1、基于 DSP 的软件无线电接收机研究和实现.txt24 生活如海，宽容作舟，泛舟于海，方知海 之宽阔；生活如山，宽容为径，循径登山，方知山之高大；生活如歌，宽容是曲，和曲而歌， 方知歌之动听。 本文由 ailybd2008 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。 武汉理工大学 硕士学位论文 基于 DSP 的软件无线电接收机研究和实 姓名:甘泉 申请学位级别:硕士 专业:通信与信 息系统 指导教师:陈永泰 20050601 武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 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 软件无线电
2、(Software Defined Radio)自从 1 年由 提出以来,在最 近几年取得了引人注目的进展,引起了包括.9 军 92 事通信 J,eo 个 M 人 ito 移 la 动通 信,微电子 以及计算机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣.人们普遍认为软件无线电将使 无 线通信,甚至整个无线电领域产生重大变革,并由此推动电子信息技术的快 速发展,最终在全 世界范围内形成巨大的软件无线电产业市场,产生巨大的经 济效益,推动社会和技术的进步. 软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一,可扩展性差的硬件为核心 的设计局限性,强 调以开发性的最简单硬件为通用平台,尽可能地用可升级, 可重配置的应用软
3、件来实现各种 无线电功能的设计新思路.用户在同一硬件平 台上可以通过配置不同的应用软件来满足不同 时期,不同使用环境的不同功能 需求:投资商则可以在通用的可扩展的硬件平台上,通过开发 新的应用软件来 满足用户或市场的新要求,适应不断发展的技术进步. 软件无线电这一概念 在个人移动通信上已经得到了应用.国际电信联盟 (rru)所制定的 IMT-2000 系统标准,其主 要目标是建立一个可以全球漫游, 跨系统,跨网络的无缝隙的第三代移动通信标准.而软件无 线电技术将传统的 模拟和数字无线电平台转换成更具弹性的软件无线电平台,以支持多样化 的通 信标准.本论文以软件无线电的概念,去实现适用于目前移动
4、通信标准的中频 数字化硬 件平台. 本文结构如下:第 1 章为概述,介绍了软件无线电的基本概念,以及研究的 动机,意 义和目标:第 2 章为软件无线电接收机的理论基础,主要介绍软件无 线电接收机所需的一些 基础理论,包括信号采样定理,多速率信号处理基本理 论等,其中采样理论是本设计的核心理 论基础:第 3 章为软件无线电接收机的 数学模型和信号解调模型;第 4 章介绍了软件无线电 接收机的硬件实现,包括 射频前端电路,A/D,数字下变频器以及数字信号处理器等;第 5 章为 总结,给 出了整个论文的结论. 关键词:数字信号处理,接收机,软件无线电,数字下变频器 武汉理工大学硕士学位论文 Abst
5、ract SDR(software in defined radio)has on got quiet great evolution since Jeo Mitola raised it COre 1992,which is based signal the theory of modern communication,with the of digjtal has processing,and supported by the technique of microelectronic.SDR in recent mobile years,and has caught the sight o
6、f military been improved communication,personal and other electronic communication(PMC),microelectronic,computers, thou 曲 t to fields.SDR is generally even greatly change the radio communication,and development of the SDR the whole radio field.And SDR will promote the quick can electronic informatio
7、n technique,and finally it US form a great market around the world.SDR will bring great economic benefits,and improve the society and the related techniques. SDR broke the expansibility hardware as limited design that the traditional radio has singld function with badly emphasis that it regards the
8、simplest to hardware,and general developable platform.It adopts the new thinking way implement various can radio functions by different upgradeable and reconfigurable software.User fulfill the requirements of different time and different conditions with different applied software;but by the same har
