软件无线电FM中频接收系统的仿真与验证.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：6.24M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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摘要

Abstract

1. 绪论

1.1 软件无线电产生的背景

1.2 软件无线电国内外发展动态

1.3 论文的意义及章节安排

2. 软件无线电的理论基础

2.1 信号采样理论

2.1.1 基本采样理论—Nyquist采样定理

2.1.2 带通信号采样理论

2.2 多速率信号处理

2.3 软件无线电中的高效数字滤波器

2.3.1 数字滤波器设计的理论基础

2.3.2 FIR滤波器的窗函数设计

2.3.3 半带滤波器

2.3.4 级联积分梳状(CIC)滤波器

2.4 本章小结

3. 调制信号的自动识别

3.1 调制信号识别特征参数

3.2 基于决策论的识别法

3.3 基于 SOFM神经网络识别法

3.3.1 SOFM神经网络的模型

3.3.2 SOFM工作原理

3.3.3 改进的 SOFM网络用于信道调制方式的识别

3.4 识别算法的计算机仿真

3.4.1 特征参数特性分析

3.4.2 识别比较

3.5 本章小结

4. FM中频接收系统的仿真

4.1 软件无线电单通道接收系统数学模型

4.2 调频信号的正交解调

4.3 FM中频接收系统的 MATLAB仿真

4.3.1 调频信号的 Matlab实现

4.3.2 数字滤波器的设计

4.3.3 调频信号的解调输出

4.4 本章小结

5. FM中频接收系统的硬件验证

5.1 硬件系统概述

5.1.1 系统结构

5.1.2 系统工作过程

5.2 高速数据采集模块设计

5.2.1 高速数据采集芯片的选择

5.2.2 AD6640外围及接口电路设计

5.3 数字下变频电路设计

5.3.1 HSP50214B芯片介绍

5.3.2 HSP50214B的电路连接

5.3.3 HSP50214B的参数配置

5.4 DSP硬件电路

5.4.1 通用数字信号处理器 TMS320VC5410

5.4.2 5410EVM开发板介绍

5.5 DSP软件设计

5.6 硬件验证分析

5.6.1 实验介绍

5.6.2 实验结果及其结论

5.7 本章小结

6. 总结

6.1 工作总结

6.2 进一步工作展望

致谢

参考文献

附录

发表论文

分类号学号活易可，去军硕士学位论文软件无线电 FM 中频接收系统的仿真与验证 (题目和副题 ) 陈惠兵 (作者姓名 ) 学科名称 : 电路与系统学科门类 : 下一 L ‘ ，黔 J 一指导教师 : 高勇刘高辉申请日期 : 2 0 0 6 . 2

独创性声明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 : 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任论文作者签名:…幽盅缸一砧年，月刀日学位论文使用授权声明、本人血噢主- 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并已经在西安理工大学申请博士/ 硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，几同意授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即: i) 已获学位的研究生按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索 ; 2) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布 ( 包括刊登 ) 授权西安理工大学研究生部办理。 ‘(保密的学位论文在解密后，适用本授权说明 ) 。者铃 ~ 导师签名:墓寡。‘，、月护日

