logo资料库

通信信号处理与软件无线电，浙江大学内部资料，推荐资料.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.75M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共131页
第2页 / 共131页
第3页 / 共131页
第4页 / 共131页
第5页 / 共131页
第6页 / 共131页
第7页 / 共131页
第8页 / 共131页
资料共131页，剩余部分请下载后查看
    浙 江 大 学 本科专业课程教学大纲 课程名称：通信信号处理与软件无线电 教师姓名：赵 民 建 学科专业：通信工程 课程性质：专业选修课 所在学院：信息科学与工程学院 日期：2007 年 9 月 I
    目 录 第一章 软件无线电技术绪论……………………………………..1 1．1 移动通信技术发展历史………………………….……………………………………..1 1．2 软件无线电技术发展历史…………………….………………………………………..2 1．3 软件无线电的主要技术……………………….………………………………………..4 1．3．1 一般无线电接收机的结构…………….………………………………………5 1．3．2 硬件平台结构………………………….………………………………………5 1．3．3 软件无线电系统结构………………….………………………………………7 1．3．3．1 SRA 构架概述………………….………………………………………9 1．3．3．2 SRA 网络构架……………….………………………………………..12 1．3．4 相关器件发展……………………………….………………………………..14 1．3．4．1 天线…………………………………………….……………………14 1．3．4．2 射频前端电路和器件…………………………….…………………14 1．3．4．3 数模/模数变换器（DAC/ADC）……………….………………….16 1．3．4．4 数字上/下变频器（DUC/DDC）…………………….…………….20 1．3．4．5 软件无线电中常用的可编程数字信号处理器件……….…………26 1．4 本文的主要工作、贡献和内容安排………………………….……………………….28 第二章 软件无线电多波段接收和带通采样……………………30 2．1 软件无线电中的正交采样技术………………….……………………………………30 2．1．1 正交采样原理和实现…………………….…………………………………...30 2．1．2 基于正交采样的全波段数字化方法…….…………………………………..32 2．2 软件无线电中的一阶带通采样理论…………….……………………………………35 2．3 软件无线电中的高阶带通采样理论………….………………………………………37 2．4 ∑-Δ采样方法…………………………………….……………………………………41 2．5 本章小结…………………………………….…………………………………………43 第三章 软件无线电多速率处理和采样率转换…………………44 3．1 有理数倍多速率信号处理原理……………….………………………………………45 3．1．1 整数倍采样率转换原理…………….………………………………………..45 3．1．2 分数倍采样率转换原理…………….………………………………………..46 3．1．3 采样率转换的高效实现…………….………………………………………..47 3．1．4 抽样率变换系统的多级优化……….………………………………………..51 3．2 正实数倍采样率变换…………………………….…………………………………...55 3．3 时变 CIC 滤波的采样率转换……………………….………………………………...59 3．4 多通道信号抽取……………………………….………………………………………63 II
