信道化软件无线电发射机仿设计.docx

1、信道化软件无线电发射机仿设计仿真设计作者姓名：专业名称:指导教师:摘要无线通信是通信领域中最为活跃的部分，在各个方面都已经得到 了广泛的应用。我们的世界正是由于通信的长足发展而变得越来越小 了。在 20 世纪通信已经成功由模拟通信技术转为数字通信技术，现 在应经很少有人会怀疑数字信号处理是解决通信问题的最佳方法。显 然，在理论上，数字技术已经可以贯穿通信工作的整个过程。1992 年 5 月在美国通信系统会议上，首次明确提出了“软件无 线电”的概念。目前，有关软件无线电的定义并不统一。软件无线电是一种新型的无限体系结构，它通过硬件和软件的结 合使无线网络和用户终端具有可重配置能力。软件无线电提供

2、了一种 建立多模式、多频段、多功能无线电设备的有效而且相当经济的解决 方案，可以通过软件升级实现功能提高。软件无线电可以使整个系统 （包括用户终端和网络）采用动态的软件编程对设备特性进行重配 置，换句话说，相同的硬件可以通过软件定义来完成不同的功能。软件无线电具有以下特点：（1）可多频带 /多模式 /多功能工作。多频带是指软件无线电可以 工作在很宽的频带范围内；多模式是指软件无线电能够使用多种类型 的空中接口，其调制方式、编码、帧结构、压缩算法、协议等可以选 择；多功能是指采用相同的无线电设备用于不同的应用中。（2）具有可重配置、可重编程的能力。可重配置是指系统的操 作软件（包括程序、参数以及

3、处理环境的软件方面）或硬件（处理环 境的硬件方面）的改变。实现软件无线电的核心思想是采用开放的、标准化的通用硬件平 台构造无线电系统，使宽带 ADC/DAC 尽可能地靠近天线，用软件实 现尽可能多的无线电功能，并且通过软件实现功能的设定和升级，使 通信系统具有多频带、多模式的通信能力。关键词： 软件无线电 ADC/DAC matlab 仿真AbstractWith the development of modern economy, the storm has swept through the image of our daily life, people have been closely

4、 related to the image for the. Peoples requirements on image real-time processing is relatively improved. Now we face a problem, how to guarantee the quality of the image, at the same time can be old enough considering the real-time and efficiency has become an issue of concern. This information is

5、certain to image compression and processing has become a very important link. However, the image is an important signal, due to the large amount of data, while the storage and transmission of the compressed. New mathematical tools are discrete cosine transform is a new mathematical tool, based on th

6、e discrete cosine transform image compression technology is now being a lot of attention and research.In this paper, based on the analysis of the general methods of image compression in recent years, the basic principles and implementation steps of image compression based on DCT transform are also d

7、iscussed. In this paper, the principle and development of image compression are introduced briefly, and the DCT transform algorithm is analyzed and compared with other compression methods. The basis of DCT transform compression is proposed. The final step of the image compression process is to encod

8、e the quantized image. This,. We use MATLAB6.5 to realize the simulation of JPEG image compression.The theory of a channelized transmitter based on software radio is analysed in this paper. Itsprototype mathematical model and optimized model are given and the typical simulation results are presented

9、 in the end.Keywords: software radio；channelized ransmitte；r simulation信道化软件无线电发射机仿真设计 I.摘要 I.Abstract II目录 III前言 11 绪论 21.1论文研究背景及意义 21.2 软件无线电简述 31.3 实现软件无线电的核心技术 33.4.1 序列检测状态机 1.3.1 宽带多频段天线技术 31.3.2宽频 A/D 转换 41.3.3 DSP 处理部分 41.3.4 开放式模块结构 51.3.5 数字下/上变频器 51.3.6 软件协议和标准 61.4 软件无线电发展概况 61.5 软件无线的应

