无线电信号频谱监测多DSP模块与实现.docx
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无线电信号频谱监测多DSP模块与实现
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北京工业大学硕士学位论文无线电信号频谱监测的多DSP模块设计与实现姓名:
张晶申请学位级别:
硕士专业:
电路与系统指导教师:
曹小秋20050501
摘要
摘
要
随着无线通信技术的发展,频谱资源也变得越来越紧张。
为了提高频谱资源的利用率,维护控制通道的畅通,对无线电信号进行频谱监测就成为了必要。
近年来,随着软件无线电技术的发展,监钡6水平取得了很大进步。
但对于频段覆盖范围较宽<20-3000MHz)、扫描速度快<1GHz/s以上),并具备快速全频段实时频谱显示和记录的无线电监测接收设备,目前我国尚不能生产,国内现在已经进口的宽频段监测接收机一般也只能进行低速扫插,无法满足实际的要求。
从少数发达国家进口,不仅价格昂贵,往往需要几十万美元,而且还要受到对方的出口限制,甚至技术封锁。
本课题涉及的宽带数字化监测接收机在原有窄带数字化监测接收机VXI.3570的基础上进行改进,增大频谱扫描的步进长度,提高监测的效率。
从前面板上引出宽带中频信号,对其进行大步进扫描,得到的数据量大,要求的实时性高,对后端的DSP模块提出了很高的要求,这就需要后面的数字信号处理部分就要做相应改动,另做~套适用于宽带扫描的快速数字信号处理方法。
本文作者在对软件无线电技术做了深入研究的基础上,提出了对中频数字信号进行中频处理,基带处理,信号识别等一系列处理模块,可基本完成本工程对DSP模块提出的要求。
本文首先对总体的运算量做了整体估计,并对信号处理流程做了讨论。
通过比较ASIC、FPGA、DSP以及专用CPU的优缺点,最后作者采用AD公司的高性能数字信号处理器ADSP.TSl01。
ADSP.TSl01是TigerSHARC系列DSP中的一款,具有工作频率高、浮点运算能力强大、高速度数据吞吐量以及大容量的片内存储器的特点,并且片内有专门的解决通信算法的运算单元,可直接进行Viterbi译码,非常适合于软件无线电领域。
本系统首先对收到的中频数字信号进行数字下变频<Di西tal
Down
Conversion),并进行基带滤波<BasebandFilter),
得到两路正交信号I、Q。
分别对I、Q两路信号进行处理,最后得到感兴趣的信
息。
在该算法的实现过程中,作者用了大量实验、仿真等手段为辅助,并在ADSP
TS.101EZ-KIT
LITE上进行调试。
本文给出了在VisualDSP++环境下进行多片
TS.101处理器联调的过程和方法。
最后,作者对DSP编程过程中的程序优化提出了一些方法。
关键词:
监测接收机;软件无线电;DSP;ADSP-TSl01;多处理器
Abstract
Wj出thedevelopmentofthew/relesscommunicationtechnology,thespectrum
resource
becomesscarce.Formaking
use
offrequency
resource
effectivelyand
makingairchannelfree,weneedspectrummouit06ngnecessarily.Inthelastfewyears,withthedevelopmentofsoftwareratio
technology,the
levelofthemonitor
equipmentsalsoobtainedmuchadvance.However,aradiomonitoringreceiverwithbroadfrequencyscale<20-3000MHz),highscanningrate<above1GHz/s)andwholespectntmreal-timedisplayhasnotdeveloped.Someimportedmonitoringreceiverswithbroadfrequencyscale
call
only
scan
slowly
and
couldn’tmeetactual
needs.Notonlytheseimportedreceivers’priceishighbutalsothosedevelopedcountriesusuallylimitthequantitiesofimportedreceiversandrelatedtechnologyis
notopen.
