论文关键词：软件无线电，数字信号处理器，信道化发射机，多相滤波，matlab

　　论文摘要：软件无线电的基本思想是将数字化处理单元尽可能靠近天线，同时系统各种功能在一个开放性、模块化的通用硬件平台上尽可能由软件定义。它是一种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新的无线通信体系结构。
    本文首先深入讨论了软件无线电发射机的基本理论:采样技术、多速率信号处理和调制解调算法。在此基础上深入研究了多相滤波技术在信道化发射机中的应用，然后推导和建立了实信号信道化发射机的数学模型，给出了信道划分方法和真实信道中心频率的计算公式，最后完成了基于此模型的一个8信道信道化发射机的仿真，并验证了其可行性和正确性。

　　第一章 绪论 1.1什么是软件无线电 1.1.1软件无线电的概念

　　顾名思义，软件无线电就是软件控制的无线电收发信机，它的所有工作处理过程和工作参数都应该是由软件定义和控制的，而不是像传统无线电台那样是由硬件决定。从这个意义上说，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转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。这种软件无线电台与人们通常所说的数字化接收机(电台)存在一定的区别。在软件无线电台中，要适应不同的通信标准与不同体制的通信设备互通工作，只需选用或更改电台的某些工作参数或处理程序即可实现，而这都是通过软件来执行的，而数字化接收机(电台)一般都需要使用不同的硬件电路，有时甚至要使用与这些通信标准一一对应的专用电路，软件无线电台的改进或升级换代可以通过软件的升级来实现，但数字化接收机(电台)就不可能那么简单，一般都要重新设计和更换新的硬件电路板。www.11665.com由此可见，软件无线电台不但具有操作极其方便灵活的特点，而且还能够对技术的发展和工作环境的变化作出更为快捷的响应。

　　1.1.2软件无线电的特性
　　sdr(software defined radio)是在天线和a/d/a之间放置模拟信号处理环节，以便于进行滤波、模拟变频等处理，而其它部分在通用硬件平台上，由软件进行处理，是一种非理想的软件无线电。使用sdr概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备，与传统的产品和设备相比较，具有明显的优势。它将使得从技术研究开发，到设备制造商、电信运营商，再到每个无线通信终端用户都受益。具体如下：

　　1.为技术和产品的研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台，大大降低了开发成本和周期。

　　传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发，从标准相对稳定到设计和开发专用芯片，再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程，开发周期长、开发成本高。上述情况导致在标准制定进程中，大多数新技术不能被应用，限制了新技术的发展和应用，导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。sdr将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此平台上，可能基于软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了开发成本和缩短了周期，使产品能跟上技术发展的水平。

　　2.为设备制造商降低投资风险，提高经济效益。

　　目前无线通信产品的生命周期越来越短，因此针对单一产品线的投资风险很大。基于sdr技术产品的生产将比传统产品原材料成本低、且产品寿命长，这就意味着投资风险低。同时，由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。因此，制造商生产基于sdr技术的产品，可得到远大于生产传统产品的效益。

　　3.为运营商降低投资风险

　　移动通信网建设需要巨大投资，同时具有很大风险性。我国现今一方面由于市场需求，gsm网络迅速扩容，增加gprs设备；另一方面又面临第三代移动通信到来的时期，制定一个成功的投资战略极为困难。在现阶段考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择，也有很大的投资风险。软件无线电从某种程度上可降低这种风险。

　　4.为最终用户提供了一个通用的终端设备平台

　　基于sdr技术用户的设备，是为用户提供了一个通用的终端设备平台。它应当能支持多达5-8种国际上通用的标准，而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。这样，用户便不需要关心他所在的地区和运营商的问题，从而实现真正意义的全球漫游。用户还可能获得他们所希望得到的新业务。

　　1.1.3软件无线电的关键性技术
　　软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、存储量、数据处理方式等问题息息相关，这些技术决定着软件无线电技术的发展程度和进展速度。宽带/多频段天线、a/d/a转换器件、dsp(数字信号处理器)技术及实时操作系统是软件无线电的关键技术。

