基于软件无线电的调制解调算法及调制样式识别算法的研究.doc
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2、各种功能,这样,通过软件的增加、修改或升级 就可以方便地实现新的功能。 本文首先对无线通信功能中的调制解调部分的软件算法进行了研究,由 于各种软件编程是为平台的编程提供算法模型,所以,在软件编程的过 程中要考虑硬件的可实现性,也就是要寻找节省硬件运算量的软件算法,本 文对运算量很大的上下变频算法部分的软件实现问题进行了深入的研究,通 过理论分析推导,得出了节省运算量的软件上下变频算法,同时,结合、 、这几种调制样式信号的不同特点,提出了 不同的软件实现算法;要解决不同调制样式信号间的互通问题,必须在接收 端能够识别出信号的调制样式,然后根据调制样式,自动地调用相应的解调 算法进行解调,本文基于
3、决策理论算法,设计了上述六种调制样式信号自动 识别的流程图,提出了将该决策算法应用于软件无线电接收机中的方法, 并在应用时对该算法进行了改进;最后,本文以的多通道缓 冲串口、位的串行器件和器件为核心,设 计了一个调制部分的硬件平台,在此平台上实现了调制,对于其他调制 类型,也可根据相应的软件算法通过硬件编程在此平台上实现。 关键词:软件无线电;上下变频算法;基带调制解调;调制样式识别 ; 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ;目口;口目; () , , , , , , () 、 , , , , , 、 : , , 哈尔滨工程大学硕士学位论文 , 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文
4、的所有工作,是在导师的指导 下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者(签字): 互本秘 日期:?年二月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章绪论 软件无线电的概念 在无线通信系统从模拟技术转向数字技术的过程中,越来越多的系统功 能由软件实现,逐渐演变出软件无线电的概念。所谓软件无线电( ,简称),就是采用数字信号处理技术,在可编程控制的通 用硬件
5、平台上,利用软件来实现无线电台的各部分功能:包括前端接收、中 频处理以及信号的基带处理等等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到 控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地 方使用宽带的“数字模拟”转换器,尽早地完成信号的数字化,从而使得无 线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。这种电台就是可用软件控制和 再定义的电台。选用不同的软件模块就可以实现不同的功能,而且软件可以 升级更新,其硬件也可以像计算机一样不断地升级换代。由于软件无线电的 各种功能都是用软件实现的,如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个 新的软件模块即可。同时,由于它能形成各种调制波形和通信协议,故
6、还可 与旧体制的各种电台通信,大大延长了电台的使用周期,也节约了开支。有 些人也把软件无线电称为“超级计算机”。总之,软件无线电是一种基于数 字信号处理()芯片,以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。 软件无线电的应用 软件无线电这一概念是年公司的 在美国电信系 统会议上正式明确提出的。它以其很强的灵活性和较强的开放性特点引起了 世界各国和大的通信公司的广泛研究与关注,最终,使这个最初只为解决三 军联合作战时军事通信互联互通问题而提出的概念,发展成为现代移动通信 特别是第三代移动通信的基石。 软件无线电最初起源于军事通信,是美军为了解决海湾战争中多国部队 哈尔滨工程大学硕士学位论文 各军种进行
7、联合作战时所遇到的互通互联互操作问题而提出的一个新概念。 因为以往的军事通信装备无论是工作频段,还是信息传输格式或者是通信体 制陆、海、窄二军均各自为政,互不兼容,导致在联台作战时各军种之间 无法进行快速沟通、互相传递信息情报,结果是名义上的联合作战,而实际 上只是各军种的简单参与,完全形成不了真正意义上的“联合”。就工作频段 而言,陆军主要工作在,空军主要工作在,而 海军主要以短波()为主。这样的频段划分虽然解决了三军间的 相互干扰问题,但三军联合作战的互联互通互操作问题却还很难解决。特别 是海湾战争充分暴露了军事通信互通性差、反应速度慢、带宽太窄、速率太 低等一系列影响联合作战的关键技术问
8、题。美国的“易通话”() 计划就在这种情况下启动了,该计划的最终目的是开发一科,能适应联合作战 要求的三军统一的多频段、多模式电台即( )电台。该计划已经通过了研究论证阶段、样机开发阶段,并进行了靶 场澳小验止,现在装备的研制和采购阶段也即将完成,计划将在今年装备部 队。 在个人移动通信领域,移动通信的发展已经从第一代模拟移动通 信系统发展到第二代数字蜂窝移动通信系统(、),目前正在向第 三代移动通信系统()发展。未来个人移动通信所要达到的目标 是:任何人在任何时间、任何地点都可以和其他任何人进行任何种类(话音、 数捌、图像等)的通信。越来越大的通信需求,方面使通信产品的生存周 期缩短,开发费