10、用 71.5.1个人移动通信 71.5.2 军事通信 71.5.3 电子战 71.5.3雷达个信息加电 82 信号采样 92.1 带通信号采样 92.2 软件无线电中的采样理论 103 实现信道化发射机的原理与研究 123.1基带处理 123.2基带传输 123.3 上变频功能 13总结 14参考文献 15致谢 16附件 1 程序源代码 17前言,只上世纪 90 年代提出的软件无线电理论是目前通信领域重要的研 究方向之一，代表了未来通信发展的趋势。软件无线电的基本思想就 是用尽可能少的硬件构建通用平台 ,尽可能用软件来实现各种功能 要调用不同的模块即可适应不同的通信体制。软件无线电发射机主要完

11、成信息的基带处理和上变频功能。通常 的发射机在同一时刻只能发射单个信号。为了同时发射多个信号，需 要多部发射机并联工作。基于信道化结构的软件无线电能够在一部发 射机上同时发射多个信号。因此，信道化发射机在移动通信基站、无 线通信网关等领域有广泛的应用前景。1绪论1.1 论文研究背景及意义软件无线电技术是在通用的开放式无线电智能平台上 ,通过安装不同的软件来完成各种通信功能。软件无线电系统适用于多个频段 可灵活地改变工作模式 ,能与不 同体制和标准的各种设备互通和兼 容。软件无线电的关键技术包括智能天线、宽带射频 （RF）信号处理、 宽带 A/D 变换和高速数字信号处理等。软件无线电是无 线通信

12、领域 继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命 ,是目前乃至未来的无线电领域的技术发展方向 ,它在提高系统灵活性上有无可比拟的优势 是实现未来无 线通信系统的有效手段。 FPGA 在分布式计算、并行 处理、流水线结构上有独特的优势 ,自然成为设计软件无线电系统的 首选技术之一。本文主要研究了软件无线 电发射机中的相关理论及 实现方案,并基于 FPGA 实现。 本文首先深入讨论了软件无线电发射 机的基本理论 :采样技术、多速率信号处理和调制解调算法 ,在此基础 上深入研究了多相滤波技术在信道化发射机中的应用。然 后推导和 建立了实信号信道化发射机的数学模型 ,给出了信道划分方法和真实 信道中心频

13、率的计算公式 ,并针对此发射机模型中的各个主要模块进 行了基于 FPGA 实现的研究 ,给出了实现方案。最后完成了基于各个 模块的信道数为 16 的信道化发射机的系统统调。 本文主要是在实验 室阶段对算法在硬件上实现进行研究。成果可以作为后续应用研究的 基础 ,对各种应用软件无线电理念的通信系统都具有一定的参考价 值。1.2 软件无线电简述软件无线电（softwareradio）在一个开放的公共硬件平台上利用 不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。简称 SWR。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台 具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（ RF ）波

14、段、信道接入方式和信道调制。SWR 就是宽带模数及数模变换器（ A/D 及 D/A ）、大量专用 / 通用处理器、数字信号处理器（ DigitalSignalProicesser, DSP）构成 尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。 在硬件平台上尽量利用软件 技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电 系统。 例如：利用 宽带模数变换器（ AnalogDigitalConverter , ADC ）,通过可编程数字滤波器对信道进行分离；利用数字信号处 理技术在数字信号处理器（DSP）上通过软件编程实现频段（如短 波、超短波等）的选择,完成信息的抽样、量化、编码 /解码、运算处理

15、和变换,实现不同的信道调制方式及选择（如调幅、调频、单边 带、跳频和扩频等）,实现不同保密结构、网络协议和控制终端功能 等 。 可 实 现 的 软 件 无 线 电 , 称 做 软 件 定 义 的 无 线 电（ SoftwareDefinedRadio, SDR）。 SDR 被认为仅具有中频可编程数 字接入能力。发展历史无线电的技术演化过程是：由模拟电路发展到 数字电路；由分立器件发展到集成器件；由小规模集成到超大规模集 成器件；由固定集成器件到可编程器件；由单模式、单波段、单功能 发展到多模式、多波段、多功能；由各自独立的专用硬件的实现发展 到利用通用的硬件平台和个性的编程软件的实现。1.3

