1、软件无线电信道处理的 DSP实现摘要 软件无线电（SDR）作为一种新的无线通信概念和体制近年来浮出水面,日益受到国内外相关通信厂商的重视。它使得通信体制具有很好的通用性、灵活性和可配置性,并使系统互联和升级变得容易。软件无线电的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的个人通信功能用软件实现，是一种用软件来实现物理层连接的无线通信设计。本文重点研究了软件无线电中不同信道的处理技术,其技术关键在于构建不同频段的数字滤波器，通过滤波器进行不同信道信息的接收处理。在建立软件无线电信道模型的基础上,利用 MATLAB实现多阶 FIR滤波器的设计,并将算法移植到 DSP软件设计当中, 并构建基
2、于 DSP的硬件平台，使算法在硬件平台的运行结果达到软件无线电的信道处理要求。通过本课题的研究，掌握软件无线电信道的 DSP实现方法，重点研究软件无线电中的信道处理算法，通过仿真，选择合适的滤波算法，并构建基于 DSP的硬件平台，使算法在硬件平台的运行结果达到 SDR的信道处理要求。关键词：软件无线电 信道 数字信号处理 FIR 滤波器SDR Channel Processing Based On DSPAbstract The basic concept of software radio is that hardware is the basic platform of wireless
3、communication. More and more function of personal communication is realized by software.Software radio is the design of wireless communication which realizes the hardware connection by software. The papermainly studies the processing technique of different channels in SDR (Software Defined Radio). T
4、he key technique is to design digital filters of different frequency bands to receive the information of different channels. Based on founding the model of SDR channel processing use MATLAB to realize the design of FIR filters by setting different parameters and transfer the arithmetic to DSP softwa
5、re design. After that use CCS to simulate the FIR filter. The effect can reach the demand of channel processing for SDR.Key words SDR channel DSP FIR filter引言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自从 1992年由 JooMitola提出以来,在最近几年取得了引人注目的进展,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。软件无线电作为一种新的通信系统,它是由硬件平台和
6、各种功能模块组成,不同的通信功能采用更新软件的方式加以实现。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。本论文重点研究了软件无线电中不同信道的处理技术,其技术关键在于构建不同频段的数字滤波器及进行不同信道信息的接收处理。首先分析了软件无线电中的采样定理、数字滤波器理论、不同频段 FIR滤波器的设计方法。在此基础上,利用 Matlab完成了 FIR滤波器的设计,进行了滤波器的检验,并在 DSP芯片 TMS320VC5509为核心的信号处理实验平台下,
