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基于软件无线电调制解调实现的研究
基于软件无线电QPSK调制解调实现的研究
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基于软件无线电QPSK调制解调实现的研究
摘要
软件无线电在无线通信领域被称为是自模拟通信过渡到数字通
信之后的又一次革命，在军用和民用方面都有着广阔的应用。
它是一
种新的无线通信技术，基于通用的可编程的硬件平台，把尽可能多的
通信功能用软件实现，从而使系统的改进和升级都非常方便，容易实
现不同通信系统之间的兼容。
调制与解调是整个数字通信系统基带处理的基本组成部分，也基
本上构建了数字通信系统的总体性能框架。
其中，QPSK调制与解调
是一种性能较好，易于实现且已广泛应用于实践的调制解调方式。
本文在深入地研究了国内外有关软件无线电调制解调方面论文
的情况下，以现代移动通信最常使用的QPSK调制解调模式为研究对
象，给出了具体的调制解调实现的方法，Matlab仿真。
关键词:
软件无线电，QPSK，调制解调，matlab仿真。
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ABSTRACT
Softwareradiohascalledanotherrevolutioninradiocommunicationaftertransitionfromanaloguecommunicationtodigitalcommunication.Ithasvastuseinbothofmilitaryandcivil.Softwareradioisanovelwirelesscommunicationstechnology,whichisbasedonaversatileprogrammableplatformtorealizeallkindsofcommunications——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------criterionsandtomeettheneedofmanyincreasingnewmoldsandfunction.Whendoingthis,thechangeandupgradeofthesystemareconvenient,anddifferentsystemscancommunicateeffectively.
Modemisthebasicelementsofthewholedigitalcommunicationsystemandtheperformanceofdigitalcommunicationsystemisinfluencedeasilyandhasbeenusedintheprojectswidely.QPSKisalinearnarrowbandmodulation,whichhasthefeaturesofhighspectrumutilization,betterspectrumspecification,andstrongerabilityofanti-fadingandapplicabilityofnon-coherentdetection.
Thisarticlebythoroughlystudiedthedomesticandforeignrelatedsoftwareradiomodulationanddemodulationaspectpapers,TakeQPSKastheresearchobject.Producedthedetailedmodulationanddemodulationrealizationmethod.ImplementandtesttheQPSKusingMATLAB.
Keywords:
Softwareradio,QPSK,Modulationanddemodulation,matlabSimulation.
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第一章绪论
1.1引言
回顾通信的发展历史，可以看到通信技术发展迅速。
其原因除了
在于生活实际、社会要求和新器件发明的推动之外，通信理论的指导
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也起着十分重要的作用。
在20世纪40年代至50年代通信理论的发展出现了高峰，过滤和预测理论、香农信息论、纠错编码理论、信号和噪声理论、调制理论及信号检测理论等使通信理论在有效性和可靠性等方面的研究出现了突破。
当今，随着数字信号处理技术和集成电路制作工艺的发展，现代通信正朝着数字化方向发展，并融入计算机技术。
当前广播电视领域的数字化革命也充分说明了这一点，而且它对人们的生活方式影响深远。
移动通信发展到现在，出现了多种通信制式、多种通信标准并存的现象。
例如第二代移动通信就有GSM、窄带CDMA等，第三代移动通信的主流标准有WCDMA、TD-SCDMA和CDMA-2000。
现有系统标准众多，新旧体制并存，而通信技术发展日新月异，新的制式、标准又不断涌现，运营商和移动用户对多模式的需求不断增长。
目前第三代移动通通信系统已在我国实施。
第三代移动通信的三种主流标准的调制解调方式都涉及到了QPSK，这就要求第三代移动通信系统最好能与GSM移动通信系统，CDMA通信系统相兼容。
这就需要研究两种或两种以上模式（或称为多模式）的调制解调问题。