9、dware platform.Investors can meet the new demands of buyers and the market,and suit the developing techniques,by designing new applied software. The concept of SDR has been system drawn up by ITU is applied in to PMC,The main object of the IMT-2000 a.4 establish seamless third generation mobile comm
10、unication standard with the function of global roaming across any systems and any networks.Software defined radio technique migrates the traditional analog and digital radio platforms to flexible software radio platforms that a can support multiple communication standards.In this thesis,l design rec
11、eiver that on hardware platform with IF digital suited foT the standard of current communication system,which based the concept of software defined radio. II 武汉理工大学硕士学位论文 ne frame of the thesis is: 1 is Chapter summarization.It introduces the basic concept of SDR and the motivation,significance,and
12、target of the research. Chapter 2 is the basic theory of SDR receiver.It presents the related fundamental the signal sampling theory of the SDR receiver,including with multiple speed,etc,And the Chapter 3 introduces the SDR receiver. the front Chapter 4 introduces the hardware implement of the SDR r
13、eceiver,including theorem,signal processing signal sampling theory is the basic theory for SDR- mathematic model and the signal demodulation model of circuit,A/D,digital down converter,and the digital signal processor,etc Chapter 5 presents the conclusion of the thesis. Keywords:Digital signal proce
14、ssing,Receiver,Software defined radio Digital down converter 111 武汉理工大学硕士学位论文 第 1 章绪论 1.1 研究动机嘲叭九 63 由于全球电信自由化,使得无线通信产业蓬勃发展,各大通信设备及相关零 组件厂商也 大力拓展市场.无线通信市场的需求更是惊人,根据国际电信联盟 (rru)的预估,以后全球无 线通信的用户将过 10 亿.普及率更胜现今有线电话的 密度.这是因为无线通信产品的可移动 性可以让人随时随地的使用,增加了相 当的便利性. 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 软件无线电(Soft
15、ware Defined Radio)自从 1992 年由 Jeo Mitola 提出以来,在最 近几年取得了引入注目的进展,引起了包括军事通信,个人移动 通信,微电子 以及计算机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣.人们普遍认为软件无线电将使 无线通信,甚至整个无线电领域产生重大变革,并由此推动电子信息技术的快 速发展,最终在 全世界范围内形成巨大的软件无线电产业市场,产生巨大的经 济效益,推动社会和技术的进 步. 软件无线电突破了传统的无线通信平台以功能单一,可扩展性差的硬件为 核心的设计局 限性,强调以开发性的最简单硬件为通用平台,尽可能地用可升 级,可重配置的应用软件来实 现各种无线电功能的
16、设计新思路.用户在同一硬 件平台上可以通过配置不同的应用软件来满 足不同时期,不同使用环境的不同 功能需求;投资商则可以在通用的可扩展的硬件平台上,通 过开发新的应用软 件来满足用户或市场的新要求,适应不断发展的技术进步. 作为无线通信 中最重要的组成部分,个人移动通信,存在系统标准及通信协 议的差异,如何整合现有移动通 信标准就成为重要课题.国际电信联盟(rrU) 所制定的第三代移动通信系统 IMT2000,其主要 目标是期望建立一个可供全球 漫游,跨系统,跨网络无缝隙的通信标准,并提供与现有第二二 代(2G)移动通 信系统相容的需求,因此第三点(3G)移动通信系统的设备需具有相容性 (Co
