軟件無線電技術 習題課 1 1 1作業一作業一 1 作業一作業一 設計一個軟件無線電收音機 要求 設計一個軟件無線電收音機 要求 射頻低通采樣 輸入為中波射頻低通采樣 輸入為中波AM和調頻和調頻FM 輸出為 輸出為 89 4MHz上對應的調制信號 上對應的調制信號 畫出系統框圖 給出主要參數 設計高效的抽取結畫出系統框圖 給出主要參數 設計高效的抽取結 構 構 應用背景應用背景 兩兩種類型種類型無線電廣播 無線電廣播 調幅 調幅 AM 廣播 廣播 長波長波 150 415 KHz 中波中波 525 1605 KHz 短波短波 1 6 26 MHz 調頻 調頻 FM 廣播 廣播 超高頻超高頻頻頻段 段 VHF 我國我國FM廣播波段廣播波段87 108 MHz 頻道劃分 頻道劃分 AM 頻道間隔 頻道間隔 9 KHz FM 頻道頻道間隔 間隔 200 KHz 信號帶寬為 信號帶寬為150 KHz 應用背景應用背景 AM和FM廣播的特點 AM 傳播距離遠 覆蓋面積大 電路簡單 價格便宜 抗干擾能力差 信號帶寬窄 音質較差 FM 抗干擾能力強 帶寬寬 音質好 覆蓋范圍小 接收質量受建筑物或其它地物遮擋影響 問題問題分析分析 可接收中波AM和FM信號 0 5M 108MHz 基于射頻低通采樣結構 輸出89 4MHz的FM信號 采用高效的抽取結構 系統系統原理框圖原理框圖 A DA D 模擬 前端 模擬 前端 數字 下變頻 數字 下變頻 基帶解 調算法 基帶解 調算法 D AD A 模擬 輸出 模擬 輸出 軟件無線電收音機的原理框圖軟件無線電收音機的原理框圖 模擬前端模擬前端 放大 濾波 動態范圍調整 LNALNAAGCAGCLPFLPF 模擬前端模擬前端 tx 0108125 MHz f j eH ADC與采樣頻率選擇與采樣頻率選擇 根據低通采樣定理 采樣頻率應為fs 2fmax fs 250MHz 2 108MHz ADC采樣后的頻譜為 0250 MHz f j eX 250 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 A A D D tx nx 數字下變頻數字下變頻 原理框圖 LPFLPF LPFLPF D D D D NCONCO MHzf 4 89 0 cos 0n sin 0n nx DnxB I DnxB Q 數字下變頻數字下變頻 ADC采樣后的數字信號x n 的頻譜 0 s f MHz f j eX s f 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 72 0 2 250 4 89 0 數字下變頻數字下變頻 NCO產生的本地載波信號頻譜 72 0 0 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 sin 0n cos 0n 數字下變頻數字下變頻 搬移后的I路信號的頻譜 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 0 s f MHz f j eX s f 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 0 j BI eX 2 44 1 28 1 72 0 56 0 72 0 56 0 44 1 28 1 2 數字下變頻數字下變頻 搬移后的Q路信號的頻譜 0 s f MHz f j eX s f 2 4 89 72 0 4 89 KHz150 6 166 28 1 0 s f s f 2 72 0 72 0 21 0 j BQ eX 0 2 44 1 28 1 72 0 56 0 72 0 56 0 44 1 28 1 2 數字下變頻數字下變頻 低通濾波后得到的基帶信號頻譜 0 j BI eX 2 2 0 j BQ eX 2 2 數字下變頻數字下變頻 考慮所設計的低通濾波器指標為 通帶截止頻率 基帶調制信號的最高頻率75KHz 阻帶起始頻率 125KHz Kaiser窗 通帶紋波 阻帶紋波 0 001 則濾波器的階數N為 數字下變頻數字下變頻 高效抽取結構數字濾波器設計 分級 CIC和HB 抽取因子D的選擇 D fs 2fa 分級抽取 抽取結構 3級CIC和3級HB級聯抽取 數字下變頻數字下變頻 CIC濾波 