    3．5 本章小结………………………………….…………………………..……………….68 第四章 软件无线电多模式解调…………………………………70 4．1 软件无线电的接收机结构…………………………………………………………....71 4．2 多模式软件解调的实现……………………………………………………………....72 4．2．1 突发模式线性调制 MPSK 信号解调….……………………………………73 4．2．1．1 突发 MPSK 接收机算法结构……………………………………...74 4．2．1．2 突发 MPSK 前导信号检测………………………………….……..75 4．2．1．3 突发 MPSK 信号同步参数估计与跟踪…………………………... 80 4．2．2 非线性调制信号的软件无线电解调………………………………………..84 4．2．2．1 GMSK 调制和线性近似表示……………………………………….85 4．2．2．2 线性软件无线电非相干 GMSK 接收机算法结构…………….…..86 4．2．2．3 仿真分析和比较………………………………………………..…..90 4．2．3 突发模式 OFDM 软件解调………………………………………………….93 4．2．3．1 OFDM 软件接收机的算法结构…….……………………………….93 4．2．3．2 OFDM 载波估计…………………….…………………………….…95 4．2．3．3 OFDM 突发帧同步………….……………………………………….96 4．2．3．4 OFDM 定时同步和采样率转换………………… .…………………98 4．2．3．5 OFDM 接收仿真和分析………..………………………….……….103 4．2．4 多模式接收分析比较………………………………………………..………106 4．3 本章小结……………………………………………….………..……………………107 第五章 软件无线电平台的实现与总结……………..…………109 5．1 软件无线电硬件平台设计………………………………………….……………..…109 5．2 软件无线电软件系统设计………………………………………….…………..……111 5．3 本章小结………………………………………………………………………………115 结论和展望…………………………………………………………………………116 参考文献……………………………………………………………………………118 III
    第一章 绪论 1．1 移动通信技术发展历史 从 1897 年第一个无线电信号应用于通信到现在已经有 100 多年的历史，无线电通信从 最初的电码通信发展到后来的语音通信、数据通信，直到今天的多媒体无线通信，经历了几 次大的飞跃。 最原始的无线电通信技术出现在 1900 年前后。采用无线电信号发送/接收代码来实现信 息传递，主要用于海岛与大陆、原始的轮船和航空器与陆地间的通信。这些通信方式极其简 单，所用的通信设备也很原始。但是这终于实现了人类远距离无线信息传递的梦想，是人类 历史向前跨进的一大步。在随后的几十年里，无线通信技术随着人们的生活交流的需要以及 战争的推动，实现了话音通信，即各种无线电台逐渐发展起来。此间，无线通信主要应用于 航空、航海等军事和民用领域。那时发展了各种军用短波电台、飞机导航通信电台、各种战 地通信电台等。也有应用于公用移动电话业务，主要在美国一些大城市运营。当时主要采用 FM 调制方式、半双工模式，频谱效率低，系统容量十分有限。由于受电子技术水平的限制， 开发的无线通信设备大都用模拟器件实现，功能十分简单且设备笨重、成本昂贵。因此，那 时移动通信和普通人们的生活还有一定的距离。 在民用无线通信领域，到了上世纪 60 年代，随着汽车在发达国家的普及，车载移动通 信的需求也越来越迫切。六十年代，Bell 实验室提出了蜂窝通信的概念，使得移动通信技术 在理论上开始了大发展。并随着射频电路技术、数字通信技术、大规模集成电路技术的发展， 移动通信逐渐发展起来，并开始改变人们的生活。1979 年，日本 NTT 公司开发成功了第一 个蜂窝移动通信系统，标志着无线通信进入了蜂窝通信时代。此后，欧洲、美国分别开发成 功了自己的移动通信系统。当时的这些系统还是采用模拟调频技术，每个话音信号占用较宽 的信道，总的系统效率还是比较低。