基于软件无线电的通信系统研究Word文件下载.docx
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立最佳滤波和最优估计理论。
本文对基于软件无线电的模拟、数字通信信号调制解调通用结构进行了研究,在此结构上推导出了AM、FM、DSB、SSB、2ASK、2FSK、2PSK、
MASK、MFSK、MPSK和MQAM等常用体制的调制解调算法,并使用
哈尔滨工程大学硕士学位论文
MATLAB对这些算法进行了仿真,从而证明了算法的正确性和可行性。
本文还使用MATLAB编制了基于软件无线电结构的通信信号调制解调
通用平台软件,从而验证了软件无线电调制解调通用结构的正确性,并实现
了对各种调制解调模式的兼容。
同时作者还提出了软件无线电通用平台的硬件结构设计思路,为对软件无线电理论的进一步研究奠定了基础。
关键词:
软件无线电;
信号处理技术:
调制;
解调
哈尔滨上程大学硕士学位论文
ABSTRACT
Thesoftwareradioisthemulti—functionalintelligentization
radio
communicationsetofvariOUSfunctionsofdefinitionthatisdefinitedandrealized
bysoftware.Itsnucleusis:
nlakesA/DandD/Acommutatorclosetothe
as
antenna
far
possible,andrealizethewirelesscommunicationfunctionbysoftware
on
possiblebased
thebasichardwareplatform.Thehardwareisregardedinthesoftwareradio,
thebasicplatformthat
Canrealizewirelesscommunication
anditsfimctionofwirelesscommunicationisrealizedbysoftware
possible.So,thewirelesscommunicationsystemhas
a
verygoodcommonality
andflexibility,andthesystemsinterconnectionandupdatebecomesconvenient
verymuch.Thesoftwareradioisthoughttobethethirdbreakthroughfollowing
theanaloguecommunicationtodigitalcommunicationandfixedcommunication
to
mobilecommunication.Inthepaper,weintroducethebackground
and
definitionofthesoftwareradiosuch
radio,anddiscussthekeytechnologiesofthesoftwareradio.wideband/malti—frequency
openbusstructuretothesoftware
rangesantennatechnology,widebandA/Dtransformationtechnology,DDC
technology,high
speedDSPtechnology
SOon.
Inthispaper,westudythebasicstructureofthesoftwareradio,andentirely
analyzethethreestructuresofsoftwareradiowhichsamplingdigitalstructure,RFIFpass—band
are
RF
low—banddirectwide—band
pass—bandsamplingdigital
structureand
sampling
digitalstructure.Thesoftwareradiois
newwirelesstheory,
communicationsystemstructurebased
takesthedigitalsignalprocessing
themodem
communication
the
nucleus,andtakesmicroelectronic
technology
thesupport.Itsbasictheorychieflyincludessignal
samplingtheory,
multi—frequencysignalprocessingtheory,high
efficiencydigitalfilter
well
orthogonaltheory.Inthispaper,wealsostudythesebasictheoriesdeeply.Inthispaper,wehave
deepresearchofmodulation
demodulationof
processofthe
communicationsignalwimthemodulation
angleofsignalspace.andthe
anddemodulationCanbecomprehend:
哈尔滨j二程大学硕士学位论文
(L)Themodulatedsignal
basefunction,anditsexpanding
carl
beexpressedbyN’Sdimensionorthogonal
coefficients
correspondingtothepointsinthe
signalspaceformedby
orthognnal
basefunction.Afterthemappingthatfromthe
definingmodulatedsignaltoN’Sdimensionsignalspace.accordingtothedefiningmodulationmode,we(2)Underthe
canaccomplish
of
no
themodulationprocess.
circumstances
noise.demodulationis
point
remapping,butunderthecircumstancesofnoiseanddistortion,remapping
not
Can
accomplish
thedemodulation,unlesswe
can
introducethedefinitionofspatial
distance,andestablish
multi—pointto
one
pointoptimalsignaldetectiontheory,
accordingtotherelationshipofmodulationmapping.(3)Foranalogdemodulationoptimalfilterorthogonal
andwaveformestimation.we
establishthe
andoptimalestimationtheoriesbased013.thedefinitionofthe
projection.
thestudy
Thepapergoesdeepinto
thegeneralplatformofthe
analogand
digitalcommunicationsignalmodulationanddemodulationbased
thesoftware
radio,and
this
foundation,we
canuse
calculatethemodulationanddemodulationSUch
asSO
arithmeticofthemodeincommon
AM,FM,DSB,SSB,2ASK,2FSK,
2PSK,MASK,MFSK,MPSK,MQAMand
thearithmeticby
on.Wealso
carry
simulation
MATLAB.SOthat
we
canproveitscorrectnessandfeasibility.