The
broadband
monitoringreceiverrelatedtothepaperisimproved
on
the
narrowbandVXI一3570receiver,increasingthespectrummonitoring
SCan
step,enhancethe
efficiency.The
intermediumfrequency<intermediatethe
frequency)signal
a
comesfromthefrontofchipwithhigh
panel,and
broadband
monitoringreceiverrequires
kind
performancebecause
ofcomplicated
intermediate
frequencysignal
processing.ThemoduleofDSPhastobemadesomeimprovementtoadapttothe
broadbandscan.
Inthispaper,aserialofsignalprocessingmodulesmeetthe
are
putforward,which
call
project
requirements.Theauthor
selectsthe
high
performance
DSP
TigerSHARCTS-101aftercomparingtheASIC,FPGA,DSP
andthededicatedCPU
ADSP-TSl01provideshighworkingfrequency,strongfloatoperationcapability,highspeeddataprocessingandinternalmemorywiⅡllargecapacity.Ithasthespecialunittodealwiththe
communication
algorithm,includingtheViterbi
decoding.SoitadaptstobeappliedtOthesoftwareradio.Inthissystem,thereceivedIFsignalistobcdigitaldown
converted,andthenQ,the
istobeprocessedinterestedresultwill
throughthebasebandfther.TodealwiththesignalIandbeget.Theauthordebugs,emulatestheprogramin
one
ADSP-TSl01EZ-KITLite
and
simulatesthemultiprocessorprograminVisualDSP++.Therunningefficiency
ofsoftwareisthekeytosystem.Intheend,theauthormakesresearchofprogramoptimizationaboutDSPprogramming.
Keywords:
monitoringreceiver;sofewareradio;DSP;ADSPTS一101;mulfiprocessor
.I卜
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
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器名
日期
州rr
关于论文使用授权的说明
本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印,缩印或其它手段保存论文。
<保密的论文在解密后应遵守此规定)
签名
秽、晒
导师签名
澎4.讯
日期:
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第1章绪论
第1章绪论
1.1课题背景
本课题研究的VXI总线监测接收机用于无线电频谱监测,可以对目前用于无线电通讯的频段范围进行快速扫描监测,为无线电管理提供技术手段,也可以用于电子战等军用领域。
无线电频谱涵盖从9kHz到3000GHz的电磁辐射频段。
频谱提供了无线电
广播和电视广播、以及微波和卫星链路使用,它们传送长途电话、传真、用户
电报和数据通信。
它们还用于移动通信、蜂窝业务和寻呼公司,商业航空公司,出租车和货运公司,拖船公司,新建传送代理公司,建筑和房地产承包公司,石油勘探和公用事业,以及农场和零售商等。
这些都有赖于专用通信系统有效的频谱管理【11。
科学高效的频谱管理对确保各种无线电频谱及静止卫星通信网络在全球范围内共用,而不产生相互间的有害干扰起着至关重要的作用。
频谱监测是频谱管理的基本手段。
频谱监测可以确保遵守规定的无线电通
信系统的技术参数、特性及标准,合理、高效地使用无线电频谱、静止卫星轨