大约到了八十年代末，随着数字通信技术开始广泛应用 以及语音数字压缩技术的发展，移动通信系统开始了数字化。具有代表性的是欧洲的全球通 信系统（GSM 系统）。它采用 GMSK 数字调制方式，采用语音压缩方法和 TDMA 接入方式， 使得每个话音的信道占用带宽降为模拟系统的四分之一左右。并且由于超大规模集成电路技 术的应用，移动终端的体积和功耗大大降低，如今漂亮精致的手机简直就是一件艺术品。这 一阶段，我们一般称其为第二代移动通信，典型的系统还有北美的 IS-54 以及日本的 PDC 系统等。现在大量普及的就是第二代移动通信产品，并且正在向第三代慢慢过渡。需要指出 的是，尽管数字化程度越来越高，但事实上数字调制技术离全数字化实现还有一定的距离。 第三代移动通信技术以 CDMA 技术为基础，从上世纪 90 年代开始发展，2000 年已经形成 3GPP 标准。其主要特点是采用了比第二代通信系统效率更高的调制方式和 CDMA 接入方 式，除了提供话音服务外还能提供强大的数据、Internet 和多媒体服务。其具有代表性的标 准为：CDMA2000、WCDMA 和 TD-SCDMA。尽管现在第三代移动通信系统还很少有成功 运营的例子，但是它在技术上的推动和进步是不可否认的。在第三代移动通信系统中，智能 天线技术、全数字化调制解调技术、软件无线电技术、IP 技术等将成为关键技术。而为了 实现对现有系统的兼容性和在将来其他无线通信环境中的无缝连接，软件无线电技术将显得 1
    尤为重要。各种典型的无线通信系统[1, 4, 6]的系统参数见表 1-1。 表 1-1 典型的无线通信系统 系统名称 AMPS IS-136/54 PDC DCS1800 IS-95 GSM WCDMA CDMA2000 802.11a/b/g HIPLAN2 波段 850MHz 850MHz 800MHz/1.5GHz π/4QPSK/TDMA 1800MHz 850MHz 900/1800MHz 1.9/2.1GHz 1.9/2.1GHz 2.4/5GHz 5GHz GMSK/TDMA QPSK/CDMA GMSK/TDMA 多载波/CDMA 多载波/CDMA OFDM/CCK OFDM 调制方式 FM/FDMA π/4DQPSK/TDMA 话音、窄带数据 48.6kbps 提供的业务 模拟话音 话音、窄带数据 话音、窄带数据 270.833kbps 话音、窄带数据 1.2288Mbps 话音、窄带数据 270.833kbps 话音、高速数据、多媒体 话音、高速数据、多媒体 宽带数据、多媒体、上网 宽带数据、多媒体、上网 近年来在军用通信领域中，无线通信技术也获得了巨大发展。军用通信电台主要为 HF/VHF/UHF 波段的各种电台。随着技术的发展，军用电台也经历了从模拟到数字化，从 点对点的通信到网络化的发展。在上世纪末，HF-ALE、ATC-VHF/HF、DataLink11/12/14/16 等各种数据链相继研究成功并在西方发达国家陆海空各军种中广泛应用；同时，用于信号监 听和分析的宽带数字化接收机也相继出现。但是新的问题也日益暴露出来，由于各个电台的 波段、传输速率、调制方式等各不相同，相互间通信十分不便，这给各军种联合协同作战带 来困难。单一模式的电台和数据链平台显然已经不能满足未来建立在高度信息共享基础上的 战争。于是人们开始寻找新的无线电通信实现方法，和民用无线通信领域一样，软件无线电 技术是解决这一问题的有效途径[5, 7, 8, 9, 12, 15]。 1．2 软件无线电技术发展历史 软件无线电最初是应用于军事领域[7, 24, 41]。1992 年 5 月 MILTRE 公司的 Jeo. Mitola 在美国电信系统会议上首次提出了“软件无线电”的概念，其目的就是希望建立开放式、标 准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如频率、调制方式、数据率、加密模式、通信 协议等都用软件来完成。这样的系统具有很好的兼容性、可升级性和开放性。由于它与军方 对无线电台的要求十分吻合，能保证通信设备的通用性、兼容性和可升级性，所以美国军方 对软件无线电技术十分重视。