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软件无线电中心思想1992年，MILTRE MILTRE公司的公司的Joseph Mitola Mitola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、段、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A/D 和和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。
灵活性、开放性的新一代无线通信系统。
软件无线电基本平台设计一般说来，软件无线电主要由天线、一般说来，软件无线电主要由天线、射频前端、宽带射频前端、宽带A/D A/D- -D/A D/A转换器、通信和转换器、通信和数字信号处理以及各种软件组成，理想的数字信号处理以及各种软件组成，理想的软件无线电的组成结构如下图软件无线电的核心技术带通采样（欠采样）数字上下变频调制解调同步技术多速率信号处理数字滤波等软件无线电的三种结构形式1。
射频低通采样软件无线电结构（Nyquist采样）这种结构的软件无线电，结构简洁，把模拟电路的数量减少到最低程度，如图所示。
从天线进来的信号经过滤波放大后就由A/D进行采样数字化，这种结构不仅对A/D转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非常高的要求，同时对后续DSP 或ASIC（专用集成电路）的处理速度要求也特别的高，因为射频低通采样所需的采样速率至少是射频工作带宽的两倍。
比如，工作在1MHz~1000MHz的软件无线电接收机，其采样速率就至少需要2GHz，这样高的采样率A/D 能否达到暂且不说，后接的数字信号处理器也是难以满足要求的。
2。
射频直接带通采样软件无线电结构（欠采样）射频带通采样结构的软件无线电可以较好地解决上述射频低通采样软件无线电结构对A/D转换器、高速DSP等要求过高，以致无法实现的问题。
其结构图如下。
中频软件无线电系统的FPGA实现方案一、引言现代通信技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展,促进了无线通信技术从数字化走向软件化。
软件无线电的出现掀起了无线通信技术的又一次革命,它已经成为目前通信领域中最为重要的研究方向之一。
所谓软件无线电,是指构造一个通用的、可重复编程的硬件平台,使其工作频段、调制解调方式、业务种类、数据速率与格式、控制协议等都可以进行重构和控制,选用不同的软件模块就可以实现不同类型和功能的无线电台,其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器,并尽可能地用软件来定义无线功能［１］。
软件无线电具有极大的应用价值和广泛的应用前景。
在军事上,不但可以解决不同无线设备间的互连互通,而且还可以现场开发新波形。
在商业方面,可实现移动通信的无缝接入和完全自由的个人通信,缩短系统的开发周期和降低运营商的成本,现已成为3G和4G所采用的一项关键技术。
本文研究了中频软件无线电的实现方案,并设计了基于FPGA的通用硬件平台。
在此平台上,通过PC机下载软件,实时实现了软件无线电中频至基带的波形处理和多种不同的调制解调方式。
二、软件无线电的系统结构软件无线电赋予了无线电台多种特性。
如图1所示,软件无线电用软件定义了包括RF信道接入和波形合成等空中接口的所有方面,宽带ADC和DAC在中频转换每个RF业务频段成为模拟和数字形式,带宽为WS的宽带数字接收机信号流包括了全部用户信道,其中每个用户的带宽Wc《WS 。
在图1所示的软件无线电中,中频ADC和DAC信道可以同时使用可编程的数字硬件和软件来处理。
中频处理包括：用来分离用户信道的滤波;数字波束成形;空时联合均衡;空间分集、极化或频率分集信道的综合,以及捕获高质量波形的其它方法。
一般情况下,需要多个中频,或者用零中频来处理。
数字下变频技术可以利用带通波形抽样信号的频域周期性,将带通波形直接变换到基带。
在软件无线电的发射机中,基带信号由软件实现的信道调制解调器转换成抽样后的信道波形,驱动高性能DAC。
数字中频的基本原理和FPGA的实现1．基本原理数字中频主要分两部分，数字上变频（DUC）和数字下变频(DDC)。
它们的主要功能是相反，但原理和实现的方法是十分相似。
在R8905项目中由于采用了零中频技术，数字上变频和下变频有一些差别，数字上变频没有了NCO模块。
另外为了降低输出信号的峰均比又加入了削峰模块CFR,而CGC模块的引入则是补偿削峰所引起的功率损失。