17、mpatibility),使用弹性(FIexibility),可重构性(Reconfigurability)和可升 级性 (Upgradability)的多功能需求.而发展软件无线电系统就是解决方法之一, 此系统具有整合 多模式,多频段通信标准的能力.软件无线电目的已经是业界 武汉理工大学硕士学位论文 研究发展的重点,也是我国电信研究重点之一.世界大厂, 如 Ericssion,Nokia, Lucent,Motorola,Harris,Analog Device 等均已表示积极从事软件无线电相关 系统及关键器件的研究.1996 年 10 月,软件无线电技术被正式列入国家 863 高 技术计
18、划通信主题的研究项目.目前软件无线电在我国取得了长足的进展,我 国的 TD-SCDMA 技术上 也大量采用了软件无线电技术,哈尔滨工业大学等院校 和科研机构也在积极的从事软件无线 电研究.此外欧,美,日先进国家也举办 过专门的软件无线电会议,如欧洲的“Software Radio workshop“和日本的 “Software Radio and MMITs Forum“,IEEE 也有许多专刊论文,如 IEEE Personal Communication,IEEE Journal on Selected Areas in Communication,IEEE communication.由
19、此可见软件无线技术已经在业界受到相当的重视. 1.2 研究软件无线电技术的目的和意义 以目前嵌入式计算能力的水平来说,用软件定义性能,基于数字信号处理器 的调制解调 器的想法己经成为现实,软件无线电(sDRl 通过运行在通用硬件上的 软件来定义大量的功能,不 用修改硬件就可以增强系统功能,与个人微机一样, SDR 可使用户在通用硬件平台之上,以适 合具体应用的软件来满足通信需求. 理想的软件无线电是一种以软件的形式定义各层协议 f 包括物理层),具有动 态容量的多频段多功能电台.能够兼容现在甚至将来的不同通信标准,不仅可 以实现区 域和全球漫游,而且大大降低新系统的开发时间和费用. 1.2.1
20、 研究软件无线电技术在军事上的意义.卜哺 在军事领域,随着技术的进步,战争手段不断变化,在未来的数字化战场上 更加需要广泛 的系统互操作性,因此互操作性和无缝通信是军方的一项基本需 求.因此,长期以来各国都在 探索一种能够使不同本兵种,不同频率范围,不 同工作方式的电台实现互联,互通的无线电通 信体制.靠传统的无线电体制根 本无法达到这一目的.1992 年 5 月,MILTRE 公司的 JoeMitola 首次明确地提出 了软件无线电的概念,为这一问题的解决提供了一个方向.只有 采用软件无线 电实现的军用电台的业务种类,工作速率,调制方式,接口类型,工作领率, 加 密方式等可实时变化.而且软件
21、无线电各方面有详尽的规范定义,并使用了 被广泛采用的民 用标准,标准化,模块化程度高,符合即插即用要求,而且兼 武汉理工大学硕士学位论文 容大多数现役电台,能满足各军种需求,是未来军队普遍装 备的通信设备,因 而市场需求较大,能够规模生产, 美国军方的 Speakeasy 电台,就是这方面 的典型代表,目前该项目已经完成 了第一阶段的研究工作,正在进行第二阶段的研究工作. Speakeasy 电台试图通 过全数字,软件可编程,基带信号处理,多频段,小功率射频发信机,大 功率 放大器和天线分系统来实现各种功能.该电台的硬件和软件均采用模块化,开 放式的结 构形式. 1.2.2 研究软件无线电技术
22、在民用土的意义_嘲D 软件无线电在民用,商业等方面的应用也取得了很大的发展.例如在己研制 成功的 220MHz 地震遥测系统,采用 16QAM 的调制方式,信道带宽为 20kHz(数 据速率达 60kb/s 1.利 用此系统的灵活性,能使其中的任何一台无线电设备即可 成为标准设备又可成为射频中继器.这 样,如果有的设备所处的位置不好,就 可用别的设备进行射频中继,把数据以实时方式转发回 基地台.因此,利用这 种设备不必专门设计中继设备,不但降低了成本,还提高了系统的灵活 性. 在移动通信方面,无论是第二代还是第三代移动通信,都有多种接口标准, 给全球通信造 成了一定的困难.将软件无线电技术应用
23、于移动通信时,它的多 模式性,可重配置,自适应性 三个优点有望得到发挥.多模式性表示一个单一 的无线设备可以对应多个系统和多种介质, 如果将它应用于终端,基站或中继 站中,就有可能出现各种各样的新业务.软件无线电技术用 在终端上,用户就 可以超越系统和介质享受多种业务;用在基站,一个基站就可以包容各类系 统 的用户:用在中继站,就可以跨接不同的系统.可重配置是系统可以根据具体 应用环境进 行软件升级或更换.而且,由于只需要软件的开发以及软件的加载 就能做到,所以,可望大幅 度地缩减开发经费和开发周期.比如,从比较长远 的观点考虑对蜂窝基站设备的投资和维护 管理经费时,它的优点就远远地超过 了功
24、能不能变更的基站.自适应性是指自适应地改变传 输方式的功能.根据用 户或应用要求的业务质量(OoS),传输路径的条件以及通过量等情况, 在硬件资 源允许的范围内,通过对频率,天线的方向性,比特速率,调制方式,纠锗编 码率等 参数,有时是无线方式本身动态地进行切换,就能实现最佳的无线方式. 软件无线电在移动通 信领域所具有的这三个突出优点是以往传统专用设备所可 望而不可及的. 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述,在软件无线电系统,技术及其应用的研究方面,人 们只是完成了 第一步,前面还有许多的坎坷.但是,随着现代微电子技术及计算机软硬件技 术的飞速发展,在 21 世纪,这些问题都将得到圆满解决.
