軟 件無線電理論與技術(shù)及其在個人通信中的應(yīng)用 平臺的現(xiàn)場演示后,專家組經(jīng)認真討論,一致認為:該課題在基礎(chǔ)理論及試驗平 臺研究方面取得了重要進展,其研究成果在軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景. 2003年至今, 大公司(華為,中興,大唐等公司)開發(fā)成功,并已建立實驗基站,開始組網(wǎng),試 運行. 綜上所述,國內(nèi)外很多科研院所,研發(fā)機構(gòu),高等學(xué)府及大公司,企業(yè)都已 經(jīng)投入到軟件無線電技術(shù)的研究開發(fā)中,經(jīng)過國內(nèi)外研究學(xué)者的共同努力,對軟 件無線電技術(shù)的研究已日趨深入細致, 電技術(shù)的研究起步晚于歐美,但是關(guān)于軟件無線電的研究已經(jīng)得到了越來越多的 重視, 處于各種應(yīng)用的具體研究實踐階段. 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章軟件無線電的基本結(jié)構(gòu)及理論基礎(chǔ) 軟件無線電的基本思想是以一個通用,標準,模塊化的硬件平臺為依托,通 過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能,從基于硬件,面向用途的電臺設(shè)計方法 ,靈活性差的硬件電路, 尤其是減少模擬環(huán)節(jié),把數(shù)字化處理(刖D和D/A變換) 線電強調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)性和全面可編程性,通過軟件的更新改變硬件的配置結(jié) 構(gòu),. 窄帶 D/A 電話 數(shù)據(jù) 圖象 傳真 而麗iH窒蘭皇蘭竺pI ———石—一 L一一一h磊習(xí)d l DSP 窄帶 A/D 軟件無線電主要由天線,射頻前端,寬帶A/,通用和專用數(shù)字 ,例 如1MHz2GHz,要求頻段的特性均勻,以滿足各種業(yè)務(wù)的需求. 射頻前端在發(fā)射時要完成上變頻,濾波和功率放大等任務(wù),接收時實現(xiàn)濾波, ,寬帶,線性和高效射頻放大器的設(shè)計和 ,射頻前端的 功能可以進一步簡化,要 求A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的工作帶寬(2GHz以上),較高的采樣率(一般在60MHz 以上),而且要有較高的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù),以提高動態(tài)范圍. 模擬信號進行數(shù)字化后的處理任務(wù)全部由DSP軟件承擔(dān),通常把A/D轉(zhuǎn)換來 的信號,經(jīng)過專用數(shù)字信號處理器件(如數(shù)字下變頻DDC)處理,降低數(shù)據(jù)流速 率,并把信號變至基帶后, 各種數(shù)據(jù)率相對較低的基帶信號的處理,例如信號的調(diào)制解調(diào),各種抗干擾,抗 衰落和自適應(yīng)均衡算法的實現(xiàn)等,還要完成經(jīng)信源編碼后的前向糾錯幀調(diào)整,比 ,高速,超高速的數(shù)字處 理器的不斷涌現(xiàn),如TMS320CSx,TMS320C6x和ADSP21160等,DSP已能基本 12 暑!曼I II 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 Ill—— Illllll罡曼曼舞 ,其處理能力還能大大 提高. 與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比,軟件無線電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)逶用,功能軟件化和互操 . 傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 軟件無線電體系結(jié)構(gòu) ,傳統(tǒng)模擬無線電系統(tǒng)的射頻部分,上/下變頻,濾波及基帶處 理全部采用模擬方式,某個頻段和某種調(diào)制方式的通信系統(tǒng)都對應(yīng)專門的硬件結(jié) 構(gòu),麗數(shù)字無線電系統(tǒng)的低頻部分采用數(shù)字電路(如本振用數(shù)字頻率合成器,信 源編譯碼和調(diào)制解調(diào)由專用芯片完成),但其射頻部分和中頻部分仍離不開模擬電 ,軟件無線電系統(tǒng)的A/D/A變換移到了中頻,并盡可 能靠近射頻端,對整個系統(tǒng)頻帶進行采樣,即從中頻(甚至射頻)開始就進行數(shù) 字化處理,實 現(xiàn)單一通信功能, 替專用數(shù)字電路, 硬粹平臺,通過軟件實現(xiàn)不同的通信功能,并可對工作頻率,系統(tǒng)頻帶,調(diào)制方 式和信源編碼等進行編程控制, 用模塊設(shè)計,是一個開放的通信平臺, 基于一相對通用硬件平臺,通過加載不同軟件(需要時可更換插卡)來實現(xiàn)不同 麴遺信功能. 