摘要软件无线电 F M 中频接收系统的仿真与验证学科 : 作者 : 电路与系统陈惠兵导师 : 高勇教授 (博导) 刘高辉副教授答辩日期 : 06 、石.那签名 : 签名 : 签名 : 摘要现代无线通信存在着体制繁多，电台难以互通的问题。传统的无线电接收机硬件依赖性强、信号适应能力差 ; 软件无线电的出现导致了接收机技术的革新，其基本的思想是在同一硬件平台上，安装不同的软件，灵活地实现各种通信功能。本文对软件无线电若干关键技术作了深入的分析，包括多速率信号处理技术、通信信号识别技术等。鉴于目前器件水平的限制，采用专用芯片构建了宽带中频数字化接收系统。首先，阐述了软件无线电中频数字化接收系统实现的理论基础，包括基本采样定理、带通采样定理、信号抽取技术。然后，探讨了信号识别技术，在决策论方法基础上，提出了利用基于改进 SO FM 神经网络的方法对模拟调制信号进行自动识别。仿真结果表明，在信噪比较低的情况下，神经网络识别法识别率高于传统的决策论法的识别率，平均值高 1.6个百分点左右，而对于信噪比较高的信号，表现出与传统的决策论法一样较高的识别成功率。接着，以调频信号的接收为例，选择了合适的软件无线电接收系统模型，介绍了接收系统的参数配置及其 FM 信号解调算法，并借助 M atl ab 对接收系统工作过程作了仿真，得到了满意的仿真结果。最后，利用 A D 公司的A D 转换器一A D 6640 、 In te rs il 公司的数字下变频芯片一H S P5 02 14B 和闻亭公司的D SP 开发板一C 54 10E V M 开发板，组建了中频数字化接收硬件系统，验证了设计的软件无线电接收系统的正确性。关键字 : 软件无线电 ; 数字下变频 : 中频数字接收系统 : 带通采样

西安理工大学硕士学位论文 S IM U L A T I O N A N D V E R IF I C A T I O N O F S O F T V V A R E R A D I O IN T E R 五厦E D IA T E F R E Q U E N C Y (F M ) R E C E IV E R S Y S T E M S u bjeet: C ireu its an d System s S tu d e n t: C h e n H u ib in g Tu to r : P ro fe sso r G a o Yo n g S ig n a tu re : S ig n a tu re : A sSO C ia tC P ro fe sso r L iu G a o h u i .. S ign a tu re : 厂厂诚以. 口口11 111 众( (( G raduate D ate: o乙.马.1么 A b s tr a C t To o m an y v a rie tie s o f m o d u la tio n seh e m e s in m o d e m w ire le ss e o mrn u n ic a tio n sy ste m m ak e it h a rd fo r d zffe re n t sy ste m s to e o n llllu n ie a te w ith e a e h o th e r. C o n v e n tio n a l re e e iv e r h as h ig h d eP en d en c e o n h ard w a re a n d b a d a d ap ta b ility to sig n a ls. T h e em e 电 e n e e o f so ft w a re ra d io re su lts in th e re n o v a tio n o f ree e iv er te e h n o lo g 又 w h o se b a sic id e a 15 re a liz in g e v e 叮 k in d o f e o mm u n ie a tio n fu n c tio n fl e x ib ly thr o u g h In sta llin g d lffe ren t so ft w a re in th e sa m e h a rd w a re P la tfo rm . In th is P a P e r， so m e k e y te eh n o lo g ie s o f so ft w a re ra d io ，in c lu d in g th e m u lti一v e lo e ity sign a l P ro e e ssin g ， e o mm u n le a tin g sig n a l re e o gn itio n a n d 50 o n ，a re re se a rc h e d d e e P ly. D u e to th e lim ita tio n o f d e v ie e s ，sP e e ia l e h iP s a re u tiliz e d to b u ild th e d ig ita l IF ree e iv in g sy ste m . F irstly ，so m e b a sie th e o rie s in th e re a liz a tio n o f th e IF d ig ita l re ce lv in g sy ste m o f so ft w are ra d io a re d ise u sse d in d e ta il，in e lu d in g b a sie sign a l sa lllP lin g th e o ry， b a n d P a ss sign a l sa lllP lin g th e o ry an d e x tra e tio n te eh n 盛q u e o f th e sign a ls. S e e o n d ly， a u to m a tie re e o gn itio n o f th e e o mm u n ica tio n sign a ls m o d u la tio n is stu d ie d . A n e w re e o g n itio n a lg o ri tlln z b a se d o n S O F M N e u ra l N e tw o rk 15 P re se n te d a c e o rd in g to th e d e e isio n 一m a k in g m e th o d . E x P e ri m e n ta l re su lts in d lc a te th a t th e re e o gn itio n ra te 15 1 .6 P e ree n t h ig h e r fo r lo w S N R sig n a l a n d sa m e w e ll fo r h ig h S N R sign a l b y e o m P a ri n g N e u ra l N e tw o rk re e o g n itio n m e th o d w ith e o n v e n tio n a l tec h n o lo g y. N e x t，se ttin g th e F M s ign a l re e e iv in g a s a n e x a m P le ，P ro P e r so ft w a re ra d io re e e iv in g s y ste m 15 d e s一g n e d a n d th e P a ra m e te r e o n fi g u ra tio n a n d s ig n a l o f F M d e m o d u la tio n a re in tro d u e e d . T h e re c e iv in g proeess 15 sim u lated b y M atlab and the satisfy in g resu lts are aequired. F in all扒 A D 664 O eonv erter o f A D e o m P a n y ， H S P S O Z 14 B d ig ita l d o w n e o n v e rs io n e h iP o f In te rsil e o m P a n y a n d D S P e v a lu a tio n b o a rd 一C 5 4 10 E V M o f w 亡n T in g e o m P a n y h a v e b e e n u se d to b u ild a sy ste m o f so ft w a re ra d io IF d ig ita l re e e iv in g sy s te m . Th e re su lts v a lid a te th e e o rre e tn e ss o f th e d e sig n e d so ft w a re ra d io re e e 豆v in g sy s te m . K eyw ord : S oft w are ra d io ;D igital dow n eon version ; In term ed iate fr equency (IF) d igital reeeivin g sy stem ; B andP ass sign al saln P ling lI