Thepaperaccomplishesthegeneralplatformsoftwareofcommunicationsignalmodulation
anddemodulationbased
thesoftwareradio,SOthatwe
validatethecorrectnessofthegeneralstructureofthesoftwareradiomodulationanddemodulation,andrealizethecompatibilityof
multi-modemodulation
demodulation,Wealsointroduce
hardwarestructureofthesoftwareradio
generalplatform,inordertoestablishthethesoftwareradio.
foundation
ofthedeeperresearchof
Keywords:
SoftwareRadio,SignalProcessingTechnology,Modulation,Demodulation
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。
除文中已注明弓1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):
兰亟i终
32
日期:
二卯三年/2月j)日
:
堕堡鎏三里茎兰堡主兰垡堡墨
第1章
绪论
1.1软件无线电概念提出的背景
无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置,被广泛应用于商业、气
象、军事、民用等领域。
当代无线通信系统很多,例如,卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统和微波通信系统等。
各种无线通信系统的调常4方式很多,有AM、FM、SSB、FSK、PSK、MSK、GMSK和QAM等。
其多址方式有时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)等。
各种通信体制由于自身的特点而应用于不同场合。
短
波电台适合远距离传输,其所需的发射功率不大,传输的“中继系统”
——电离层不会被摧毁;
卫星通信能传播高质量的信息,所能提供的频带很
宽;
微波通信抗干扰能力强,适合大量的数据传输,但只能在点与点之间传输。
由于无线通信具有设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点,
在军事通信领域是不可或缺的重要通信手段。
然而,军用电台往往是根据某
种特定的用途而设计的,功能单…,有些电台的基本结构相似,而信号特征差异很大。
例如:
工作的频段不同,调制方式不同,波形结构不同,通信协议不同,数字信息的编码方式、加密方式不同等等。
电台之渊的这些差异极
大地限制了不同电台之间的互连互通。
而且,由于不同频段的电台只能满足
某些特定的要求,无法满足部队各种各样的军事需求,给协同作战带来了困
难。
在民用通信中也存在着互通性差的问题。
在欧洲(主要是北欧、西欧)的第一代模拟网发展过程中,加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家,基
本上各自为政,分别共使用6神不同的制式。
这些模拟通信体系的制式、频
率各不相同,不能j豆通、兼容。
虽然这些国家领土不大,但车一出围门电话
就不通了,给喜欢周未驾车到邻国旅游的人们带来极大的不便。
在第二代数字移动通信中,仍有许多种不同的通信体制,如GSM、AMPS、ETACS、PDC、
1
哈尔滨丁程大学硕士学位论文
DAMPS和CT2等,这些体制互不兼容,无论给用户还是给经营者都带来了
极大的不便。
为了解决互通性问题,各国军方进行了积极的探索,努力使不同设备既能满足互通的需求,又能满足抗干扰强、保密性好的要求;
既能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐,又能延长设备的使用寿命。
其中一种设想是研制多频段、多功能电台,用一个系列的电台来替代其它所有电台。
这种想法固然可以解决互通问题,然而开支庞大,而且其使用寿命也成问题,因为通
信技术发展是相当迅速的,过不了多久这些电台就会落伍【1l。
1992年5月,MILTRE公司的JeoMitola首次明确提出了软件无线电的
概念。
其中心思想是:
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,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式和通信
协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、丌放性的新一代无线通信系统121。
这种电台是呵用软件实现的,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”。
1.2软件无线电的定义
软件无线电是特指用软件来定义和实现各种功能的多功能智能化无线电
它的核心是:
将宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,在基本硬件平台基础上,尽可能地采用软件实现无线通信功能”】。
这样,无线通信
系统具有很好的通用性和灵活性,使系统互联和升级非常方便。
软件无线电
被认为是继模拟通信到数字通信、固定通信到移动通信之后无线通信领域的
第三次突破。
高速发展的计算机技术、宽带模数转换技术和信号处理技术,日益提高的硬件工艺水平以及日臻成熟的可编程器件和EDA工具,使软件无线电由概念转化为实际应用成为可能。
