2022年软件无线电技术在实验系统中的应用 .pdf

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1、软件无线电技术在实验系统中的应用沈振强1 2周少武1陈婷1（1 ，湖南科技大学信息与电气学院，湖南湘潭 411201 ）（2 ，湖南机电职业技术学院电气工程系，湖南长沙 410151 ）摘要： 本论文是以TMS320VC5402 芯片为核心，分析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，指出了其应用于软件无线电的优势，完成软件无线电部分关键技术的研究, 并实现了一个适应教学型的软件无线电实验系统。关键词： 软件无线电； TMS320VC5402 ；采样；正交调制解调一引言软件无线电是以开放性、通用性、 可扩张的最简硬件为

2、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1。理想软件无线电的组成结构如图1 所示。窄带A/D-D/A转换器实时、准实时处理软件 通用DSP宽带A/D-D/A转换器射频前端模块电话图像数据传真图 1 理想软件无线电框图二软件无线电关键技术软件无线电其关键技术主要可以分为以下几个方面：1）智能天线技术，在软件无线电中，采用智能天线技术，然后利用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，可形成天线主波束。 2）A/D D/A 技术，软件无线电体系结构的一个重要特点是

3、将A/D 和 D/A 尽量接近射频前端。这要求A/D 和 D/A 器件要有高速度、大带宽和大动态范围。3）数字上下变频技术，数字上下变频技术是软件无线电的核心技术之一，其作用是提高或降低数据流速率，并实现频谱的搬移。 4）信号处理技术，软件无线电具有灵活性、可扩展性等特点，这主要是因为软件无线电的所有功能都是用软件来实现的。三 多路带通信号采样技术在软件无线电中， 多路带通信号需要用统一的采样频率对不同频段的信号进行采样，并保证不破坏每个信号的频谱特征。处理方法之一是可以将所有的窄带信号包含在一个非常宽名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -

4、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 的处理频带中， 看成一个宽带信号来采样。这种处理方法简单易实现，缺点是当多个带通信号频段相差很大时， 这样确定的采样频率会比较大，对 A/D 转换器和后端芯片处理器要求高。另一种方法则是计算出最小的采样率，用这个最小采样频率对多路带通信号采样2。假设信号频谱占据的频带为nnbababa,2211，区间两两不相交（单个带通信号写成mllmffff,，低通信号写成ssff,00,） 。采样后不发生频谱混叠的充要条件是： 采样率f必须使无穷个区间fkbfkaiiii,两两不相交

5、 （ni2, 1。ik取,中的任意整数） 。即fkabjhhj（1）式（ 1）中，hj,取n,1内的任意整数且hj，jhk为整数。这nn2个不等式构成一个不等式组。因为最小值一定存在于边界上，所以当f取最小值minf时，不等式组中至少有一个不等式的等号成立。又令minfagii（x表示对x取整，ni2, 1） ，则min0fgaii (2) minmin2,0,ffgagagbgaiiiiiiii (3) 即iiiigbga,（ni2, 1）全部分布在频段min2,0f上，且两两不相交。所以必然存在2 个区间llba ,和mmba ,，使iillgagamin且iillgbgbmin (4)

6、iimmgagamax且iimmgbgbmax (5) 所以可得 , niiiniiiiillmmabgagbgagb11)()( (6) 又因为mi0fgamm，minmin2minffgafll且mmmmgbga,与minmin,fgbfgallll不相交，所以可得minfgagbllmm (7) niiillmmabgagbf1min)()( (8) 根据式（ 1）至式（ 8） ，可以得到求最小采样频率minf的算法。这种求最小采样频率的算法，对单个信号、多个信号都适用。可知，iiniiiababfminmax,1min（9）假设 3 个带通信号， 所占频带分别为1, 00, 1、4,

7、33,4和8,77, 8。 由式（ 9）可知16,6minf。可得最小采样频率minf为 6，如图 2 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - -10-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-11-12-13111213fS-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-11-12-13111213fS（a）采样前（b）采样后图 2 minf为 6 的采样图假设 3 个带通信