CPRI接口处理RCF2倍内插HB2倍内插CFRCGCCIC54倍内插3.84M7.68M15.36M61.44M图1 数字上变频模块框图在数字下变频中RSSI模块是信号的功率检测模块，它配合AGC电路将信号的输出功率稳定在一定范围内。
NCOCIC54倍抽取HB2倍抽取RRC AGCRSSI61.44M15.36M7.68Mcpri 图2 数字下变频模块框图在DDC和DUC中主要使用3种滤波器分别是RRC,HB和CIC，它们个自有个自的特点。
RRC滤波器一般来讲阶数比较多，多用于低频处。
由于它的阶数比较多，所以可以得到比较锐利的带通特性，但它所用的乘法器比较多。
CIC滤波器不需要乘法器，但它的带内不是很平坦，适合用在高频处。
而HB滤波器的特性正好在它们之间，它有约一半的系数是0可以讲乘法器的个数减少一半。
削峰模块CFR实际上也是一组滤波器，它的功能是将CDMA信号中的峰值信号减小一些，以减小输出信号的峰均比，使射频功率放大器的效率更高。
削峰的模块框图如图3图3 单级削峰示意图削峰的原理是这样的一个复信号(I,Q)如果它的模大于某个门限，就将其减去这个门限得到一个复信号(dI,dQ),否则(dI,dQ)＝(0,0)。
将(dI,dQ)送到fir滤波器中，fir滤波器是一个低通滤波器将峰值限定在一定的带宽内，防止影响临道。
将原信号(I,Q)减去滤波后的信号(fir_i,fir_q)就得到了削峰的值。
如果有必要这这样的削峰可以连续做几次，在R8905设计中削峰用了两次。
软件无线电发射机的FPGA实现一、引言软件无线电是近几年在无线通信领域提出的一种新的通信系统体系结构，其基本思想是以开发性、可扩展、结构最简的硬件为通用平台，把尽可能多的通信功能用可升级、可替换的软件来实现。
这一新概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。
由于它所具有的灵活性、开放性等特点，不仅在军、民无线通信中获得了应用，而且还被推广到其它领域。
FPGA (现场可编程门阵列) 是上世纪80年代中期出现的一类新型可编程器件。
应用FPGA设计功能电路时，可以让人们的思路从传统的以单片机或DSP芯片为核心的系统集成型转向单一专用芯片型设计。
FPGA技术的发展使单个芯片上集成的逻辑门数目越来越多，实现的功能越来越复杂，人们通过硬件编程设计和研制ASIC，可以极大地提高芯片的研制效率，降低开发费用。
基于上述优点，用FPGA实现软件无线电发射机，不仅降低了产品成本，减小了设备体积，满足了系统的需要，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。
在资源允许下，还可以实现多路调制，并能对每一路发射信号的幅度和相位进行细调，这也是实现3G智能波束跟踪算法的基础。
本文在设计上使用了基于多相滤波和单MAC的成形滤波器和高效CIC插值滤波器，充分考虑了性能和资源占用率的关系，并用MATLAB仿真出各模块最佳的输入输出位数，从而实现了资源占用最少而性能最佳的目的。
整个设计利用安立公司的PHS专用测试仪MT8801C对其频谱、眼图、星座图和其它各项发射指标进行测试，均达到或超过专用TSP芯片AD6623的效果。
二、软件无线电发射机数学模型软件无线电发射机是软件无线电两大组成部分之一，它的主要功能是把需发射或传输的用户信息经基带处理上变频，调到规定的载频上，再通过功率放大后送至天线，把电信号转换为空间传播的无线电信号，发向空中或经传输介质送到接收方的接收端，由其进行接收解调。
其基本组成如图1所示。
本设计要做是用FPGA实现其中的基带调制和上变频部分。
基于FPGA的数字中频信号处理的设计与实现【摘要】中频信号处理技术是目前发展迅速的一项技术。
随着软件无线电理论的发展，数字下变频技术得到了越来越普遍的应用。
本文讨论了数字中频接收机中变频、滤波等关键技术，利用FPGA编程实现了下变频处理和FFT处理。
给出了FPGA实现的数字下变频系统在测试中产生的波形和频谱，作了测试结果分析。
在某无线电分析仪中，该技术被成功的应用在基于FPGA的数字信号处理系统中。
【关键词】数字中频；数字下变频；滤波；复数FFT1.引言随着软件无线电技术的发展，现代频谱分析仪等测量仪器中大多都采用数字中频接收机方案，采用全数字的中频处理结构[1]。
在信号处理过程中先通过高速A/D采样得到数字中频信号，然后通过数字正交解调技术将信号搬移到基带，通过多速率信号处理技术来设计抽取滤波器，以降低数据率，进而进行下一步的信号处理[2]。
随着现场可编程门阵列（FPGA）器件在工艺方面的进步，FPGA器件以其高速、可编程、模块化等特点而在数字信号处理中被大量使用。
其中数字变频、数字滤波和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）是中频数字信号处理中最为普遍、最为重要的处理方式[3]。
