【正文】 Ｉ（ｎ）和Ｑ（ｎ）的采樣速率和輸出信號(hào)的采樣速率是…樣的，而 輸出信號(hào)的采樣速率要大于信號(hào)最高載頻的兩倍以上。 Ｉ為內(nèi)插倍數(shù)，這里面每一列就是一個(gè)分支濾波器的系數(shù)組合，將信息序列 分別通過(guò)各分支濾波器濾波，然后將得到的結(jié)果按行依次輸出，就完成了整 個(gè)內(nèi)插濾波過(guò)程。圖３．７ 中，正為輸入數(shù)據(jù)的抽樣間隔，疋為內(nèi)插Ｉ倍后的抽樣間隔，五＝瑪，開(kāi)關(guān) 以頻率１／Ｌ旋轉(zhuǎn)。內(nèi)完成Ｎ次乘加運(yùn)算，其討’算速度需求為： Ｓｉ＝Ｎ／Ｔｓ ＭＰＳ（次乘加，秒） （３－９） 對(duì)圖３．６（ａ）所示的先內(nèi)插后濾波的多相結(jié)構(gòu)，每一個(gè)分支濾波器的階數(shù)為 Ｎ／Ｉ，輸入數(shù)據(jù)的采樣間隔還是Ｔ；，所以，各分支濾波器的計(jì)算速度需求為： Ｓ，＝Ｎ／Ｉ／Ｌ ＭＰＳ（次乘加，秒） （３．１０） 對(duì)圖３．６（ｂ）所示的先濾波再內(nèi)插的多相結(jié)構(gòu)，每一個(gè)分支濾波器的階數(shù)為 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 Ｎ／Ｉ，輸入數(shù)據(jù)的采樣間隔變?yōu)椋桑裕?，所以，各分支濾波器的計(jì)算速度需求為： ｓ３＝Ｎ／Ｉ／ＩＬ＝Ｓｌ／１２＝ｓ２／Ｉ ＭＰＳ（次乘加／秒） （３．１１） 綜上，圖３．６中的圖（ｂ）先濾波再內(nèi)插的多相結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算速度要求最小，最 有利于實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)，而且隨著內(nèi)插倍數(shù)的增加，這種優(yōu)勢(shì)就會(huì)越明顯，所 以這種結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。每一個(gè)輸入數(shù)據(jù)可以同時(shí) 通過(guò)階數(shù)低的分支濾波器，運(yùn)算速度得到了提高，同時(shí)，階數(shù)少的濾波器進(jìn) 行濾波可以提高運(yùn)算精度，降低對(duì)字長(zhǎng)的要求，但是這里的濾波還是在插零 后進(jìn)行的，對(duì)硬件運(yùn)算速度的要求很高，由內(nèi)插器的對(duì)等關(guān)系，可使圖３．６ 中的（ａ）圖轉(zhuǎn)換為（ｂ）圖，這樣濾波是在采樣速率提高之前進(jìn)行的，運(yùn)算 速度得到了進(jìn)’步的提高，大大增強(qiáng)了實(shí)時(shí)處理能力。對(duì)一個(gè)Ｎ階線性時(shí)不變ＦＩＲ 內(nèi)插濾波器的多相分解過(guò)程如下，設(shè)該濾波器的沖擊響應(yīng)為ｈ（ｎ），它的ｚ變 換日（Ｚ）可表示為： Ｎ一１ 日（ｚ）＝∑＾（＂）?Ｚ” （３．５） ８ 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中，Ｎ＝Ｑ．，為內(nèi)插倍數(shù)，將這個(gè)式子展開(kāi)得： 翰＝∑螂．礦 腳 ＝，枘．ＺＤ＋蛔．ｚ。下面討論一種利于實(shí)時(shí) 處理的高效濾波結(jié)構(gòu)——內(nèi)插器的多相濾波結(jié)構(gòu)。用ＭＡＴＬＡＢ仿真１＝４，ｆｓ＝１００Ｈｚ時(shí)的頻譜情況如圖３．５所示， 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中，（ｂ）圖中０－５０Ｈｚ之間的頻譜即為原信號(hào)ｄⅢ）的基帶頻譜，而 ５０～１００Ｈｚ，１００～１５０Ｈｚ，１５０～２００Ｈｚ之問(wèn)的頻帶為ｘ（聊）基帶頻譜的高頻搬移 分量和鏡像分量（可以通過(guò)后續(xù)處理反折回來(lái)），且幅度變?yōu)閮?nèi)插ｆｉ；Ｊ－自＇３ １／４（為 １／１）倍，只要找到一個(gè)適當(dāng)?shù)膸V波器Ｈ（Ｚ），即可提取出載頻比原信弓 高１到３倍的高頻成分，以此類(lèi)推，Ｉ倍內(nèi)插后，就可以提取出載頻比原信 號(hào)高１～Ｉ一１倍的高頻成分，從而實(shí)現(xiàn)上變頻。 