无论是从军用还是商用或是民用的要求考虑,软件无线电都是通信系统用户需求的必然产物。
军用无线电系统为了实现海
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陆空一体化的立体战争环境,要求在不同频段、不同通信体制和不同的管理体制下均可以互联通信,商业和民用客户要求通信体制能支持多媒体服务,包括移动通信、高速传真和高速的数据传输等。
为了满足这些服务需求,物理层需要有高度灵活性和适应性,必须有兼容多标准的操作和功能。
传统数字通信系统对多标准通信解决方法并不灵活,当介质和信道特性改变时,硬
件就必须完全更新。
尤其是在当今无线电标准和接口种类层出不穷的时期,为了节约成本,从经济角度考虑,传统的无线电通信系统必将被每层可软件重构的软件无线电设备所取代。
软件无线电的出现,使无线电技术由以硬件为主的时代走向了以软件为主的时代【4】。
软件无线电的主要特点可以归纳如下:
(1)具有很强的灵活性
软件无线电可以通过增加软件模块,很容易地增加新的功能。
可以与其
它任何电台进行通信,并可以作为其它电台的射频中继。
可以通过无线加载
来改变软件模块或更新软件。
为了减少开支,可以根据所需功能的强弱,取
舍选用的软件模块。
(2)具有较强的开放性
软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构,其硬件可以随着器件和
技术的发展而更新或扩展,软件也可以随需要而不断升级。
软件无线电不仅
能和新体制电台通信,还能与旧体制电台兼容。
这样,既延长了旧体制电台的使用寿命,也保证了软件无线本身有很长的生命周期p】。
1.3软件无线电的关键技术
软件无线电有很多优势,但同时它也对相关技术提出了更高的要求,影
响软件无线电技术发展的主要关键技术有:
开放式总线结构、宽带,多频段天
线技术、宽带数模转换技术、数字下变频技术、高速数字信号处理技术及信令处理技术等㈣。
3
堕签堕兰型盔堂堡主堂堡垒奎
3.1开放式总线结构
软件无线电的一个重要特点是其开放性,这主要体现在软件无线电所采
用的开放式标准化总线结构上,只有采用先进的标准化总线,软件无线电才能发挥其适应性广、升级换代方便等特点。
由于软件无线电的研制国内外都
起步不久,在研制开发过程中,必须逐步形成标准化的硬件平台和软件平台,而标准化的总线则是构筑上述两个平台的奠基石。
现有的软件无线电研究和
实验系统中一般采用双总线结构,即:
控制总线和高速数据总线。
控制总线结构,如VME总线、PCI总线等,尽可能采用现有的工业标准,以便于利用已有的软件及硬件平台,加快开发速度[71。
为了适应软件无线电的需求,可将VME总线作为软件无线电的首选总线,因为VME总线是一种多机并行处理的高性能总线,是目前市场占有率最高的高档标准总线产品。
它具有如下
特点:
(1)高性能:
VME总线支持独立32位地址和32位数据总线。
(2)并行性:
VME总线支持面向多主机的并行处理,能保证多个不同CPU的并行处理和协调工作,并能共享系统资源。
(3)实时性:
VME总线具有优异的中断处理结构,并运用菊花链仲裁算法和优先权相结合策略,给重要的任务分配高的优先权,可提高系统的实时
响应能力。
(4)可靠性:
VME总线的模板具有优良的防震结构和物理特性。
高速数据总线结构是软件无线电体系结构的关键,目前还没有形成标准,
世界各国都在努力研究,以期得到适合软件无线电高速数据处理要求的总线
结构标准[81。
1.3.2宽带/多频段天线技术
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,这对天线技术提出了较高的要求。
美军已研制出几个倍频程的宽带天线,但是效率太低。
对于大多数系统只要覆盖不同频程的几个窗口,而不必覆盖全部
4
频段,故可以采用组合式多频段天线的方案【9】。
这在技术上是完全可行的。
如美国Adams.Russell公司的AN.400型超宽带叶片状天线就是一个例子,可
以覆盖30~400MHz和960~1220MHz。
1.3.3宽带模数转换技术
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AiD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。
为保证抽样后的信号保持原信号的信息,A/D转换要满足Nyquist准则,而在实际应用中,为保证系统更好的性能,通常抽样率为带宽的2.5倍。
一个带宽50MHz的蜂窝移动通信系统,其抽样率要达到12.5MSPS
(每秒百万次抽样)以上。
一般的A/D转换器难以达到这个要求【1”。
表1.1
列出了现有几类典型A/D转换器的分辨率、抽样率、输出数据速率以及他们
各自的下一个发展目标[tll。
可以看出低分辨率的A/D转换器最有可能运用于
软件无线电通信系统中,但低分辨率的A/D转换器运用于更宽的频段也是需要进一步研究的课题。
对于第三代移动通信中WCDMA空中接口,一个载频
的带宽可以是5MHz、10MHz或20MHz,目前的A/D转换技术已经基本满
足要求,对更高的转换带宽要求,可以用并行A/D转换的方法完成。
表1,1A/D转换器目前的性能指标和下一个发展目标
分辨率
16-18bit10.14bit8bit
现状(抽样率),数据速率
200KSPS/3.6Mbps20MSPS/200Mbps500MSPS/4000Mbps
下一发展目标
5MSPS50MSPS
1000MSPS
1.3
4数字下变频技术数字下变频(DDc——Digital
Down
Converter)是A/D变换后首先要完
成的处理工作,包括数字下变频、滤波和二次
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