如果仍像以前完全用硬件来实现移动通信的多模式调制解调，就会给用户和运营商带来许多问题。
一是就硬件方面来实现多模式调制解调难度很大，二是通信技术迅速的升级换代也给运营商和用户的投资带来很大的损失，三是用硬件实现缺少灵活性。
针对这种情况，可以在移动4
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通信的调制解调中引入软件无线电，充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性和通用性，实现移动通信中多种调制方式的并存，以及实现与先前的移动通信系统调制解调方式的兼容，并对将来新的通信所采用的调制解调方式的引入和升级带来非常大的便利，保护了运营商和用户的利益。
显然,研究软件无线电中的调制解调技术对于现代移动通信技术发展的非常必要。
本文所要做的具体的工作就是要实现软件无线电中的QPSK的调制。
1.2软件无线电的起源及发展现状
软件无线电技术起源于军事通信应用的需要。
通过近20年的发展，无线通信在现代通信中被广泛应用于商业、军事、民用等领域。
随着通信技术的发展，在军事通信领域，各军兵种之间采取了不同的通信体制，不同的频段，波形以及调制方式，完成各自的通信任务。
在民用通信领域，以第三代移动通信为例，有W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等标准，这些通信系统的组网能力、移动性、安全性等都大大提高了，但是各通信系统间还无法实现无缝通信。
随着无线通信的迅速发展，新的通信系统不断出现，产品的生存周期缩短，开发费用上升，使得原来以硬件为主的收发系统难以适应这种快速升级换代的局面。
面对这一问题，国际上进行了大量的研究。
大部分专家提出，把硬件收发系统作为基本平台，A/D、D/A变换尽量靠近天线，将尽可能多的无线通信功能用软件实现，这就是所谓的软件无线电。
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美国是软件无线电技术的发源地。
1992年5月，MITRE公司的JoeMitola首次明确提出了软件无线电的概念，其核心是将宽带A/D和D/A尽可能靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能。
之后，开始实施Speakeasy计划并成功研制出多功能，多频段电台。
研究基于软件无线电技术的3G的多频带多模式手机与基站，同时融合软件无线电技术与计5
算机技术，如麻省理工学院的SpectrumWave计划。
欧洲的ACTS（AdvancedCommunicationsTechnologiesServices）计划中，灵活的综合无线电系统FIRST（FlexibleIntegratedRadioSystemTechnology），未来无线电宽频段多址系统FRWMAS（FutureRadioWideband
MultipleAccessSystem）和软件无线电技术SORT（SoftwareRadioTechnology）都将软件无线电技术应用在3G中。
在日本，从1998年底开始，电气、信息和通信工程师协会（IEICE）成立了软件无线电技术研究小组，推动软件无线电技术的研发工作。
在我国，对软件无线电技术也相当重视，在“九五”和“十五”预研项目和“863”计划中都将软件无线电技术列为重点研究项目。
我国的大唐公司向国际电信联盟（ITU）提交并被采纳的第三代移动通信标准TD-SCDMA中也采用了软件无线电技术。
这标志着我国对软件无线电的研究应用到了一个新阶段。
软件无线电通过这些年的发展，迅速显示出其重要意义，逐渐成为可提供高性能的地区性和全球性通信的第三代移动通信的基石。
这一技术是无线通信技术从模拟到数字，从固定到移动这两次革命后的——————————————————————————————————————
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第三次革命，也成为了无线通信技术在21世纪初的发展方向。
1.3软件无线电的概念、组成结构及其主要特点
1.3.1软件无线电的概念
软件无线电（SoftwareRadio,简称SR），就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能:
包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。
即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。
其基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现各种功能。
功能的软件化势必要求减少功能单一，灵活性差的硬件电路，尤其减少模拟环节。
软件无线电系统的无线电功能是6
通过软件而不是固定的硬件电路来完成的。
其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。
总之，软件无线电是一种基于数字信号处理（DSP）芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。
“软件无线电”的基本概念包含以下三层含义
第一是“全数字化”，将宽带A/D和D/A向射频（RF）端靠近，不仅在基带数字化，而且要在中频甚至射频数字化;不仅接收机数字化，发射机也要数字化。
第二是把硬件作为无线电通信的基本平台，而尽可能多的通信功——————————————————————————————————————