上變頻就是將基帶信號(hào)調(diào)制為射頻或中頻的過(guò)程。；，１）ＴＴＴＴＴ甲一 一中甲（『ｉ、 ?！灰弧?，ｉ一一一．”一 ｉ一一上～，【一』一土。 ｘ ㈣ １ ０ １ （ａ）原始信號(hào)序列ｘ（卅） ’ 甲Ｔ Ｔ甲。用ＭＡＴＬＡＢ仿真１＝２時(shí)的 結(jié)果如圖３．４所示。為了能夠正確地恢復(fù)原低通信號(hào)，必須對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)進(jìn)行低通濾 波，以濾除高頻鏡像二Ｆ擾，所以，內(nèi)插器結(jié)構(gòu)圖中的Ｈ（ｚ）為低通濾波器。 對(duì)內(nèi)插后的序列Ｘ，（ｍ）進(jìn)行傅立葉變換，可得到它的頻譜Ⅳ，（Ｐ。 內(nèi)插器并不是簡(jiǎn)單的序歹｛ｊ問(wèn)插零，它要求把插零后的序列經(jīng)過(guò)某種變換，恢 復(fù)成原序列形狀，這種變換就是濾波。 部分，如圖３．３所示，圖中，個(gè)，表示，倍內(nèi)插，Ｈ（Ｚ）表示濾波器。 ３．３．１整數(shù)倍內(nèi)插 ，倍內(nèi)插是指在兩個(gè)原始抽樣點(diǎn)之間插入（Ｉ．１）個(gè)零值。對(duì)不同的調(diào)制類(lèi)型信號(hào)，Ｉ（ｎ）和Ｑ（ｎ）是不同的，這 個(gè)求，（仃）和Ｑ（ｎ）的過(guò)程就是上面提到的基帶處理過(guò)程。％（Ｈ）），Ｑ（”）＝０。 圖３．２通用正交調(diào)制模型 例如，對(duì)一個(gè)ＡＭ信號(hào)，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ｓ（ｔ）＝Ａ（１＋刪。軟件無(wú)線電中調(diào)制的方法 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 就是先根據(jù)調(diào)制樣式求出，０）、Ｑ（卯），然后分別與兩個(gè)正交本振ｃ０８‰ｎ、 ｓｉｎｍ。 圖３．１軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)的基本組成 ３．２基帶正交信號(hào)的產(chǎn)生 一個(gè)無(wú)線電信號(hào)一般可表示為： ｓ（ｆ）＝Ⅱ（ｆ）ｃｏｓ恤礬Ｈ∥（ｆ）Ｊ （３－１） 式中，ａ（ｔ）、∥（ｆ）分別表示為該信號(hào)的幅度調(diào)制信息和相位調(diào)制信息，五為 信號(hào)載頻（中心頻率），而頻率調(diào)制信息也反映在相位調(diào)制信息中，即 ｆ（ｔ）＝ｄｐ（ｆ）／ｄｔ，對(duì)（３－１）式進(jìn)行數(shù)字化可得： Ｓ（ｎＬ）＝ａ（ｎｒ）ｃｏｓｌ２礬ｎｔ＋ｙ（月ｔ）Ｊ 式展開(kāi)可得： ｓ（ｎ）＝，（”）ＣＯＳ∞ｏ”＋Ｑ（ｎ）ｓｉｎ０９０珂 （３—２） 式中，０９。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第３章軟件無(wú)線電中的調(diào)制算法 ３．１引言 軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)是軟件無(wú)線電兩大組成部分之一，它的主要功能是把 需發(fā)射或傳輸?shù)挠脩?hù)信息（話(huà)音、數(shù)據(jù)、圖像）經(jīng)基帶處理（完成諸如ＦＭ、ＡＭ、 ＳＢＢ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＭｓＫ、ＱＡＭ等基帶調(diào)制）和上變頻，調(diào)制到規(guī)定的載頻（中 心頻率）ｆ０上，再通過(guò)功率放大后送至天線，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為空間傳播的無(wú) 線電信號(hào)，發(fā)向空中或經(jīng)傳輸介質(zhì)（如電纜、光纜等）送到接收方的接收機(jī) 前端，由其進(jìn)行接收解調(diào)。 