非2的冪次方抽取 無乘法運算 級聯 有效降低CIC濾波器的旁瓣電平 數字下變頻數字下變頻 CIC濾波后的信號頻譜 抽取125倍后 采樣 率變為fs1 2MHz 數字下變頻數字下變頻 CIC濾波后的信號頻譜 數字下變頻數字下變頻 HB濾波 0 C a j eH 2 1 1 2 數字下變頻數字下變頻 HB濾波器設計 信號帶寬可表示為 則 各級抽取前的信號采樣率不同 因而HB濾波器階 數也不同 第m級HB濾波器輸入信號的采樣率為 過渡帶為 設整個多級HB濾波器的紋波系數為 則每 級紋波系數為 數字下變頻數字下變頻 使用Kaiser窗 各級HB濾波器的階數為 求得 數字下變頻數字下變頻 HB濾波后的信號速率為 fs3 2M 8 250K 信號的頻譜為 0 j BI eX 5 3 2 3s f 5 3 0 j BQ eX 2 3s f 數字下變頻數字下變頻 I Q支路信號疊加后的結果 0 j B eX 5 3 2 3s f 5 3 解調 解調 DAC 模擬輸出 模擬輸出 恢復原始的音頻調制信號 最終系統原理框圖最終系統原理框圖 LNALNAAGCAGCLPFLPFA DA D CICCIC CICCIC HBF HBF HBFHBF FM 解 調 算 法 FM 解 調 算 法 D AD ALPFLPFPAPA NCONCO MHzf 4 89 0 cos 0n sin 0n 模擬前端模擬前端 揚聲器 輸出 揚聲器 輸出 作業二作業二2 作業二作業二 設計一個軟件無線電偵察設計一個軟件無線電偵察接收機 接收機 要求 要求 頻率頻率范圍范圍525 KHz 1605 KHz 頻率頻率分辨力分辨力1 0 KHz 應用背景應用背景 無需專用設備對整個頻段進行搜索或監視 全概率信號截獲 適合處理持續時間很短的 突發 通信信號 調頻通信信號等 實現基礎 采用多相濾波器組的信道化接收機 問題分析問題分析 偵察范圍 525 KHz 1605 KHz 接收機的處理帶寬 1 08MHz 頻率分辨力為1 0 KHz 則最少存在1080個信道 j eX KHz f 52552516051605 KHz1080 s B 10651065O O 16051605 KHz1080 s B 10651065 525525 j eX KHz f 5255251605160510651065O O 0 1 2 539 1079 16051605 10651065 525525 系統原理框圖系統原理框圖 基于多相濾波器組的信道化接收機原理框圖基于多相濾波器組的信道化接收機原理框圖 抗混疊濾波器特性抗混疊濾波器特性 偵察信號的中心位置為 f0 1065KHz 通帶截止頻率 fc 1605KHz 阻帶起始頻率 fa 2089KHz j eX KHz f 525160552516051065O20891065O2089 ADC與采樣頻率選擇與采樣頻率選擇 根據低通采樣定理 采樣頻率應為fs 2fmax fs 6144KHz 2 2089KHz 數字下變頻數字下變頻 將整個偵察頻段的中心搬移到零頻率位置 fc 540K fa 1024K fs 6144K 6fa 因此可先通過 抽取降低處理信號的采樣速率 抽取因子D為 j eX KHz f 540540540540O O 0 1 2 539 1079 10241024 數字下變頻數字下變頻 低通濾波器的設計 通帶截止頻率 fc 540K 阻帶起始頻率 fa 1024K 通帶 阻帶紋波系數均為 0 001 Kaiser窗函數 則濾波器的階數N為 數字下變頻數字下變頻 多相濾波結構實現低通濾波器 濾波器的階數取為48 分為3相 則每相支路的濾波器的長度減少為16個 數字下變頻數字下變頻 數字下變頻器原理框圖 LPFLPF LPFLPF 3 3 3 3 sin 0n cos 0n nx 3 nxI 3 nxQ 數字下變頻數字下變頻 3倍抽取后偵察信號的頻譜 多相濾波器組多相濾波器組 各信道為間隔均勻的1KHz窄帶信號 偵察頻率范圍內的信道數為1080個 多相濾波器輸入樣本速率為 2048KHz 取D為2048 多相濾波器組的通道數K為2048 利用均勻濾波器組的整數頻帶抽取整數頻帶抽取 多相濾波器組設計多相濾波器組設計 偵察頻率范圍的信道參數 偵察有無信號 信號略有損失 j eX O O KHz 1 f5 0 1 5 0 1 