目第1 第2 綜 第3 綜 SCA的定 SCA的版本發 SCA的硬件結 SCA的軟件結 軟件以及軟件可重配 第4 過采 第5 下變 第6 上變 1章軟件無線電的定義軟件無線電的定20、設備便可用于任何通信應用之中，例如可以用于蜂窩網的、傳呼機接PC，我們可以用PC完成很多完全不同的工作，如、聽音樂、編輯文檔、打游戲等。軟1-1、圖1- 軟件無線電技術設想：通信世界的個人計算1992年5月在通信系統會議(NationalesystemsConference)上，MITREJosephMitolaJosephMitola軟件無線電是多頻帶無線電，它具有寬帶的天線、射頻轉換、模/數和數/軟件無線電 )對軟件無線電的定義是可多頻帶/多模式/多功能(M3，Multiband/Multimode/Multirole)工間來實現信息收/發的通信技術“軟件”也是一個極其常用的詞匯，它的原就是于通信的計算機系統。其中，軟件就是用于控制通信系統工作的一系列構。圖1-2展示了一種雙中頻的超外差式收發機結構，這一設計始于1930年，1-2統的應用外，也應用于1G的移動終端中。例如的先進移動系統A/DD/A與可軟件技術相結合就形成了具有可重配置能力的軟件無線電，如圖1-31-31-4單的模擬子系統。模擬子系統包括天線、射頻濾波、射頻切換、前置低的是使模擬信號轉換為數字信號的部分盡可能接近天線。在圖1-4中，接收1-4圖1- 在多頻段/多模式/多功能應用中軟件無線電的優51-6圖1- 軟件無線電的發1級為軟件控制無線電(SCR,SoftwareControlledRadio)。系統通過軟2(SDR,SoftwareDefinedRadio)。系統使用軟件比如還有射頻(RF)或中頻(IF)SDR的頻率范圍。SDR能夠大量的波形或空間接口，并可以通過軟件來添加ADC/DAC，消除了大部分模擬部件，從而降低了失真和噪第4級為終極軟件無線電(USR，UltimateSoftwareRadio)。這種軟件無線23無線電和軟件無線電作了明確的區分。SR顯然，SRSDR，SDRSR，一般可統稱為基于軟件的無線電。SRSDR軟件無線電的和發明確提出是在20世紀90年代但是其概念最早于20世紀70年代末VHF頻段多模式無線電系統的開發長期以來無線設備都是針對某些特，電子(ICNIA)系統的計劃該計劃的目標是開發一種工作在30~1600 MHz的多功在1992年成功進行了測試，這是世界上第一種可編程的無線電系統。這個計劃心處理機，其中通信、導航、識別整合為一個CNI子系統。該系統為四代戰斗機提供下述功能：超視距敵我識別能力(IFF)，安全、多通道、多頻段話音通信能力數據鏈(IFDL)交換能力，對多架編隊飛行飛機顯示器進行同步的能力。CNI系統具有支持35種不同的通信、導航和識別的信號波形的能力，可以提供從VHF到K波段的無線電通信這些功能是由一系列不同類型的通用模塊支持的，，，在ICNIA計劃期間，即20世紀80年代末又發起了戰術可SPEAKeasy，SPEAKeasy計劃是的軟件無線電通信電臺開發計劃主要開發面未來軍事需求具備多網絡操作的無線電系統結構和技術以解決多間的互通問題。這個計劃首次試圖將已有的無線系統整合為一個系統。SPEAKeasy電臺的工作頻段為2 MHz～2GHz，利用可編程處理技術，計劃間通信的中繼轉發電臺。SPEAKeasy電臺的硬件和軟件均采用模塊化、開放式的信系統(PMCS)的研制過程中。PMCS項目的進一步發展，特別是它的實體參考模型，又被軍方作為正在發展的軟件無線電計劃JTRS電臺的基礎。JTRS系列(如機載、地面、移動、固定站、海上、個人通信等)中使用。JTRS的工作頻段也為2 MHz～2GHz，且結構也與MBMMR電臺的組成結構完全類似。JTRS電臺與常規電臺的最大不同點是具有很強的網絡功能和處理能力。JTRS電臺與MBMMR電臺相比所需支持的信號波形、更廣泛，還能適應技術發展，進行快捷、高效的波形升級。