本文借助MATLAB软件对数字中频信号处理中的主要算法，包括数字下变频、CIC滤波、FIR滤波、FFT、对数运算等处理过程进行了设计分析。
编写了FPGA程序并通过Modelsim的仿真。
最后给出了FPGA实现的数字中频处理器在测试中产生的波形和频谱。
2.数字中频处理的基本结构经过A/D采样后的数字中频处理的主要过程包括数字下变频模块、FFT模块、后续的取模检波等模块。
数字下变频主要功能包括三个方面：（1）变频，数字混频器将数字中频信号和数控振荡器（Numerical Control Oscillator，NCO）产生的正交本振信号相乘，将感兴趣的信号下变频至零中频；（2）低通滤波，滤除带外信号，提取有用信号；（3）采样速率转换，降低采样速率，以利于后续信号处理。
图1 总体方案图
图2 FPGA内部模块图期
图3 SRRC滤波器具体实现结构图图4 移位寄存器组的结构Z-1
图5 查表和加法模块结构图
图6 FPGA实现DDS的程序结构图
三路，其中两路被作为地址送往两个
ROM，一路反馈到累加器的输入端。
在本系统中累加器必然会发生数
据溢出，当溢出发生后，累加器能否
回到正确的状态重新开始计数，对于
DDS的正常工作是非常重要的。
假设
一个累加器的位数是3，在取步长为
(011)2的情况下，时序图如图7所示。
图8 分频器的内部结构
图10 调制后信号的波形图
由40MHz晶振的二次谐波引起的，
这主要是因为用30MHz和40MHz混
70MHz的混频方案不太合理，两个频图9 FPGA中各功能模块连接图。
基于FPGA的软件无线电接收机硬件平台的设计课题研究背景及意义：软件无线电技术最早是由军事通信发展而来的。
其概念最早起源于20世纪70年代末美军对VHF频段多模式无线电系统的开发。
一直以来军用无线设备都是针对某些特定用途而设计。
由于它们的发射单元和接受单元在射频载波频率、波形结构和调制方式的不统一，所以形成了军事无线装备系列多、互通差、协同难的局面很难适应未来海、陆、空一体化作战的要求[1]。
理想的军用通信系统一方面应该满足其调制模式、信道带宽和语音编码类型灵活可变的特点，另一方面还可以根据具体的工作环境较易地对系统参数进行重新配置，工作环境包括信道的传输特性等。
这样的系统能够有效阻止敌方的截获在战争的环境下具有很强的优势。
所以在军用无线电中采用软件无线电的优势就显而易见。
软件无线电在民用无线通信领域方面也有很强的需求。
20世纪80年代我国引入模拟制TACS系统(1G)，90年代初引进数字制的GSM和CDMA系统(2G)，到现在使用的3G，在不久的将来又将步入4G时代。
随着通信服务质量的日趋提高，通信系统的升级换代的速度是惊人的[2]。
如果采用硬件的直接替换而实现系统的更新换代，这将要牺牲巨大的经济成本。
如果现有的通信系统的基础硬件建立在软件无线电原理的基础上，那么随着服务质量和性能要求的不断提高现在乃至将来系统在更新换代的成本将会大幅度降低。
当前无线通信系统繁多，由于各种不同通信系统的工作频段、调制方式、波形结构、通信协议等原理、结构上存在差异，极大限制了不同系统之间的互通，这些系统间的互不兼容给通信带来极大的不便。
传统以硬件为主的通信体制已无法解决这一问题，这种情况下，1992年5月，MILTRE公司的Joseph Mitola提出了软件无线电技术，它突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限，强调以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路，极大的增强了各个不同系统间的互通性和兼容性。
文章编号:1001-893X(2002)01-0059-05中频软件无线电系统的FPGA实现方案Ξ王晓虎1 刘金银2(11大唐电信产业集团中央研究院,北京100083;21西安电子科技大学通信工程学院,陕西西安710071)【摘要】软件无线电作为无线通信技术的又一次革命,是目前通信领域中最为重要的研究方向之一。
本文研究了中频软件无线电的实现方案,并用FPG A设计和实现了基于此方案的中频软件无线电的通用硬件平台。