并运用这一思想开始对多波段、多模式无线电台进行研究。最 初由美国国防部高级研究计划局（DARPA）提出了 Speakeasy 计划[43]。它覆盖的频段为 2~2000MHz，不仅要求能实现常规的 HF/VHF/UHF 电台，还能与跳频电台、卫星终端、11 号航空数据链、民用蜂窝通信系统等进行语音、数据甚至进行图像通信。该项目于 1995 开 始研究，主要由波音（Boeing）和雷神（Raytheon）两家公司负责，第一阶段主要进行软件 无线电概念和需求论证研究；随后第二阶段进行了样机的开发和演示。这两个阶段工作已经 完成。目前正进入研制能满足军队实际需求的联合战术无线电系统（JTRS）阶段。该项目 首次对软件无线电技术进行了较全面地、系统地研究，为软件无线电技术的发展打下了基础。 该项目采用的系统框图如图 1-1 所示。从图中可以看到，系统采用总线结构。射频模块、基 带信号处理和信道处理模块通过信号总线相连，实现物理层可编程模块化处理；安全、网络 2
    射频 前端 调制 解调 信号 处理 信息 安全 网络 互连 系统 控制 人机 界面 内部总线互连 图 1-1 Speakeasy 软件无线电系统参考模型 和控制功能则通过内部控制总线来实现逻辑互连，主要完成加密算法选择、动态网络连接和 系统输入输出等等操作。 与此同时进行软件无线电技术研究的还有 SpectrumWare 项目和 RDRN 计划（Rapidly Deployable Radio Networks Project）。前者由美国麻省理工学院进行研究，主要基于工作站或 Ethernet 无线收发机 Linux 主机 移动终端节点 A 1~8Mbps ATM 网络 高速边界节点 10~100Mbps 移动终端节点 B 1~8Mbps Ethernet 无线收发机 Linux 主机 图 1-2 RDRN 系统框图 PC 机对信号进行处理，来实现软件无线通信。由于 PC 机的计算处理能力相对不足，所以 即使联合若干台机器来实现分布式处理，能达到的带宽还是十分有限。但是该研究使得无线 电通信系统和其他计算机应用平台变得十分类似，开发和试验软件十分方便。RDRN[48]由 Kansas 大学负责研究，主要针对无线异步传输模式（Wireless ATM）设计，能随无线环境的 变化自适应改变链路层和网络层以实现快速部署的高速无线通信系统。该项目主要目的是进 行无线 ATM 协议验证、高级网络配置方法和自适应软件控制电台的实验。其试验波段为 1.3GHz、5.3GHz、5.8GHz，调制方式为 MPSK、速率为 1Mb/s ~ 8Mb/s，体统结构框图见图 1-2。 近年来，随着民用移动通信和个人通信技术飞速，各种通信系统得到了广泛的应用，并 处在不断的更新换代之中。而不同通信服务采用的通信系统或者说不同标准的通信设备，其 调制方式、频段、传输速率、多址接入方法等不尽相同。无论是现在广泛使用的第二代蜂窝 3
    通信系统还是即将登场的第三代移动通信系统，都有多种接口标准，这给全球通信造成了一 定困难。我们知道，现有的无线电接收/发送机大多采用流水式信号处理结构和专用集成电 路来实现接收/发送，一般只适用于单一工作模式。当然就无法和其它通信系统兼容，对各 种通信服务的适应性也比较差。因此，需要研究新的多波段、多速率、多模式、可升级和具 有开放性结构的智能型无线接收/发送机。鉴于软件无线电的特点以及在军用领域的逐渐深 入研究，人们注意到软件无线电技术是解决这些问题的希望所在，并开始注重软件无线电技 术在民用移动通信领域的研究与应用[10, 14, 16, 20, 23, 34, 40]。欧洲的 ACTS 计划就是研究 如何把软件无线电技术应用于新一代的 UMTS 系统。它包括 FIRST（Flexible Integrated Radio Systems Technology）、FRAMES（Future Radio Wideband Multiple Access Systems）、SORT （Software Radio Technologies）、TRUST（Transparent Re-configurable Ubiquitious Terminals） 等子项目，分别对软件无线电硬件平台、接入、终端等关键技术进行研究。