9、用上升;另一方面,新老体制通信共存,各种通信系统之间 的互联变得更加复杂和困难,所以寻求一种既能满足新一代移动通信需求, 又能兼容旧体制,而且更具有扩展能力的新的个人移动通信体系结构成为人 们努力的方向。而软件无线电正好提供了解决这一问题的技术途径,它将使 技术研究开发方、设备制造商、电信运营商、以及每个无线通信最终用户都 从中受益,因此,软件无线电技术成为第三代移动通信的研究热点,很多国 家和地区都为此投入了大量的人力物力。 软件无线电的关键技术 哈尔滨工程大学硕士学位论文 软件无线电就是要构造一个通用的、可编程的,以数字信号处理器件为 上的硬件平台,通过在该平台上运行不同的软件模块,来实现
10、无线通信电台 的所有功能。它的典型硬件平台结构如图所示。 图软件无线电典型硬件平台 它主要由天线、宽带射频前端、宽带、转换器、高速数字信号 处理部分等组成,各部分之间通过开放式总线结构连接起来,其关键技术有 以下几个方面: 多频段天线部分 软件无线电台要求能够从短波到微波相当宽的频段内进行工作,所配备 的天线要能覆盖所有工作频段,并能用程序控制的方法对功能参数进行设置, 使硬件平台能在多个频段上工作以实现互联互通,而且每个频段的特性要均 匀,以满足各种业务的要求。为便于实现,可以在全频段或每个频段上使用 多个天线,并采用智能化天线技术。 射频处理部分 射频处理部分必须能工作在较宽的频率范围,主
11、要完成宽带低噪声放大 ()、滤波、自动增盏控制以及输出功率的产生等功能。由于当前、 器件的限制,数字处理部分还不能直接在颧率很高的射频频段进行,所 以,这部分还具有将射频信号转换为标准中频信号的功能,即将射频信号经 过一次或两次混频后,得到几十的中频段信号。这一部分的功能目前 只能依靠传统高频模拟器件组成的硬件设备来实现。但随着高速、 器件的发展,数字信号处理部分会越来越靠近天线,从而实现真正意义上的 软件无线电。 宽带、部分 这一部分的和器件的主要指标有采样速率和采样精度。采样 述率要 信弓带宽决定,因为软件无线电系统的接收信号带宽较宽,而采 样速率一般要求大于信号带宽的倍,因此,采样速率较
12、高;采样精度在 啥尔滨工程大学硕士学位论文 的动态范围要求下不能低于位。除了进一步提高器件性能外,还可 采取多个并联使用的方法。 数字信号处理部分 这一部分主要是利用高速的数字信号处理器完成中频采样之后的所有数 字运算,它包括中频处理、基带处理、比特流处理等部分。 对接收来说,进行中频处理的信号是系统的整个频段,包含有多路信道, 而对个通信用户而言,只占用其中的一个很窄的信道。中频处理就是要提 取出一个特定的信道,并将信号转换为基带。这需要频率变换、滤波、二次 采样等工作,为了进行很好的滤波处理,每个采样点需进行次操作,对 采样速率为的系统来说,就需要的运算能力,如此大的运 算量是目前通用的芯
13、片所无法承受的,所以,这部分处理运算都交由特 定下变频()芯片来完成。同样在发送时,使用上变频器()。 基带处理和比特流处理由芯片来实现,它主要完成凋制解调、编 码解码、交织解交织、信道均衡、定时、同步、加密解密等功能。这部分 的复杂程度和运算量主要取决于实现上述功能的方式和算法,由于目前 芯片的限制,广泛使用多个并行实现技术。 开放式的总线结构 上面提到,软件无线电就是要建立通用的硬件平台,通过加载不同的软 件柬实现无线通信功能的一种开放式体系结构。这种开放性主要体现在软件 无线电所采用的开放的标准化总线结构上,只有采用先进的标准化总线结构, 软件无线电才能发挥其适应性广、升级换代方便的特点
14、。在当前的研究和实 验中,一般采用双总线结构:控制总线和高速数据总线。控制总线中首选 总线,这种总线是一种能支持多机并行处理的高性能总线。高速数据总线结 构是软件无线电体系结构的关键,目前还没有形成统一的标准,这项研究正 在进行中。 课题的背景和主要工作简介 本课题来源于有关高性能通用平台、多信道互通技术的国防研究项 目,目的之一是实现具有多种调制样式的软件无线电台之间的互联互通。木 哈尔滨工稃人学硕士学位论文 课题的主要任务是进行其中的调制解调算法、调制样式识别算法以及基于 的调制部分硬件平台的研究。 软件无线电优于传统的无线电,关键在于系统结构的软件化,它的最终 目的就是使通信系统摆脱硬件
15、结构的束缚,可以说,功能的软件化是软件无 线电最基本的特征,它势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路,尤其 是要减少模拟环节,把数字化处理(、)尽量靠近射频天线,使数字 信号在数字信号处理器件中的软件算法作用下,实现各种通信功能。软件算 法是软件电台的“灵魂”,是软件无线电研究的核心部分,而且,受当前微电 子技术发展和高性能天线技术的限制,现有的器件,如、器件,器 件的性能指标远远不能达到软件无线电的设计要求,所以,各种通信功能如 何用软件去实现,以及如何在现有的技术条件下,最大程度地实现软件无线 电的性能要求,是当前研究的重点。 现有的调制方式种类繁多;如果按照常规的方法,产生每一种调制信
16、号 就需要一个硬件电路,甚至一个模块,那么要使一部通信机中产生几种、十几 种通信信号,其电路就会极其复杂,体积重量都会很大。如果要增加种新 的调制方式就非常困难。而在软件无线电中,各种调制信号的产生都是建立 在一个通用的硬件平台之上的,调制方式是通过软件来定义,“生的,要产生 某一种调制信号只需调用相应的软件模块即可,如要增加调制方式,只需编 写新的软件再下载进去,而不需要对硬件进行改动。解调部分也是如此,对 于不同的调制信号,调用不同的解调软件模块,从而,使通信系统摆脱硬件 的束缚。 以往的通信电台或系统由于调制样式单一,通信双方一旦开机,就是在 某一预先已知的调制方式上守侯,不需要进行调制
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