道和无线电通信网络的最佳性能。
频谱监测技术不同于无线电通信网络,在大多数情况下,它是在非最佳环境中及未知环境中进行工作的。
尽管我国无线电频谱监测技术水平已经有了很大发展和进步,但对于频率覆盖范围宽<20.3000MHz)、扫描速度快<1GHz/s以上)并具备快速全频段实时频谱显示和记录的无线电监测接收设备,目自U我国尚不能生产,国内现在已经进口的宽频段监测接收机~般也只能进行低速扫描,无法满足实际的需要。
从少数发达国家进口不仅价格昂贵,往往需要几十万美元,而且还要受到对方的出口限制,甚至技术封锁。
针对国内这一现状,本课题所涉及的宽带数字化脓测接收机具有高灵敏
度、频段宽、互调要求小、宽中频带宽、可快速自动频谱扫描等优点,在频谱
监测领域具有广阔的应用前景,非常适合移动和自动监测站使用。
1.2软件无线电技术的发展、应用与结构
软件无线电是指用软件定义的、能实现多种功能的无线电通信系统,主要是为了解决不同通信系统的互通性。
基本思想是,以硬件作为其应用平台,把尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现,从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来,其产值也在软件上体现出来。
其最终目的是使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚,在系统结构相对通用和稳定的情况下,
北京■业大学工学硕士学位论文
通过软件来实现各种功能,使得系统的改进和升级都非常方便、代价小,不同系统间很容易互连与兼容【2】。
软件无线电最初起源于军事研究。
1992年5月,MILTRE公司的JoeMitola在美国国家远程系统会议上首次作为军事技术提出了软件无线电<Software
Defined
Radio,简称为SDR)的概念,希望用这种新技术来解决三军无线电台
多工作频段、多工作方式的互通问题。
从此,对软件无线电的研究在全球范围内迅速展开。
软件无线电区别于传统的数字通信的关键131是用通用的可编程器件代替了
专用的数字硬件,使通信系统摆脱了系统结构的束缚,通过软件的更新或升级、加载新的软件模块,增强了系统的灵活性、通用性,使不同通信系统问的互联
和兼容更为方便。
由于软件无线电具有现有无线电体制所不具备的许多优点,它有着广泛的应用前景。
目前,软件无线电在国外发展迅速。
1999年,美国国防部已完成“Speakeasy计划”三期工程的开发,并在电子战领域得到应用。
Speakeasy系统的目标是使一个波形可编程的多频段多模电台能同时处理不同频段的信号波形<包括从AM到MOAM等),能兼容美军15以上的电台的通信制式,组网方式,调制方法,占用多种不同频段。
该电台采用双总线结构<VME总线,高
速数据总线)、多频段天线等技术,使用通用可编程DSP<TMS320C40多芯片
组Quad.C40MCM),频率覆盖范围2~2000MHz,能同时处理4种以上的不同调制波形。
近年来,软件无线电技术已经迈向了民用领域。
由于现有多种移动通信体制的存在,在第三代移动通信系统的发展过程中就存在多频段、多模式兼容的问题。
1995年,欧洲ETSI举荐将软件无线电应用于通用移动通信系统<UMTS)中[41151。
在欧洲的ACTSFIRST工程中,将软件无线电技术应用于设计多频/多模<可兼容GSM、DCSl800、WCDMA及现有的大多数模拟体制)可编程手
机。
它可自动检测接收信号,接入不同的网络,而且能满足不同接续时间的要
求,具有高度的灵活性。
我国对软件无线电技术也相当重视,例如我国提出的TD—SCDMA是一种同步
的直接扩频CDMA<码分多址)技术,它结合了智能天线、软件无线电及全质量话
音压缩编码技术等通信新技术。
另外,在“九五”和“十五”工程和“863”计划中都将软件无线电技术列为重点研究工程。
软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D—D/A转换器、通用和专用数
字信号处理器以及各种软件组成。
软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段,
要求每个频段的特性均匀,以满足各种业务的需求。
射频前端在发射时主要完
成上变频、滤波、功率放大等任务,接收时实现滤波、放大、下变频等功能。
第1荜绪论
对于A/D转换器要求有足够宽的工作频带,较高的采样率,而且要有较高的A/D转换位数,以提高动态范围。
数字化后的处理任务全有DSP承担。
通用DSP主
要完成各种基带信号处理,例如信号的调制解调,各种抗干扰、抗衰落、自适
应均衡算法的实现等,还要完成经信源编码后的前向纠错<FEC)、帧调整、比特填充和链路加密等算法。
软件无线电的结构基本上可以分成三种[61:
射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。
1.3课题简介
本监测接收系统的目的是以CUBIC公司的设备为基础,接收全频段<20~3000MHz)信号,开发出能基本满足国际电联要求和用户需要的频谱监测系统。
系统由一个主控站和一个车载移动站组成,并可根据需要扩充固定站和移动站,主控站与移动站之间采用无线信道传输控制指令和监测数据,如图卜1【291。
Ether'ltet
图卜1监测接收系统组成框图
主控站采用VXI-3570接收机、和VxI一4400钡4向机和高性能的个人计算机,配合监测天线和AA2030定向天线,主站可独立完成国家无委和国际电联<ITU)要
求的频谱监测任务,监测频率范围为20~3000Mhz,监测内容主要有信号频率测
量、带宽测量、调制方式测量、信号调制度和频偏测量、频率占用度测量、信号
监听等。
用图形化人机接口界面显示各种测量结果并可对接收机、测向机和移动
站进行控制。
结合发射台站数据库和实时监测数据,可检测和判断非法发射、违规发射和故障发射。
通过VXI机箱0槽控制器和IEEE488接口,可对VXI一3570接收机和VXl-4400钡4向机进行设置,并得到信号的频率、场强、调制方式、频谱分布
北京工业人学丁学硕士学位论文
和方向,通过这些数据和计算,可以得到除信号调制度外满足国际电联<ITU)要求的大部分数据。
本系统由于监测的频带范围宽,调制方式多样,识别及解调算法复杂,所以应用软件无线电技术对其软件模块进行处理。
软件无线电技术要求数字化尽量靠近天线‘61。
目前商用AD转换器还不能
达到射频直接数字化的要求,因此在监测接收机系统中采用宽带中频数字化方案。
接收机主要由五部分组成:
天线、射频模块、中频数字化、数字信号处理模块和控制器,硬件框图如图I一2。
天线接收全V/-IF/UHF频段射频信号<20~3000MHz)。
射频模块采用美国cubic公司的VxI.3570接收机,它是符合VXI标准的模块化仪器。
3570接收机作为消息基的VXI从机,通过VXI总线与外界通信。
射频/中频<RF/IF)转换模块由两级混频完成,二次混频后得到中频点21.4MHz、带宽15MHzl71的宽带中频信号,其调谐时间非常短,~般小于4ms。
通过对3570接收机的中频输出进行宽带数字化处理,可以达到大步进快速频谱扫描和大概率信号截取,这是因为该系统的中频数字化带宽取为6.8MHz。
全景频谱扫描时步进频率间隔就小于等于6.8MHz,如果以每秒100个中频带宽以上的扫描速度进行扫描,理论上扫描速度可达到680MHz/s。
那么以这么高的速度进行扫描完全可以捕捉到短时信号和一些跳频信号。
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C!
Eth_煳兰3陶蟮
图卜2采用DSP技术的宽带监测接收机硬件框图
监测接收机的性能主要取决于A/D的性能。
A/D部分采用带通采样,采样率为17.12MHz,位宽23bit,经查表,此类A/D最大处理带宽为8.56MHzIs]。
为了防止频谱混叠,在A]D前端须放置一个抗混叠滤波器,经计算其最佳带宽Fs/2.5=6.8MHz[钔。
经过A/D采样,相当于过了一个混频器,中心频率下移,
第1章绪论
搬移后的中频点为
fo=21.4MHz一17.12MHz=4.28MHz<I-1)
带宽不变。
从A/D转换器出来的信号经过一级缓冲FPGA,进入DSP进行处理。
宽带处理对数据传输和数字信号处理能力提出了很高的要求。
普通商用计算机特长不在于数字信号处理,并且将数据传输到VXI总线外部的计算机也将
消耗总线传输带宽。
因此需要研发VXI数字信号处理<DsP)模块进行数字信号
处理,这些处理包括中频及基带处理、谱分析、测量信号频率和场强、调制分析等。
为了与现有VXI系统有很好的协同工作能力,高速ADC模块、数字信号
处理处理模块应作为一个独立VXI信号采集处理模块接到VXI总线上,也作为
一个VXI仆从机工作,其命令机与3570一样是零槽控制器,由PC控制它与3570协同工作。
考虑到灵活性,本系统采用独立模块设计,信号处理模块受PC机直接控制。
1.4本文研究内容及结构
在移动台监测站和主控台检测站中,有一定数据处理能力的监测接收机是频谱监测的核心设备。
本文主要讨论监测接收机中的数字信号处理模块,即在A/D采样模块后,频谱监测功能的实现。
监测的内容包括:
>信号频率及带宽的测量>调制方式的测量<AM,FM,CW,USl3,LSB等)>信号调制度、频偏的测量≯信号监听
>图形化人机接口界面这些功能皆由基于DSP的软件实现。
当信号到达数字信号处理模块时,达
到的性能参数是:
>信号中频点:
4.28MHz》中频数字化带宽:
6.8MHz>频率分辨率:
>1KHz>监测信号灵敏度:
一lOldBm@20—2400MHz?