目录目录摘要 ....................................................................................................................................……I 1. 绪论 ...................................................................................................................................……1 1.1 软件无线电产生的背景 ...............................................................................................……1 1.2 软件无线电国内外发展动态 .......................................................................................……2 1.3 论文的意义及章节安排 ..............................................................................................……3 2. 软件无线电的理论基础 ....................................................................................................……5 2 .1 信号采样理论 ....……，....................................................................................................……5 2 .1.1 基本采样理论一 N yqu ist 采样定理 .，...............……，..........................................……5 2 .1.2 带通信号采样理论 ...........................................……‘..........................................……5 2.2 多速率信号处理 ..........................................................................................................……6 2 .3 软件无线电中的高效数字滤波器 .……、.............................................……，...................……9 2 .3 .1 数字滤波器设计的理论基础 ......................................................……，...............……9 2.3.2 F IR 滤波器的窗函数设计 .................................................................................……9 2 .3 .3 半带滤波器 .........................…… 2 .3 .4 级联积分梳状 (CI C ) 滤波器 1 0 1 0 2 .4 本章小结 .......................................................................................................……，......……12 3. 调制信号的自动识别 .........................……，....................................................................……13 3.1 调制信号识别特征参数 .......................……，..............................................................……13 3.2 基于决策论的识别法 .....……，..…，...……，.....................................................................……15 3.3 基于 S O F M 神经网络识别法.......……，..........................................……，.....................……16 3 .3.1 S O F M 神经网络的模型 ......……，....................................................................……16 3 .3 .2 S O F M 工作原理 .............................................................................……，...........……17 3.3 .3 改进的 S O F M 网络用于信道调制方式的识别 ...........................................……17 3.4 识别算法的计算机仿真 ...............................................................……，....……、...........……20 3 .4 .1 特征参数特性分析 ...................……，................................................................……20 3.4 .2 识别比较 ........................……，...........................................................................……23 3.5 本章小结 ........................................……，..............................................................……，……23 4.F M 中频接收系统的仿真 ...............................……，二，…，二，.…，.....................……，...........……25 4 .1 软件无线电单通道接收系统数学模型 ............……，.................................................……25 4 .2 调频信号的正交解调 ...............................................................................................……26 4 .3 F M 中频接收系统的 M AT LA B 仿真 ...........................................................................……27 4 .3.1 调频信号的 M atl ab 实现 ……‘............................................................................……28 4 .3 .2 数字滤波器的设计 ..…，......................................................................................……28 4 .3一3 调频信号的解调输出 ........................................……，.......................................……29 4 .4 本章小结 .................................……，.……、......……，.....................................… …，...…… ， 30 111 是妙

