软件无线电关键技术的研究与实现

本文由注册虫虫贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。华中科技大学硕士学位论文软件无线电关键技术的研究与实现姓名：张璇申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：王福昌2003.5.6华中科技大学硕士学位论文＝＝＝＝；＝；＝＝＝＝ｊ自＝＝；＝；；；＝＝；＝＝＝＝＝＝；＝＝＃摘要本课题的主要任务是以ＤＳＰ芯片为核心，完成软件无线电关键技术的研究，并实现了一个简单的软件无线电系统。／软件无线电旨在构造一个具有开放性、标准化和模块化的通用硬件平台，将工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成。这种通过下载软件至硬件平台来实现各种通信功能的方法，可以使宽带Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器尽可能地靠近天线。ｊ夕一７一本课题具体研究了多路信号的带通采样定理，提出了最小采样频率的算法，分析了采样频率与信噪比的关系；研究了各种信号的正交调制解调算法，分析了载波不同步对解凋结果的影响，指出了其应用于软件无线电的优势；研究了数字上下变频技术，分析了其优越性，指出了实现过程中存在的困难：给出了多通道发射机和多通道接收机的模型：提出了ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ和ＱＡＭ等多种调制方式的识别算法，并给出了识别出错率和信噪比的关系；给出了用于软件无线电中的各种同步技术，如载波同步、位同步与帧同步。这些算法都用软件～一得以实现与仿真。！在硬件方面，实现了一个以ＤＳＰ为核心芯片的小型软件无线电通信平台。此平台分为发射机和接收机两部分，发射机由ＤＳＰ芯片和Ｄ／Ａ转换器组成，接收机由ＤＳＰ芯片和Ａ／Ｄ转换器组成。在此硬件平台上，可实现ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＤＰＳＫ、ＱＰＳＫ和ＱＡＭ等信号的调制与解调，同时完成各种同步技术，从而实现了一个小型的通信系统。欠，“一７ｏ／，－’。１＿：：：’：一／。关键词：软件无线嘭ＤＳＰ芯片广怠堂乡正交调制解哆延互变夔：望型：。！！！殳，（一一～凝害诺考戈趋罨’；华中科技大学硕士学位论文Ａ３ＳＴＲＡＣＴＴｈｅｍａｉｎｔａｓｋｏｆｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔｉｓｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ，ａｎｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｓｉｍｐｌｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｈｅＤＳＰｃｈｉｐｓ。ｏｎａｎＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏｉｓｂａｓｅｄｏｐｅｎ，ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ，ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ，ｇｅｎｅｒａｌＰ［ａｔｆｏｒｍ．Ａｎｄａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｗａｖｅｆｏｒｍｓａｒｅａｃｈｉｅｖａｂｌｅｗｉｔｈｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅＣｒｅｑｕｅｎｃｅｒａｎｇｅ，ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ，ｄａｔａｔｙｐｅ，ｓｅｃｕｒｉｔｙｃｒｉｔｉｃａｌａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａ－ｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃ０１．ＴｈｅｗｉｄｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｍｏｖｅｔｏＡｎａｌｏｇ—Ｄｉｇｉｔａｌ（Ａ／Ｄ）ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＤｉｇｉｔａｌ—Ａｎａｌｏｇ（Ｄ／Ａ）ａｓｔｈｅａｎｔｅｎｎａｃｌｏｓｅａｓｐｏｓｓｉｂｌｅｂｙｄｏｗｍｌｏａｄｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒａｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｉｎｔｏａｐａｓｓｂａｎｄｓａｍｐｌｉｎｇｔｈｅｏｒｅｍｆｏｒｍｕｌｔｉｐｌｅｘｔｈｅＳｉｇｎａｌＳ，ｇｉｖｅｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｌｅａｓｔｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅａｎｄａｎａｌｙｓｅｒｅｆａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅａｎｄｔｈｅＳｉｇｎａｌ—ｔｏ—Ｎｏｉｓｅ．ＩｔｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｑｕａｄｒａｔｕｒｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔａｌｌｋｉｎｄｓｏｆＳｉｇｎａｌｓａｎｄｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｉｎｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ。Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｄｉｇｉｔａｌｕｐａｎｄｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｔｏｆｆｒｅｑｕｎｃｙｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｖｅｒｙｕｓｅｆｕｌｂｕｔｒｅａｌｉｚｅｄｄｉｆｆｉＣＵ—ｉｔｉＹ．ＡｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌＳｏｆｍｕｌｔｉｃｅｎｔｅｒｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｎｄｍｕｌｔｉｃｅｎｔｅｒＦｅｔｅｉｖｅｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｉｇｉｔａｌｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫａｎｄＱＡＭ．ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｈｅｅｒｒｏｒｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉＳＳｉｇｎａｌ—ｔｏ—ＮｏｉｓｅｉＳｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃａｒｒｉｅｒ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｂｉｔｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｍｅＳＯｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ．Ａ１１ｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｆｔｗａｒｅ．Ｉｎｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｗｅｆｉｎｉｓｈａｓｍａｌｌｅｒｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｃｈｉｐｓ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒａｎｄｒｅｃｅｉｖｅｒ．ＴｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｉＳｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａＤＳＰｃｈｉｐａｎｄａｎｄａａＤ／Ａｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｔｈｅｎｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｒｉＳｃｏｍｐｏｓｅｄｔｈｉｓｈａｒｄｗａｒｅｏｆａｎｏｔｈｅｒＤＳＰｃｈｉｐＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｂｙｐｌａｔｆｏｒｍ，ｍｏｄｕｌａｔｆｏｎａｒｅａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆＡＳＫ，ＦＳＫ，ＤＰＳＫ，ＱＰＳＫａｎｄＱＡＭ，ａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｉｎｉｓｈｅｄ．ＴｈｅｎｉＳｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｆｔｗａｒｅｒａｄｉｏ．ＤＳＰｃｈｉｐ，ｓａｍｐｌｅ，ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａ—ｔｉｏｎ，ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｄｉｇｉｔａｌｕｐａｎｄｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｔｏｆｆｒｅｑｕｎｃｙ，ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎＨ华中科技大学硕士学位论文１＝｛｛＿＝＝∞＝＝｛＃；％＝＝；＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝＝＝；＝＃概述本章论述了软件无线电研究动态及背景，并介绍了美国军方的Ｓｐｅａｋｅａｓｙ工程、软件无线电中的核，ＩＩ，芯）午－－ＤＳＰｓ、以及软件无线电中的关键技术，确定了本课题的研究内容。１１软件无线电研究动态软件无线电是以开放性、通用性、可扩张的最简硬件为平台，通过加载各种应用软件来适应不同用户、不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能。它是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。