91dBm@2400MHz~3000MHz
>监测信号饱和值:
+13dBm
>无交调瞬时动态范围:
>70dBm≯模拟噪声系数:
<15dB》扫描速度:
680MHz
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本文主要探讨监测接收机中多DSP处理模块的设计与应用,宽带监测接收机的中频信号处理数据量大、实时性高,这样,对DSP芯片提出了很高的要求,实际中可以结合使用DSP、FPGA、以及一些专用的CPU来完成这部分功能。
第二章详细介绍了工程整体算法的流程,包括各个模块的设计与划分,并以此为依据初步对算法傲了运算量的估计,提出每个模块的解决方案,特别是对窗长的划分做了详细讨论。
最后就各种芯片的特点,对几种芯片做了性能上的比较,并对本工程使用的芯片进行了选择。
第三章介绍了数字正交变换的原理与实现途径,并讨论了软件无线电算法
中下变频模块的必要性。
然后,在该模块中介绍了下变频模块如何在DSP上实现,其中一些参数如何在MATLAB上仿真得到。
最后,给出了该算法的结果,并计算出实际消耗的时间。
第四章提出了在TigerSHARCTS.101上用汇编语言实现FFT的方法,并给出了消耗的时间。
在信号的识别模块中,本文介绍了两种载波提取的方法,并给出了AM调制波的调幅系数的估计和FM信号的调频系数及最大频偏的估计方法,同时列举了其中调制信号的相干解调的具体方法。
第五章介绍了多DSP的连接方式和几个程序优化的考虑方向。
第六章介绍了DSP的加载方式以及加载核的编写。
第2章
2.1信号处理流程
软件模块的总体设计
6.8M带宽的模拟中频信号经17.12MS/s采样后,进行23bitAD变换。
AD的有效位取16bit,经过FPGA进行缓冲,并调整数据格式,可以32bit<
64bit)
一起传输。
如果按照2个样点<32bit)一起传输,那么输出的数据流速为
V=17.12MS/S+2=34.24MS/S<2—1)
从FPGA输出的数据,进入DSP进行数字信号处理。
采样后的信号处理流程如图2—1。
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中颁信号处理:
基带信号处理
图2-1数字信号处理模块框图
首先,由于DSP接收的是中频信号,需要进行下变频<DDC,Digital
Down
Conversion)处理变为两路正交的基带信号。
信号的正交分离为各种参数的测量
及调制方式识别提供了方便。
数字下变频模块包括正交调制和低通滤波。
得到的1分量和0分量组成复信号。
然后,复信号进入频谱检测模块。
在此模块中,主要的算法是傅立叶变换。
从信号的频域表现出的信息,可以监测无线电台发射的信号是否符合国家标准。
同时,从其频谱信息可以计算出各种参数,如中心频率、带宽、功率等信息。
可以监测到符合国家标准的电台,但更值得关心的是非法电台或未知电台。
当监测模块锁定不符合标准的电台后,即根据测定的信息,通过带通滤波器<BPF)滤出该频段,并送到信号识别和解调模块进行
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- 无线电 信号 频谱 监测 DSP 模块 实现