7、利用 CCS集成开发环境对 FIR滤波实验进行了仿真,对不同参数滤波效果进行评估,提出了基于 DSP硬件平台的软件无线电信道处理方法。软件无线电的核心思想是构建一个采用数字无线电技术的通用硬件平台,通过实时的软件控制,用户能定义该平台的工作模式,包括工作频带、信号速率、调制方法、多址方式、接口协议、业务种类等,从而使一个硬件平台能实时地转变为不同技术标准的通信系统 。1通过本课题的研究，掌握软件无线电信道的 DSP实现方法，重点研究软件无线电中的信道处理算法，通过仿真，选择合适的滤波算法，并构建基于DSP的硬件平台，使算法在硬件平台的运行结果达到软件无线电的信道处理要求。对课题“软件无线电信道
8、处理的 DSP实现”的研究背景及国内外研究现状进行了广泛的调查研究，对课题设计所涉及的关键技术有了较为深刻的认识，计划并最终明确了课题应该完成的任务，设计出合理的思路，研究可行的手段，直至完成论文。通过此次设计，加深了对软件无线电的了解，提高了自己 DSP对系统设计的能力，并不断提高自己阅读中外文献、独立思考和理论转化为实践的能力。第一章 绪论1.1论文研究背景通过近 20年的发展,移动通信己成为通信领域最活跃、市场份额最高的产业,也成为国际上市场竞争最激烈的部分。面对多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的现状,以硬件为主的传统的通信体制已难以适应:出于各种新标准的射频载波频率和调
9、制方式不同,限制了设备间的互通和兼容,造成了资金大量浪费和重复投入。面对这个问题,国际上已经进行了大量的研究。大部分专家认为:“软件定义无线电”(Software Defined Radio,简称 SDR)将是一个解决全球无线通信需求的方案,它将成为未来无线通信设备设计的核心所在。软件无线电技术最初起源于军事通信应用的需要。随着通信技术的发展,在军事通信领域,各军兵种之间使用了不同的通信体制,应用不同的频段、波形和调制方式,完成各自的通信任务 。各个体制之间互不兼容,各自使用的电台功2能单一,这使得军队面临频带拥挤的状况。现在战争越来越强调各军种甚至多国军队之间的作战,因此多种通信体制的互联互
10、通要求成了日益突出的矛盾。为了使各军兵种不同的设备之间实现高效、可靠的协同通信与互通信,美国军方最早开展了研制三军通用软件无线电台的工作,其目标是研制出一种包容很宽的无线频带、接收多种信道调制方式的具有很强“可互操作性”无线电台。1992年 5月,在美国电信系统会议上,MITRE 公司的 JoeMitola首次提出了软件无线电的概念,其核心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频率、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带刀 D和 D/A转换器尽可能地靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。这种电台是可用软件
11、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,故还可以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”。在民用方面,纵观当前的通信市场,多种通信体制并存,新体制不断涌现。模拟体制与数字体制并存,TDMA 体制与 CDMA体制共存。由于多种体制硬件平台的不同,他们之间的兼容和互通变的比较困难,无线通信的发展,使得人们对各种通信体制间互通的要求日趋强烈。目前,软件无线电的思想与开发手段已经在新一代通信产品的开发中发挥着越来越重要的作用 。31.2国内外研究现状、水平和发展趋势1.2.
12、1国内研究现状和水平国内对软件无线电技术的研究,开始于 1995年美国第一台高水平的软件无线电系统 SPEAKeasy问世。在 0996年 10月,我国通信“863”首先立项,开始了对软件无线电的小规模探索,九五期间,该技术已成功地在某型号军用单兵短波数字通信系统中得到应用。1998 年 7月,我国向 ITU提交了第三代移动通信提案 TD-SCDMA中就采用了软件无线电技术。同年,我国国家自然科学基金就设立了有关软件无线电技术的重大研究课题:由清华大学和北京邮电大学合作完成,这表明了我国对软件无线电技术地重视。在自然科学基金地项目中,我国将开展软件无线电地基础性和应用性研究,并以蜂窝移动通信系