关键词:软件无线电;可编程门阵列;波形处理;方案中图分类号:T N919172 文献标识码:AScheme for Implementation of IF Softw areR adio System with FPGAWANG Xiao-hu1,LIU Jin-yin2(11Central Research Institute,Datang T elecommunication and Industry G roup,Beijing100083,China;21School of T elecommunications Engineering,X idian University,X i’an710071,China)Abstract:As another rev olution in wireless communication,s oftware radio has become one of the m ost im portant research fields.In this paper,the FPG A im plementation scheme of IF s oftware radio is discussed.Based on the scheme,the universal hardware platform of IF s oftware radio is designed and im plemented.K ey w ords:S oftware radio;FPG A;Waveform process or;Scheme一、引 言现代通信技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展,促进了无线通信技术从数字化走向软件化。
软件无线电的出现掀起了无线通信技术的又一次革命,它已经成为目前通信领域中最为重要的研究方向之一。
所谓软件无线电,是指构造一个通用的、可重复编程的硬件平台,使其工作频段、调制解调方式、业务种类、数据速率与格式、控制协议等都可以进行重构和控制,选用不同的软件模块就可以实现不同类型和功能的无线电台,其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带AΠD和DΠA变换器,并尽可能地用软件来定义无线功能[1]。
软件无线电具有极大的应用价值和广泛的应用前景。
在军事上,不但可以解决不同无线设备间的互连互通,而且还可以现场开发新波形。
在商业方面,可实现移动通信的无缝接入和完全自由的个人通信,缩短系统的开发周期和降低运营商的成本,现已成为3G和4G所采用的一项关键技术。
本文研究了中频软件无线电的实现方案,并设计了基于FPG A的通用硬件平台。
在此平台上,通过PC机下载软件,实时实现了软件无线电中频至基带的波形处理和多种不同的调制解调方式。
二、软件无线电的系统结构软件无线电赋予了无线电台多种特性。
如图1所示,软件无线电用软件定义了包括RF信道接入和波形合成等空中接口的所有方面,宽带ADC和DAC在中频转换每个RF业务频段成为模拟和数字形式,带宽为WS的宽带数字接收机信号流包括了Ξ收稿日期:2001-10-18全部用户信道,其中每个用户的带宽W c νW S 。
在图1所示的软件无线电中,中频ADC 和DAC 信道可以同时使用可编程的数字硬件和软件来处理。
中频处理包括:用来分离用户信道的滤波;数字波束成形;空时联合均衡;空间分集、极化或频率分集信道的综合,以及捕获高质量波形的其它方法。
一般情况下,需要多个中频,或者用零中频来处理。
数字下变频技术可以利用带通波形抽样信号的频域周期性,将带通波形直接变换到基带。
在软件无线电的发射机中,基带信号由软件实现的信道调制解调器转换成抽样后的信道波形,驱动高性能DAC 。
中频处理软件还可以对基带信号进行预加重或非线性预编码处理。
具体实现时,调制解调功能、中频处理和RF 信道接入可以合并成一个部分,例如直接转换接收机。
另外,软件或各种特性间实时转换的动态编译允许这些分立的功能集成到一个如FPG A 这样的器件中。
图1 软件无线电的系统结构和关键功能三、中频软件无线电实现方案的研究典型的中频软件无线电的通用硬件平台结构如图2所示,包括A ΠD 变换器、D ΠA 变换器、数字信号处理模块和PC 机,具有很强的灵活性和高度的开放性。
图2 中频软件无线电的通用硬件平台结构图2中的数字信号处理模块用来实现多媒体处理、调制解调、波形处理、上Π下变频和控制等功能。
此模块可以灵活扩展,满足不同无线通信系统对数字信号处理的运算速度和运算量的要求。
PC 机具有良好的人机接口,可以完成如下功能:初始化系统;提供软件开发环境;实现在线Π离线开发应用软件;下载软件到数字信号处理模块等等。
1.软件无线电中数字信号处理能力所面临的挑战数字信号处理模块是软件无线电的核心部分。
软件无线电要求数字信号处理模块能实时处理ADC 变换后的数字信号,并用软件的方法来实现大量的无线电功能,这些功能包括:编解码、调制解调、滤波、同步、盲均衡、检测、数据加密、传输加密纠错、跳扩频及解扩和解跳、通信环境评估、信道选择等,而单个DSP 根本无法完成这些功能,对于基站则差距更大。
考虑单个信道的情况,最基本的解调需要10次操作Π秒,一个性能良好的FIRΠIIR信道选择滤波器需要100次操作Π秒,再加上均衡、解交织、信道解码、解复用、差错控制等等。