這些特點都充分顯示了JTRS電臺是基于軟件無線電設計思想的。JTRS旨在為海、陸、空各種環境下的指戰員提供橫向和縱向跨頻段的網絡連接，它是數字化戰場環境中通信聯絡的主要，支持未來的“2010聯合構想。國防部擬用JTRS取代現用的25~30個系列共75萬部電臺。JTRS計劃還推出了后來作為國際軟件無線用標準的軟件通信結構(SCA)。該計劃要求從2003年開始，完成符合軟件通信結構(SCA)且滿足美務同時將繼續根據新的或變化的要求改進系統結構嵌入技術。各軍種的大量戰術通信計劃有可能被JTRS所代替，這樣，大量無線電圖1-7所示為JTRS系統的使用簡圖在無線電中采用軟件無線電的優勢是顯而易見的理想的通信系統應該不僅可以改變編碼，而且可以改變其調制模式、信道帶寬、數據速率、性)。這樣的系統能夠有效地敵方的截獲，在環境下具有潛在優勢。圖1- JTRS系統的使用簡圖(在三軍所有環境領域中使用民用通信系統的競爭非常激烈任何可以為用戶或服務提供商提供更能或服移動的快速發展情況如圖1-8所示20世紀80年代我國引入模擬制TACS系統(1G)，到20世紀90年代初，引進了數字制的GSMCDMA統(2G)，現在馬上進入3G時代，系統的性能和服務在日益提高，4G的技術研究也已經開始。用高達2000億。如果現有的GSM系統的基礎硬件建立在軟件無線電原理之3G圖1- 民用移動通信的發1-9圖1- 移動通信的標對于2G，歐洲各國、中國采用 采用CDMA；對于正在發展的現有三個可能的標準，即歐洲的WCDMA、的CDMA2000和中國的TDS-CDMA。戶新的終端，例如在GSM中增加GPRS數據服務，這會造成較大的經濟通信網絡的應用很廣，如的SMR系統已廣泛用于出租車等行業。對其進行升安裝新的系統是較為的，而且用戶也難以接受；從經濟的角度看，采用這SMR20世紀90年代初，隨著SPEAKeasy計劃對公眾的公開，軟件無線電技術的民用領域應用開始展開，例如，現在3G移動通信系統就是基于軟件無線電技術的。1996年，模塊化多功能信息傳輸系統(MMITS)成立，這是一個國際性的 ，使其具有類似個人計算機產業的特性。另外也對軟件無線電相關技術進行研究，比如軟件、硬件和軟件模塊接口以及協議等。到1998年，MMITS論業。SDR與JTRS項目緊密合作，將JTRS開發的軟件通信結構(SCA)引OMG(SCA，軟件無線電的研究熱點和難寬帶/多頻段天線、智能天靈活的射頻前端設高速ADC、軟件無線電體系結構的基本特征之一是使A/DD/A聲及失真的影響等。所以，選用合適的ADC/DAC變換器是實現整個軟件無線電系高速信號處理ADC軟件完成中頻處理。中頻處理對速度的要求大500~10000MIPS/MFLOPS數量級；基帶處理要求大10~100MIPS/MFLOPS數量級；另外還要加上實現比A/D1000MIPS/MFLOPSFPGA軟件無線電的算軟件無線電算法的構造過程是：首先對設備的各種功能進行物理描述并建軟件以及軟件可重配置技其，ADC及數字信號處理器等技術水平的限制，實現一一方面集中在新技術的研究上，另一方面的是在現有的技術條件下，研究，軟件無線電的未無線電納入國家“863”。系統采用16QAM調制，當信道時，采用QPSK調制，另外，也可以根據信道21世紀無線電通信領域 技術2章軟件無線電硬件體系結構、件和接口協議等部分。軟件無線電體系結構是軟件無線電技術的。軟件無線帶天線和多頻段射頻模塊技術電磁兼容技術材料技術和技術等、2-12-12-1ADC/DAC分為硬件部分和軟件部分。硬件體系結按照物理介質劃分的硬件體系結二種是以DSP為基礎進行數字信號處理的體系結構；第三種是以FPGA為基礎進GPP(General-PurposeProcessor)桌面計算用CPU，諸如英特爾、奔騰或PowerPC等。