　　1.宽带/多频段天线

　　理想的软件无线电的天线部分应该能覆盖全部无线通信频段，通常来说，由于内部阻抗不匹配，不同频段电台的天线是不能混用的。而软件无线电要在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信，就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线。因此，实现软件无线电通信，必须有一副可通过各种频率信号而且线性性能良好的宽带天线.软件无线电台覆盖的频段为2mhz～2000mhz。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，故可采用组合式多频段天线的方案。即把2mhz～2000mhz频段分为2mhz～30mhz, 30mhz～500mhz, 5oomhz～2000mhz三段。这不仅在技术上可行，而且基本不影响技术使用要求。

　　2. a/d/a转换器件

　　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电信号，必须把a/d/a转换尽可能向天线端推移，这样就对a/d/a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/a转换要满足nyquist抽样准则，而在实际应用中，为保证系统更好的性能，通常抽样率不小于带宽的2.5倍。受器件工作频率的限制，当前软件无线电通信系统采用a/d/a转换器的分辨率一般较低，由于其分辨率低，因此影响到信号处理的精度，故增加转换器的精度成为一大热点。对于更高的转换带宽要求，可以用并行a/d/a转换的方法完成。

　　3.  dsp(数字信号处理器)技术

　　它主要完成系统内部数据处理、调制解调和编码解码等工作。由于电台内部数据流量很大。进行滤波、变频等处理运算次数多，必须采用高速、实时、并行的数字信号处理器模块或专用集成电路才能达到要求。要完成这么艰巨的任务，必须要求硬件处理速度不断增加，芯片容量扩大。同时要求算法进行针对处理器的优化和改进。这两个方面的不断提高将是数字信号处理技术发展的不懈动力。只有这样，才能实现电台内部软件的高速运行和多种功能的灵活切换和控制。在芯片速度条件限制下，对数字信号处理器的速度要求是非常高的，利用更高速度的dsp芯片组进行并行处理。各个芯片厂商正在努力提高芯片的处理速度，利用多种并行处理、流水线、专用硬件结构来提高芯片的数据处理能力。对于一些固定功能的模块如滤波器、下变频器等，可以用具有可编程能力的专用芯片来实现，而且这种芯片的速度要高于通用dsp芯片。例如用fpga(现场可编程门阵列)就可以同时满足速度和灵活性两方面的要求，支持软件无线电中的动态系统设置的功能。通常来说系统的分配方式是：计算密集型的部分在dsp内部完成。功能相对固定的部分，就由fpga来完成。

　　4.实时操作系统

　　软件无线电实现的重要基础是处理器速度的提高，然而在一定的处理速度限制下，需要有效的实时应用处理软件和实时操作系统支持，才能充分发挥处理器的性能。与通用操作系统相比，实时操作系统对处理任务的时间调度控制更加明确，可以更有效地面向高速数字信号处理分配有限的处理资源。针对不同的通信体制的共同点，采用、开发高效而灵活的实时操作系统和实时应用软件。完成多种通信模式的软件实现，并且随着移动通信的继续发展，增加具有新的功能的系统模块，提供更先进的服务。

　　1.2软件无线电的现状和发展
　　软件无线电是一种新系统,近年来被提出应用于无线通信领域. 它是一种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新的无线通信体系结构. 软件无线电设计思想就是将数字化处理单元尽可能靠近天线,同时系统功能尽可能由软件定义。

    软件无线电在70年代后期被首次提出，当时模数转换器(adc)由8085处理器提供，电台工作于低频段(vlf)。载波频率越低，中频(if) adc技术的使用越切实可行，这的确是软件无线电的一大特点。

有关军事技术于1992年被首次提出，美国国防远景规划局的易通话第一期发起者于1995年对软件无线电的军事应用进行更全面的介绍。易通话第二期项目促进了创立于1996年3月的模块化多功能信息传输系统(mmits)论坛的发展。mmits的全球参与者包括法国的阿尔卡特公司、瑞典的爱立信公司、日本的东京大学、英国的奥林奇个人通信公司、芬兰的诺基亚公司、德国的罗德施瓦茨公司、韩国的三星电子公司和德国的西门子公司等。