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能用软件实现，通信体制由软件定义。
第三，软件无线电不仅仅是一种实现方法，更代表了一种新型的体制和开放的、可扩展的、模块化的软硬件平台体系结构，实现多频段、多模式、多业务、多个性。
软件定义的无线电（SDR）是指在目前技术条件下可实现的软件无线电。
也就是说通过使用可编程器件DSP和硬件支持来完成数字领域中的大部分信号处理,但是有些信号处理仍需借助模拟电路来完成，如RF,IF。
软件无线电与软件定义的无线电的根本区别，是软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能。
1.3.2软件无线电的基本组成结构
软件无线电主要由三部分组成，即用于射频信号变换，位于A/D、D/A之前的射频处理（含天线）前端;高速A/D、D/A;以及数字信号处理（DSP）单元三部分。
图1-1给出了软件无线电系统的结构框图。
天线7
一般要覆盖比较宽的频带;射频前端主要完成模拟上/下变频、滤波、功率放大等任务;A/D转换器要有足够的动态范围，较高的采样率，12位以上的分辨率，以保证足够的动态范围;DSP器件负责承担A/D数字化后的处理任务。
鉴于目前DSP器件水平的限制，A/D之后的数字信号可先经由专用数字下变频器处理，降低数据速率，变换到基带，再由通用DSP进行处理，或者采用多片DSP并行处理的方——————————————————————————————————————
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法。
图1-1软件无线电系统的结构
软件无线电的基本结构有三种:
射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频采样数字化结构。
它们的结构框图如图1-2所示。
前两种结构为理想的软件无线电结构，但对A/D转换器的性能，DSP的处理速度等要求都比较高，现阶段难以实现。
目前最易实现的是宽带中频采样数字化结构，且具有良好的波形适应性、信号带宽灵活性和扩展性。
（a）射频低通采样软件无线电结构
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（b）射频带通采样软件无线电结构
（c）中频带通采样软件无线电结构
图1-2软件无线电三种基本结构
1.3.3软件无线电的主要特点:
（1）灵活性:
软件无线电可通过增加软件模块，很容易增加新的功能;可以和其它任何电台进行通信，并可以作为其它电台的射频中继;可以通过无线加载来改变软件模块或更新软件。
（2）开放性:
软件无线电由于采用标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新和扩展，软件也可以随需要而不断升级。
软件无线电不仅能和更新体制的电台通信，还能与旧体制电台兼容。
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1.4软件无线电的关键技术
（1）开放式总线结构及实现
开放性是软件无线电的一个重要特点，主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线结构上。
在软件无线电的研制开发过程中，必须逐步形成标准化的硬件平台，而标准化的总线则是构筑上述平台的奠基石。
现有的软件无线电研究和实验系统中一般采用双总线结构。
（2）宽带段射频前端和功率放大
宽带射频前端要求有较宽的频率范围。
软件无线电对这部分的要求包括:
天线能覆盖所有工作频段;能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。
主要完成低噪声放大、滤波、混频、自动增益控制（AGC）以及输出功率放大等功能。
（3）A/D部分
软件无线电对这部分要求很高，是软件无线电关键部分之一。
就性能而言，对其的要求主要包括采样速率和采样精度。
采样速率主要由信号带宽决定。
由于软件无线电的接收信号带宽较宽，而采样速率一般要求大于信号带宽的2.5倍，因此采样速率较高;采样精度在80dB的动态范围要求下不能低于12位。
在无线通信中，信噪比（SNR）与无寄生动态范围（SFDR）等技术指标也非常重要。
（4）数字下变频部分
数字下变频（DDC）是A/D变换后首先要完成的处理工作，是系统中数字处理运算量最大的部分，也是最难完成的部分，包括数字下变频、滤波和重采样。
对一个软件无线电系统来说，若要进行好的滤——————————————————————————————————————
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波等处理，一般认为需要对每个采样点进行100次操作。
若系统带宽为10MHz，则采样率要大于25MHz，这样就需要2500MIPS（百万条指令每秒）的运算能力，这是现有的单个DSP难以胜任的。
因此，一般都将DDC这部分工作交给专用的可编程芯片完成。
这样既保留软件无线电的优点，又具有10
较高的可靠性。
（5）高速数字信号处理部分
这部分工作由高速信号处理器（DSP）完成，这是软件无线电的一个核心部件，也是一个主要瓶颈。
主要任务是完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码等工作。
当单片处理能力不足时，可采用多片DSP并行处理提高运算能力。
（6）信令处理部分