16、实现软件无线电的核心技术1.3.1 宽带多频段天线技术根据短波软件无线电的结构，天线要能覆盖 1.5MHz30MHz频率范围；能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。而实现这些功 能的技术包括：组合式多频段天线及智能化天线技术；模块化收发双 工技术；多倍频程宽带低噪声放大器方案等。1.3.2 宽频 A/D 转换在软件无线电通信系统中，要达到尽可能多的以数字形式处理的 无线信号，必须把 A D 转换尽可能地向天线端推移，这样就对 A/D 转换器的性能提出了更高的要求。为保证抽样后的信号保持原信号的 信息， A/D 转换要满足 Nyquist 抽样准则，而在实际应用中，为保证 系统更好的性能，通常

17、抽样率为带宽的 2.5 倍。由于短波通信的频率 变化范围较大，对采样频率、位数及动态范围也提出了较高的要求， 对此可采用并行 A/D 转换技术。高速采样保持电路的时间精度可达 纳秒级，通过串 /并转换将量化速度降低，提高采样分辨率，这样用 多个高速采样保持和 A/D 可完成超高速转换。1.3.3 DSP 处理部分可编程DSP模块主要由DSP、FPGA（现场可编程门阵列）、FIR 专用芯片组、存储器、 I/O 接口组成。按照不同的数据处理流程可 将 DSP 模块的功能分为：与终端的数据交换、自适应调制解调、信 道环境分析和管理、SSB调制解调、频率变换 等。DSP是软件无线 电的核心部件，但单个

18、 DSP 的处理速度也是现阶段一个主要的瓶 颈。当单个 DSP 处理能力不足时，可采用多个 DSP 芯片的并行来提 高运 算能力，如Quad-40CMCM处理器包括4片TMS320C40处理 器、 5MB 内存，已用于多频段多模式军用电台。数字信号处理器（DSP）是整个软件无线电方案的灵魂和核心所 在。软件无线电的灵活性，开放性，兼容性等特点是通过以数字信号 处理器为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现的，从前端接收来 的信号或将从功放发射出去的信号都要经过数字信号处理器的处理： 或进行频谱分析，信号解调，信号类型识别，或进行信号 的数字上 下变频，或进行各种式样的数字调制，数字滤波，比特流的

19、编码，译 码，同步信号的获取等。软件无线电中的数字信号处理器除了能适应 运算的高速度，高 精度，大动态范围，大运算量外，还应具有高效 率的结构和指令集，较大的内存容量，较低的功耗等特点。 DSP 的 重要特点是其处理速度远远大于一般的微处理 器，功能是快速实现 各种运算，尤其在卷积，相关，滤波， FFT 等应用要用到的乘法累加 运算中更能发挥其作用。 DSP 的编程既可以用汇编语言又可以用 C 语 言，极大地方便了其开发人员。目前的 DSP 在功能和性能上都还 不能满足软件无线电的要求，可以采用多率信号处理技术对采样信号 进行预处理后（即所谓的数字 下变频器）然后再用 DSP 来完成各种 功能

20、，也可以用多个 DSP 芯片并行处理的方法来提高 DSP 的数据处 理能力。1.3.4 开放式模块结构软件无线电的一个重要特点就是其优良的开放性，这主要体现在 软件无线电所采用的开放式标准化总线结构，只有采用先进的标准化 总线，软件无线电才能发挥其适应性广、升级换代方便等特点。现有 软件无线电研究和试验系统中采用双总线结构，即：控制总线和高速 数据总线。控制总线结构，如 VME 总线、 PCI 总线等，应尽可能采 用现有的工业标准，以便于利用已有的软件和硬件平台，加快开发速 率。 VME 总线是一种支持多机并行处理的高性能总线，市场占有率 也很高，故可将 VME 总线作为软件无线电的首选总线。

21、1.3.5 数字下 /上变频器数字下 /上变频器主要是基于前面所述的抽取和内插理论。数字 下变频（ DDC ）和模拟下变频是一样的，就是输入信号与一个本地 震荡信号的乘法运算。与模拟下变频相比，数字下变频的运算速度受 DSP 处理速度的限 制，同时其运算速度决定了其输入信号数据流可 达到的最高速率，相应也限定了 ADC 的最高采样率。数字下变频器 的组成包括数字混频器，数字控制振荡器 （NCO）和低通滤波器。NCO 产生的本振信号输入到数字混频器与输入的信号进行混 频。数字混频器 就是一个乘法器，信号经混频后，输出到低通滤波 器以滤除倍频分量和带外信号，然后进行抽取处理。由于下变频器工 作原理

