基于軟件無線電的數(shù)字接收機的設計與實現(xiàn)

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1、基于軟件無線電的數(shù)字接收機的設計與實現(xiàn)!Q:ScienceandTechnologyConsultingHerald基于軟件無線電的數(shù)字接收機的設計與實現(xiàn)高亮亮(西安電子工程研究所西安710100)工程技術(shù)摘要:本文根據(jù)軟件無線電思想,采用可編程器件FPGA實現(xiàn)直擴系統(tǒng)中頻數(shù)字化接收機;并給出了帶通采樣技術(shù),中頻數(shù)字化,數(shù)字下變頻,偽碼捕獲與跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案.關(guān)鍵詞:軟件無線電帶通采樣數(shù)字下變頻偽碼中圖分類號:TN9l4.3文獻標識碼:A文章編號:1673—0534(2007)03(b)一006402i弓I言

2、擴頻通信技術(shù)具有抗干擾,抗噪聲,抗多徑干擾,保密性好,功率譜密度低,具有隱蔽性和低的截獲概率,可實現(xiàn)碼分多址以及高精度測量等許多優(yōu)點,廣泛應用于軍事通信,電子對抗以及導航,測量等各個領(lǐng)域,已成為無線通信物理層的主要通信手段.所謂直接序列(DS)擴頻,就是直接用具有高碼率的擴頒碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜.而在收端,用相同的擴頻碼序列去進行解擴,把展寬的擴頻信號還原成原始的信息;原理框圖如圖l所示.軟件無線電核心思想是對由天線感應的射頻模擬信號盡可能早的直接進行數(shù)字化,將其變?yōu)檫m合于DSP或計算機處理的數(shù)據(jù)流.然后通過軟件

3、(算法)完成各種功能,使其具有更好的可擴展性和環(huán)境適應性,理想軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)如圖2.2系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)經(jīng)比較,軟件無線電寬帶中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)與目前的中頻數(shù)字化接收機的結(jié)構(gòu)類似,其主要區(qū)別是前者中頻帶寬更寬,所有的調(diào)制解調(diào)等功能全由軟件加以實現(xiàn).這種軟件無線電結(jié)構(gòu)通過相對復雜的射頻前端把高頻信號變換為中心頻率適中,帶寬適中的寬帶中頻信號,給后續(xù)的A/D采樣數(shù)字化減輕了負擔,使A/D設計大大簡化,且比常用的窄帶超外差前端更為簡單,是較為可行的基于軟件無線思想的通信系統(tǒng)設計方案(如圖3).本系統(tǒng)中中頻數(shù)字接收機主要完成下

4、述功能:中頻模擬信號的高速AD帶通采樣,數(shù)字下變頻,偽碼同步,相干載波提取和數(shù)據(jù)恢復;結(jié)構(gòu)如圖4所示.與AD接口的前端需要很高的處理速度,但處理的算法比較簡單,FPGA器件獨特的并行實時處理的特點剛好可以在這里得到體現(xiàn),因此,ADC以后的數(shù)字信號處理全部由FPGA來實現(xiàn).以下對幾個關(guān)鍵問題進行分析.1)高速AD帶通采樣對中頻數(shù)字化來說,采樣時鐘速率的選擇對解調(diào)處理很重要,由于目前使用的多是窄帶信號,根據(jù)Nyquist帶通采樣定理,采樣速率在滿足大干信號帶寬兩倍的情況下,選取遠遠低于信號最高頻率的兩倍速率就能正確地反映帶通

5、信號的特性,帶通采樣減少了抽樣點數(shù)目,同時還達到降低信號中頻的作用,很大程度上減少了后續(xù)數(shù)字信號的處理負擔.這些處理降低了系統(tǒng)對ADC器件的性能要求,在實際使用中采用一些通用芯片就可以滿足要求.由于采用了帶通采樣技術(shù),AD的采樣率不能任意選取.由帶通采樣定理可知,帶通采樣率,s應滿足下式:ss+l廠,1其中n要滿足1≤≤,#I昔I式中為帶通信號的最高頻率,'為帶通信號的最低頻率,B為信號帶寬.,【.】表示取不大干括號內(nèi)數(shù)值的整數(shù).2)數(shù)字下變頻通過數(shù)字下變頻(DigitalDownConversion,DDC)將采樣后的

6、載頻信號變換成零中頻信號,即基帶信號,是數(shù)字中頻處理的目的.由本地NCO,數(shù)字混頻器和低通一圈l贏接序判擴輾通信系統(tǒng)壤理框豳2矮想軟件無線電的組成結(jié)構(gòu)64科技咨詢導報ScienceandTechnologyConsultingHeraldFIR濾波器組成,圖5給出了DDC模塊框圖.DDC工作時,每向DDC輸入一個信號采樣樣本,NC0就增加一個2萬?/相位增量,然后,以∑2.,//,相位累加角度作為地址,檢查該地址上的數(shù)值并輸出到數(shù)字混頻器,與信號樣本相乘.乘積樣本再經(jīng)低通濾波器濾波輸出,即完成了數(shù)字下變頻.數(shù)控振蕩器(N

7、CO)是決定數(shù)字下變頻性能的主要因素之一.NCO的目標是產(chǎn)生頻率可變的正交正.余弦樣本,在FPGA中,NCO采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)的方法來實現(xiàn).其由三部分組成:相位累加器,相位加法器及正弦表只讀存儲器.相位累加器的作用就是將數(shù)字本振頻率和本振偏移頻率之和轉(zhuǎn)換成相位,每來一個時鐘脈沖,相位在原來的基礎(chǔ)上增加一個相位增量,相位加法器的功能是設置一定的初始相位以滿足某些應用的需要.相位的正弦值用查正弦表(LookUPTable,LUT)求得.過程如下:sin[n1=sin[2n'n/lvlI,cos[r/1=cos[2

8、n'n/N】其中,n是輸入的LuT的地址,N是LUT的采樣數(shù),sinln]是在點2萬/Ⅳ處的正弦值,cosln]是在點Drn/N處的余弦值.當n從0到N改變時,LUT會輸出一個完整的正余弦值.考慮到正弦信號的對稱性,只存放l/4的波形,其余3個象限的波形通過簡單換算完成.如果采樣速率剛好是數(shù)字中頻的4倍,那么乘以正弦