25、 1.3 本文所作的工作 1,通过对软件无线电接收机的基本结构的了解,及其实现的技术方法,来 确定本研究所采用的软件无线电接收机的结构.本论文基于传统的超外差结构, 采用宽带中频带通抽样结构.第一次混频采用模拟混频器将 RF 信号下混频到中 频然后 进行高速数字采样后用数字信号处理技术对信号进行处理. 2,制定中频数字接收电台数字信 号处理平台方案.软件无线电要求具有开 放式结构,由所下载软件确定电台功能.数字信号处 理平台是软件无线电接收 机的基础,因此硬件平台采用了当前性能最优的器件:以功能强大 的数字信号 处理器(DSP)和控制单元(MCU)为核心.以可编程器件相辅助,包括参数 可编程
26、器件和 FPGA 等,尽量提高系统的可编程性和灵活性. 3,本论文针对移动通信终端应用来设计 软件无线电中频数字接收机,故频 率源是整个电路设计的重点之一,也是本文作者在整个系 统设计中的重点工作, 本论文采用传统的 PLL+VCO 结构来进行设计,以保证频率源的杂散范 围和频率 输出动态范围.本论文所采用的可编程频率合成器保证了频率源能产生多种本 振 频率. 4,本论文中使用数字下变频芯片 HSP50214B 进行设计的,数字下变频是近 年来发展起 来的新型变频器,负责接收高速模/数变换的采样数据,进行正交混 频,可编程低通滤波和抽 取等预处理,然后将数据存入缓存,等待数字信号处 理器进一步
27、处理,太大减轻了数字信号处 理器的处理负荷.数字下变频器有许 多可变参数,如可编程滤波器带宽,抽取率,正交本振频 率等,本论文根据应 用场合,经过理论分析确定相关参数设置,不同应用场合的参数设置方法 也相 互具有指导意义. 5,整个硬件电路具体要实现模拟下变频,采样,数字下变频,信号处理, 模拟输出,接 VI 控制等功能.编写和调试模拟话音调相数字化接收程序.软件 决定了软件无 线电的功能,是软件无线电的灵魂. 4 武汉理工大学硕士学位论文 第 2 章软件无线电技术的理论基础 2.1 软件无线电中的采样定理 软件无线电的核心思想是对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行 数字化,将其 变换为
28、适合于数字信号处理器(DSP)或计算机处理的数据流,然 后通过软件来完成各种功能, 使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性.所 以,软件无线电首先面临的问题是如何对工 作频带内的信号进行数字化,也就 是如何对感兴趣的模拟信号进行采样,这些既是最基本,但 也是软件无线电中 最关键的问题,对此进行详细讨论与阐述,为软件无线电研究奠定理论基 础. 2.1.1 基本采样定理Nyqu st 采样定理.1】“刀叫“1 如果对某一时间连续信号(模拟信号)进行采样,当采样率达到一定数值 时,那么,根据这 些采样值就能准确地确定原信号.Nyquist 采样定理可以表达 如下: Nyquist 采样定理:设有一个
29、频率带限信号 x(t),其频带限制在(o,厶)内, 如果以不小于 正2 厶的采样速率对 x(f)进行等间隔采样,得到时间离散的采样 信号 x(“)一工(n 正)(其 中 t 一 1/正为采样间隔),则原信号 x(f)将被所得到的采 样值 z(n)完全确定. 上述 Nyquist 采样定理告诉我们,如果以不低于信号最高频率两倍的采样速 率对带限信 号进行采样,那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号. P(t) +I “ O 图 2.1 信号采样 5 武汉理工大学硕士学位论文 2.1.2 带通信号采样定理111伽 由于软件无线电所覆盖的范围一般都要求比较宽,例如从 0.1MHz 到 2GHz,
