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I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II目录第一章软件无线电技术绪论……………………………………..11．1移动通信技术发展历史………………………….……………………………………..11．2软件无线电技术发展历史…………………….………………………………………..21．3软件无线电的主要技术……………………….………………………………………..41．3．1一般无线电接收机的结构…………….………………………………………51．3．2硬件平台结构………………………….………………………………………51．3．3软件无线电系统结构………………….………………………………………71．3．3．1SRA构架概述………………….………………………………………91．3．3．2SRA网络构架……………….………………………………………..121．3．4相关器件发展……………………………….………………………………..141．3．4．1天线…………………………………………….……………………141．3．4．2射频前端电路和器件…………………………….…………………141．3．4．3数模/模数变换器（DAC/ADC）……………….………………….161．3．4．4数字上/下变频器（DUC/DDC）…………………….…………….201．3．4．5软件无线电中常用的可编程数字信号处理器件……….…………261．4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……………………302．1软件无线电中的正交采样技术………………….……………………………………302．1．1正交采样原理和实现…………………….…………………………………...302．1．2基于正交采样的全波段数字化方法…….…………………………………..322．2软件无线电中的一阶带通采样理论…………….……………………………………352．3软件无线电中的高阶带通采样理论………….………………………………………372．4∑-Δ采样方法…………………………………….……………………………………412．5本章小结…………………………………….…………………………………………43第三章软件无线电多速率处理和采样率转换…………………443．1有理数倍多速率信号处理原理……………….………………………………………453．1．1整数倍采样率转换原理…………….………………………………………..453．1．2分数倍采样率转换原理…………….………………………………………..463．1．3采样率转换的高效实现…………….………………………………………..473．1．4抽样率变换系统的多级优化……….………………………………………..513．2正实数倍采样率变换…………………………….…………………………………...553．3时变CIC滤波的采样率转换……………………….………………………………...593．4多通道信号抽取……………………………….………………………………………63III3．5本章小结………………………………….…………………………..……………….68第四章软件无线电多模式解调…………………………………704．1软件无线电的接收机结构…………………………………………………………....714．2多模式软件解调的实现……………………………………………………………....724．2．1突发模式线性调制MPSK信号解调….……………………………………734．2．1．1突发MPSK接收机算法结构……………………………………...744．2．1．2突发MPSK前导信号检测………………………………….……..754．2．1．3突发MPSK信号同步参数估计与跟踪…………………………...804．2．2非线性调制信号的软件无线电解调………………………………………..844．2．2．1GMSK调制和线性近似表示……………………………………….854．2．2．2线性软件无线电非相干GMSK接收机算法结构…………….…..864．2．2．3仿真分析和比较………………………………………………..…..904．2．3突发模式OFDM软件解调………………………………………………….934．2．3．1OFDM软件接收机的算法结构…….……………………………….934．2．3．2OFDM载波估计…………………….…………………………….…954．2．3．3OFDM突发帧同步………….……………………………………….964．2．3．4OFDM定时同步和采样率转换………………….…………………984．2．3．5OFDM接收仿真和分析………..………………………….……….1034．2．4多模式接收分析比较………………………………………………..………1064．3本章小结……………………………………………….………..……………………107第五章软件无线电平台的实现与总结……………..…………1095．1软件无线电硬件平台设计………………………………………….……………..…1095．2软件无线电软件系统设计………………………………………….…………..……1115．3本章小结………………………………………………………………………………115结论和展望…………………………………………………………………………116参考文献……………………………………………………………………………1181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，无线电通信从昀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。昀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2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波段调制方式提供的业务AMPS850MHzFM/FDMA模拟话音IS-136/54850MHzπ/4DQPSK/TDMA话音、窄带数据48.6kbpsPDC800MHz/1.5GHzπ/4QPSK/TDMA话音、窄带数据DCS18001800MHzGMSK/TDMA话音、窄带数据270.833kbpsIS-95850MHzQPSK/CDMA话音、窄带数据1.2288MbpsGSM900/1800MHzGMSK/TDMA话音、窄带数据270.833kbpsWCDMA1.9/2.1GHz多载波/CDMA话音、高速数据、多媒体CDMA20001.9/2.1GHz多载波/CDMA话音、高速数据、多媒体802.11a/b/g2.4/5GHzOFDM/CCK宽带数据、多媒体、上网HIPLAN25GHzOFDM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昀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。昀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。