22、较简单，可以很方便地利用 FPGA 或 ASIC 技术来设计实 现。典型的数字下变频有功能强大的单信道 DDC 产品 HSP50214B 及四通道的 HSP50216。数字上变频（ DUC ）的主要功能是对输入数据进行各种调制和 频率变换，即在数字域内实现调制和混频。典型的代表是只能进行单路数据调制的HSP50215和可进行四路数据调制的 GC41141.3.6 软件协议和标准软件无线电的评价标准中，软件的可用性是其中很重要的一条。 正研究在软件无线点中如何实现软件的 Plug&Play ，提出了基于JAVA/CORBA 的 软 件 无 线 电 协 议 和 标 准 。 其 中 CORBA（Co

23、mmo nObjectRequestBrokerArchitecture，公共对象请求代 理体系结构）是由面向对象管理集团（OMG）制订的标准。1.4 软件无线电发展概况20世纪7080年代，无线电由模拟向数字全面发展，从无编程 向可编程发展，由少可编程向中等可编程发展，出现了可编程数字无 线电（PDR）。由于无线电系统，特别是移动通信系统的领域的扩大 和技术复杂度的不断提高，投入的成本越来越大，硬件系统也越来越 庞大。为了克服技术复杂度带来的问题和满足应用多样性的需求，特 别是军事通信对宽带技术的需求，提出在通用硬件基础上利用不同软 件编程的方法。 20世纪 8 0年代初开始的软件无线电的革

24、命，将把无 线电的功能和业务从硬件的束缚中解放出来。1992年5月在美国通信系统会议上，JesephMitola （约瑟夫 米托 拉）首次提出了 软件无线电”（SoftwareRadio，SWR）的概念。1995年IEEE通信杂志（CommunicationMagazine）出版了软件无线电 专集。当时，涉及软件无线电的计划有军用的speakeasy （易通 话），以及为第三代移动通信（ 3G）开发基于软件的空中接口计 划，即灵活可互操作无线电系统与技术（ FIRST）。1996年至1998年间，国际电信联盟（ITU ）制订第三代移动通 信标准的研究组对软件无线电技术进行过讨论， SDR 也将

25、成为 3G 系 统实现的技术基础。从 1999 年开始，由理想的 SWR 转向与当前技 术 发 展 相 适 应 的 软 件 无 线 电 ， 即 软 件 定 义 的 无 线 电（SoftwareDefi nedRadio, SDR）。 1999 年 4 月 IEEEJSAC 杂志出版一期关于软件无线电的选集。同年，无线电科学家国际联合会在日本 举行软件无线电会议。同年还成立亚洲 SDR 论坛。 1999 年以后， 集中关注使SDR的3G成为可能的问题。1.5 软件无线的应用1.5.1 个人移动通信软件无线电把硬件作为通信平台，使其尽可能脱离通信体制，信 号波形以及通信功能，尽可能多地用软件来实现

26、，可扩展性强，成为 第三代移动通信的基石。把软件 无线电技术应用到基站设计即软件 无线电基站，它是一种多频段，多模式，多功能可扩展的 “智能 ”基 站，它根据不同时间，不同用户，选择最佳的工作频段，工作 模式 和与用户相适配的功能与用户进行信息交换，以极大地提高通信质量 和服务质量。除此之外，它还可用于多频多模手机，这一技术具有极 大地挑战性。1.5.2 军事通信 软件无线电最初是为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战 时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。 1992 年提出了软件无线 电的最初设想，并 于 1995 年美国 国 防高级 研究计划 局提出了 SPEAKEASY 计划，称之

27、为易通话计划，其最终目的是开发一种能 适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式 电台，即 MBMMR 电台。进而实现联合战术无线电系统（简称JTRS）,它是在 MBMMR 的基础上提出的一种战术通信系统。1.5.3 电子战电子战的主要特点是频段宽，待处理的信号种类多，而目前的电 子战系统往往是在已知或事先假设的几种信号样式下工作，一旦目标 信号特征或通信方式发生变化， 往往误失战机，所以研究一种工作 频段宽，波形适应能力强，可扩展性好，既能适应通信信号，也能适 应导航和敌我识别信号的综合电子战系统是现代信息战争的必 然要 求，软件无线电恰好是解决这一问题的最佳技术途径。软件化电子侦 察接收机