对于一个采样率为30～50MH z的信道,所需要的处理速度很容易就达到了5000MIPS(每秒百万指令)。
文献[2]对单信道DSSS(直接序列扩频)军事波形的处理需求进行了估计:此波形的码片速率为10MchipΠs,ADC的采样率为40MSPS,数据速率为9600bitΠs,完成脉冲成形、PN(伪随机)码产生、解复用、解扩Π相关、载波同步、跟踪、Viterbi译码、盲均衡和控制等功能;全部所需要的处理速度大约为12.78G F LOPS(每秒十亿次浮点操作)。
现在3G所使用的宽带C DM A技术,单信道所需要的处理速度的量级也与上述军事波形相当,甚至更高。
对于基站,由于需要处理很多信道,所需要的处理速度会达到上千GIPS(每秒十亿指令)的量级。
然而目前可用的一些高速DSP的性能,最快的也不超过5GIPS,与实际需求相差巨大。
这种处理资源的匮乏,被称之为DSP瓶颈[3],是影响软件无线电发展的一个至关重要的技术挑战。
2.实现中频软件无线电系统的传统方法为解决数字信号处理资源匮乏这一问题,目前实现中频软件无线电系统的传统方法有2种,即用多个DSP实现和用DSP+参数化ASIC实现。
(1)多个DSP方法这种方法一般采用多个DSP组成树状或网状结构,并行处理数据流,但这种方法最大的弊端是系统体积大、供耗高、成本高。
(2)DSP+参数化ASIC方法这种系统是目前较多采用的实现方法。
在这种系统中,参数化ASIC可有限编程,完成对数字信号处理速度要求较高的部分,DSP做较低速的数字信号处理。
这种方法虽然减小了系统的体积,降低了功耗,但是由于参数化ASIC可编程的限制较大,严重地限制了系统的灵活性和开放性,难以体现软件无线电的优越性。
3.用FP G A实现中频软件无线电的优势本文采用FPG A来实现中频软件无线电。
表1和表2所示的比较分析表明,FPG A与参数化ASIC、DSP比较有很多优势,它不但在功耗、体积、成本方面优于参数化ASIC、DSP,而且处理效率高、现场可编程性能良好。
不同于DSP的单流处理方式,FPG A 是多流并行处理,这种处理方式使FPG A能完成DSP难以实现的许多功能,如FIRΠIIR滤波器、扩频、跳频模式。
因此,FPG A能很好地体现软件无线电的灵活性和开放性,很适合在软件无线电中做高速数字信号处理,是实现中频软件无线电的理想选择。
表1 FP G A、高速DSP和参数化ASIC的技术性能比较功率损耗体 积成 本现场升级能力硅革新FPG A低小适中Π低高容易高速DSP高适中适中Π低高容易参数化ASIC适中适中适中有一些适中表2 FP G A和高速DSP的详细技术性能比较FPG A DSP编程语言VH D L、Verilog C、汇编软件编程的容易程度相当容易,但需了解硬件结构容易处理速度结构合理,则速度极快受到DSP时钟速度的限制可重复配置性SRAM结构可无限次配置通过改变程序内存内容重复配置重复配置方法下载配置数据到芯片通过在不同的内存地址读程序来完成重复配置FPG A优于DSP或DSP优于FPG A的方面FIR、IIR滤波器,相关器、卷积运算、FFT等顺序执行的信号处理程序功率损耗可达到最小较高乘加运算的实现方法并行或分布式算法乘加功能重复操作乘加速度很快;不受滤波器系数的限制受DSP乘加操作的速度限制;滤波器系数越多,速度越慢并行处理能力能并行处理,并可获得很高的性能不能4.采用FP G A 实现中频软件无线电系统图3为所实现的中频软件无线电系统框图。
系统从IF (中频)进行A ΠD 和D ΠA 变换。
下面就系统的各部分做一介绍。
图3 中频软件无线电系统框图11宽带D ΠA 和A ΠD 转换器D ΠA 和A ΠD 转换器分别把中频数字信号转换成模拟信号,中频模拟信号转换成数字信号。
D ΠA 变换器和A ΠD 变换器的选择,直接关系到软件无线电的总体性能。
因此,必须根据系统的要求,综合考虑D ΠA 变换器和A ΠD 变换器的各方面性能,做出选择。
(1)宽带D ΠA 转换器选用了AD 公司的AD9713B ,性能指标如下:1)具有12bit 精度;2)转换速率最快为80MSPS ;3)SFDR (无杂散动态范围)为70dBc 。
这里,DAC 锁存时钟为40MH z 。
AD9713B 后接两级放大器,将模拟信号放大后输出。
(2)宽带A ΠD 转换器在软件无线电中,对ADC 的性能要求很高,ADC 的选择比DAC 更为重要。
选择ADC 时,需要考虑其采样频率、带宽、转换位数和SFDR 。
而这几个性能指标是互为约束的,必须综合考虑确定。
在此,ADC 选用AD 公司生产的AD9042。
AD9042是高速、高性能、低功耗的单片12位模Π数变换器,其性能指标如下:1)最大采样速率41MSPS ;2)SFDR 为80dBc ;3)信噪比为68dB 。