DSP：即數字信號處理器(DigitalSignalProcessor)，是指專門為快速實FPGA(FieldProgrammableGateArray)，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。FPGA是作為集成GPP這種設計完全采用PC機和工作站完成所有的信號處理工作，這樣的軟件無線電系統也稱為虛擬無線電(VirtualRadio)。對于這種無線電系統，從實體上題。這種結構以麻省理工學院(MIT)計算機科學開發的SpectrumDSPDSPDSP較好，開發調試比較容易，性能比較好，其主要代表是的SPEAKeasy多頻段多模電臺(MBMMR，Multi-Band-MultiModeRadio)。該電臺采用TI公司的TMS320C40多組Quad-C40MCM，能夠提供200MFLOPS和1100MIPS的處理能力以及300MBI/O吞吐量。SPEAKeasy的思路是：立足于當前的硬件水平來FPGAFPGA這種可重配置處理器非常適用于范圍廣泛的大計算量的任務。一FPGAFPGASPEAKeasyDSP能完成的功能，可用處理器和FPGA來實現。按照系統中各功能模塊的連接方式劃分的硬件體系結ADC/DAC、DDC/DUC2-2流水式結構中各個模塊的直接耦合過于緊密，存在著牽一發而動全局的問題。基于這種情況，人們提出了總線式結構?？偩€式結構的軟件無線電結構中，2-32-3DSP，則目前任何單片DSP都難以勝任，因此軟件無線電總線應能保證多DSP的并行處理，共享系統I/O50Mb/s，32~64ISA、EISA、VESA、PCI、STD、VME、PC/、pactPCISmallPCIPCIVME總線，也是軟件無線電的常用總線。在SPEAKeasy-Ⅰ中選擇的就是VME總交換式結構如圖2-4所示該平臺采用適配器和交換網為各功能模塊提供統一的數據通信服務，各個功能模塊都是由相同的DSP單元組成的，模塊之間通過ATM信元)，并通過交換網絡來交換數據。這種體系遵循相同的通口和協議，它圖2- 交換式結構示意利用交換式結構可以方便地實現數據的廣播(Broadcast)和多播(Mul)，大大拓展了硬件平臺的處理能力，極大地提高了平臺的靈活性和基于計算機和網絡式結構如圖2-5所示這種結構由可編程前端和并行計算成中頻信號，前端的ADC將中頻數字化，交給運算平臺得到信息；相反，信息通DAC2-5基于計算機和網絡式結構目前基于通用計算機實現軟件無線電系統還比較，該技術尚不夠成熟，2-1總線式結構容易實現，常用來開發原型樣機；交換式結構與基于計算機和網絡圖2- 軟件無線電系統結數字信號處理2-62-6ADC/DAC，DDC、DUC、DDS、濾波GPP、DSP、FPGA。ASIC(ApplicationSpecificIntergratedCircuits)有可編程能力的信號處理器件。AIC即集成電路，是指應特定用戶要求和DSPASICASICASICASICGPP目前狀況來看，DSPFPGADSP理速度已高達2000MIPS，性價比不斷上升，開發不斷改進。在數字化DSP譽為信息社會的旗手同時DSP已成為集成電路中發展最快的電子產品DSP線電的主流。FPGA雖然早先主要應用于的邏輯電路，但由于工藝技術的進步，提升了性能并降低了功耗和成本，因此FPGA正從邏輯應用進入到信號處理系，著傳統DSP處理器的領地。隨著FPGA進入90nm和65nm工藝時代，FPGA2006始，XilinxAlteraFPGAFPGADSPDSPASIC、FPGA、DSP、GPP術的發展，這四種器件之間的界線開始模糊，比如ASIC逐漸提供的可編程DSPFPGAASIC的選擇。ASIC、FPGA、DSP、GPP2-7圖2- ASIC、FPGA、DSP、GPP的可編程性和處理能力對在本章 在了解軟件無線電對信號處理要求的基礎上對GPPDSPFPGA信號處理器處理能力的度時鐘速指令執行速指令執行速度是指以一條指令所需的執行時間或每秒鐘執行的指令數目來ns(MIPS(百萬條指令每秒)。