13、统的多模平台为背景,重点研制支持两种制式以上的个人通信接收机的软件无线电平台。试验平台由一些硬件(包括射频部分,以及由 FPGA等实现的中频部分)和带有 NIC的高速局域网组成。在这个试验平台上可以运行两个频段(900MHZ 和 1800MHz),并兼容四种以上的传输方式。2002年 5月 28日,国家自然科学基金委员会信息科学部组织专家,对清华大学电子工程系和北京邮电大学联合承担的国家自然基金资助的重点项目“软件无线电理论与技术及其在个人通信中的应用”进行了验收。观看软件无线电试验平台的现场演示后,专家组经认真讨论,一致认为:该课题在基础理论及试验平台研究方面取得了重要进展,其研究成果在军事
14、和名用领域具有广泛应用前景。目前我国正在研究开发第二代同步轨道航天测控设备的方案中,其核心就是引入软件无线电技术,采用其综合基带模式、大规模地简化了系统结构,极大地提高了系统地灵活性、可靠性和可维护性。到目前为止,我国许多高等院校、研究所都投入大量地人力、物力开展对软件无线电进行研究,如:进行实用型软件无线电体系结构方案的设计:对软件无线电系统中某一模块进行研究;研究软件无线电的实际应用对象;进行算法研究等。但目前国内的研究多处于试验阶段,尚未有比较成熟的软件无线电产品问世。虽然我国对软件无线电技术的研究起步晚于欧美,但是关于软件无线电的研究己经得到了越来越多的重视,理论水平基本与国外保持一致
15、。总体而言,目前国内外对软件无线电的研究正处于各种应用的具体研究实践阶段。1.2.2国外研究现状和水平软件无线电的想法最早产生于 20世纪 70年代末,Dr.Walte Tbttlebee把当时安装了 8085微处理器的 A/D和工作于 VLF的无线电设备的 Roke Manor Researeh(Romsey United Kingdom)称为世界上第一个关于软件无线电技术研究的工作场所,但是鉴于当时可编程芯片和模数转换器发展水平有限,还不可能实现商业化,因而早期的研究都是用于军事目的的。20世纪 80年代,美国率先在军事系统中开始了软件无线电的研究、开发和试验。20 世纪 90年代,由于计
16、算机技术、微电子技术、通信技术和 VLSI技术的飞速发展,使得全面采用软件无线电的思想成为可能。1992 年 5月,MITRE 公司的 Joe Mitola在美国电信系统会议(National Telesystems Conferenee)上首次明确提出了软件无线电的概念,其基本思想是:以通过硬件为基本平台,将宽带 A/D,D/A尽可能靠近天线,把尽可能多的无线通信功能用软件来实现,从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件开发上来。1995 年 5月,以 Joe Mitola的“软件无线电结构”一文为代表,与其它一些论文一起构成了第一期关于软件无线电的专刊发表以后,商用软件无线电的研究
17、开始迅速升温。20世纪 80年代,美国率先在军事系统中开始了软件无线电的研究、开发和试验。20 世纪 90年代,由于计算机技术、微电子技术、通信技术和 VLSI技术的飞速发展,使得全面采用软件无线电的思想成为可能。在国外,软件无线电的研究项目除早己展开 speakeasy，还有 ACTS,RACE,Speetrum Ware,SORT，SLATS，PROMURA 等。ACTS 是欧洲联合研究项目。其中,为了实现多波段、多模式的可编程软件无线电结构,FIRST 项目做了大量研究,内容涉及如何提供多媒体业务以及 RF硬件和 DSP信号处理算法。它建立了 4个多模式测试床,两台用作移动台,另两台用作
18、基站,完成了双制式系统的软件无线电试验;而FRAMES项目则对自适应天线在软件无线电中的使用作了认真研究。欧共体的 ACTSFIRST项目和美国 RUTGERS大学分别进行了针对软件无线电应用于第三代移动通信系统的研究。目前己取得一些重要研究成果,确定了各模块应满足的性能指标。美国哈里斯公司研制成功 AN/VRC-94(E)多频段车载收发信机,可与其他电台如 AN/PRC-117A和 AN/RC-94A互通。美国陆军正在研制新一代三频段的超高频战术卫星通信中断,以实现真正意义上的互通 。41.3软件无线电的研究现状和存在的问题软件无线电是用软件实现各种功能的无线电通信设备,因而所有的处理均是针
19、一对数字化信号进行,其理想结果形式如图 1所示。对所传送的模拟基带信息,先通过 A/D转化为数字基带码,然后由数字信号处理器(DSP)进行处理,实现通信电台的各种功能,最后经宽带 D/A变换出符合要求的射频信号。而接收过程也是如此,射频信号经宽带 A/D变换为数字码。进入 DSP处理,最终由 D/A变换为基带信息提供给终端。图 1 软件无线电系统体系结构框图软件无线电是与原来由硬件电路构成无线电通信电台完全不同的一种信息处理、传送新体制,也与用软件方式控制的数字无线电完全不同。由于 DSP处理能力的制约,在射频完成信息的软件处理,目前是非常困难的。但随着数字式上、下变频技术的发展,已可实现中频