经历一段时间后，mmits论坛重新定义为sdr论坛，标志着软件无线电开放结构标准从侧重军用向侧重商用的转变。

现阶段，软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用成为研究的热点。欧洲的先进的通信技术与业务计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中:first(灵活的综合无线电系统和技术)计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模可编程手机。这种手机可自动检测接收信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求;frames(未来的无线宽带多址系统)计划的目标是定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足umts要求，方法之一是采用软件无线电技术;sort(软件无线电技术)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合umts的标准。

美国也正在研究基于软件无线电的第三代移动通信系统的多频带多模式手机与基站，同时还注意到软件无线电技术与计算机技术的融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面。

我国对软件无线电技术也相当重视，我国提出的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等通信技术。

第二章 软件无线电中的采样理论
软件无线电的核心思想是对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)或计算机处理的数据流，然后通过软件(算法)来完成各种功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。所以软件无线电首先面临的问题就是如何对工作频带内的信号进行数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样?采样速率应该取多大?软件无线电中的采样有些什么特殊性?

                   (2-8)

式中， =  / =    。

由此可见，抽样信号的频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加。采样定理为模拟信号的数字化奠定了理论基础。

2.2带通信号采样理论
nyquist采样定理只讨论了其频谱分布在(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，那么该如何对其采样呢?当然，根据nyquist采样定理，仍然可以按 2 的采样速率来进行采样。但是当 b= -时，也就是当信号的最高频率八远远大于其信号带宽b时，则其采样频率会很高，以致很难实现，或者后续处理的速度也满足不了要求。带通采样理论可以很好的解决这个问题。

带通采样定理:设一个频率带限信号 ，其频带限制在( , )内，如果其采样速率  满足:

=                               (2-9)

式中。取能满足 2( - )的最大正整数(0,1,2, )。用 进行等间隔采样所得到的信号采样值 能准确的确定原信号  。在实际的传输系统中，由于多普勒频移会造成载波在一定范围内波动。带通采样虽然能极大地降低采样速率，但它易受载波和采样频率变化的影响，为此，进行系统设计时必须考虑载波和采样率不稳定对系统的影响。本文中对这一内容没有深入讨论，暂不考虑多普勒频移和采样率波动对系统的影响。

式(2-9)用带通信号的中心频率 和频带宽度b也可以表示为:

               =                           (2-10)

式中， =( + )/2， n取能满足关    2b （b为频带宽度)的最大正整数。

当 = /2、b= 时，取n=0，式(2-10)就是nyquist采样定理，即满足 =2 。由式(2-10)可见，当频带宽度b一定时，为了能用最低采样频率即两倍频带宽度速率( =2b)对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足:

                     = b                             (2-11)

也即信号的最高(或最低)频率是带宽的整数倍，也就是说任何一个中心频率为  =(n=0,1,2,   )带宽为b的带通信号均可以用同样的采样频率 =2b对信号进行采样，这些采样均能准确地表示位于不同频段(中心频率不同)的原始信号 , , , 。

上述带通采样定理适用的前提条件是:只允许在其中的一个频带上存在信号(带宽b不仅只限于某一信号的带宽，单从对模拟信号的采样数字化来讲，这里的b应理解为处理带宽，也就是说在这一处理带宽内可以同时存在多个信号，而不只限于一个信号)，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混叠。为满足这个前提条件，可以采用跟踪滤波器的办法来解决，即在采样前先进行滤波，如图2.1所示。也就是当需要对某一个中心频率的带通信号进行采样时，就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。

 shape  \* mergeformat   图2.1带通信号的采样

带通采样的结果是把位于（nb,(n+1)b）(n=0,1,2,  )不同频带上的信号都用位于(0, b)上相同的基带信号频谱来表示，但要注意的是这种表示在n为奇数时，其频率对应关系是相对中心频率“反折”的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量。而偶数频带与采样后的数字基带谱是高、低频率分量一一对应的。这种奇、偶频带有别的频率对应关系在带通信号采样定理实际应用时是需要特别注意的。

2.3软件无线电中的带通采样理论
由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从0.1 mhz到3 ghz。作为软件无线电，只有这样宽的频段才能具有广泛的适应性。但是如此宽的频带采用nyquist低通采样至少需要6ghz，这显然是不现实的。所以，对于宽频带工作的软件无线电电台只有采用带通采样。

2.3.1窄带中频采样数字化
采样率为 的理想带通采样模型如图2.2所示。

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                      图2.2理想带通采样模型