軟件無線電的結(jié)構(gòu)基本分為三種:射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu),射頻帶通采樣 數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu). 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 射頻低通采樣數(shù)字純的軟件無線電,其結(jié)構(gòu)簡單,把模擬電路的數(shù)量減少到 最底程度,. l l 收發(fā)開關(guān) t l H 濾波放大l 功率放大 ◆l 焱囝 蟄緩 } 《 》 數(shù)字 信號 處理 器 從天線進來的信號經(jīng)過濾波放大后就由A/D進行采樣數(shù)字化,這種結(jié)構(gòu)不僅 對A/D轉(zhuǎn)換器的性能如轉(zhuǎn)換速度,工作帶寬和動態(tài)范圍等提渤了非常高的要求, 同時對后續(xù)的DSP域AS玲(專用集成電路的處理速度要求也特別高,因為射頻 ,工作在1MHzIGHz 的軟件無線電接收機,其采樣速率至少需要2GHz,這樣高的采樣率,A/D能否達 到暫且不說,后續(xù)的數(shù)字信號處理器也是難以滿足要求的. 這種射頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)與低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)的主要不同點 是:A/D前采用了寬帶相對較窄的電調(diào)濾波器,然后根據(jù)所需的處理帶寬進行帶 (實 際上主要是對A/D中采樣保持器的速度要求)還是比較高的. 14 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 . 這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)的超外差無線電臺收/發(fā)訊機是類似的,但兩者的本質(zhì)區(qū)別是 中頻寬帶不一樣,常規(guī)電臺的中頻寬帶為窄帶結(jié)構(gòu), (如本振頻合成器等)設(shè)計 得以簡化,信號經(jīng)過接收通道后的失真也較小,而且與常規(guī)窄帶超外差電臺相比, 這種帶寬中頻結(jié)構(gòu)再配以后續(xù)的數(shù)字化處理,使其具有更好的波形適應(yīng)性,信號 構(gòu)形式上看似乎與常規(guī)窄帶超外差魄臺沒有多大區(qū)別,但這季巾軟件無線電從性能 上將會有質(zhì)的飛躍,是窄帶系統(tǒng)無法達到的. ,這種軟件無線電的射頻前端(A/D前, D/A后的模擬預(yù)處理電路)比較復(fù)雜,它的主要功能是把射頻信號變換為適合于 A/D采樣的寬帶中頻信號或把D/ 雜的射頻前端把高頻信號變換為中心頻率適中,帶寬適中的寬帶中頻信號后,給 僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所需要的超高速采樣,也不要求第二種結(jié)構(gòu)所需的商精度, 高工作帶寬所需求的采樣保持放大器,使A/D設(shè)計大大簡化,這是射頻前端復(fù)雜 ,增加一點復(fù)雜性也是值得 的,況且這種帶寬射頻前端與窄帶超外差前端相比還是相對要簡單一些,無疑是 . 軟件無線電是開放性,通用性和可擴展性的最簡單硬件為平臺,通過加載各 種應(yīng)用軟件來適應(yīng)不同用戶,不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求,實現(xiàn)各種無線電功能. 軟件無線電是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ),以數(shù)字信號處理為核心,以微電子技 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ,多速率 不可少的,也是非常重要酶. 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行數(shù) 字化,將其交換為適合于數(shù)字信號處理器(DSP)或計算機處理的數(shù)據(jù)流,然后通 過軟件來完成各種功能,軟 件無線電首先面臨的問題是如何對工作頻帶內(nèi)的信號進行數(shù)字化,也就是如何對 感興趣的模擬信號進行采樣,這些既是最基本,但也是軟件無線電中最關(guān)鍵的問 題,對此進行詳細討論與闡述,為軟件無線電研究奠定基礎(chǔ). ——N鸚落蛙采樣定理 如果對某一時間連續(xù)信號(模擬信號)進行采樣,當(dāng)采樣率達到一定數(shù)值時, 那么,: Nyquist采樣定理:設(shè)有一個頻率帶限信號xO),其頻帶限制在(O,fn)內(nèi), 如果以不小于妒2最的采樣速率對x0)進行等間隔采樣,得到時間離散的采樣信號 《囂)=x研疋)(其中冬l撬為采樣聞隔),剡原信號z◇)將被新褥到的采樣值x(n)完 全確定. 