软件无线电技术

软件无线电技术softwaredefinedradio(SDR)郑振耀内容软件无线电技术的基本概念和相关原理利用软件无线电技术设计数字正交解调器和由CIC滤波器、半带滤波器和线性相位FIR滤波器级联组成的滤波器组进行数据抽取和滤波。数据预处理模块：为了获得更好的信号处理结果，在滤波器组加入。软件无线电的起源及概念软件无线电技术是基于一个统一、开放的、可方便扩充的硬件平台，强调将尽可能多的通信功能用软件加以定义和实现，具有通用性广、可移植性好、灵活性强等优点。1992年5月，在美国电信系统会议(IEEENationalTelesystemsConference)上，MITRE公司的JoeMitola博士首次明确提出了软件无线电的概念。Mitola博士最早提出软件无线电的概念是“应用软件实现无线电的功能”，即在处理器能力允许的范围内，由软件完成信号的编码、解码、调制、解调、扩频、解扩等功能，强调无线电信号处理的工作由软件而不是专用数字器件完成。1998年成立的SDR(SoftwareDefinedRadioForum)论坛将软件无线电的概念发展成为软件定义无线电(SoftwareDefinedRadio)。即在通用硬件结构下，使用软件来定义硬件系统的功能，使得在同样的硬件平台上，通过软件的定义来生成具有不同功能的器件。这一概念所强调的是软件灵活性和硬件标准化的结合。软件无线电(SoftwareDefinedRadio，SDR)：采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义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。软件无线电台就是要将数字信号处理技术应用于天线端的射频(RF)信号处理，亦即将宽带A/D和D/A变换器尽可能靠近天线端使用，而且其功能及各种工作参数都可以通过软件来定义。对软件无线电概念理解的关键在于：1、软件无线电采用通用的硬件平台，这个平台具有模块化和标准化的特点，能够方便灵活的重新定义或配置功能。2、软件无线电与软件控制的数字无线电的根本区别在于：软件无线电系统的无线电功能是通过加载不同的软件而不是由固定的硬件电路来完成的。软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能。软件无线电的体系结构软件无线电系统由三大部分组成：射频处理部分，中频基带处理部分以及控制管理和支持部分。射频处理部分包括所有射频模拟器件，中频基带处理部分完成所有的数字化处理，而控制管理和支持部分完成整个系统的运行维护、提高服务质量以及新业务的开发等任务。软件无线电系统的一般体系结构如图宽带多频段天线RF前端模块宽带A/D用户实时处理软件DSP和可编程硬件平台软件无线电的主要研究内容包括：系统软件设计技术、高速数字信号处理技术、多信道数据交换技术、高速A/D、D/A技术、宽带射频和模块化技术、嵌入式开放系统控制技术等等。软件无线电发展的目标：实现具有可以根据无线电环境变化而自适应地配置收/发信机的数据速率、信道编、译码方式，调制、解调方式，甚至调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化高品质无线通信系统，并且更加充分地利用频谱资源。软件无线电的关键技术---宽带/多频段天线理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段。由于内部阻抗不匹配，不同频段电台的天线是不能混用的；软件无线电台覆盖的频段为2MHz~2000MHz；组合式多频段天线：就目前水平而言，研制一种全频段天线是不可能的。一般情况下，大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口，不必覆盖全部频段。软件无线电的关键技术---高速宽带A/D/A变换数字化是软件无线电的基础。在软件无线电通信系统中，要达到尽可能多的以数字形式处理无线信号，必须把A/D转换尽可能地向天线端推移，这样就对A/D转换器的性能提出了更高的要求。A/D、D/A转换器件技术特性的一些参数包括：量化信噪比(SNR,SignalNoiseRatio)、无杂散动态范围(SFDR,SpuriousFreeDynamicRange)、噪声功率比(NPR,NoisePowerRatio)和全功率模拟输入带宽等。随着技术的发展，A/D、D/A位置越来越接近天线，最终达到理想软件无线电的目标。软件无线电的关键技术---高速数字信号处理（DSP）理想的软件无线电中DSP要处理直接对射频信号的A/D转换数据并完成通信所要求的各种功能。这对DSP的性能要求非常高。即使采用中频采样软件无线电结构，要完成包括数字滤波、调制解调、信道编码、同步、通信协议等功能，对DSP性能的要求也是非常高的。DSP是限制软件无线电发展的一个瓶颈问题，DSP技术的发展将使软件无线电的软件化程度和性能逐渐提高，从而实现理想的软件无线电。研制速度更高和功能更强大的DSP芯片已经成为影响软件无线电发展的关键。软件无线电的关键技术---关键算法用软件实现设备的各种功能，首先要把对设备各功能的物理描述转化为对各功能数学描述，即建立系统及各功能模块的数学模型；其次要把数学模型转换成可以用计算机语言描述的算法；最后把算法转换成用计算机语言编制成的程序，使计算机可以完成相应的功能。为了实现软件接收系统的多种多样的功能，各种软件算法成为软件无线电的关键。主要算法包括数字信道处理、全数字同步算法、一些基本信号的调制解调算法等。随着对软件无线电技术研究的深入，各种准确、高效的算法将被逐步提出，这也将大大促进软件无线电的发展。软件无线电理论基础基本采样理论——Nyquist采样定理带通信号采样理论整数倍内插整数倍抽取取样率的分数变换基本采样理论——Nyquist采样定理Nyquist采样定理：设有一个频率带限信号x(t)，其频带限制在内，如果以不小于的采样速率对x(t)进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号(其中称为采样间隔)，则原信号x(t)将被所得到的采样值x(n)完全地确定。