28、是基于软件无线电原理而实现的用于对目标信号进行分析识 别，特征提取和参数测 量，对通信信号还能解调信息的电子战侦察 分析接收机，不仅能对各种通信信号侦察分析，也能对雷达信号，导航信号或是敌我识别信号进行侦察分析，是一种多频 段，多模式， 多功能的电子战接收机。1.5.3 雷达个信息加电目前设计研究的雷达往往功能单一，体制单一，无法适应在不同 的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪探测的需要。如果能把软 件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，那么就能比较圆满地解 决目前雷达设计所存在的问题。进入 20 世纪 90年代，以高清晰度电视（ HDTV ）为标志的第三 代电视以其接近理想的视听效果和多

29、功能，成为新一代数字电视的发 展方向。但目前在信道编码 （调制方式）上还没有统一的国际标 准，而且随不同的传输媒介而不同。基于软件无线电的 HDTV 解决 方案可以较好地解决 HDTV 面临的这些问题2信号采样2.1 带通信号采样带通采样又叫 IF 采样、调和采样、下奈奎斯特采样和下采样 等。实际中遇到的许多信号是带通型信号。这种信号的带宽往往远小 于信号中心频率。若带通信号的上截止频率为 fH, 下截止频率为 fL,这时并不需要抽样频率高于两倍上截止频率 fH, 可按照带通抽样定理确定抽样频率。带通采样定理：设带通信号 m(t), 其频率限制在 fL 与 fH 之间， 带宽为 B=fH-fL

30、 ，如果最小抽样速率 fs=2fH/m,m 是一个不超过 fH/B 的最大整数，那么m(t),可以完全由其抽样值确定。有带通采样定理的，采样频率 =2fh/m, 其中 m 是一个不超过 fh/b 的整数，fh是上频界，b是带宽。“低通采样定理 ”可简称 “采样定理 ”在进行模拟 /数字信号的转换过程 中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时 (fs.max=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的 信息。这个结论称为 “采样定理 ”。一般实际应用中保证采样频率为信 对带通信号，可以使用等效低通信号表示，只要对其等效低通信号满 足奈奎斯特采样定理就可以。实际的

31、带通信号一般都通过等效低通来 实现，之后再通过变频得到带通信号，而一般不直接对带通信号进行 采样，这个在通信原理或者信号系统应该有详细说明吧(1) cos(2 n *fc*t)?(1/2) S (f+fc)+ S (f-fc) g(t)=10cos(120 n t)+cos(200 n t) G(f)=5 S (f+60)+ S (f-60)+ S (f+100)+ S (f-100) ( 2)滤波器的截止频率 =信号最高频率 fH=100hz ( 3)由奈奎斯特低通抽样定理， fs=2fH=200hz (4)由奈奎斯特带通抽可以，但是必须采用一定规律 的非均匀采样，否则恢复时时间不匹配抽样定

32、理 定义 :在一个频带限制在(0, f h)内的时间连续信号f (t)，如果以1/2 f h的时间间隔 对它进行抽样，那么根据这些抽样值就能完全恢复原信号。2.2 软件无线电中的采样理论采样理论：由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较 宽，例如从0.1MHZ到2.2GHZ,只有具有这么宽的频段才能具有广 泛的适应性。对于如此宽 的频带采用 Nyquist 低通采样所需的采样 速率至少要大于 4.4GH Z,在目前很不实际。所以无法使用 Nyquist采样定理，而必须采用带通采样。一 种接近理想化的软件无线电设 计方案称为射频直接带通采样软件无线电体制，在天线与 A/D 间只 存在跟踪滤波器和放大器，与软件无线电所要求的 A/D 尽可能靠 近 天线的设计宗旨完全一致。采样速率指模数变换的速率，而分辨率表示变换输出数字数据的 比特数。这 2个参数很重要，因为较高的采样速率与分辨率对应了高 信噪比和较宽的信号输入带宽。近几