西安理工大学硕士学位论文 5.F M 中频接收系统的硬件验证 ........................................................................................……31 5 .1 硬件系统概述 .............................................................................................................……31 5.1.1 系统结构 ...............................................................................................……，....……31 5.1.2 系统工作过程 .……‘..........................................……，.........................................……32 5.2 高速数据采集模块设计二，，.........................................................................................……32 5.2 .1 高速数据采集芯片的选择 ..............................................................................……32 5 .2 .2 A D 664O 外围及接口电路设计 .......................................................................……33 5.3 数字下变频电路设计 .................................................................................................……34 5 .3 .1 H S P 5 02 14 B 芯片介绍 ..................................……，............................................……34 5 .3 .2 H S P 502 14 B 的电路连接 .…，....................……，.................................................……35 5.3 .3 H S P SO2 14B 的参数配置 ..............................................................……，...........……36 5.4 D S P 硬件电路 ............................................................................................................……39 5.4 .1 通用数字信号处理器 T M S 32OV C 54 1O ........................................................……39 5.4 .2 54 10 E V M 开发板介绍 .....................................................................................……39 5.5 D SP 软件设计 .........................……，.............................................................................……43 5.6 硬件验证分析 ...............................................................……，.......................................……4 7 5.6 .1 实验介绍 ................……，....................................................................................……47 5.6.2 实验结果及其结论 . .…，.......……，……，.........……，……、......................................……48 5.7 本章小结 ....................……，..........................................................................................……49 6 . 总结 ..................……，.....................................................................……，.............................……50 6.1 工作总结 ...........................................................……，...................................................……50 6.2 进一步工作展望 ..........................……，二，.....................................................................……50 致谢 ...............................……，.............................................................................................……51 参考文献 ...........................................................................................................................……，二52 附录 .......................……，... .....................................................................................................……55 发表论文 .......... ....................................................................................................................……57

第一章绪论 1 . 绪论 1.1 软件无线电产生的背景现代无线通信发展迅速，一方面得到越来越广泛的应用，另一方面，由于当代无线通信系统繁多，决定了其调制方式、通信协议、数字信息的编码方式和加密方式都不尽相同，因此无线通信系统之间的这些差异极大地限制了不同系统之间的互连互通，给现代无线通信的发展造成了很大的不便。下面介绍软件无线电的发展历程 “一5，。经过几十年的发展，无线通信有了长足的进步。通信系统由模拟体制不断向数字化体制过渡，出现了许多中频数字化接收机。例如，德国侧 S 公司研制的宽带数字化接收机 E B D 900 ，主要用于无线电监视，其工作频率范围为 20 M H z一ZG H z ，搜索速度为 4 G H z/ s(2 5 kH z 带宽)，动态范围为 80 dB 。英国研制的 P V S 3 80O 接收机，工作频率范围为 0.5 M H z一 1 G H z ，是一种用于电子战环境中的宽带无线电通信监测接收机，可以实现搜索、监听、分析识别等功能，还可以根据需要，通过加载不同的软件，灵活地配置成各种不同功能的接收机。这些接收机尽管能够覆盖多个频段，但它们只能工作于单一的频段和模式，功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力较差，不同电台之间仍不能完全互通，无法完全满足现代军事通信的需要。海湾战争中，由于美军的军事通信装备无论是工作频段、通信体制还是信息传输格式等方面，海、陆、空三军都是各自为政，互不兼容。结果导致在作战时各军兵种间无法进行快速沟通、互传信息情报，充分暴露了军事通信互通性差、反应速度慢、带宽太窄、效率太低等问题。民用通信中也存在互通性差的问题。在欧洲 ( 主要是北欧、西欧 ) 的第一代模拟网发展过程中，基本上各自为政，加入欧洲邮电会议 (C E P T ) 的 16 个国家，共使用 6 种不同的制式。这些模拟通信体系的制式、频率各不相同，不能互通、兼容。在第二代数字移动通信中，仍有许多种不同的通信体制，如 G S M 、A M P S 、E TA C S 、P D C 、 D A M P S 、C T Z 等，这些体制互不兼容，无论给用户还是经营者都带来了极大的不便。除了互通性的问题外，新的通信体制和标准不断提出，通信产品的生存期缩短，开发费用上升，使得传统的通信体制很难适应。此外，现在无线频带越来越拥挤，对通信系统的频带利用率和抗干扰能力的要求不断提高。沿着现代通信系统的发展方向，很难对频带进行重新规划。如采用新的抗干扰方法需要对系统结构做较大改动，代价太大。为了解决这些问题，各国都进行了积极的探索，努力使不同设备既能满足互通的要求，又能满足抗干扰、保密性好的要求 ; 既能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐，又能延长设备的使用寿命。另外，由于微电子器件的发展，硬件工艺水平提高很快，各模块的性能越来越好，