30、 作为软件无 线电,只有这样宽的频段才能有广泛的适应性.但是如此宽的频带 采用 Nyquist 低通采样所 需的采样速率至少大于 4GHz,目前这是不可能实现的. 所以,对于宽频带工作的软件无线电 台是无法采用 Nyquist 采样技术来采样的. 而必须采用带通采样. Nyquist 采样定理讨论了频谱分布在(o矗)上的基带信号的采样问题,而 在适用的软件无线电模式,我们从中频开始全数字化,因为有用信号只是占据 了整个中 频带宽的一部分,所以如果我们将整个带宽进行采样.不仅数据非常 大,而且也包含很多无用 信息,我们只需要进行带通采样. 带通采样定理:设一个频率带限信号 z(),其频带限制在(
31、矗,厶)内,如果 其采样频率 f 满足: 正一%导 f,且 沼 D 式中,n 取能满足五 22(厶一)的最大整数(o,1,2,),则用正进行等闾 隔采样所得到的 信号采样值 x(,Iz)能准确地确定信号 x(f). 式(2,1)用带通信号的中心频率五和频带宽度 B 也可以表示为: (2-2) 式中,矗-毕,n 取能满足正之 2B(B 为频带宽度)的最大整数. 2,l+1 由(2-2)可见,当频带宽度 B 一定时,为了能用最低采样速率即两倍频带 宽度速率(f 一 2B)对带通信号进行采样,带通信号的中心频率必须满足: .丝型 B 2 (2.3) 当 n 取不同的值时,就对应了不同的中心频率,0.
32、,也就是浣任何一个中心频率 为, o.(n=O,1,2,)带宽为 B 的带通信号均可以用同样的采样频率正一 2B 对 信号进行采样,这 些采样均能准确地表示位于不同频段(中心频率不同)原信 号. 值得指出的是,上述带通采样定理适用的前提条件是:只允许在其中的一 个频带上存在 信号.而不允许在不同的频带上同时存在信号,否则将会引起信 武汉理工大学硕士学位论文 号的混叠. 图 2-2 带通信号的采样 为了满足这样的一个条件,可以采用跟踪滤波器的办法来解决,即在采样前先 进行滤波, 如图 2.2,也就是当需要对某一个中心频率的带通信号进行采样时, 就先把跟踪滤波器调到 与之对应的中心频率,0.上,滤
33、出所感兴趣的带通信号, 然后再进行采样,以防止信号的混叠. 当带宽很窄时,例如对常规的军用战术电台(vHFn 7HF),其信号带宽 B: 为 25KHz(含保护间隔), 则采样速率应取为 50KHZ.但是这种方法实现起来比 较困难的.主要表现在D 前面的抗混叠滤波器无法实现,因为它要求该滤波 器在整个频带都保持相同的滤波器带宽和阻带特性,这几乎是不可能做到的. 为了解决 上述问题,可以采用所谓的超外差接收体制,即先用一个本振信 号与输入信号进行混频(可以 进过几次混频),-将其变换成为统一的中频信号,然 后进行数字化.这样通过改变本振频率厂, 就可以完成对不同频率信号的数字 化,而这是 A/D
34、 前的信号中心频率.名是固定不变的.如果 矗取的得当,D 前 的抗混叠滤波器就会容易做得多.但是这种超外差中频数字化体制的主 要缺点 就是在天线与D 之阍增加了很多模拟信号处理环节,如混频,本振信号产生, 各种滤波等.这些模拟电路不仅会造成信号失真(特别是混频器和窄带滤波器 1, 而且对缩小体积,降低成本和功耗极其不利的.另外,由于在天线与D 间的 模拟电路环节过多,使得这种体制在对信号的适应性和可扩展性方面存在明显 的不足. 例如一旦模拟信道的中频带宽确定以后,要适应不同的信号带宽就存 在一定的难度,另外本 振信号的频率步进(分辨率)一旦确定,对信道间隔的 武汉理工大学硕士学位论文 适应能力