软件无线电用于实现多模互联时，需实现通用信令处理，而软件无线电的任务是将通信协议及软件标准化、通用化和模块化，所以有必要把现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成几个标准的层次，开发出标准的信令模块，研究通用信令框架。
1.5软件无线电的应用前景
软件无线电具有极大的灵活性和适应性，特别适合多频段、多用户、多模式兼容及互联系统，它为解决各种不断涌现出来的新的通信协议之间的兼容提供了一条有效途径，并且一直广泛应用于无线电通信领域，虽然其首先诞生于军事上的应用，但由于上述优良特点，软件无线电技术很快渗透到民用的无线移动通信领域，特别是在已走——————————————————————————————————————
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向商用的第三代移动通信领域的应用。
1.5.1软件无线电技术在军事通信中的应用
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软件无线电技术引入军事通信中具有十分重要意义，软件无线电的特点和体系结构能保证电台的模块化、通用化和系列化设计，有利于减少无线电设备及其保密机的品种，能降低电台装备和维护费用。
在军用通信系统中，不同兵种和不同指挥级别使用的频段、波形调制方式、语音编码方法及保密算法都不同，软件无线电特别适合军用通信系统，它可以集成各种通信频段，如HF、VHF、UHF、SHF等及其调制方式，软件无线电的内置通用可编程加密模块也可方便地实现各种保密算法，实现各军兵种协同通信。
在无线发射电台组成的网络中起到“网关”或“网桥”的作用。
用可编程实现的软件无线电，能灵活配置信号波形，模拟各种正在服役和正在研制的电台的工作方式。
这种软件无线电不仅能与已有各类电台互通，而且还能沟通由不同电台组成的无线电网络，完成频段调制、语音编码和保密算法的变换，起到类似于“网关”或“网桥”的作用。
软件无线电还可以可提高野战通信的抗毁能力。
软件无线电可摆脱传统的基于点对点组网的限制，通过采用分组无线电等通信协议，可组成包括栅格网在内面向任意拓扑结构的无线电网络。
电台组网性能的增强，提高了无线电链路的沟通概率和频谱资源的利用率，可使野战通信的抗毁能力明显改善。
1.5.2软件无线电技术在民用通信中的应用
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软件无线电技术在民用通信，特别是在第三代移动通信中起到了至关重要的作用。
第三代移动通信中存在着多模操作，在ETSI（欧洲电信标准学会）确定的通用移动通信标准UMTS中包含了WCDMA和TD-SCDMA标准。
这样在12
第三代移动通信发展过程中，存在着多模操作，在处理对称和非对称业务中存在着FDD和TDD两种模式，第三代移动通信必须与GSM移动通信系统兼容。
在这种情况下，如果仍像以前完全用硬件来构造移动通信系统，就会给用户和运营商带来许多问题。
一方面用户和运营商不能灵活地利用各具优点的多种通信标准制式，而另一方面，通信技术迅速的升级换代也给运营商和用户的投资带来很大的损失。
针对这种情况，可以在第三代移动通信发展中引入软件无线电，充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性和通用性，实现第三代移动通信中多种空中接口的并存，以及第三代与GSM系统的兼容，并对将来新的通信标准的引入和升级带来非常大的便利，保护了运营商和用户的利益。
在第三代系统中引入软件无线电技术，特别是利用软件无线电技术实现第三代多模多媒体终端[14][15]，对软件无线电的相关技术提出了非常高的要求。
目前技术的进步已经为采用软件无线电技术提供了坚实的基础，对于第三代移动通信，已经能够实现相当程度上的软件无线电。
通常用通用CPU芯片和通用操作系统软件方式解决无线通信和——————————————————————————————————————
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分布式信号处理问题。
在移动通信系统中利用通用CPU和操作系统，来进行无线通信的信号处理，并不能充分利用通用CPU和通用操作系统的性能。
对于特定的移动通信信号处理，实时性是至关重要的，而利用现有通用CPU和通用操作系统来实现软件无线电，估计将是非常困难的。
软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高，然而在一定的处理速度限制下，需要有效地实时应用处理软件和实时操作系统支持，才能充分发挥处理器的性能。
将面向数字信号处理的DSP芯片和通用CPU芯片结合，利用能够充分满足处理时间限制的实时操作系统，有效利用计算资源，是在第三代移动通信系统特别是在移动终端中实现软件无线电的最好方式。
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在我国自行提出的TD-SCDMA第三代移动通信技术标准中，自豪地提出了利用软件无线电技术完成设计的任务。
软件无线电技术是TD-SCDMA的核心技术之一。
可以在平台上实现3G的智能天线结构、获得DOA（信号到达方向估计）等空间特征矢量;完成天线阵列的波形赋形;实现各种基带数字信号处理:
包括各类无线信令规则与处理、信号流变换、调制解调算法、信道纠错编码、信源编码、多用户检测等。
1.6国内外软件无线电的发展动态
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