如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号进行采样，当采样速率达到一定数值时（不低于信号最高频率两倍的采样速率），那么根据它的采样值就能重建原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。分析Nyquist采样定理：引入单位冲激函数，构成周期冲激函数：根据冲击函数的性质可知：为原点连续的任意信号把用傅里叶级数展开可得()()TSnttnT()()(0)txtdtx()xt()Tt2()SjntTTnntCe那么上式可以改写为2221().SSSTjntTTnTSCtedtT2221()SSSTjntTTStedtT1ST21()SjmTTnSteT由此可见，抽样信号的频谱为原信号频谱频移后的多个叠加。带限信号x(t)可以由其取样值x(n)来准确的表示，只要采样时满足Nyquist采样定理。带通信号采样理论Nyquist采样定理只讨论了频谱分布在(0，)上的基带信号的采样问题，如果信号的频率分布在某一有限的频带上时，当然仍然可以按照的采样速率进行采样，但是当时，即信号的最高频率远远大于其信号带宽B时，其采样的频率会很高，以致很难实现。Hf(,)LHff2SHffHHLfBffHf采样后信号频谱是原信号频谱以采样速率为周期的延拓。为了使频谱不重叠，则信号作周期延拓时应满足一定的条件。221HLsfffmm一种常见的带通采样频率表达形式为：0421Sffn当频带宽B一定时，为了能用最低采样速率对带通信号进行采样，带通信号的中心频率须满足：2SfB0(21)2nfB带通采样定理适用的前提条件是：只能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，否则将引起信号混叠。例如：当在(B,2B)频带上存在信号时，在其他频带上就不能同时存在信号，为了满足这个前提条件，可以采用跟踪滤波器的办法来解决，就是在采样前先进行滤波，即当需要对某一中心频率的带通信号进行采样时，先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率上，滤出所感兴趣的带通信号，然后再进行采样，防止信号混叠。这样的跟踪滤波器称之为抗混叠滤波器。0kf()nxt整数倍内插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。但是随着采样速率的提高，随之而来出现的一个问题就是采样后的数据流速率很高，致使后续的信号处理速度跟不上，因此很有必要对A/D后的数据进行降速处理。降速处理的实质是对采样后的数据进行二次采样，其中最重要最基本的理论是抽取和内插。抽取是减少抽样率以去掉多余数据的过程，插值是增加抽样率以增加数据的过程。多速率信号处理技术为这种信号的降速提供了理论依据。•整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间等间隔的插入(I-1)个零值，若设原始抽样序列为x(n)，则内插后的序列为：(),0,,2,...()0,ImxmIIxmI其他•设x(n)的z变换和傅里叶变换分别为X(z)和，下面讨论内插信号的频谱与原始信号频谱之间的关系。jwX(e)jwIX(e)jwX(e)IX()()()mImImmIxmzxmzXz（z）=将代入，得到：jwezjwjwIIX(e)X(e)可以看出，内插后的信号频谱为原始序列频谱经I倍压缩后得到-2-3/2-1013/22-2-3/2-1-1/I01/I13/22-3/2-1/I01/I3/2(1)原始谱(2)滤波前(3)滤波后I=2倍内插前后信号的频谱利用内插不仅可以提高信号时域分辨率，而且也可以用来提高输出信号的频率，即实现信号的数字上变频(DUC)。jw1,(1)H(e)0,BPnwnII其他带通滤波器的频率特性为：式中，n=1对应取出原始基带谱，n=2，3，4,…对应取出基带谱的各次倍频分量，这时的内插器实际起到了上变频作用，是输出频率提高(I-1)倍，但是信号的频谱结构不变。整数倍抽取整数倍抽取是指把原始采样序列x(n)每D个数据取一个，以形成一个新的序列，即：()Dxm()()DxmxmDD为正整数•如果x(n)序列的采样率为，则其混叠带宽为。当以D倍抽取率对x(n)进行抽取后得到的抽取序列之取样率为，其无混叠带宽为，当以x(n)含有大于的频率分量时，就必然产生频谱混叠，导致从中无法恢复x(n)中小于的频率分量信号。Sf/2Sf()Dxm/(2)SfD/SfD/(2)SfD()Dxm()Dxm/(2)SfD数学推到过程如下：取样率的分数变换•设分数倍变换的变换比为R=D/I，可以通过先进行I倍内插再进行D倍抽取来实现。需要注意的是，尽可能先内插，后抽取，若抽取不混叠的话，可以先进行抽取后内插。取样率为2/3时信号的频谱图FFT、DFT补零问题在计算k点的FFT时补0，可以让点数达到2^N的数目，这样提高计算速度；在有效数据后面添上0，增加了点数，就可以提高频率分辨率。实际的数据，仅有16个，可以用16、32、64、128点的FFT，分别算出16、32、64、128个频率分量，都是分布在0~fs之中。点数越多，密度明显加大。DFT可以看做是对DTFT的采样，补零仅是减小了频域采样的间隔。这样有利于克服由于栅栏效应带来的有些频谱泄露的问题。也就是说，补零可以使信号能在频域被更细致地观察。如果不满足上述“至少相差一个完整周期”的要求，即便是如DTFT一般在频域连续，也无法分辨出两个信号。思考题：末尾补零与首部补零效果的区别？应用实例•接收机直接中频采样的方法与实现•接收机直接射频采样的方法与实现直接中频采样的方法与实现在通信和雷达等电子系统中,接收机要求有较宽的带宽和较大的动态范围,这样既能保持接收信息的完整性,又提高了接收的可靠性和