将来的个人软件 无线电平台，将相当于现在的个人计算机，实现标准化、模块化、软驱动，根据需要运行相 应的软件就可以进行相应的无线通信。 图 1-3 是软件无线电在移动通信发展过程中的进展情况示意图。可以看到，随着需求和 技术的发展，软件无线电技术将在 3G 和未来的 4G 无线通信系统中得到广泛应用。 各 代 系 统 的 处 理 能 力 超高比特率 (> 10 Mb/s) 更强大 的多媒体服务 强大的数据服务、窄带和宽带多媒 体服务(<2Mb/s)、高频谱利用率， 宏蜂握、微蜂窝、微微蜂窝 数字话音、信息和数据服务， 固定无线环路、无线局域网、 数字蜂窝和PCS 4G 3G 2G 软件无线电技术 模拟移动电话 技术、宏蜂窝 1G 1980 1990 2000 2010 2020 图 1-3 软件无线电发展趋势 1．3 软件无线电的主要技术 通过前面的描述，总体上我们可以把软件无线电的主要特点归纳如下：其一，它具有很 强的灵活性，通过增加软件模块很容易增加新的功能，可以与其他任何电台进行通信并能作 为其他电台的射频中继，还能通过无线方式加载和更新软件。其二，它具有很强的开放性。 4
    它采用标准化、模块化软硬件结构。硬件可以随着器件发展进行更新和扩展，软件也可以根 据需要进行升级。这样既能保证和原有的系统兼容，还可以不断提高性能、增强功能。下面 我们将对软件无线电的一些关键技术作讨论说明[17, 37, 42, 44, 47]。 1．3．1 一般无线电接收机的结构 J．Mitola 在他提出的软件无线电系统结构[18]中，认为理想的软件无线电平台应该由多 波段的 RF 天线、超高速的宽带 AD/DA 变换器、可编程硬件平台（如 DSP 处理器和通用 CPU）组成。AD/DA 变换器直接对射频信号进行量化或生成射频信号，由 DSP 处理器完成 上/下变频、调制解调、信道编解码、加解密、信源编解码，用主处理器（如通用 CPU）来 实现系统的控制和人机界面（HMI）。 图 1-4 所示为一个简单的软件无线电接收机模型。对于硬件平台而言，理想的目标就是 要尽量减少模拟电路环节，让宽带 ADC/DAC 尽量靠近天线，使得我们可以依靠强大的数字 信号处理器件就可以是实现无线信号的接收发送。这样才有可能按不同需要，通过软件来更 换和重新配置数字信号处理功能。但实际上受到物理器件水平和数字通信技术的限制，很难 实现全波段的射频信号数字化处理。早期只能在较低的波段和低速率数字通信系统中，如短 波电台可以使用多波段 RF 天线、高速的 A/D、D/A 变换器和 DSP 处理器来实现软件无线电 通信。随着近年来模拟/数字器件水平、数字信号处理技术、全数字调制解调技术的发展， 软件无线电技术逐渐走向实际应用领域。所以，灵活的硬件平台结构和软件构架、合理的 无线网络结构、高速宽带数字/模拟器件、各种数字信号处理技术和全数字化调制解调方法 等成为软件无线电研究的关键所在。 可控 射频 前端 宽带 高速 ADC DAC 数字 信号 处理 平台 外部 接口 系统 图 1-4 软件无线电模型框图 虽然目前研究的软件无线电系统已经不仅仅是指无线信号接收发送（含信道编解码、调 制解调和中频处理），还包括信源编解码子系统、网络服务支持子系统、加解密子系统和相 应的操作系统，但是接收发送子系统仍然是软件无线电技术的核心。同时，开放的标准软件 无线电结构和分层模型也在讨论之中。 1．3．2 硬件平台结构[62-66] 软件无线电的灵活性和软件的可重构性依赖于一个开放的、可扩展的和强大的硬件平 台。我们知道传统的无线电台，其硬件采用流水式处理结构。这样的硬件结构与逻辑功能一 一对应，在一定程度上来说是紧凑的、高效的。虽然其在逻辑功能上也按不同模块进行独立 划分，但实际系统中它们之间用电路前后紧密相连，缺乏独立性。当电台功能改变或者需要 修改某一个模块时往往需要对整个接收机作改动。显然，这样的结构和软件无线电的目标相 差甚远。 5
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料