上述Nyquist采樣定理告訴我們,如果以不低于信號最高頻率兩倍的采樣速率 對帶限信號進行采樣,那么所得到的離散采樣值就能準確地確定原信號. 由于軟件無線電所覆蓋斡范圍一般都要求比較寬, 作為軟件無線電, Nyquist低通采樣所需要的采樣速率至少大于4GHz, 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 須采用帶逶采樣. Nyquist采樣定理討論了頻譜分布在(O,厶)上的基帶信號的采樣問題,麗 在適用的軟件無線電模式,我們從中頻開始全數(shù)字化,因為有用信號只是占據(jù)了 整個中頻帶寬的一部分,所以如果我們將整個帶寬進行采樣,不僅數(shù)據(jù)非常大, 而且也包含很多無蔫信息,我們只需要進行帶遙采樣. 帶通采樣定理:設(shè)一個頻率帶限信號x◇),其頻帶限制在(五,磊)內(nèi),如 16 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 果其采樣頻率丘滿足: z=鼉掣 隔采樣所得到的信號采樣值x(nTs)能準確地確定信號石O). 式()用帶通信號的中心頻率fo和頻帶寬度B也可以表示為: .. 緣t, 式中,n取能滿足工≥2(厶五)的最大整數(shù)(O,l,2,…),則用工進行等間 2療+l () 式中,兀=點{立,n取能滿足z≥2B(B為頻帶寬度)() 可見,當(dāng)頻帶寬度B一定時,為了能用最低采樣速率即兩倍頻帶寬度速率(正宅B) 對帶通信號進行采樣,帶通信號的中心頻率必須滿足: J一. f一(2n.+1)B0 . () \上…J, 當(dāng)n取不同的值時,就對應(yīng)了不同的中心頻率‰,也就是說任何一個中心頻率為 fon(n=0,1,2,…)帶寬為B的帶遭信號均可以用同樣豹采樣頻率f_2B對信號進行采 樣,這些采樣均能準確地表示位于不同頻段(中心頻率不同)原信號. 值得指出的是,上述帶通采樣定理適用的前提條件是:只允許在其中的一個 頻帶上存在信號,麗不允許在不同的頻帶上同時存在信號,否則將會引起信號的 混疊. B 為了滿足這樣的一個條件,可以采用跟蹤濾波器的辦法來解決,即在采樣前 先進行濾波,也就是當(dāng)需要對菜一個串心頻率的帶通信號進行采樣時, 就先把跟蹤濾波器調(diào)到與之對應(yīng)的中心頻率‰上,濾出所感興趣的帶通信號,然 后再進行采樣,以防止信號的混疊. 當(dāng)帶寬很窄時,例如對常規(guī)的軍用戰(zhàn)術(shù)電臺(V嗣7HF),其信號帶寬B為 25KHz(含保護閏隔), 難的,主要表現(xiàn)在A/D前面的抗混疊濾波器無法實現(xiàn),因為它要求該濾波器在整 個頻帶都保持相同的濾波器帶寬和阻帶特性,這幾乎是不可能做到的. 為了解決上述聞題,可以采用所謂的超外差接收體制,即先用一個本振信號 17 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 與輸入信號進行混頻(可以經(jīng)過幾次混頻),將其變換成為統(tǒng)一的中頻信號,然后 ,就可以完成對不同頻率信號的數(shù)字化, 而這時A/,A/D前的抗混 線與A/D之間增加了很多模擬信號處理環(huán)節(jié),如混頻,本振信號產(chǎn)生,各種濾波 (特別是混頻器和窄帶濾波器),而且對縮 小體積,由于在天線與A/D問的模擬電路環(huán)節(jié) 過多,使{| 旦模擬信道的中頻帶寬確定以后,要適應(yīng)不同的信號帶寬就存在一定的難度,另 外本振信號的頻率步進(分辨率)一旦確定,對信道間隔的適應(yīng)能力也就變差了. 為了改善上述中頻數(shù)字機制對信號環(huán)境適應(yīng)性和可擴展性,我們采用寬帶中 頻技術(shù),即BB..這時在中頻帶寬B內(nèi)將包含多個信道(信道數(shù)N=B愿.),至 于對帶寬B內(nèi)位于某一特定信道上的信號所需進行的解調(diào),分析,識別等處理, 將由后續(xù)的信號處理器及其軟件來完成,該軟件主要完成數(shù)字濾波(可變帶寬), 數(shù)字下交頻以及解調(diào)等信號處理任務(wù),通過加載不同的信號處理軟件就可以對不 同體制,不同帶寬以及不同種類信號的接收解調(diào)以及其他信號處理的任務(wù),這樣 ,本 振信號就可以按照大步進來設(shè)計,這樣可以大大簡化本振源的設(shè)計,有利于減小 體積,改善性能,降低成本. 在實際工作中,要求一個數(shù)字系 統(tǒng)能工作在多抽樣率狀態(tài),以適應(yīng)不同抽樣信號的需求。不僅在基帶數(shù)字化,而且要在中頻甚至射頻數(shù)字化:不僅接收機數(shù)字化,發(fā) 射機也要