從以上三種軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的采樣數(shù)字譜分析可以得出結(jié)論：無(wú)論是射 頻低通采樣還是射頻直接帶通采樣或者是中頻帶通采樣，其采樣后的數(shù)字譜 均可等效為其總帶寬為ｆ／２的基帶譜，如圖２．１０所示，其中有效帶寬為玩， Ａ／Ｄ采樣速率為，：。由此可見(jiàn)，只要確知前置跟蹤濾波器在“盲區(qū)” 頻帶上對(duì)應(yīng)的頻帶號(hào)，則圖２．９所示的“盲區(qū)”采樣數(shù)字譜與“盲區(qū)”頻帶 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 的射頻信號(hào)也是一一對(duì)應(yīng)的。ｊ｜４ ’ ｛ｓｍ｜２｛ 。“盲區(qū)” 采樣的數(shù)字譜與“盲區(qū)”頻帶的射頻信號(hào)譜如圖２．９所示?！懊^(qū)”頻帶的中心頻率 兀。一起將唯一地確定與其對(duì)應(yīng)的主采樣頻帶上的射頻信號(hào)。）位于偶數(shù)頻段，滿(mǎn)足： 哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文 ［ｃｚｎ＋?，每一導(dǎo)］≤／二，≤［ｃ：ｎ＋?，魯＋導(dǎo)］ 且ｒｌ為偶數(shù)時(shí)有： ｃｚ一， 姊＝爿ｊ，ｚ；＝髟 ｚ；＝Ⅳｊ，磁＝ｘｊ （２—８） 而當(dāng)跟蹤濾波器位于奇數(shù)頻段，滿(mǎn)足式（２ ７），且式中ｎ為奇數(shù)時(shí)，有： （２—９） 電就是只要確知前置跟蹤濾波器之中心頻率（／二，）在主采樣頻帶（頻帶中 心頻率為五＝（２ｎ＋１）Ｚ／４，帶寬為Ｂｏ）上的位置，就完全能確定采樣數(shù)字 譜與射頻信號(hào)譜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。主采樣時(shí)的數(shù)字譜與射頻信號(hào)譜分別 如圖２．８（ａ）和圖２．８（ｂ）所示。另外，帶通采樣的數(shù)字譜僅與寬帶中頻 信號(hào)相對(duì)應(yīng)，它與實(shí)際射頻信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系還需要根據(jù)射頻前端的本振頻率 以及混頻方式來(lái)共同決定，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系也是唯一的，所以，圖２．７（ａ）所 示的帶通采樣數(shù)字譜與其本振頻率一起也將唯一地確定與其對(duì)應(yīng)的射頻信 號(hào)。由帶通采樣定理，在采樣速率工與中頻兀滿(mǎn)足： 厶：掣，（刪，Ⅵ…） 巧＝巧，弼＝Ｅ （２－４） 的條件下，其Ａ／Ｄ采樣數(shù)字譜ｊ，Ｄ（，）如圖２．７（ａ）所示，２．７中（ｂ）圖為中頻信 號(hào)模擬頻譜ＸＡ（／）。）都可以從與其唯一對(duì)應(yīng)的Ａ／Ｄ數(shù)字譜（Ｏ～２／＂）中找 到。由圖可見(jiàn)，低 通采樣時(shí)的Ａ／Ｄ數(shù)字譜與實(shí)際的信號(hào)譜是一一對(duì)應(yīng)的，也就是進(jìn)入接收通道 的射頻信號(hào)（ｆｍｉ。因此這無(wú)疑是近期 軟件無(wú)線電一種較可行的設(shè)計(jì)方案。 通過(guò)相對(duì)復(fù)雜的射頻前端把高頻信號(hào)變換為中心頻率適中、帶寬適中的寬帶 中頻信號(hào)后，給后續(xù)的Ａ／Ｄ采樣數(shù)字化大大減輕了負(fù)擔(dān)，這時(shí)與前面兩種軟 件無(wú)線電結(jié)構(gòu)相比不僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所要求的超高速采樣，也不要求第 二種結(jié)構(gòu)所需的高精度、高工作帶寬所要求的采樣保持放大器，使Ａ／Ｄ設(shè)計(jì) 大大簡(jiǎn)化，這是射頻前端復(fù)雜性所帶來(lái)的好處。所以這種寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)從形 式上看與常規(guī)窄帶超外差電臺(tái)沒(méi)有多大區(qū)別，但這種軟件無(wú)線電臺(tái)從性能Ｌ 將會(huì)有質(zhì)的飛躍，是窄帶系統(tǒng)所無(wú)法達(dá)到的。 ２．４寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電的結(jié)構(gòu)組成如圖２．５所示，這種結(jié)構(gòu)與常 規(guī)的超外差無(wú)線電臺(tái)的收／發(fā)信機(jī)是類(lèi)似的，但兩者的本質(zhì)區(qū)別是中頻帶寬不 一樣，常規(guī)電臺(tái)的中頻帶寬為窄帶結(jié)構(gòu)，而２．５所示的軟件無(wú)線電的中頻帶 寬為寬帶結(jié)構(gòu)。 盡管圖２．４所示的射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電其實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)，可能達(dá) 到的性能也比較高，但無(wú)論是前置窄帶電調(diào)濾波器還是高工作帶寬的Ａ／Ｄ實(shí) 現(xiàn)起來(lái)還是很有難度的，另外射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的另一缺陷 是需要多個(gè)采樣頻率，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。最后就是對(duì)ＤＳＰ的處理要求不一樣，前者要求低，后者要求高，如 果要求工作帶寬很寬，后者往往是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 ＤＳＰ （軟件） 圖２．４射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對(duì)Ａ／Ｄ的采樣速率要求并不高，而且整個(gè)前端接收通 帶并不是全寬開(kāi)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，這顯然有助于提高接收通道信噪比，也有利于改善動(dòng) 態(tài)范圍，它對(duì)Ａ／Ｄ的要求是Ａ／Ｂ有足夠高的工作帶寬，或者說(shuō)Ａ／Ｄ中采樣保 持器件以及放大器的性能要高。 ，它的性能好 ＤＳＩ’ （軟件） 圖２．３短波低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 ２＿３射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)如圖２．４所示，這種結(jié)構(gòu)所基 于的采樣定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)主采樣 頻率工以外，還需Ｍ個(gè)“盲區(qū)”采樣頻率厶，（塒＝０，１，２…Ｍ—１），Ｍ的值 由卜．式?jīng)Q定： Ｍ：胛ｌ型ＭＩ（２－３） Ｌ Ｌ， ｊ 式中，肼Ｔｋ】表示為大于等于ｘ的最小整數(shù)，ｍ。 如此高采樣速率的ＭＤ、Ｄ／Ａ以目前的技術(shù)水平是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而且，如 此之大的數(shù)據(jù)速率對(duì)ＤＳＰ也提出了過(guò)高的要求，所以，這種射頻全寬開(kāi)的低 通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)一一般只適用于工作帶寬不是非常寬的場(chǎng)合，例如短波 頻段（ＨＦ）或者超短波頻段（ＶＨＦ），尤其是短波頻段，根據(jù)目前器件的水平 采用這種低通采樣軟件無(wú)線電來(lái)實(shí)現(xiàn)是有可能的。 （２－１） （２—２） 例如，當(dāng)．，ｊ?！荩玻牵龋?，根據(jù)Ｎｙｑｕｉｓｔ采樣定理，則其采樣頻率， 應(yīng)滿(mǎn)足： 工≥２ｆｍ。分別為所要求的最低和最高工作頻率，（一般要 求ｆｍ。 哈爾濱１二程大學(xué)碩士學(xué)位論文 超高速 ＤＳＰ （較件） 圖２．２射頻全寬開(kāi)低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu) 在圖２．２中，厶。