20、数字化、基带 DSP的实时处理。这样的结构具有较高的可实现特点,其 A/D和 D/A转换在中频进行,DSP 实时处理在低频进行,数百 MOPS的处理能力要求易于满足。并且,随着 DSP及 DDC、DUC、A/D 和 D/A技术的发展,数字化频段可向射频段靠近,最终过渡到真正意义的软件无线电系统。1.4论文的基本内容、研究手段和可行性分析1.4.1论文的基本内容第一，滤波器的设计：软件无线电信道处理的关键技术在于获得不同信道的信息,这就要设计不同的滤波器,对数字化 FIR滤波器的设计原理和实现方法进行了深入的研究,在其数学模型基础上,利用 Matlab软件进行了不同信道参数提取和仿真。第二，基于
21、 DSP平台的数字滤波器的实现。在 CCS开发环境下,将通过软件编程得到信号初始数据,用 DSP汇编语言程序进行运行软件的数据接口,并实现在 CCS下的数字滤波,将滤波后的数据通过图形化界面反映出来,以此评估DSP对不同信道的处理效果。1.4.2论文的研究手段根据不同的研究对象拟采用不同的研究手段（途径），本课题包括下面几方面的内容：1.重点分析不同数字滤波器的实现方法，比较优缺点，进行性能对比；2.分析研究 TMS320VC5509DSP的体系结构，简单的比较了它和通用处理器的异同，总结出 DSP区别于通用处理器的主要性能特点；3.选择一种软件无线电信道处理算法，经 MATLAB仿真验证其有
22、效性和可行性；4.设计硬件系统的几个主要模块，选择合适的外围芯片，着重于互相之间的连接方式以及相互协同工作模式。1.4.3论文的可行性分析该系统选择 TMS320VC5509 芯片为处理芯片，该芯片具有性能（最高可达到 200MHz 的处理速度） 、功耗低、接口多、外设丰富的特点，其良好的开发环境 CCS，可以实现各种算法的仿真设计，在此基础上，完成信道处理算法的仿真，并根据选择的算法需求，选择合适的外围芯片，设计硬件平台，在硬件平台上完成软件的设计，经反复调试，使系统指标符合要1.5论文结构安排本 论 文 在 论 述 了 软 件 无 线 电 技 术 的 背 景 、 研 究 现 状 、 国 内
23、 外 发 展 状 况 、以 及 它 的 特 点 的 基 础 上 ,提 出 了 本 课 题 研 究 的 目 的 和 意 义 ,找 出 了 信 道 处 理技 术 的 关 键 是 在 于 对 不 同 频 带 的 信 号 进 行 接 收 处 理 ,亦 即 设 计 不 同 的 滤 波器 在 通 用 硬 件 平 台 上 实 现 。软 件 无 线 电 中 的 滤 波 运 算 可 以 用 软 件 实 现 ,也 可 以 用 硬 件 来 实 现 。 软件 实 现 指 的 是 在 计 算 机 上 执 行 编 辑 好 的 程 序 。 这 种 方 法 灵 活 ,但 一 般 不 能完 成 实 时 处 理 。 硬 件 实
24、现 指 的 是 根 据 数 字 滤 波 器 的 数 学 模 型 和 算 法 ,设 计专 用 数 字 信 号 处 理 器 ,使 计 算 程 序 全 部 硬 件 化 。 实 际 上 ,这 两 种 方 法 是 不 能截 然 分 开 的 。 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ,数 字 信 号 处 理 技 术 的 应 用 范 围 越 来 越广 泛 ,程 度 也 越 来 越 复 扎 ,因 而 对 于 算 法 及 实 现 的 研 究 更 显 重 要 。 本 文 首 先选 用 Matlab,亦 即 矩 阵 实 验 室 来 实 现 对 所 要 求 的 滤 波 器 的 设 计 ,然 后 利 用器 件 对 其
25、 进 行 了 实 现 。论 文 将 按 照 下 面 的 描 述 进 行 内 容 的 安 排 ：第 一 章 在 分 析 软 件 无 线 电 的 起 源 、 研 究 现 状 以 及 存 在 问 题 的 基 础 上 ,提 出了 本 课 题 研 究 的 目 的 与 意 义 ;第 二 章 滤 波 器 的 设 计 。 软 件 无 线 电 信 道 处 理 的 关 键 技 术 在 于 获 得 不 同 信道 的 信 息 ,这 就 需 要 设 计 不 同 的 滤 波 器 ,本 章 对 数 字 化 FIR 滤 波 器 的 设 计 原理 和 实 现 方 法 进 行 了 深 入 的 研 究 ,在 其 数 学 模 型 基
26、 础 上 ,利 用 Matlab 软 件进 行 了 不 同 信 道 参 数 提 取 和 仿 真 ;第 三 章 基 于 DSP 平 台 的 数 字 滤 波 器 的 实 现 。 在 CCS 开 发 环 境 下 ,将 通过 软 件 编 程 得 到 信 号 初 始 数 据 ,用 DSP 汇 编 语 言 程 序 进 行 运 行 软 件 的 数 据 接口 ,并 实 现 在 CCS 下 的 数 字 滤 波 ,将 滤 波 后 的 数 据 通 过 图 形 化 界 面 反 映 出 来 ,以此 评 估 DSP 对 不 同 信 道 的 处 理 效 果 ;第 四 章 对 并 行 处 理 数 字 滤 波 器 进 行 了
27、理 论 研 究 ,提 出 了 由 FPGA 实 现 的技 术 思 路 ,并 与 DSP 的 顺 序 执 行 情 况 进 行 比 较 ,为 实 时 高 速 的 真 正 意 义 上 的软 件 无 线 电 研 究 提 供 了 有 益 的 探 索 。第 五 章 对 两 种 实 现 方 法 进 行 了 总 结 分 析 并 对 今 后 工 作 进 行 了 展 望 。第二章 软件无线电中滤波器的理论与设计软件无线电虽然是一种新型的无线通信体系结论,但它仍然是以现代通信理论为基础的。FIR 数字滤波器是指用有限精度算法实现的,完成信号滤波处理功能的离散时间线性非时变系统,其输入是一组由模拟信号取样和量化得到的
28、数字量,其输出是经过变换得另一组数字量。数字滤波器具有高稳定性、高精度、灵活性大等突出优点。在这一章中介绍了软件无线电中信道处理所涉及的一些基础理论,并且针对软件无线电中对不同频段滤波器的需求,给出了滤波器的理论以及它的设计流程。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,将其变换为适合于数字信号处理器(DSP)或计算机处理地数据流,然后通过软件来完成各种功能,使其具有更好地可扩展性和应用环境适应性。所以,软件无线电首先面临地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地模拟信号进行采样,这些既是最基本,但也是软件无线电信道
29、处理技术中最关键的问题,对此进行详细讨论与阐述,为软件无线电研究奠定了理论基础。2.1.1基本采样定理Nyquist 采样定理 5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:设有一个频率带限信号 x(t),其频带限制在(0, )内,Hf如果以不小于 角的采样速率对 x(t)进行等间隔采样,得到时间离散的HSf2采样信号 x(n)=x(nT )(其中 T =1/ 为采样间隔),则原信号 x(t)将被所得到SSf的采样值 x(n)完全确定。上述 Nyqulst采样定理告诉我
30、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。2.2.2带通信号采样定理由于软件无线电所覆盖地范围一般都要求比较宽,例如从 0.1MHz到 2GHz,作为软件无线电,只有这样宽的频段才能有广泛地适应性,这也是它的最突出的特点之一。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,在本文的滤波器设计中也同样采样带通采样。Nyquist采样定理讨论了频谱分布在(0, )上的基带信号的采样问题,而
31、Hf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 x(t),其频带限制在( , )内,如果LfH其采样频率 满足:Sf（2-)12(nffHLS1） 式中,n 取能满足 2( )的最大整数(0,1,2,),则用 进行等间隔采SfLHfSf样所得到的信号采样值 x(n )能准确地确定信号 x(t) 。 ST6式(2-l)用带通信号的中心频率场和频带宽度 B也可以表示为:（2-1240nffS2）式中， ,n取能满足 B(B为频带宽度)的最大整数。由(2-2)20HLffSf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( B)对带通信号进行采样,带通信号的中心频率必须满足:Sf