35、也就变差了. 为了改善上述中频数字机制对信号 环境适应性和可扩展性,我们采用宽带 中频技术,即 BB这时在中频带宽 B 内将包含多个 信道(信道数 N-曰/口.), 至于对带宽 B 内位于某一特定信道上的信号所需进行的解调,分析,识 别等处 理,将由后续的信号处理器及其软件来完成,该软件主要完成数字滤波(可变 带宽), 数字下变频以及解调等信号处理任务,通过加载不同的信号处理软件就 可以对不同体制,不 同带宽以及不同种类信号的接收解调以及其他信号处理的 任务,这样对信号环境的适应性以 及可扩展性就大大提高了.而且由于中频带 宽加宽了,本振信号就可以按照大步进来设计,这 样可以大大简化本振源的设
36、 计,有利于减小体积,改善性能,降低成本. 2.2 多速率信号处理技术 带通采样定理的应用大大降低了所需的射频采样速率,为后面的实时处理 奠定了基础. 但是从对软件无线电的要求来看.带通采样的带宽应该越宽越好, 这样对不同信号会有更好 的适应性;另外当对一个频率很高的射频信号采样时, 如果采样频率取得太低,对提高采样量 化的信噪比是不利的.所以在可能的情 况下,带通采样速率应该尽可能地选得高一些,使瞬时 采样带宽尽可能地宽. 但是随着采样速率的提高带来的另外一个问题就是采样后的数据流速 率很高, 导致后续的信号处理速度跟不上,特别是对有些同步解调算法,其计算量大, 如果其 数据吞吐率太高是很难
37、满足实时性要求的,所以很有必要对 A/D 的数据 流进行降速处理.对 这种窄带信号的采样数据流进行降速处理或者叫二次采样 是完全可能的.多速率信号处理技 术为这种降速处理的实现提供了理论依据. 2.2.1 整数倍抽取-九九 所谓箍数倍抽取是指把原始采样序列 x(n)每隔(JD-1)个数据 取一个,以形 成一个新序列%(m),即: (24) b(m)一 x(mD) 式中,D 为正整数,抽取过程如图 2-3 所示,很显然如果 x(n)序列 的采样速率 为正,则其无模糊带宽为正/2.当以 D 倍抽取率对 z(H)进行抽取后得到的抽取 8 武汉理工大学硕士学位论文 序列 b(m)之取样率为正/D,其无
38、模糊带宽为六/(20)当 x()含有大于 正/(2D)的频率分量时,XD(小)就必然产生频谱混叠,导致从(m)中无法恢复 z(n)中小 于正/(2D)的频率分量信号. 曲 “丌 I. 首先定义个新信号: 一 卜一 (2.5) 圈 2-3 整数借弛驭 xb)-坛黠乩如,砣 n 根据恒等式: 土警.,警.1,(n0,+D2D,) D 白 lo,其他 则 x,fnl 可表示为: (2.6) 茸(n)一工(n)【吉萋 ej 警 由于 b(m)=x(Dm)*工(Din) 则%(m)之 z 变换为: (2.7) X.(z)_%(m)z“一x(加)z“ (2.8) 由于工(|I,2)除了珊为 D 的整数倍时
39、不为零外,其余均为零,所以上式可以重薪写 为: 9 武汉理工大学硕士学位论文 Xo(z)-善(肌)z 百 把 x(朋)表达式代入可得: (2.9) %(z)-薹(州prD 丢-Ie27ulm】卜吾 4 石 1 D 磊-I 互+.lI“工(咄等】z 吾 - 一 I X 比 熟 D Z 一口 (2.10) 1l_ -J 一 D F 箭 _ 把 ze 一代入式(2.16)可得抽取序列 XD(珂)之离散傅氏变换为: 础.)一吉耕掣 前后的频谱结构变化图. 11) 由式(2.11)可见,抽取序列的频谱(离散傅氏变换)x.(P“)为抽取前原始序 列的频谱 x(g 灿)经频移和 D 倍展宽后的 D 各频谱的