對(duì)應(yīng)這三種采樣方式，軟件無(wú)線電的組成結(jié)構(gòu)也有三種：射 頻全寬開(kāi)低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)、射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)和寬 帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)ｍ。對(duì)于射 頻信號(hào)的采樣數(shù)字化可以有兩種方法，一是基于Ｎｙｑｕｉｓｔ定理的低通采樣； 二是帶通采樣。軟件無(wú)線電主要由三大部分組成， 即射頻處理（含天線）前端（用于射頻信號(hào)變換），高速模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Ａ／Ｄ、 Ｄ／Ａ）以及數(shù)字信號(hào)處理單元（ＤＳＰ）等三大部分，如圖２．１所示。經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試，在該 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了ＡＭ信號(hào)，雖然只做了一種調(diào)制方式，但其完全通過(guò)軟件編程 實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了平臺(tái)的通用性。 ４、設(shè)計(jì)制作了一個(gè)基于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０９、ＴＬＶ２５４１、ＴＬＶ５６３６的通用 ＡＤ．ＤＳＰ。 ３、研究了卜述幾種調(diào)制信號(hào)在軟件無(wú)線電接收機(jī)中的識(shí)別問(wèn)題。 ２、研究了軟件無(wú)線電中的解調(diào)算法。其中，上變頻算法是關(guān)鍵，它是數(shù)字處理中運(yùn)算量最大 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 的部分，本文通過(guò)對(duì)內(nèi)插理論的分析，得出了內(nèi)插器的高效結(jié)構(gòu)，并以此為 基礎(chǔ)，提出了節(jié)省計(jì)算量的上變頻算法。調(diào)制樣式的自動(dòng)識(shí)別是軟件無(wú)線電臺(tái)必須具備的功能。而軟件無(wú)線 電臺(tái)由于它所特有的多頻段、多功能、多體制特性，使得通信雙方無(wú)法在某 一特定的調(diào)制方式上守侯，除非事先約定。解調(diào)部分也是如此，對(duì) 于不同的調(diào)制信號(hào)，調(diào)用不同的解調(diào)軟件模塊，從而，使通信系統(tǒng)擺脫硬件 的束縛。如果要增加‘種新 的調(diào)制方式就非常困難。軟件算 法是軟件電臺(tái)的“靈魂”，是軟件無(wú)線電研究的核心部分，而且，受當(dāng)前微電 子技術(shù)發(fā)展和高性能天線技術(shù)的限制，現(xiàn)有的器件，如ＡＤ、ＤＡ器件，ＤＳＰ器 件的性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)要求，所以，各種通信功能如 何用軟件去實(shí)現(xiàn)，以及如何在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，最大程度地實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線 電的性能要求，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。木 哈爾濱工稃人學(xué)碩士學(xué)位論文 課題的主要任務(wù)是進(jìn)行其中的調(diào)制解調(diào)算法、調(diào)制樣式識(shí)別算法以及基于 ＤＳＰ的調(diào)制部分硬件平臺(tái)的研究。高速數(shù)據(jù)總線結(jié) 構(gòu)是軟件無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，目前還沒(méi)有形成