8、号，所占频带分别为1 ,00, 1、4,33,4和10,88,10。由式（9）可知20, 8minf。可得最小采样频率minf为 11，如图 3 所示。-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-11-12-13111213fS-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-11-12-13111213fS1414-14-14（a）采样前（b）采样后图 3 minf为 11 的采样图假设 3 个带通信号，所占频带分别为3,00,3、7,44,7和10,88,10。由式（9）可知20,16minf。可得最小采样频率minf为 20，如图 4 所示。-1

9、0-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-11-121112fS-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1012345678910-11-121112fS（a）采样前（b）采样后图 4 minf为 20 的采样图四硬件总体方案设计本系统旨在实现一个单通道发射机与一个单通道接收机，实现 ASK 、FSK和 DPSK等信号的调制与解调， QPSK 和 QAM 等信号的调制。 DSP芯片是本系统的核心器件，前文中设计的算法全部都应全靠DSP芯片实现。 这样才能实现系统的开放性、通用性和可扩张。图 5 为本系统的硬件框图， 核心器件是两片TMS320VC5402 ， 一片实现发送

10、功能，另一片实现接收功能3。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - DSP 芯片DSP 芯片A/DD/A串行信号调制方式选择输出信号发射机接收机图 5 系统硬件框图信号的输出和输入分别采用TI 公司生产的8 位并行 D/A 转换器 TLC7528和 12 位串行A/D 转换器 TLV2544。程序存放于外部FLASH中，当 DSP上电工作时程序从外部FLASH被读入 DSP内部 RAM ，从而可以高速执行。为了防止由于程

11、序“跑飞”带来的错误，加入看门狗芯片 ADM706T 。此外，用几个中断端口实现调制方式的选择。发射机输入串行信号码速率为3000 波特 , 输出信号为30KHZ。五正交调制解调目前所开发出来的软件无线电系统中，一般都是采用正交法对信号进行调制与解调。原因主要有以下几点：（1）理论上说，一切调制方式皆可用正交法来实现。这也意味着，可以用同一种算法实现对各种信号进行处理，从而简化了代码。（2）对于一般的相干解调，当同频同相不满足时，就会降低解调器输出信噪比，从而使误码率增加。而正交法在一定程度上能克服以上缺点。（3）用正交法来对信号进行调制解调时，可以利用上下变频技术，降低信号速率，从而降低对芯

12、片的要求。（4）可利用正交解调得到的同相和正交分量进行信号调制类型识别。图 6 与图 7 分别为软件无线电的调制与解调框图4。DSPs基 带 正 交信 号 产 生)c o s (0n)s i n (0n内 插滤 波D/ A)(tS)(nI)(nQ)(nS图 6 基于内插的软件无线电调制模型名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - )cos(0m)(mS)sin(0m抽取抽取滤波滤波DSPs基带信号处理)(nI)(nQ图 7

13、 基于抽取的软件无线电解调模型六结论本文以数字信号处理器为核心，完成了一个教学型软件无线电实验系统的研究与实现。除了天线、 模数转换和数模转换，其余所有的功能都用软件实现，将软件下载到数字信号处理器上，即可实现一个最简化的教学型实验系统通信平台。参考文献1 杨小牛， 楼才义 软件无线电中的发射机杭州电子工业学院学报，1998，20(6) ：5960 2 王 桥， 刘振兴任意通带信号的采样定理与频带适应性数据表示电子科学学刊， 2000，22(3) ： 69 3 谢 威，蔡跃明软件无线电接收机简介及浅析微电子技术，2001，29(3) ：4245 4 Raymond J Lackey， Dona

14、ld W.Upmal Speakeasy:The Military SoftwareIEEE Communications Magazine，1995，63(2) ： 56 61 作者简介沈振强，男， 1973- ，湖南湘潭人，硕士研究生，副教授，研究方向为电气工程技术周少武，男， 1964- ，湖南湘潭人，博士研究生，教授，研究方向为计算机控制工程与技术陈婷，女， 1977- ，湖南长沙人，硕士研究生，讲师，研究方向为电子与信息工程技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -