軟件無線電原理與應用（第三版）概述第一章高等學校電子信息類精品教材01無線移動通信簡述無線移動通信簡述01模擬無線電第一代移動通信系統(tǒng)的主要目標是為在大范圍內有限的用戶提供移動電話服務。第一代移動通信系統(tǒng)的特點是：用戶數量相對較少；業(yè)務密度相對較低；小區(qū)半徑較大，一般從幾千米到幾十千米；每個小區(qū)使用一定數量的無線信道頻率。無線移動通信簡述01模擬無線電無線移動通信簡述01模擬無線電圖1.1所示的接收機看起來似乎非常簡單，它的特點是全部采用模擬技術來完成整個接收解調過程。所以，第一代移動通信系統(tǒng)可以稱為模擬無線電。無線移動通信簡述01窄帶數字無線電第二代移動通信系統(tǒng)相比于第一代移動通信系統(tǒng)的主要區(qū)別是:第二代移動通信系統(tǒng)采用了數字調制技術，具有更強的抗干擾能力和更大的通信容量(可以通過語音壓縮增加邏輯信道數);第二代移動通信系統(tǒng)采用了時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)體制，大大提高了頻譜利用率，增加了系統(tǒng)容量；第二代移動通信系統(tǒng)隨著使用頻段的提高，蜂窩小區(qū)半徑可以減小到幾百米，從而可以提高單位面積內的業(yè)務量；第二代移動通信系統(tǒng)由于采用了數字體制，可以與數字化固定基礎設施能更好地兼容，系統(tǒng)對漫游和切換的管理得到了顯著的改善。無線移動通信簡述01模擬無線電第二代移動通信系統(tǒng)以GSM、IS-95、IS-54(D-AMPS)和DCS1800為典型代表，它們的無線接口概況如表1-2所示。無線移動通信簡述01模擬無線電第二代的數字無線電相對于第一代的模擬無線電雖然在技術體制上上了很大一個臺階，通信服務性能也隨之大為提高，但它對不同通信體制(FDMA、TDMA、CDMA)、不同信號類型(FM、MSK、BPSK、QPSK)的適應能力還不是很強。無線移動通信簡述01寬帶數字無線電被ITU認可的第三代移動通信系統(tǒng)標準主要有三個：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。WCDMA是以歐盟為主提出的寬帶CDMA標準；CDMA2000是以美國為主提出、并與IS-95能夠平滑過渡的3G標準；TD-SCDMA則是中國提出、具有自主知識產權的3G標準。無線移動通信簡述01寬帶數字無線電無線移動通信簡述01寬帶數字無線電第三代移動通信系統(tǒng)的最大特點是高的數據速率，步行環(huán)境最小為384kbps,室內環(huán)境可達2Mbps,車載環(huán)境最高速率可達144kbps;同時為提高頻譜利用率，采用了高效的多進制調制技術，如QPSK、8PSK、16QAM等；另外，這三大3G標準除了都統(tǒng)一采用CDMA多址方式外，在具體實現上還是有些差別的，比如TD-SCDMA采用的是TDD(時分雙工)體制，而WCDMA和CDMA2000采用的是FDD(頻分雙工)體制。無線移動通信簡述01寬帶數字無線電從組成框圖可以看出，除射頻前端的工作頻段更高(為2GHz頻段)、中頻帶寬更寬(為5MHz帶寬)外，與2G系統(tǒng)相比較從組成結構來看并沒有多大差別。無線移動通信簡述01軟件無線電第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的特點是超高速的數據傳輸速率，目標是支持下行1Gbps,上行500Mbps的峰值速率，使無線上網速度大大加快。無線移動通信簡述01軟件無線電第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的特點是超高速的數據傳輸速率，目標是支持下行1Gbps,上行500Mbps的峰值速率，使無線上網速度大大加快。無線移動通信簡述01軟件無線電網絡功能虛擬化的實質是將網絡功能從專用硬件設備中分離出來，實現硬件和軟件的解耦，基于通用的計算、存儲、網絡設備并根據需要實現網絡功能的靈活部署。02軟件無線電的定義與特點軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的定義軟件無線電概念的發(fā)明者JosephMitolaⅢ博士的定義是：軟件無線電是多頻段無線電，它具有寬帶的天線、射頻前端、模數/數模變換，能夠支持多個空中接口和協議，在理想狀態(tài)下，所有方面(包括物理空中接口)都可以通過軟件來定義。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的定義軟件無線電論壇()對軟件無線電的定義為：軟件無線電是一種新型的無線電體系結構，它通過硬件和軟件的結合使無線網絡和用戶終端具有可重配置能力。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的定義以上定義主要想闡明作者關于軟件無線電的幾個觀點：一是軟件無線電不僅能應用在通信領域，也可應用在無線電工程的其他相關領域，如雷達、電子戰(zhàn)、導航、廣播電視、測控等領域；二是軟件無線電既不是一部無線電臺也不是一個無線電系統(tǒng)，它是一種設計方法、一種設計理念；三是軟件無線電的硬件平臺越簡單越好，要與實現的無線電功能“脫鉤”,無線電功能主要由軟件實現；四是軟件無線電的功能軟件要采用構件化實現，而且可重構、可升級，不能是固化的、不可修改的。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的特點(1)天線智能化天線是軟件無線電的電磁感應器，它把發(fā)射機輸出的電信號變換為電磁波發(fā)向空間，由遠處的接收天線接收，再反過來把空間電磁信號變換為電信號，提供給后面的接收機進行接收處理。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的特點(2)前端寬開化軟件無線電的特點是廣泛的適用性，可擴展、可升級，這就要求軟件無線電的射頻前端是"寬開"的，即能在足夠寬的頻段工作。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的特點(3)中頻寬帶化軟件無線電的中頻帶寬如果設計成與信號帶寬一樣寬(從1G到2G再到3G都是這樣設計的),顯然就談不上對多體制不同帶寬信號的適應性，或者說對信號的適應能力就會變得很差，甚至只能適應一種體制的信號(如果中頻帶寬選得很窄，比如在1G和2G中的中頻帶寬就選擇為信道帶寬25kHz和200kHz)。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的特點(4)硬件通用化這里的硬件不僅指的是射頻前端硬件，更指后面的信號處理平臺硬件。只有硬件的通用性，使軟件無線電功能的實現與硬件“脫鉤”才能為軟件無線電功能實現的軟件化奠定基礎，或者說硬件平臺的通用化是軟件無線電功能軟件化的基礎或前提。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的特點(5)功能軟件化軟件無線電的最大特點是其功能不是通過硬件來定制，而是通過軟件來實現的。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的特點(6)軟件構件化軟件無線電的功能軟件是軟件無線電的核心。軟件無線電的定義與特點02軟件無線電的特點(7)動態(tài)可重構軟件無線電的硬件資源可以根據功能的需求靈活進行分配調度。03軟件無線電的發(fā)展歷程軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的提出JosephMitolaⅢ博士最早于1992年5月在美國電信會議上提出了軟件無線電(SoftwareRadio,SR)的概念，當時他提出的軟件無線電概念是比較理想化的。他在那篇具有里程碑意義的文章中給出的一種理想的軟件無線電組成框圖如圖1.5所示。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的提出軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的提出相比于SDR,SR則可以認為是一種理想的軟件無線電,它要求數字化接口盡可能地去靠近天線根部。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電(SDR)論壇SDR論壇是一個獨立的組織，其成員包括在軟件無線電方面有經念和有興趣的公司和協會。SDR論壇不從事具體軟件無線電系統(tǒng)的開發(fā)，而是試圖扮演軟件無線電標準化組織的角色，通過為軟件無線電制定一個全球統(tǒng)一的標準，促進軟件無線電技術的發(fā)展，并造就一個類似“無線個人計算機”的無線市場。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的先行者：SPEAKeasy第一階段的研究:第一階段研究從1992年到1995年，主要與Hazeltine、TRW、Lockheed-Martin、Motorola和RockwellCollins等公司簽訂了合同。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的定義第二階段的研究：●實現一個可重構的體系結構；●實現一個開放式的體系結構；●采用更多的商用現貨(COST)組件；●減小體積，使其適應野戰(zhàn)環(huán)境；●采用可重構的硬件。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的推動者：JTRS與SCAJTRS計劃將實現以下目標:支持的工作頻率范圍為2MHz～2GHz;可以通過波形軟件進行重構；支持語音、視頻和數據應用；在軟件和硬件方面都是可擴展的；利用商用現貨以節(jié)省開支；能夠與不同的波形、傳統(tǒng)的裝備以及為不同環(huán)境而設計的無線電系統(tǒng)進行互操作。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的推動者：JTRS與SCA(6)軟件構件化為便于JTRS在統(tǒng)一的框架下進行聯合開發(fā)，體現軟件無線電體系結構的開放性。20世紀90年代末，JPO(JTRS聯合計劃辦公室)在Raytheon、BAE、RockwellCollins、ITT等公司的支持下，開始制定SCA(軟件通信體系結構)規(guī)范。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的推動者：JTRS與SCA(6)軟件構件化JTRS計劃在其實施過程中由于遇到了很多技術問題，可以說是一波三折。2006年3月，JTRS聯合計劃執(zhí)行辦公室對該項目進行了重組，重新開始執(zhí)行新的角色、任務、職能以及計劃需求。軟件無線電的發(fā)展歷程03軟件無線電的發(fā)展目前全球在軟件無線電方面取得的大量研究成果不僅已在軍事通信領域獲得了廣泛的應用，而且也極大地推動了軟件無線電在其他軍事領域，如第四/五代戰(zhàn)機的綜合航空電子系統(tǒng)、艦載綜合一體化電子系統(tǒng)等武器平臺中的應用，并將大力提升裝備性能；與此同時，軟件無線電在民用移動通信中的應用研究也正在如火如荼地開展，在第三/四代移動通信中已初露鋒芒，在未來移動通信中將會獲得廣泛應用，其硬件通用化、功能軟件化、動態(tài)可重構為特征的軟件無線電體系結構，將大放異彩，展現強大的可重構、可升級、可演進能力，把移動通信技術及其業(yè)務推向一個新高度。04軟件無線電體系框架與本書結構軟件無線電體系框架與本書結構04軟件無線電的概念雖然早在1992年就已提出，但軟件無線電的理論框架并沒有很快形成。軟件無線電體系框架與本書結構04基于此，作者在2001年1月出版的《軟件無線電原理與應用》一書3對軟件無線電所涉及的基本理論問題進行了系統(tǒng)梳理，形成了軟件無線電的理論框架體系。軟件無線電體系框架與本書結構04本書是在《軟件無線電原理與應用》(第1版)、《軟件無線電技術與應用》(國防特色教材)的基礎上，結合軟件無線電的發(fā)展和作者的研究成果，整合相關內容編著而成的。軟件無線電體系框架與本書結構04感謝觀看，再見！軟件無線電原理與應用（第三版）高等學校電子信息類精品教材軟件無線電原理與應用（第三版）軟件無線電理論基礎第二章高等學校電子信息類精品教材01信號采樣基本理論信號采樣基本理論01軟件無線電的核心思想是對由天線感應的射頻模擬信號盡可能地直接進行數字化，將其變換為適合于數字信號處理器(DSP)、現場可編程門陣列(FPGA)或計算機等進行處理的數據流，然后通過軟件(算法)來完成各種功能，使其具有更好的可擴展性和應用環(huán)境適應性。信號采樣基本理論01Nyquist采樣定理的大概意思是：如果對某一時間連續(xù)信號(模擬信號)進行采樣，當采樣速率(有時也稱為采樣頻率)達到一定數值時，那么，根據這些采樣值就能準確地確定原信號。Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01Nyquist采樣定理：設一個頻率帶限信號x(t),其頻帶限制在(0,f)內，如果以不小于f=2的采樣速率對x()進行等間隔采樣，得到時間離散的采樣信號x(n)=x(nT)(其中T=1/S稱為采樣間隔),則原信號x1)將被所得到的采樣值x(n)完全地確定。Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01采樣定理的意義在于，由于時間上連續(xù)的模擬信號可以用時間上離散的采樣值來取代，這樣就為模擬信號的數字化處理奠定了理論基礎。Nyquist采樣定理信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論Nyquist采樣定理只討論了其頻譜分布在(0,f)上的基帶信號的采樣問題，如果信號的頻率分布在某一有限的頻帶(f,i)上時，那么該如何對這樣的帶通信號[見圖2.4(a)]進行采樣是需要進一步考慮的問題。信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論值得指出的是，上述帶通采樣定理適用的前提條件是：只允許在其中的一個頻帶上存在信號，而不允許在不同的頻帶上同時存在信號，否則將會引起信號混疊。信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論另外一個非常需要注意的問題是，無論是前面討論的Nyquist低通采樣定理還是帶通采樣定理中所敘述的“頻帶寬度為B的信號”,不能只簡單地理解為帶寬為B的單個信號，而應該理解為“帶寬為B的整個頻帶內的信號”,在該頻帶內既可能是單個寬帶信號，也可能是多個信號，如圖2.6所示。信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論信號采樣基本理論01帶通信號采樣理論下面開始討論軟件無線電中的采樣理論及其實現技術，重點討論采樣定理在軟件無線電工程應用中的一些特殊性，并介紹作者的獨創(chuàng)性研究成果；考慮抗混疊濾波器矩形系數時的帶通采樣定理以及可以直接對射頻信號進行采樣的射頻直接帶通采樣定理。02軟件無線電中的信號采樣軟件無線電中的信號采樣02允許過渡帶混疊時的采樣定理軟件無線電中的信號采樣02允許過渡帶混疊時的采樣定理這里的B實際上也是ADC采樣前的抗混疊濾波器的帶寬，而這個濾波器在前面的討論中都一概假定是理想的矩形濾波器，如圖2.11(a)所示。軟件無線電中的信號采樣02允許過渡帶混疊時的采樣定理軟件無線電中的信號采樣02允許過渡帶混疊時的采樣定理軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的正交低通采樣由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，比如從0.1MHz到3GHz,只有這樣寬的頻段才能具有廣泛的適應性。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的正交低通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的正交低通采樣正交低通采樣的基本原理是首先通過第一個混頻器把某一頻段的射頻信號變換為合適的寬帶中頻信號，然后由正交的兩個第二混頻器把該中頻信號變換為兩個正交的基帶信號I(t)、Q)(零中頻信號)。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的正交低通采樣正交低通采樣的最大好處是可以降低采樣速率，而且可以直接獲得兩個止交信號，有利于后續(xù)進行各種信號處理，如解調、參數測量、信號識別等。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的正交低通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的寬帶中頻帶通采樣當所需要的處理帶寬即中頻帶寬B很寬時，上面介紹的正交低通采樣體制其性能將會受到正交特性、動態(tài)范圍等的限制。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的寬帶中頻帶通采樣圖2.14中的射頻前端只示意性地畫出一次變頻，在實際中為了提高模擬前端的性能，一般都采用二次以上的變頻體制(見第4章介紹)。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的寬帶中頻帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的寬帶中頻帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的寬帶中頻帶通采樣為簡化射頻模擬前端的復雜性，提高軟件無線電的可擴展性和對不同信號的適應能力，我們提出了一種射頻直接帶通采樣軟件無線電體制，該體制的模擬射頻前端只需要一個跟蹤濾波器和必要的低噪聲放大器(LNA),就能實現對全頻段信號的采樣數字化，并完成軟件解調和接收處理。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣射頻直接帶通采樣軟件無線電體制仍然是以帶通信號采樣理論為基礎的。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣由于這種采樣針對的是未經變頻的射頻信號(ADC之前只有濾波和放大環(huán)節(jié)，沒有變頻環(huán)節(jié)),所以把這種采樣也稱為射頻直接帶通采樣。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣由圖2.17可見，這種接收體制與理想化的軟件無線電是比較接近的，因為在天線與ADC之間只有跟蹤濾波器和放大器，如果ADC靈敏度足夠高，或者說ADC中自身帶有增益足夠高、動態(tài)范圍足夠大的寬帶放大器的話，那么圖2.17中的放大器也就不需要了，這樣在天線與ADC之間只存在跟蹤濾波器，這與軟件無線電所要求的ADC盡可能靠近天線的設計宗旨就基本一致了。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣在圖2.16所示的整帶采樣方案中，只有當B取為信道帶寬(比如對戰(zhàn)術電臺取B為25kHz;對GSM基站取B為200kHz;對WCDMA基站B取為5MHz等)時，才可能實現“無盲區(qū)”的全頻段采樣。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣“盲區(qū)”采樣頻率確定后，并不意味著就能夠實現無“盲區(qū)”采樣，還必須對濾波器的特性(矩形系數)提出一定要求，否則采樣“盲區(qū)”仍然會無法消除。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣如前所述，實際的無線電信號，特別是目前比較常規(guī)的通信信號，其瞬時信號帶寬都不會很寬，一般都在幾十千赫茲量級(如戰(zhàn)術電臺),最寬也不會超過幾兆赫茲(如第三代個人移動通信信號)。軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02軟件無線電中的射頻直接帶通采樣軟件無線電中的信號采樣02帶通采樣對采樣頻率的精度要求前面詳細討論了軟件無線電中的三種采樣體制：正交低通采樣、寬帶中頻帶通采樣和射頻直接帶通采樣。采樣的目的是要對采樣信號進行分析處理，完成諸如信號參數測量、信號識別、信號解調等任務。軟件無線電中的信號采樣02帶通采樣對采樣頻率的精度要求軟件無線電中的信號采樣02帶通采樣對采樣頻率的精度要求03多率信號處理多率信號處理03采樣信號的等效基帶譜與抽取的基本概念多率信號處理03采樣信號的等效基帶譜與抽取的基本概念多率信號處理03采樣信號的等效基帶譜與抽取的基本概念從圖2.23中很直觀地會想到，如果用一個數字低通濾波器濾出圖中最左邊靠近零頻的信號，而把其他信號全部濾除掉，這樣經過低通濾波后只剩下了一個窄帶的低通信號，如果該信號的帶寬僅為f/2的1/D,很顯然就可以把采樣速率降為原來的1/D即f/D。多率信號處理03低通信號的整數倍抽取多率信號處理03低通信號的整數倍抽取多率信號處理03低通信號的整數倍抽取多率信號處理03數字帶通信號的抽取1.整帶抽取多率信號處理03數字帶通信號的抽取2.無盲區(qū)整帶抽取多率信號處理03數字帶通信號的抽取3.帶通信號的正交復抽取多率信號處理03數字帶通信號的抽取4.帶通信號的正交實抽取多率信號處理03整數倍內插多率信號處理03整數倍內插多率信號處理03整數倍內插多率信號處理03整數倍內插多率信號處理03采樣速率的分數倍變換前面討論的抽取和內插實際上是采樣速率變換的一種特殊情況即整數倍變換的情況，然而在實際中往往會碰到非整數倍即分數倍變換的情況，本節(jié)就討論采樣速率的分數倍變換的問題。多率信號處理03采樣速率的分數倍變換多率信號處理03采樣速率的分數倍變換多率信號處理03采樣速率變換性質多率信號處理03采樣速率變換性質多率信號處理03采樣速率變換性質多率信號處理03抽取器、內插器的多相濾波實現前面詳細介紹了多率信號處理中的兩個最基本的重要概念，即抽取和內插，給出了實現抽取器和內插器的結構模型，如圖2.28和圖2.41所示。多率信號處理03抽取器、內插器的多相濾波實現多率信號處理03抽取器、內插器的多相濾波實現多率信號處理03采樣速率變換的多級實現前面在討論采樣速率變換(抽取、內插)時，都是按單級實現來考慮的，即D倍內插或抽取均一次完成，如圖2.54所示。多率信號處理03采樣速率變換的多級實現多率信號處理03采樣速率變換的多級實現多率信號處理03采樣速率變換的多級實現本節(jié)對軟件無線電最基本也是很重要的多率信號處理理論進行了簡要介紹，主要包括：低通信號的整數倍抽取，帶通信號的整帶抽取，帶通信號的無盲區(qū)抽取，帶通信號的正交復抽取和正交實抽取，整數內插，采樣速率的分數倍變換，采樣速率變換的多級實現以及抽取與內插的多相濾波實現等內容，這些基礎理論尤其是多相濾波理論對于開展軟件無線電技術研究和應用開發(fā)極其重要，讀者應該深刻理解和熟練掌握。04軟件無線電中的高效數字濾波軟件無線電中的高效數字濾波04數字濾波器設計基礎軟件無線電中的高效數字濾波04數字濾波器設計基礎1.FIR濾波器的窗函數設計軟件無線電中的高效數字濾波04數字濾波器設計基礎軟件無線電中的高效數字濾波04數字濾波器設計基礎2.最佳濾波器設計軟件無線電中的高效數字濾波04數字濾波器設計基礎軟件無線電中的高效數字濾波04適合于D=2M倍抽取或內插的半帶濾波器半帶濾波器(Half-BandFilter)在多率信號處理中有著特別重要的位置，因為這種濾波器特別適合于實現D=2M倍(2的冪次方倍)的抽取或內插，而且計算效率高，實時性強。軟件無線電中的高效數字濾波04適合于D=2M倍抽取或內插的半帶濾波器軟件無線電中的高效數字濾波04適合于D=2M倍抽取或內插的半帶濾波器軟件無線電中的高效數字濾波04適合于D=2M倍抽取或內插的半帶濾波器軟件無線電中的高效數字濾波04積分梳狀濾波器軟件無線電中的高效數字濾波04積分梳狀濾波器軟件無線電中的高效數字濾波04積分梳狀濾波器05軟件無線電中的正交信號變換軟件無線電中的正交信號變換05正交變換的基本概念軟件無線電中的正交信號變換05正交變換的基本概念也就是說從解析信號很容易獲得信號的三個特征參數：瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率。而這三個特征參數是信號分析、參數測量或識別解調的基礎，這就是對實信號進行解析表示的意義所在。所以一個實信號的解析表示(正交分解)在信號處理中有著極其重要的作用，是軟件無線電的基礎理論之一，掌握這一基礎理論對軟件無線電算法研究具有重要意義。軟件無線電中的正交信號變換05窄帶信號的正交分解與模擬域實現軟件無線電中的正交信號變換05窄帶信號的正交分解與模擬域實現軟件無線電中的正交信號變換05數字混頻正交變換軟件無線電中的正交信號變換05數字混頻正交變換軟件無線電中的正交信號變換05基于多相濾波的數字正交變換軟件無線電中的正交信號變換05基于多相濾波的數字正交變換軟件無線電中的正交信號變換05基于正交變換的瞬時特征提?。篊ORDIC算法軟件無線電中的正交信號變換05基于正交變換的瞬時特征提?。篊ORDIC算法上面只對用CORDIC算法實現正余弦函數和進行極坐標轉換的方法進行了簡單介紹，實際上CORDIC算法經過后人不斷改進和擴展，已推廣到其他函數的計算，如雙曲函數、指數函數、乘除算法等，有興趣的讀者可參考相關文獻資料，這里就不一一介紹了。軟件無線電中的正交信號變換05多信號正交變換感謝觀看，再見！軟件無線電原理與應用（第三版）高等學校電子信息類精品教材軟件無線電原理與應用（第三版）軟件無線電體系結構第三章高等學校電子信息類精品教材01軟件無線電的三種結構形式軟件無線電的三種結構形式01軟件無線電的宗旨就是盡可能地簡化射頻模擬前端，使A/D轉換盡可能地靠近天線去完成模擬信號的數字化，而且數字化后的信號要盡可能多地用軟件來實現各種功能和指標。另外，軟件無線電的硬件平臺應具有開放性、通用性，軟件可升級、可替換。軟件無線電的三種結構形式01通過前面的介紹已經知道，軟件無線電主要由三大部分組成，即用于射頻信號變換、位于模數/數模轉換之前的模擬射頻前端(含天線),高速模數/數模轉換器(ADC、DAC)以及位于ADC之后、DAC之前的數字信號處理(DSP)三大部分，如圖3.1所示。軟件無線電的三種結構形式01低通采樣軟件無線電結構軟件無線電的三種結構形式01低通采樣軟件無線電結構軟件無線電的三種結構形式01射頻直接帶通采樣軟件無線電結構軟件無線電的三種結構形式01射頻直接帶通采樣軟件無線電結構軟件無線電的三種結構形式01寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構寬帶中頻帶通采樣軟件無線電的組成結構如圖3.5所示。軟件無線電的三種結構形式01三種軟件無線電結構的等效數字譜由第2章Nyquist采樣定理的介紹可知，第一種基于低通采樣的軟件無線電結構的數字譜最為簡單明了，如圖3.6所示，為方便起見，圖中的頻率全部用模擬頻率來表示，而且僅畫出正頻部分。軟件無線電的三種結構形式01三種軟件無線電結構的等效數字譜軟件無線電的三種結構形式01三種軟件無線電結構的等效數字譜軟件無線電的三種結構形式01三種軟件無線電結構的等效數字譜第二種軟件無線電結構采用了射頻直接(不經過混頻)帶通采樣技術，這種采樣與第三種結構的中頻帶通采樣的不同點只是為了消去因前置跟蹤濾波器不理想而產生的采樣“盲區(qū)”,需要多個采樣頻率，其中包括一個主采樣頻率fs和M個“盲區(qū)”采樣頻率fsm。軟件無線電的三種結構形式01三種軟件無線電結構的等效數字譜02軟件無線電接收機體系結構軟件無線電接收機體系結構02單通道軟件無線電接收機所謂單通道軟件無線電接收機是指這種接收機在同一時刻只能接收所選擇的一個信道的信號進行接收解調分析，不能同時接收多個信號。軟件無線電接收機體系結構02單通道軟件無線電接收機軟件無線電接收機體系結構02單通道軟件無線電接收機軟件無線電接收機體系結構02單通道軟件無線電接收機需要指出的是，圖3.15所示的基于多相濾波正交化處理的接收機模型，其采樣公式仍為帶通采樣公式，但此式中的方為信號載頻，而不是3.1節(jié)中介紹的為采樣頻帶的中心頻率。圖3.14和圖3.15所示的接收機模型同時只能接收一個信號，而無法同時接收多個信號，也就是說這兩種模型都不具備同時處理多個信號的能力，所以稱其為單通道模型。軟件無線電接收機體系結構02多通道軟件無線電接收機下面重點討論基于多相濾波器組的信道化接收機結構模型，這種接收機可以實現對處理帶寬內的信號進行全概率截獲和接收解調。軟件無線電接收機體系結構02多通道軟件無線電接收機03多相濾波信道化接收機體系結構多相濾波信道化接收機體系結構03數字濾波器組與信道化的基本概念多相濾波信道化接收機體系結構03數字濾波器組與信道化的基本概念圖中的fs為輸入信號s(n)的采樣頻率。多相濾波信道化接收機體系結構03數字濾波器組與信道化的基本概念另外一個不同點是由于經復本振混頻及低通濾波后的信號為復信號，且?guī)挒棣?D,故可對該信號進行2D倍抽取，如圖3.23所示。多相濾波信道化接收機體系結構03復信號的多相濾波信道化接收機復信號的信道化原始結構如圖3.22所示。多相濾波信道化接收機體系結構03實信號的多相濾波信道化接收機實信號的信道化原始結構如圖3.23所示。推導方法與復信號是類似的，所不同的是現在的抽取倍數為(2D),而不是復信號時的D。多相濾波信道化接收機體系結構03實信號的多相濾波信道化接收機根據上述推導過程，可得到實信號的多相濾波信道化接收機結構模型如圖3.26所示。多相濾波信道化接收機體系結構03實信號的多相濾波信道化接收機04軟件無線電發(fā)射機體系結構軟件無線電發(fā)射機體系結構04單通道軟件無線電發(fā)射機軟件無線電發(fā)射機體系結構04單通道軟件無線電發(fā)射機圖3.31所示的調制模型實際上就是軟件無線電發(fā)射機的基本結構模型，稱其為基頻發(fā)射機。軟件無線電發(fā)射機體系結構04單通道軟件無線電發(fā)射機軟件無線電發(fā)射機體系結構04單通道軟件無線電發(fā)射機圖3.35所示的軟件無線發(fā)射機改進模型雖然解決了高速數字濾波的問題，但對數模轉換器(D/A)的要求仍然是相當高的，也就是要求D/A有相當高的轉換速率。軟件無線電發(fā)射機體系結構04多通道軟件無線電發(fā)射機多通道軟件無線電發(fā)射機實際上就是由多個單通道發(fā)射機構成的并行發(fā)射機，其模型如圖3.38所示。軟件無線電發(fā)射機體系結構04多通道軟件無線電發(fā)射機05信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05信道化發(fā)射機的基本概念通常的發(fā)射機同一時刻往往只能發(fā)射單個信號，比如目前的常規(guī)電臺、無線基站發(fā)射機等，為了能做到同時發(fā)射多個信號，就需要用多部發(fā)射機并聯工作，構成一個發(fā)射機陣列來實現。信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05信道化發(fā)射機的基本概念信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05信道化發(fā)射機的基本概念圖3.41所示的信道化發(fā)射機模型雖然能實現發(fā)射機信道化的思想，但實際上還是一種多通道并行實現的思路，并未達到結構簡化的目的。下面推導基于多相結構的信道化發(fā)射機結構模型，這種模型計算效益高，實時處理能力強，結構簡單，易于實現。信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05復信號輸出的多相濾波信道化發(fā)射機信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05復信號輸出的多相濾波信道化發(fā)射機由上面的推導過程可以看出，圖3.42所示的信道化發(fā)射機模型輸出的信號y(n)是復信號，y(n)由式(3-59)表示。信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05復信號輸出的多相濾波信道化發(fā)射機信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05實信號輸出的多相濾波信道化發(fā)射機具有實信號輸出的信道化發(fā)射機的直接實現形式如圖3.43所示。信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05實信號輸出的多相濾波信道化發(fā)射機信道化軟件無線電發(fā)射機體系結構05實信號輸出的多相濾波信道化發(fā)射機本節(jié)介紹的基于多相濾波高效率實現的信道化發(fā)射機模型是TDM-FDM復接方式轉換的一個典型應用場景。感謝觀看，再見！軟件無線電原理與應用（第三版）高等學校電子信息類精品教材軟件無線電原理與應用（第三版）軟件無線電硬件平臺設計第四章高等學校電子信息類精品教材01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電系統(tǒng)設計原則包括硬件設計原則和軟件設計原則兩部分，兩部分設計原則的出發(fā)點和膠合點是軟件通信體系結構(SCA)規(guī)范。硬件設計的原則概括來說有以下兩條：●基于硬件體系結構模型設計原則；●基于標準總線設計原則。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介所謂體系結構是指組成系統(tǒng)各部件的結構、它們之間的關系以及制約它們設計隨時間演進的原則和指南。按照軟件無線電各功能模塊的連接方式劃分，目前，硬件體系結構可分為以下四種:●流水式硬件體系結構；●總線式硬件體系結構；●交換式網絡硬件體系結構；●基于計算機和網絡的硬件體系結構。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(1)流水式硬件體系結構流水式硬件體系結構如圖4.1所示，包括寬帶多頻段天線、射頻(RF)部分、寬帶ADC和DAC、DDC和DUC以及數字信號處理器(DSP)等。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(2)總線式硬件體系結構總線式軟件無線電結構中，各功能單元通過總線連接起來，并通過總線交換數據和控制命令，總線式硬件體系結構如圖4.2所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(3)交換式硬件體系結構交換式硬件體系結構是一種基于交換網絡的軟件無線電結構，如圖4.3所示。該結構通過交換網絡和適配器為各功能模塊提供統(tǒng)一的數據通信服務。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(4)基于計算機和網絡的硬件體系結構基于計算機和網絡的硬件體系結構由可編程前端、交換網絡和并行計算機系統(tǒng)組成，如圖4.4所示。用網絡構成計算機群作為運算平臺，用消息傳遞實現計算機間的互聯，用協同計算方案軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則2.標準總線簡介軟件無線電只有采用先進的標準總線結構，才能發(fā)揮其適應性廣、升級換代簡便的特點。所以，軟件無線電硬件系統(tǒng)的設計應基于主流的標準總線，這樣的好處是顯而易見的，主要是通用、設計難度降低、實現簡單、可貨架式采購和搭建、成本相對較低等。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則目前，主流標準總線有VME系列和PCI系列兩大類，其發(fā)展歷程如表4-2所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則兩大標準為多種主流的互連協議制定了各自的工業(yè)標準，如表4-3所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則VME總線標準一直在發(fā)展，從最初的VME32,發(fā)展到VME64、VME2eSST、VXS,直至目前最新一代的總線標準——VPX。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則表4-4列出了VPX系列、VME64x和VITA41(VXS)等標準的功能和性能情況。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計具有寬帶高速數據傳輸網絡為保證大量數據的傳輸，軟件無線電系統(tǒng)必須具有極高的數據交換和I/O吞吐能力，傳輸網絡的鏈路傳輸速率應該達到10Gbps級以上。②系統(tǒng)架構單板級：射頻模擬前端、A/D板、D/A板、信號處理板、數據處理板等；通道級：多個從天線到處理板再到天線的完整通道合成與分離；單機級：多個單機伸縮性要求。③支持多處理器系統(tǒng)由于軟件無線電系統(tǒng)是在射頻或中頻上對寬帶通道進行連續(xù)不斷的采樣(包括接收和發(fā)射),需要對高速數據流進行實時處理，運算量非常大，因此要求極高的處理速度，目前單片數字信號處理芯片一般難以勝任，需要多片數字信號處理芯片同時并行處理，軟件無線電硬件系統(tǒng)應能保證多處理器的并行處理，共享系統(tǒng)資源。①1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計具有良好的機械和電磁兼容特性能夠在惡劣的環(huán)境(包括溫度、沖擊、振動、氣壓、濕度等極端情況)中正常工作。⑤系統(tǒng)功能可重構系統(tǒng)通過加載不同的軟件進行功能重構。④1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構(1)軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡承載著系統(tǒng)重構性、伸縮性、通用性和實時性的實現。通過它可以：完成所有數字信號處理功能；運算資源集中控制、統(tǒng)一調度、并行/串聯同步工作；系統(tǒng)資源按需分配、有效共享；滿足原始數據/中間數據/結果數據從源地址無障礙、實時地傳輸到目標地址；數據的高速輸入、輸出。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構(2)軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡拓撲結構軟件無線電硬件系統(tǒng)的數字傳輸網絡集中體現了系統(tǒng)的硬件體系結構和技術體制。首先，體現體系結構的開放性，這一點通過開放的網絡拓撲結構來實現；其次是通用性，即傳輸網絡的物理層應該通用，要有足夠的包容能力。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構(3)軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡傳輸協議目前主流的高速傳輸技術(協議)有PCIExpress(PCI-E)、RapidIO、InfiniBand、FibreChannel(光纖通道)和Ethernet(以太網)等。各種傳輸技術目前的應用情況如圖4.10所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計PCIExpress的網絡拓撲結構必須是樹狀的，如圖4.11所示，這種網絡結構對于系統(tǒng)的伸縮性有一定的影響。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計2.軟件無線電硬件系統(tǒng)數字信號處理架構軟件無線電硬件系統(tǒng)的數字信號處理架構主要涉及FPGA、DSP和GPP等器件。FPGA、DSP和GPP是目前主流的數字信號處理器件，各有特點，如表4-5所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計3.軟件無線電硬件系統(tǒng)設計根據圖4.7所示，基于全交換的軟件無線電硬件系統(tǒng)包括可重構天線陣、可重構射頻前端、可重構A/D/A,可重構數字信號處理和重構控制五部分。02軟件無線電的射頻前端軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構射頻前端有三種結構：多次變頻的超外差結構、直接變換的零中頻結構、不變頻結構。前兩種前端結構適用于寬帶中頻采樣的軟件無線電體制，不變頻前端結構則適用于射頻低通、射頻帶通采樣的軟件無線電體制。多次變頻的超外差射頻前端結構如圖4.13所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構超外差的射頻前端結構的主要優(yōu)點是：①靈敏度高(由于有預選濾波器和信道濾波器);②總增益被分配到工作在不同頻率的多級放大器上，降低了放大器的設計難度；③實信號變頻只在一個固定頻率上進行，對本振的相位和幅度平衡沒有要求。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構其主要缺點是：①復雜程度高；②需要多個本地振蕩器；③鏡頻信號干擾的抑制比較困難，需要特殊的中頻(IF)濾波器，很難用單片集成電路實現超外差接收機。圖4.14給出一個實際超外差射頻前端的例子。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構直接變換的射頻前端結構的主要優(yōu)點是：①把射頻信號直接混至基帶，輸出端不會出現鏡頻信號；②只要求簡單的濾波；③容易實現電路集成。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構主要缺點是：①本振泄露較嚴重，即本地振蕩器產生的信號容易通過低噪聲放大器反向泄露到RF端口，通過天線輻射出去；②由于為零中頻，任何直流偏移都無法從有用信號中分離出來，而且較大的直流電平，容易使后端飽和；③如果同相、正交兩路的平衡性不好，將嚴重影響接收機的性能。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構不變頻的射頻前端結構如圖4.16所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端各功能模塊的設計混頻器(Mixer)混頻器是將輸入的兩個不同信號的頻率進行相加或相減運算，實現信號的頻率搬移。混頻器主要有兩類：無源混頻器(比如二極管)、有源混頻器(采用有增益的器件，比如，雙極性晶體管、場效應管)。2本地振蕩器(LocalOscillator)與混頻器緊密相關的一個器件是頻率源(本地振蕩器)。頻率源最重要的參數是相位噪聲(相噪)。3濾波器(Filter)射頻濾波器主要實現對信號的預濾波，并提高接收模塊和發(fā)射模塊之間的隔離度。濾波器的種類很多，主要有LC濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、機械濾波器等。1軟件無線電的射頻前端02射頻前端各功能模塊的設計功率放大器(PowerAmplifier)軟件無線電必須能滿足各種通信體制的功率放大要求，需具有較寬的發(fā)射帶寬，特別是對效率、線性、雜散輻射等性能要求較高。5放大器(Amplifier)放大是整個前端電路中非常重要的一個環(huán)節(jié)。由于軟件無線電的接收通道是寬帶的，甚至是寬開的，通帶內的信號可能有很多。4軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標射頻前端的技術指標很多，主要有噪聲系數、二階截點值、三階截點值、動態(tài)范圍、鏡頻抑制、本振反向輻射等。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標1.噪聲系數(Noisefactor)噪聲系數表明了一個模塊或一個網絡固有的噪聲影響，說明通過這些模塊、網絡時，信號的信噪比降低的程度。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標2.靈敏度(Sensitivity)在介紹靈敏度之前，先來討論一下最小可檢測電平。最小可檢測電平(MinimumDetectableSignal,MDS)對接收機來說是一個很重要的參數，它表征了系統(tǒng)可檢測的最弱信號。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標3.截點值(InterceptPoint)表征接收機、發(fā)射機非線性性能的指標很多，比如有1dB壓縮點、二階截點值、三階截點值等。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標4.動態(tài)范圍(DynamicRange,DR)動態(tài)范圍是指接收機在達到規(guī)定的信息質量下，能處理的信號電平范圍。在數字通信中，信息質量常用誤比特率來表示。動態(tài)范圍可以用1dB壓縮點與系統(tǒng)噪聲電平之差來表示，如圖4.33所示。該動態(tài)范圍也稱1dB增益壓縮點動態(tài)范圍。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標5.無虛假動態(tài)范圍(Spur-FreeDynamicRange,SFDR)無虛假動態(tài)范圍與三階互調抑制比很類似。無虛假動態(tài)范圍是指失真產物等于噪聲功率時，基波功率與噪聲功率之差，如圖4.34所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標6.虛假響應混頻器要把射頻信號變頻至中頻信號(IF),如果是上變頻則選擇(fRF+fLO),下變頻則選擇(fRF-fLO)或(fLO-fRF)。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標7.舉例下面我們通過一個例子，來說明多個級聯模塊(見圖4.37)的總噪聲系數、三階截點值、靈敏度、動態(tài)范圍等指標的計算方法。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標03軟件無線電中的A/D/A技術軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類1.逐次比較式A/D轉換器逐次比較(SA)式A/D轉換器的應用范圍很廣，它可以用較低的成本得到很高的分辨率和采樣速率。其通過速率可達到1MHz以上，轉換位數可達到16位或更多。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類2.并行式A/D轉換器并行式A/D轉換器的功能框圖如4.40所示。模擬信號同時輸入到2~-1個帶鎖存的比較器中，每一個比較器的參考電壓都比下一個的參考電壓高出一個LSB所代表的電壓值。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類3.子區(qū)式A/D轉換器子區(qū)式(Subranging)A/D轉換器功能框圖如圖4.41所示。以8位(bit)轉換器為例，首先用第一片并行式A/D轉換器(優(yōu)于8位精度)數字化出高4位。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類4.∑-△A/D轉換器∑-△(總和增量)ADC是一種過采樣量化器，其利用過采樣、噪聲整形、數字濾波等手段來提高數字化性能。通信信號對靈敏度、動態(tài)范圍要求高，而帶寬相對較窄，所以可以實現很高的過采樣速率，達到很高的量化信噪比。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(1)轉換靈敏度軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標（2）信噪比軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(3)有效轉換位數由于A/D轉換部件不能做到完全線性，總會存在零點幾位乃至一位的精度損失，從而影響A/D的實際分辨率，降低了A/D的轉換位數。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(4)孔徑誤差孔徑誤差是由于模擬信號轉換成數字信號需要一定的時間來完成采樣、量化、編碼等工作而引起的。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(5)無雜散動態(tài)無雜散動態(tài)(SpuriousFreeDynamicRange,SFDR)是指在第一奈奎斯特區(qū)內測得信號幅度的有效值與最大雜散分量有效值之比的分貝數。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(6)動態(tài)范圍軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(7)非線性誤差非線性誤差是指A/D轉換器理論轉換值與其實際特性之間的差別。非線性誤差又可分為差分非線性(DifferentialNon-Linearity,DNL)誤差和積分非線性(IntegralNon-Linearity,INL)誤差。差分非線性誤差是指，對于一個固定的編碼，理論上的量化電平與實際中最大電平之差，如圖4.47所示。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(9)總諧波失真由于A/D器件的非線性，使其輸出的頻譜中出現許多輸入信號的高次諧波，這些高次諧波分量稱為諧波失真分量。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器的選擇在軟件無線電的設計中，A/D器件的選擇應保證軟件無線電功能和性能的實現。根據上面的討論和分析，可以得到以下A/D器件的選擇原則。①采樣速率選擇。②采用分辨率較高的A/D器件。③選擇模擬輸入帶寬寬的A/D器件。④選擇動態(tài)范圍大的A/D轉換器。⑤根據環(huán)境條件選擇A/D轉換芯片的環(huán)境參數，比如功耗、工作溫度。⑥根據接口特征考慮選擇合適的A/D轉換器輸出狀態(tài)。軟件無線電中的A/D/A技術03數據采集模塊的設計現代高速A/D轉換器力求做到低失真、高動態(tài)、低功耗。數字采集系統(tǒng)的性能除了與A/D轉換器本身的固有特性外有關，還與其外圍電路關系密切。一般的數字采集系統(tǒng)由放大器，抗混疊濾波器、A/D轉換器、RAM、時鐘等組成，如圖4.50所示。軟件無線電中的A/D/A技術03D/A轉換器的基本原理及性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03D/A轉換器的基本原理及性能指標04軟件無線電數字前端軟件無線電數字前端04軟件無線電數字前端的定義無線電系統(tǒng)前端的概念傳統(tǒng)上一般是指安裝在天線上或天線附近的模擬高頻電路，通過電纜與離天線相當遠的后端連接，常見的如大型衛(wèi)星地球站系統(tǒng)。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)1.數字下變頻器組成正如第2章所介紹的，在軟件無線電中，數字下變頻器一般都采用正交數字下變頻法實現，主要包括數字混頻器、數字控制振蕩器(NumericallyControlledOsillator,NCO)和低通濾波器三部分組成，重畫如圖4.58所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)2.數字控制振蕩器工作原理數字控制振蕩器(數字控制本地振蕩器)在DDC中相對來說是最復雜的，也是決定DDC性能的最主要因素之一，或者說DDC需要一個高速、高精度的NCO,所以，作為重點進行介紹。NCO的目標就是產生理想的正弦波和余弦波，更確切地說是產生一個頻率可變、時間離散的正弦波和余弦波的數據樣本，如式(4-88)、式(4-89)所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)數字上變頻器是數字下變頻器的逆過程，兩者的工作原理、結構和實現都大同小異，只處理順序剛好相反。數字上變頻器由成形濾波器、內插器、數字混頻器、數字控制振蕩器等成。數字正交上變頻器原理框圖如圖4.60所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)數字上變頻器是數字下變頻器的逆過程，兩者的工作原理、結構和實現都大同小異，只處理順序剛好相反。數字上變頻器由成形濾波器、內插器、數字混頻器、數字控制振蕩器等成。數字正交上變頻器原理框圖如圖4.60所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)1.NCO的FPGA設計后續(xù)基帶處理中的信號解調對載波頻偏十分敏感，而頻偏的產生主要由本振的偏差和多普勒頻移所引起的，因此，在數字前端中，設計一個性能較好的NCO是非常關鍵的。2.NCO優(yōu)化設計相位累加器的位數N由要求的頻率分辨率決定，而正弦查找表ROM的深度M及寬度W由雜散的要求決定。3.FIR的FPGA設計數字FIR濾波是個卷積運算，即乘法和累加運算。因而FIR濾波模塊包括乘法器、加法器、延遲單元以及存儲單元等。軟件無線電數字前端04軟件無線電數字前端的ASIC實現在某些成本、功耗、重量和尺寸等敏感的應用中，如無線移動通信系統(tǒng)中的基站和移動終端(手機),一般用ASIC來實現軟件無線電數字前端單元。隨著需求的不斷增加和技術的不斷進步，ASIC也不斷地向集成數字基帶處理、ADC、DAC、射頻收發(fā)等更多單元以及從單通道接收、單通道發(fā)射到收發(fā)多通道的方向發(fā)展。軟件無線電數字前端04軟件無線電數字前端的ASIC實現05高速數字信號處理器高速數字信號處理器05軟件無線電信號處理的特點(1)性能數字信號處理平臺的性能主要用計算能力來衡量，軟件無線電在不同的應用場合對計算能力的需求是不一樣的。(2)模塊化模塊化是軟件無線電系統(tǒng)構建的一種標準方式，是主流趨勢。模塊化可以分為硬件模塊化和軟件模塊化。(3)可擴展可擴展性就是系統(tǒng)規(guī)模的可伸縮性，允許對軟件無線電進行增強以提高系統(tǒng)的能力。(4)靈活性靈活性是指處理現有或是將來的各種空中接口和協議的能力，靈活性與性能、模塊化和可擴展性等因素密切相關、密不可分。高速數字信號處理器05數字信號處理器件的選擇技巧首先，需要指出本節(jié)的數字信號處理器件是指專用集成電路、現場可編程門陣列、通用數字信號處理器和通用處理器等所有具有數字信號處理功能和一定編程能力的器件，DSP專門指通用數字信號處理器。目前，可構建軟件無線電數字實時處理系統(tǒng)的主要是四類器件。高速數字信號處理器05數字信號處理器介紹自從20世紀80年代初第一片數字信號處理器(DSP)誕生以來，伴隨著微電子技術、數字信號處理技術的快速發(fā)展，DSP得到了日新月異的進步，在處理速度、運算精度、處理器的結構、指令系統(tǒng)、指令流程等諸多方面都有很大的提高。目前，DSP產品正在向高性能、多功能、低功耗、多領域等方向發(fā)展。DSP已經滲透到消費、軍事、民用、商業(yè)等各個領域，成為許多電子產品的技術核心。高速數字信號處理器05通用處理器介紹通用處理器(GeneralPurposeProcessor,GPP),例如，Intel的CPU、Motorola的PowerPC等，多采用馮·諾依曼結構。普遍沒有DMA通道控制器，數據傳輸和處理不能并行，普遍沒有通用存儲器接口和I/O接口，需要芯片組配合。高速數字信號處理器05圖形處理器介紹軟件無線電處理平臺要實現各種機器學習的算力要求一般不會高于DL的算力要求，考慮開發(fā)難度、靈活度、可編程性、算法兼容性、通用軟件兼容性等多個維度，在現階段，基于CPU+GPU計算結構是目前軟件無線電處理平臺中額外配備專門用于實現智能計算的最合適的架構。06高速FPGA設計技術高速FPGA設計技術06軟件無線電中的高速FPGA從軟件無線電實現角度看，軟件無線電最高設計原則有三點，即：●最大限度地進行寬帶數字化；●最大限度地實現功能軟件化；●最大可能地進行靈活重構。高速FPGA設計技術06軟件無線電中的高速FPGA基于極高性能的FPGA實現軟件無線電數字信號處理有以下五大好處。(1)極其強大的處理能力；(2)最理想化的算法定制；(3)最理想的適配接口；(4)無比靈活的重配置能力；(5)相對低的功耗高速FPGA設計技術06FPGA基本原理高速FPGA設計技術06軟件無線電中的高速FPGA當前的FPGA具有以下主要特點：●容量大：高端的FPGA規(guī)模已達到上千萬門級，能承擔繁重的信號處理任務、完成復雜的功能；●功能強：以PowerPC、MicroBlaze和Nios等為代表的RISC處理器軟硬IP核，極大地加強了FPGA的功能，可輕松實現大規(guī)模的片上系統(tǒng)(SOC);●保密性好：有防止反向技術的FPGA,能很好地保護系統(tǒng)的安全性和設計者的知識產權；●開發(fā)容易：FPGA開發(fā)工具功能強大，可完成從輸入、綜合、實現到配置芯片等一系列的功能。還有很多工具可以完成對設計的仿真、優(yōu)化、約束和在線調試等功能。這些工具智能化程度高、易學易用。高速FPGA設計技術06基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)設計1.軟件無線電處理系統(tǒng)中高速FPGA的一般性設計；2.基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)硬件體系結構設計；高速FPGA設計技術06基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)設計3.基于高速FPGA的軟件無線電處理系統(tǒng)硬件概要設計高速FPGA設計技術06基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)設計4.FPGA重配置設計(1)FPGA配置設計由于FPGA中靜態(tài)隨機存儲器掉電后數據會丟失，系統(tǒng)每次上電后需要重新配置數據后才能運行。以Xilinx公司FPGA為例，FPGA的配置模式歸納起來有8種，見表4-24。(2)多片FPGA系統(tǒng)配置設計軟件無線電系統(tǒng)一般都是由多片FPGA組成的系統(tǒng)，這時系統(tǒng)配置可以這樣設計。(3)軟件上載的配置設計采用配置芯片對FPGA進行配置，每次上電后只能載入固定配置的文件。(4)IRL重配置[23]因特網重配置邏輯(InternetReconfigurableLogic,IRL)是Xilinx等公司推出的一種能夠通過互聯網對目標系統(tǒng)的硬件進行遠程更新和動態(tài)重構的設計方法。07軟件無線電系統(tǒng)設計實例軟件無線電系統(tǒng)設計實例07軟件無線電系統(tǒng)主要技術指標：●工作頻段：1～2GHz;●通道帶寬：60MHz;●通信路數：8路；●調制樣式：BPSK、QPSK;●瞬時動態(tài)：≥60dB;●噪聲系數：≤6dB。軟件無線電系統(tǒng)設計實例07軟件無線電系統(tǒng)設計師在設計方案時，需要對各個方面的因素進行綜合考慮，主要有以下幾點：●體系結構選擇；●選擇中頻和采樣頻率；●選擇目標硬件；●劃分模擬和數字部分；●系統(tǒng)性能；●為子系統(tǒng)分配設計指標；●確定信號精度和電平；●解決抽象和獨立性的需求；●選擇特定的濾波設計；●硬件和軟件的劃分；●采用已存在的硬件器件和軟件庫；●對處理器/進程/芯片分配實體。感謝觀看，再見！軟件無線電原理與應用（第三版）高等學校電子信息類精品教材軟件無線電原理與應用（第三版）軟件無線電信號處理算法第五章高等學校電子信息類精品教材01軟件無線電中的調制算法軟件無線電中的調制算法01信號調制通用模型隨著現代通信的飛速發(fā)展，通信體制的變化也日新月異：一些舊的通信方式或者被改進完善，或者被淘汰，適合現代通信體制的新通信方式不斷涌現并且日臻完善。目前常用的模擬調制方式主要有AM、FM、SSB、CW等，而數字信號通信的調制方式卻非常多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、QAM等。軟件無線電中的調制算法01信號調制通用模型軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法4.單邊帶信號(SSB)上文已經提到，SSB信號是通過濾除雙邊帶信號的一個邊帶而得到的。濾除其上邊帶就是下邊帶(LSB)信號，濾除其下邊帶就可得到上邊帶(USB)信號。由于單邊帶信號的頻譜寬度僅為雙邊帶信號的一半，單邊帶一方面可以為日益擁擠的短波頻段節(jié)約頻率資源；另一方面，單邊帶只傳送攜帶信息的一個邊帶功率，因而在接收端獲得同樣信噪比時，單邊帶能大大節(jié)省發(fā)射功率。因此短波頻段廣泛應用單邊帶信號傳輸信息。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法1.振幅健控(2ASK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法2.二進制頻移鍵控(2FSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法3.二進制相移鍵控(2PSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法4.M進制數字振幅調制(MASK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法5.M進制數字頻率調制(MFSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法6.四進制數字相位調制(QPSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法7.正交振幅調制(QAM)信號正交振幅調制是一種多進制混合調幅調相的調制方式。4QAM就是QPSK,我們畫出8QAM和16QAM的信號分布圖如圖5.10所示，這種分布圖通常稱為星座圖。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法8.最小移頻鍵控(MSK)信號正交振幅調制是一種多進制混合調幅調相的調制方式。4QAM就是QPSK,我們畫出8QAM和16QAM的信號分布圖如圖5.10所示，這種分布圖通常稱為星座圖。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法9.高斯最小移頻鍵控(GMSK)信號正交振幅調制是一種多進制混合調幅調相的調制方式。4QAM就是QPSK,我們畫出8QAM和16QAM的信號分布圖如圖5.10所示，這種分布圖通常稱為星座圖。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法02軟件無線電解調算法軟件無線電解調算法02信號解調通用模型為了便于信號發(fā)射，提高信道利用率、發(fā)射功率效率以及改善通信質量，人們研制出各種通信信號的調制樣式，相對于調制的逆過程——解調也因調制樣式的不同而不同，解調方法大致有相干解調和非相干解調二類。軟件無線電解調算法02信號解調通用模型軟件無線電解調算法02模擬調制信號解調算法1.AM解調；2.DSB解調；3.SSB解調；4.FM解調；軟件無線電解調算法02數字調制信號解調算法1.ASK解調；2.MASK解調；3.FSK解調；4.MFSK解調；5.MSK解調；6.GMSK解調；7.SFSK解調；8.PSK解調；9.MPSK解調；10.QPSK解調；11.OQPSK解調；12.π/4QPSK解調；13.QAM解調。03軟件無線電中的同步算法軟件無線電中的同步算法03數字鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)是實現兩個信號相位同步的自動控制系統(tǒng)，它由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)等組成，如圖5.13所示。鑒相器可以用乘法器后接一個低通濾波器來實現。軟件無線電中的同步算法03同步參數估計實現各種同步時，首先需要知道一個參數的初值，對同步所需要的各種參數進行估計，并且估計精度至少要達到同步捕獲的要求。對于信號解調來說，需要對載波頻率、信息碼速率、偽碼速率、信號帶寬等參數進行估計。軟件無線電中的同步算法03同步參數估計1.載波估計軟件無線電中的同步算法03同步參數估計2.碼速率估計數字信號的碼速率估計也可以利用FFT的方法來實現。由于信號在碼元交替時，在其包絡上總會呈現出相應的變化，特別是對于經過成形濾波的數字信號，其幅度譜的基波分量就是碼元速率。圖5.14是采用滾降系數為0.35的升余弦濾波器成形后的QPSK信號幅度譜。軟件無線電中的同步算法03同步參數估計2.碼速率估計軟件無線電中的同步算法03同步參數估計3.信噪比估計介紹一種利用特征值分解和子空間分割實現對信噪比估計的方法，先構造出接收信號的相關矩陣，然后利用最小描述原理(MDL)來確定接收數據中信號子空間的維數，從而分離出信號子空間和噪聲子空間7。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法載波同步(跟蹤)可以分為兩類：接收到的信號中存在載頻分量時，如有載波的模擬或數字調制信號，此時采用窄帶濾波器或基本的鎖相環(huán)路就可以提取出載波分量，鎖相環(huán)中VCO的輸出就是載波；而對于一些接收信號中不含載波分量的信號，也就是抑制載波的調制信號，比如BPSK、QPSK等就需要通過一些特殊的環(huán)路來實現對同步載波的恢復。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法載波同步的第三種方法是采用判決反饋環(huán)，其基本原理是對信號進行相干解調，然后將解調出來的信號去抵消接收信號中的調制來恢復載波分量。其組成框圖如圖5.20所示。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的位同步算法數字通信中解調器必須產生一個頻率與符號速率相同的定時抽樣脈沖，以在合適的時刻對輸出波形進行抽樣判決。這個定時抽樣脈沖是通過位同步也叫定時同步來獲得的。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法軟件無線電中的同步算法03載波和位同步的聯合最大似然估計算法在上面的討論中，載波和位同步信號的獲取主要是通過鎖相環(huán)實現的，有一個控制反饋的過程。近年來，人們提出了接收端的本地參考載波和定時時鐘都獨立振蕩于固定頻率，不再需要反饋控制的方法。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的幀同步算法幀同步的作用是在數字信息流中插入特殊的碼組作為每幀的頭尾標記。接收端產生與發(fā)射端相同的碼組，并與接收到的信號進行相關運算，當相關值為最大時，就認為找到了幀的起始位置。作為幀同步的碼組應是具有尖銳單峰特性的局部自相關函數，而且識別器要盡量簡單。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的幀同步算法04軟件無線電的中均衡算法軟件無線電的中均衡算法04線性均衡算法最常用的線性均衡器是橫向濾波器，其組成如圖5.33所示。軟件無線電的中均衡算法04線性均衡算法1.基于最大失真準則的線性均衡器軟件無線電的中均衡算法04線性均衡算法2.基于最小均方誤差(MMSE)的均衡器軟件無線