上述理想带通采样模型在实际应用中有一定限制的，例如当采样率 固定时，该模型所能处理(数字化)的信号的中心频率只有有限几个，即

            =    n=0,1,2,                      (2-12)

而处理带宽为采样速率的一半，即

                      b                                       (2-13)

此时为了能使该模型能够处理整个频带上的所有信号，则其采样率 必须取为信号带宽的两倍。但是这种方法实现起来是很困难的，主要表现在刃d前面的抗混叠滤波器无法实现，因为它要求该滤波器在整个频带都保持相同的滤波器带宽和阻带特性是不可能的。

为解决这个问题，可以采用所谓的超外差接收结构，即先用一个本振信号与被数字化的输入信号进行混频(可以经过几次混频)，将其转换为统一的中频信号，然后进行数字化，如图2.3所示。图中三个频率之间的关系为:

               =                             (2-14)

通过改变本振频率 ，就可以完成对不同频率( )信号的数字化，而这时a/d前的信号中心频率(中频)是固定不变的 。如果 取得适当，a/d前的抗混叠滤波器就会容易实现。但是，这种超外差中频数字化体制的主要缺点是在天线和a/d间增加了很多模拟信号处理环节，如混频、本振信号产生、各种滤波等。这些模拟电路不仅会造成信号失真(特别是混频器和窄带滤波器)，而且对缩小体积、降低成本和功耗也是极其不利的。另外，由于在天线与aid间的模拟电路过多，使得这种体制在对信号的适应性以及可扩展性方面存在明显的不足。例如，一旦模拟信道的中频带宽确定以后，要适应不同的信号带宽就存在一定的困难，另外，本振信号的频率步进一旦确定，对信道间隔的适应能力也就变差了。所以图2.3所示的结构并不是软件无线电概念上的一种理想的结构形式，特别是由于过多的模拟信号处理环节而造成适应性不强、可扩展性差的弊端是显而易见的。

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               图2.3窄带中频带通采样软件无线电结构

2.3.2宽带中频带通采样数字化
为了改善上述中频数字化体制对信号环境的适应性和可扩展性，可以通过适当增加中频带宽的办法来加以解决(只能说是部分解决)，也就是使图2.3中的中频带宽b满足:

                          b>>                                  (2-15)

此时在中频带宽b内将包含有多个信道(信道数n=b/ )。至于对带宽b内位于某一特定信道上的信号所需进行的解调、分析、识别等处理，将由后续的信号处理器及其软件来完成，该软件主要完成数字滤波(可变带宽)、数字下变频以及解调等信号处理任务，通过加载不同的信号处理软件就可以实现对不同体制、不同带宽以及不同种类信号的接收解调以及其他信号处理任务，这样对信号环境的适应性以及可扩展性就大大提高了。而且由于中频带宽加宽了，本振信号可以按照大步进来设计，这样可以大大简化本振源的设计，有利于减小体积、改善性能、降低成本。

2.3.3射频直接带通采样定理
射频直接带通采样是建立在带通信号采样的基础之上。一般的无线电信号(如通信信号、雷达信号、遥控遥测信号等)其瞬时信号带宽都是比较窄的，例如一般的常规v/uhf战术通信电台信号带宽(间隔)为:50khz, 25khz或12.5khz等，而短波电台的信号带宽就更窄，即使象非常规的扩频信号，其带宽也不过几兆赫兹，超过百兆赫兹的信号是比较少的。所以，单独对某一个信号进行接收解调时就完全可以应用带通信号采样定理对其进行数字化，如图2.4所示。

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              图2.4射频直接带通采样软件无线电接收体制

    由前面的带通信号采样定理知道，当以采样速率 对 （0，f）频带内的信号进行数字化时，如果a/d前的抗混叠滤波器是理想的话(矩形系数为1，带宽为  /2)，就可以实现整个频带的无“盲区”采样。但是这种矩形系数为1的理想滤波器是实现不了的。在实际应用中，滤波器的非理想化造成采样“盲区”，解决的办法是对这些“盲区”通过选择合适的采样频率进行“异频”或“异速率”采样。