西安理工大学硕士学位论文这就为新结构的实现提供了先决条件。 1992 年 5 月，M l拼 R E 公司的 Jo。M itola 首次明确提出了软件无线电 (S oft w are R ad io ) 的概念【””‘”2’。这是继模拟到数字、固定到移动之后，无线通信领域的又一次重大突破。其基本思想是 : 将宽带刀 D 和 D /A 变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法等无线电通信业务。 1.2 软件无线电国内外发展动态软件无线电已经存在了一段时期，尤其是这几年在电子战方面的应用，使人们对软件无线电技术产生了浓厚的兴趣。冷战的结束导致了军事市场的显著萎缩，应用研究的重点发生了转移。商业无线电应用要求为能提供低价格的、快速应用于市场的无线电系统开发技术提供新的原动力。软件无线电有希望成为更便宜、更灵活和用途更广泛的无线技术的首选，从而应用于商业无线电行业。由于软件无线电具有现有无线通信体制所不具备的许多优点，如开放性、灵活性等，它有着广泛的应用前景。军用方面，软件无线电技术可实现各种军用电台的互连互通 ; 软件无线电系统可接入各种军用移动通信网。民用方面，多频段多模式移动电话通用手机、多频段多模式移动电话通用基站、无线局域网及通用网关等都是软件无线电的应用领域。目前，软件无线电在国内外得到了迅速发展。 199 1 年 10 月 s 日，美国国防部通信会议明确确定了“sp e砍easy”。“speakeasy’’系统 “3’ 的目标是开发一个波形可编程的多频段多模式电台，能同时处理多种不同的信号波形 ; 能兼容美军 15 种以上的现役电台，占用多种不同的频段 ; 具有多种通信制式、组网方式、调制方法 ; 语音速率和编码方式以及信息保密方法都用可编程软件实现。“Sp ea keas y’’无线电系统工作频率覆盖 ZM H z一Z G H z ，基本上能兼容现有的各类电台，该电台能同时处理 4 种以一上不同的调制波形。 1994 年 8 月，‘，s Pe ak ea sv’’ 一期工程为政府代表作了功能演示，演示的业务包括语音、数据和视频图像等。 1995 年，美军启动 “sp ea kea sv’’ 二期工程，在 1995 年 7 月到 1996 年 9 月的巧个月里，研制出电台样机，实现了多通道、多频段、多模式、软件可编程、与 Ini em et 连网以及保密的无线通信功能。整个系统具有开放性和可扩充性的特点，技术上使用了分布式并行处理技术、高速总线技术、数字变频技术、多媒体信号处理技术、加密技术、射频信号预处理技术等先进技术 “‘、26，。此外，欧共体的 A C T S F IR S T 项目【’石’和美国 R u T G E R S 大学分别进行了钊一对软件无线电应用于第三代移动通信系统的研究【’6’。欧洲的 A C T s (A dvaneed C om m unieation Te chn oto gy an d se rv ice s) 计一划中，有三项是将软件无线电技术应用到第三代移动通信系统中的 : F IR s T (F lexible 玩tegrated R adio s ystem s 介chnology 一A C T S 程序的第 5 号规划 A C 00 5 ) 【”·’7’计划将软件无线电技术应用到设计多频多模可编程手机 (可兼容 G SM 、

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