40、叠加和.图 2-4 给出了抽取 U 图 2.4 抽取前后(D=2)的频谱结构(混叠) 10 .墓坚堡三奎兰堡主堂垡堡塞 由图 2-4 可见,抽取后的频率如(e 柚)产生了严霎混叠,使得从并.(e 灿)中 已无法恢复 出 x(e 扣)中所感兴趣的信号频谱分量.但是如果首先用一数字滤波 器(滤波器带宽为石/D) 对 x(e 扣)进行滤波,使 x(e 扣)中只含有小于万/D 的频 率分量(对应模拟频率为告正),再进行 D 倍抽取,则抽取后的频谱就不会发生 混叠,如图 2-5 所示,这样 x.(e“)中的频谱成分与 X(e“)中的频谱成分是一 一对应的. 或者说 z.(e“)可以准确的表示 j(e 柚
41、),进一步可以说 x.(e“)可 以准确的表示 z(e“)ee4,于吾或吾正的频率分量信号.所以这时对 x.(e 灿)进 行处理等同于对 x(P 妲)的处理,但前者的数据流速率只有后者的 D 分之一,大 大降低了对后续处理(解调分析等)速度的要求. 武汉理工大学硕士学位论文 H(e o“) - D , /E (I】 ,; X(p“); r门 j1 刁r 门 , 图 2.5 抽取(D=2)前后的频谱结构(无混叠) 多速率信号处理中的抽取理论是软件无线电接收机的理论基础.而对于内 插理论则是软 件无线电发射机的理论基础.本论文不作详细讨论. 2.2.2 抽取的多级实现“1-“妨1_2“ 在实际设计
42、中,当抽取倍数 D 很大时,所需的滤波器之阶数将非常高,乃 至无法实现,因 此,我们可以考虑采用分级抽取,使滤波器的阶数大为减小, 这样,可以大大降低对滤波器的 设计要求. 设输入采样速率为 LIOOMHz,抽取倍数 D 为 500,即最终需要得到 200kHz 武汉理工大学硕士学位论文 的采样速率,信号带宽为 50kHZ,则所需的低通滤波器特性 如图 2.7 所是,要求 阻带衰减小于 0.001,则当采用窗函数法设计这样的滤波器时所需的滤 波器阶数 N 为: N.-20l:96_-f7.95,十 1 14.36x 式中,6 为阻带衰减,为过渡带宽度,正为采样速率. -一一一一一一一一一一一一
43、一一一 1 (2.12) 一 广一一一一一一一一一一一一一一1 L 一一一一一一一一一一一一一一一 J L 一一一一一一一一一一一一一一J DI+Dz=D 把 6=O.001,=100.50=50kHz 之,厂 r=100MHz 代入式(2.18)可得:N=7250, 也就是说要 实现这样的窄带滤波器用窗函数法需要 7250 阶,这样高阶数的滤波 器实现起来是非常困难 的.解决这一问题的方法是采用多级实现,如图 2-6 所示, 我们可以设两级抽取倍数分别为皿 =50,D,=10(D=D1D,),这时对第一级 d.=6/2=0,0005,馘=O.95 MHz,厂 t.=100 MHz,所需的滤波
44、器阶数为1=427, 对于第二级最=6/2=0.0005,4 疋=0,05 MHz,疋,一 2MHz,所需的滤波器阶数 为 N,=163. 可见分级抽取后,使滤波器的阶数大为减小.在进行每一级滤波器 设计时要注意两点:一是每 级滤波器的通带宽度不能小于信号带宽.二是过渡 带是可变的,取决于每一级的抽取倍数,即 过渡带的截止频率 f 不能大于该级 输出取样率的一半.有一点需要指出,如果单级实现时对 通带带内波动要求为 d, 武汉理工大学硕士学位论文 若用 M 级实现时,如果把每一级的带内波动设计成一样,则 每一级带内波动应 为屯一 d/M 未 2.9 所示. 图 2.8 多级实现时的滤波特性 一