第三章 多速率信号处理
    在一个信号处理系统中有时需要不同的抽样率。这样做的目的有时是为了系统中各处需要不同的抽样率，以利于信号的处理、编码、传输和存储，有时是为了节省计算工作量。使抽样率降低的抽样率转换称为抽取;使抽样率升高的抽样率转换称为内插。抽取和内插是多抽样率信号处理的基本环节。

    在软件无线电系统中，我们的设计思路是adc采样频率越大越好，这样可获得更高的信噪比，在一些宽带中频和射频无线电方案中，adc的采样率高达几十mhz。但是对通用接收机来说，在同一时间里一般只要求对一个信号进行分析处理，而单一信号的带宽最大也只有200khz左右(扩频信号另论)，这样采样频率最大也只需1 mhz左右，因此完全有可能降低采样频率而不丢失信号信息。另一方面，降低采样率可以减轻信号处理负荷，节省宝贵的dsp系统运算资源。

3.1整数倍抽取
当信号的抽样数据量太大时，为了减少数据量以便于处理和计算，我们将抽样数据每隔d-1个取一个，这里d为整数。这样的抽取称为整数倍抽取，d为抽取因子。如图3.1所示，输入的序列  的抽样间隔为 ，相应的抽样率为 。进行整数倍抽取后，所得新的序列 的抽样周期为  ，抽样率为  ，由于每隔d个  抽取一个数据，所以 =d ， = /d。

 

                    图3.2完整的抽取器方框图

这种方法虽然把  中的高频部分损失掉了，但由于避免了混迭，所以在 中仍然完好地保存了 低频部分。在信号恢复时可以从 恢复 的低频部分。

3.2整数倍内插
整数倍内插是在已知抽样序列 的相邻两抽样点之间等间距插入i一1个0值点，然后进行低通滤波，即可求得i倍内插的结果，这里i为整数。这样的内插称为整数倍内插,i为内插因子。图3.3所示为一般情况下的整数倍内插框图。

 

3.3采样频率的分数倍转换
上两节我们讨论了通过整数倍抽取和内插实现采样频率的整数倍缩小和增大，在一些特殊情况是我们需要采样频率分数倍转换，这种变换可以这样来实现:先通过i倍内插，再进行d倍抽取，如图3.6所示。

                    图3.6取样率的分数倍i/d变换

内插器的低通滤波器  与抽取器的低通滤波器  ，总的滤波效果等于其中带通截止频率较低的那个滤波器，所以，只需用这一滤波器即可，因此，i/d倍采样速率转换系统可简化为图3.6(b)，这时的低通滤波器为:

                 

3.4多抽样率系统的多相结构
    在多抽样率系统中我们总是设法把乘法运算安排在低抽样率的一侧以使单位时间内的乘法次数(mps)最少。但在抽取器和内插器中滤波的卷积运算都是在抽样率较高的一侧，例如实现抽取器的运算，如果先做抗混迭滤波的卷积运算然后抽取，则必然有很多计算工作是徒劳的，而且一个卷积运算又必须在输入信号的抽样时间间隔内完成，这样就使得每秒钟的乘法次数很高。在实现多抽样率系统时，fir结构具有很大的优越性。一方面它是绝对稳定的并具有很容易做成线性相位的优点，另一方面也容易实现高效结构。

    在多抽样率信号处理中，多相滤波技术是一种极其重要的方法，多相滤波技术可以极大地降低运算量，使原来不可能实现的实时处理成为可能，从而大大增强了信号处理能力。多相滤波技术在形式上是将数字滤波器的转移函数h(z)分解成若干个相位不同的组，所以，也叫多相分解，其本质上是避免不必要的运算，从而提高滤波运算的计算效率。

    1. fir滤波器的多相表示

在fir滤波器中，转移函数

       =                            (3-7)

式中，n为滤波器的长度。如果将冲激响应h(n)按下列的排列分成d个组并设n为d的整数倍，即n/d=q, q为整数，则:

                图3.7 fir滤波器多相分解的第一种形式

利用这种多相结构和等效变换，则可以将带有抗混迭滤波器的抽取系统中的卷积运算放到低抽样率的一端进行，这样将大大降低计算量。将式(3-8)中的 h(nd+k) 定义为，则式(3-8)变成

               (3-11)