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，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ变换）尽量靠近天线。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。理想软件无线电的组成结构…如图ｌｌ所示。Ｔ｝电晤传真数据图像窄带Ａ／Ｄ—Ｄ／Ａ实时、准实时处理软件通用ＤＳＰ宽带Ａ／Ｄ－Ｄ／Ａ转换器转换器射频前端模块图１．１理想软件无线电框图从图１．１中可以看出，软件无线电主要由天线、射频前端、宽带及窄带Ａ／Ｄ—Ｄ／Ａ转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电作为未来通信乃至未来无线电技术的发展方向，世界各国都在进行深入的研究，美国尤为突出。在过去，每一种军用无线电系统有３０年的寿命，它们都是为特定的应用领域开发的，而且功能单一。目前，随着技术的进步和发展，从一个新产品的发布到下一代产品的出现其时间间隔大大缩短，短到只有ｉ９个月的时间。因此各国国防部面临的问题是，如何确保军队的通信系统跟上技术的发展，如何在技术的快速发展的状况下控制庞大的军费开华中科技大学硕士学位论文支。在格林纳达冲突中，美国各军种通信设备之间的不兼容性显示出来：在“沙漠风暴”行动中，由于大量盟国和盟军联合作战，需要及时和有效的通信，大大增加了通信的复杂性，需要额外的无线电台才能保证高效的通信。显然，对军方而言，无论是在经济上还是技术上，无线电系统的增值都是一个沉重的负担。由于数字信号处理器速度（ＤＳＰｓ）加快，所以模数转换可移到了离天线更近的地方。可编程执行的功能灵活性很大，可允许波形调制的快速变换，这在其他情况下是不能执行的。软件无线电可以提供的灵活性在军事环境下是一种优势，因为在不同距离和不同指挥级别上的通信可能需要不同的射频（ＲＦ）频带、调制方式、语音编码方式以及不同的保密算法。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ。’计划是美国下一代军用无线电的一项分阶段的技术基础研究和开发计划，垓计划是由空军Ｒｏｍｅ实验室管理，三军和国防高级研究计划局（ＡＲＰＡ）资助的。作为主合同商的Ｈａｚｅｌｔｉｎｅ公司和分合同商的ＴＲＷ公司已经参与政府部门有关Ｓｐｅａｋｅａｓｙ多波段多模式无线电系统（ＭＢ删Ｒ－－ＭｕｌｔｉｂａｎｄＭｕｌｔｉｍｏｄｅＲａｄｉｏ）的研制计划。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ项目是一个多阶段的、联合多军种的技术计划，其目的是验证可编程波彤、多频段、多工作方式的无线电台方案。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ的解决方法是将所有方案联合，关键是能在模块中生成波形，且可编程信号处理能通过软件来执行波形和联合处理。多波段多模式无线电系统（ＭＢ删Ｒ）预想的是在联合服务平台上使用。它能潜在地执行１０种以上电台的功能，是一个有固定定义的模块设计。开放的体系结构允许随着技术进步系统不断升级。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ多波段多模式无线电系统（池姒Ｒ）有很强的可编程数字信号处理的能力，大约可以每秒进行ｌＯ亿１６位比特的整数运算（ＯＰＳ）和２亿３２位比特的浮点运算（ＦＬ，ＯＰＳ）。但是在军事应用上还包括其它模拟电路，如射频（ＲＦ）模块和电源等，上述处理能力太小，不能胜任。如果能做到４个波形在接收或传输中并行处理，它才可以真正的用作带天线端口的、能进行声音和数据网络工作的、顶层的大型计算机。在全数字化软件可编程的基带信号处理机中，Ｓｐｅａｋｅａｓｙ试图用执行共同功能的方法来减轻负担。未来可能会出现一种单人可携带的多波段多模式无线电系统（ＭＢ栅Ｒ），后面配有一个可转换的射频（ＲＦ）模块。多波段多模式无线电系统（ＭＢ姗Ｒ）会成为软件无线电系统所需要的特殊的硬件模块，它可以实现高功率传输和未来波段扩展。华中科技大学硕士学位论文１９９４年８月，ＳｐｅａｋｅａｓｙＩ型样机（ＡＤＭ）为政府方面的代表进行了演示，系统演示了几种标准无线电台之间的互联操作，包括ＨＡＶＥＱＵＩＣＫ，ＨＦＭｏｄｅｍ（ＭＩＬ—ｓＴＤ—１８８一ＩｌＯＡ标准），ＡｕｔｏｍａｔｉＣＬｉｎｋＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ（ＭＳ一１８８—１４１标准）以及ＳＩＮＣＧＡＲＳ。系统还通过在ＨＡＶＥＱＵＩＣＫ和ＳＩＮＣＧＡＲＳ调频网上同时发送，演示了两种无线电台同时工作的情况。系统还演示了网桥连接两个不同网的功能，即把一个ＨＡＶＥＱＬＩＣＫ网通过Ｓｐｅａｋｅａｓｙ作为网桥与ＳＩＮＣＧＡＲＳ连接，使得两个网的所有用户可以通信，Ｓｐｅａｋｅａｓｙ系统对于用户来说是透明地演示包括传输语音和数据。Ｓｐｅａｋｅａｓｙ在ＨＦＭｏｄｅｍ上传输数码影音图像。系统还演示了如何通过编程方式修改ＳＩＮＣＧＡＲＳ的波形。图１．２为ＳｐｅａｋｅａｓｙＩ期工程的方框图。一～ＭＥ＆线Ｓｐｅａｋｅａｓｙ———一高速数据总线一时钟／定时爹考线图１．２ＳｐｅａｋｅａｓｙＩ期工程的方框图Ｉ期工程采用模块化结构，无论在物理接口还是电７ｔ接¨匀‘面部要求箱合』『放标准。这样就可以保证无线电系统长时间的服务寿命，并能通过臂换个体模块来升级，就好像今天的个人电脑不断升级。开放结构可以使厂商不用承担大量的开发费用和风险就可以改装商用技术，并且改进产品性能。因为ＶⅥＥ是可以用于商用处理机的主板，所以ＳｐｅａｋｅａｓｙＩ期工程选择在ＶＭＥ总线上完成