VLIWMIPS即使在傳統處理器之間比較MIPS的大小也具有一定的片面性。例如，某些能對單個數據位進行移位有些處理器可以進行與正在執行的ALU指令無關的數執行的ALU指令有關的數據并行處理有些新的處理器允許在單個指令內定義兩MACMIPS操作執行速點，其單位有MOPS(百萬次操作每秒)、MFLOPS(百萬次浮點操作每秒)和BOPS(十該指標與MIPS有一定的聯系。例如，某些處理器能同時進行浮點乘法操作MFLOPSMIPS乘加運算(MAC)執行速MACnsMMACS(MIPMACMACMAC周期內會處理其他任務而且這個也諸如循環操作等的性能而種操作在所有的應用中都會用到。FFT運算執行速FFT運算執行速度是指以運行一個N點FFT程序所需的時間來度量由于FFT運算涉及的運算在數字信號處理中很有代表性因此FFT運算時間常作為衡量處信號處理能力的需在軟件無線電的通用硬件平臺中，選用處理器件的重要指標是信號處理能10010MHz25MHz，2500MIPS1G3G4186~7為了對軟件無線電系統的信號處理能力需求有個感性的認識，在這里以UMTS/WCDMA隨著通信技術的不斷成熟以及用戶對通信質量的要求越來越高，現有2G網絡已經不可避免地向3G演變3G普遍采用了CDMA技術，UMTS/WCDMA在空中接口層面采用Rake。這種有多個相關支路，每個，取和。Rake實質上就是同時存在著多個。這種大大提高了3，顯然，UMTS/WCDMA也就提高了。另外，UMTS是非同步的，在路徑搜索和切換過程中將需要更多的操作，因此，UMTS需要的信號處理能力。若設計一個具有多個空中接口(比如UMTS、CDMA2000、GSM、TDMA2-22-210000MMACS在碼片區主要完成以碼片(一個碼片中包含多個中頻樣點)為單位的數據處理任務，處理能力要求次之；在碼元區主要完成以碼元(一個碼元中包含對信號處理器的要表2-2只是處理能力的大致需求但已經說明在軟件無線電中信號處理算法FFT、相關運算、矩陣運算等算法中都有大量的類似于∑A(k)B(n-k)ADC/DAC信號處理的定點格式是將數字表示為-1.0~+1.0浮點格式是將數字表示為尾數加指數的形式(即尾數×2n)直接的硬件加速支持；強的實時性決定了數字信號處理器不能有太多的動態特征，因此對高速緩存(ache)機制、分支預測機制和終端響應機制的選擇或采用具有一定的限制。在運算上數字信號處理算法包含大量的簡單運算和短小循環，數據運算高度重復處理器應該設置片內器單周期MAC功能單元和硬“零以滿足運算實時快速的要求數據地址的計算會隨著訪問的頻繁度而線性增長這樣數據地址計算的速度和數據的速度要求較高處理器應該有高的器帶寬專門的地址計算單元和的尋址模式用來對高效的數據提供必要的支持。GPP、DSP、FPGAGPP簡GPP即通用處理器，一般指的是服務器用和桌面計算用CPU。它具有很GPPGPP此，GPPGPP的種類和性能特GPP的生產廠商主要有的In和AMD公司。IBM、HP(COMPAQ)、SGI、用RISC指令系統，通過量、亂序執行、動態分支預測、推測執行等機制，提高指令級并行性，以改善性能。這類被廣泛用于各種工作站、服務器和高GPPGPP采用馮·諾依曼結構，如圖2-8所示。在這種結構中，只有一個器次乘發生4次器，用掉至少4個指令周期。在高速運算時，往往會GPP個是數據另一個是指令它們直接連接到處理器核以加快運行時的速度。從物理上說，這種片內的雙器和總線的結構幾乎與哈佛結構一樣。然而從邏輯上說，兩者還是有重要區別的。GPP圖2- 馮·諾依曼結MACGPPGPPGPP64GPP僅具有常用尋址模式，數字信號處理所需要的特殊的尋址模式在GPP中GPPGPPCISCRISC樣本究竟需要多少時間，或者在情況下至少需用多少時間。由于GPP有操作CPU如果打算用低成本的GPP去完成實時信號處理的任務則執行時間的預測大概不會成為什么問題，因為低成本GPP具有相對直接的結構，比較容易預測執行時間。