多相濾波器組設計多相濾波器組設計 濾波器參數設計 通帶截止頻率 阻帶起始頻率 通帶 阻帶紋波系數 濾波器階數N為 則每相濾波器的長度為N D約為8 j eX KHz 1 f75 0 25 0 4096 4096 3 多相濾波器組的原理框圖多相濾波器組的原理框圖 原理框圖 2048 2048 2048點 DFT 2048點 DFT 20 zE 2048 2048 21 zE 1 z 1 z 2048 2048 21 zEK 1 zX K j eW 2 20 zY 22 zY 21 zYK 0 j eY K 2048 1 f 2 3 2 1 j K eY K 2048 1 f 2 3 2 作業三作業三3 作業三作業三 闡述智能天線用于移動通信系統用戶定位原理闡述智能天線用于移動通信系統用戶定位原理 和系統結構 和系統結構 應用背景應用背景 智能天線的高分辨能力和強抗干擾能力 蜂窩移動通信系統 確定移動臺所處的小區 通過兩個或多個基站聯合處理的智能天線系統 可將用戶終端定位到一個較小區域 定位精度 更高 美國聯邦通信委員會 FCC 要求有無線緊 急呼叫的功能 并且可達到125m的定位精度 問題分析問題分析 定位原理 系統框圖 定位系統分類定位系統分類 定向系統 定距系統 距離定位系統 距離和定位系統 橢圓型定位系統 距離差定位系統 雙曲型定位系統 技術基礎 定向 DOA估計 定距 TOA和TDOA估計 定向系統定向系統 通過測量信源信號的DOA 來估計移動用戶的位置 1 S 2 S 3 S 移動用戶移動用戶 距離定位系統距離定位系統 通過測量波達時間 TOA 來測量手機和一組基 站間的絕對距離 而對手機用戶進行定位 測量手機和基站間信號傳播的波達時間 TOA 計算手機用戶和基站間的傳播距離 利用多個基站接收機的距離測量結果 尋找的球面的公 共交點進行定位 距離定位系統距離定位系統 定位原理示意圖 N個距離測量結果 已知基站位置坐標 信源 坐標三者的數學關系為可表示為一個方程組 1 S 2 S 3 S 3 R 2 R 1 R 移動用戶 x y z 移動用戶 x y z X Y Z 距離定位系統距離定位系統 距離定位系統的特點 精確測量 信源和基站的時鐘必須嚴格嚴格同步同步 定位精度依賴于系統的幾何結構 距離和定位系統距離和定位系統 利用多個基站接收機的距離和測量結果 尋找 多個橢球面的交點 從而移動用戶定位 距離和與基站接收機間的TOA關系為 1 S 2 S 3 S 移動用戶移動用戶 x x y y z z 1 R 2 R 3 R 距離和定位系統距離和定位系統 N個距離和測量結果 已知基站位置坐標 信 源坐標三者的數學關系為可表示為一個方程組 信源位置可由3個或更多的橢球面交點確定 距離差定位系統距離差定位系統 利用多個基站接收機的距離差測量結果得到的 相交雙曲面而對信源定位 TDOA估計將信源的可能位置限制在以接收機 為焦點的旋轉雙曲面上 移動用戶 x y z 移動用戶 x y z 1 S 2 S 3 S 1 R 2 R 3 R 距離差定位系統距離差定位系統 距離差Rij與基站接收機間的TDOA 波達時 間差 關系為 N個距離和測量結果 已知基站位置坐標 信 源坐標三者的數學關系為可表示為一個方程組 信源位置可由3個或更多的雙曲面交點確定 距離差定位系統距離差定位系統 距離差定位的優點 TDOA法的優點 TOA法 精確知道信源發射時間 無需信源和接收機間保持嚴格的時鐘同步 能夠消除或減小接收機普遍存在的時延誤差 當前移動通信定位系統的主流技術 智能天線定位系統的原理框圖智能天線定位系統的原理框圖 基于多通道 多波束形成的軟件無線電智能天 線結構 P163 對其進行改造 可實現定向定位 定距定位以 及聯合定位 多多通道多通道多波束波束形成智能形成智能天線結構天線結構 具有定位功能的智能天線框圖具有定位功能的智能天線框圖 模擬 前端 模擬 前端 A DA D 信道 分離 1 信道 分離 1 信道1 多波束 形成 信道1 多波束 形成 模擬 前端 模擬 前端 A DA D 信道 分離 N 信道 分離 N 信道L 多波束 形成 信道L 多波束 形成 TOA TDOA 估計 TOA TDOA 估計 解調器解調器 定位算法定位算法 定距定位定距定位 定位信息定位信息 TOA TDOA 估計 TOA TDOA 估計 定位算法定位算法 解調器解調器