45、 fL fH f./2 f 2.2.3 带通信号的取样率变换“1“阳 r“ 对于软件无线电接收机,我们所要处理的信号往往是带通信号,即是前文 所假设低通信号(o,厶)的整个数字频带中的某一带宽(,L,厶)内的信号.如图 .f 抡-fH.fL 凰凰, 0 图 2,9 带通信好的数字谱 对此我们采用整带抽取,所谓整带抽取即带通信号满足如下关 系时的抽取 ,o 一半一(2 川)鲁 代入式(2-20)可得: 池 13) ,为经 D 倍抽取后的取样率. (2.14) 式中,n 为正整数,0 为带通信号的中心频率, (-台 t2x(厶一 rL)一 2 曰 .丘+厶.(2n+1)B (2.15) 14 武汉
46、理工大学硕士学位论文 即:厶-(露+1)曰或五-nB 式中,B 为信号带宽,即带通信号的最高和最低频率是信号带宽的整数倍时称其 为“整带 “抽取,这时抽取倍数 D 应当满足; D.上 2 县 (2.16) 也就是说当在(.,鲁)整个数字频带内共有带宽为 B 的.个子带时,就可进行整 带抽取,只要抽取前用一个带宽为 B 的带通滤波器对感兴趣的子带进行滤波即 可,该滤 波器的特性如下: 日11 【0, n 寺 sIII 小+1)寺 其他 七十 由于整带抽取条件关系式 D.寺在很多场合是无法满足的,我们采用频谱 搬移的办法,我们把位于中心频率矗处的带通信号搬移到基带,然后再利用低 通信号的抽取方法进
47、行抽取.对于一个实带通信号 x(n)的频谱 x(e“7)是共扼 对称的, 其中心频率可以任意,-我 tf用 z+表示 x(Pm)中,芑 0 的F 频率分量, 用石一表示工(一 2“7)中,so 的负频率分量,则 z+与 x 一中的任何一个分量可以用 另一个分量来表示,所以我们只需关心其中的一个分量即可,现在我们用复信 号(移频算 子)em 伽乘以原带通信号 x n),则石(e7“)中的负甄亭分量 x 一将 移至零频,而其正频分量 x+将移至 2fo 挝:,如果用一个低通滤波器(n)把 2,o 处的高频分量滤除,则可得到基带信号孑(拧)(对应的频率表示为需(一 2“7)为: 叠(). 耳(n)e
48、2“抽】.Il(n) 2【x(n)cos(h 胁)】(n)+Jx(n)sin(2 昝 fon)】(n) 令:Xz(以)一 P(n)c.s(2z 加)】.Il(甩) (2.18) xQ(n)一 p(n)sin(扫加)州 n) 武汉理工大学硕士学位论文 分别称而(件),%(订)为 x(n)的同相分量和正交分量,这时 i(以)也可以表示为: j(n)_(玎)+j%(n) 与之对应的频谱为:2(en57)-z,(e7“)+成(e7“7) Ixr吨】H(em7) 如果低通滤波器(em7)设计成: (2-19) H(川.J1I|水罢 【0, 其他 就可以对 z,%进行直接低通抽取,带通信号正交抽取结构是软件无线电最基 本的结构,通过改变,0 可以实现对整个采样频段 fo,冬)内睁任一信号进行抽取 和解调. 由于带通信号的正交抽取结构,最终输出的信号是个复信号: y.(,1);x,(n)+jb(n) (220) 而我们希望得到的是一个实信号输出,采用边带调制技术就可以实现带通信号 的实抽取 结构.为了完成带通信号的实抽取,必须把频谱搬移成正负频率对称 的基带信号.首先跟正交 抽取一样通过两个不同的频移算子“加把原带通信 号的两个正负频率分量 z+和 x 一搬移到基带并通过低通滤波器 h(n)滤除高频成 分,得到: ),.(n)