然而，大多數實時信號處理應用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提GPP不太容易設置片內器。GPP減小處理器速度和器速度之間的差距的典型方法是在GPP設置高速緩存(Cache)。但是現在為了信號處理應用，有些GPP也設置了大的片內器。具體業務為從簡單的文字處理到MP3、Flash、音編、3D游戲等。GPPGPPGPPPentium43.2GHz，GPP據(SIMD，SingleInstructionMultipleData)VLIWSIMDPentiumMMXPowerPC族的AltiVec擴展，而VLIW結構和量結構都可以使GPP在單個時鐘周期內GPP10000MIPSGPPGPPGPP這樣的概念。在操作系統的支持下可以為軟件無線電系統開發提供很多便利條件比如虛擬器多線程等開發環境很容易使用GPP系統可以采用常用C/C++)GPP雖然如此，但采用GPP實現軟件無線電的限制因素也較為明顯，最大的問題耗等因素進行綜合考慮，這樣使GPP無用武之地。更好的方法是采用DSPGPP，GPP則通過DSP完成這樣可降低PCI總線上數據的流量而且可以對DSP編程DSP簡DSP是一種專門用來實現信號處理算法的微處理器，可以認為是GPP的特例。根據使用方法的不同，DSP可以分為DSP和通用DSP。DSP只能FFTMotorola公司的DSP56200Zoran公司的ZR34881Inmos公司的IMSA100等就屬于型DSP。例如，數字濾波、FFT等使用方便，處理速度快，但是靈活性差。通用DSP適合普通的DSP應用，類似GPP一樣有完整的指令系DSPDSPDSP的種類和性能特從1978年第一片DSP發布至今，DSP一直處于高速發展之中，其性價比越來越高，應用領域越來越廣。DSP和通用處理器有很大的區別，因為DSP的?，F在開發DSP的公司很多,主要有TI、ADI、Motorola等公司。目前最知名的是德州儀器公司(TI,TexasInstruments)的TMS320系列，其中有主功能、復雜應用領域的TMS320C6000系列ADI公司在DSP市場上也占。ADSP-BF532以及Blackfin系列，浮點DSP有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062，以及TigersharcTS101、Tigersharc、TS201S。Motorola公司推出的DSP比較晚1986年該公司推出了定點DSP處理器MC56001；1990年，又推出了與IEEE浮點格式兼容的浮點DSPMC96002；此外還有DSP、位的DSP、位的DSP563XXMSC8101DSPDSP傳統的GPP采用馮·諾依曼結構，DSP一般采用哈佛結構。在哈佛結構加倍，適合高速運算。DSP2-9MACDSP具有的硬件乘法器，這是DSP的特征之一。硬件乘法器的功能是在單周期內完成一次乘法運算。DSP內還增加了累加器寄存器來處理多個乘積的在數字信號處理運算中乘累加運算量是很大的因此硬件乘法器是DSP實現圖2- DSP的結GPPDSP可以分為定點DSP和浮點DSP大多數DSP以定點格式進行工作，稱為定點DSP，如TI公司系列，AT&TDSP16/16A，MotoloraMC56000用定點DSP編程和算法設計通過分析或仿真來確定所需要的動態范圍和精度。以浮點格式工作的DSP稱為浮點DSP如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，ADADSP21XXX，AT&TDSP32/32C，MotoloraMC96002的浮點格式，如TMS320C3X，而有的DSP則采用IEEE的標準浮點格式，如MotorolaMC96002FUJITSUMB86232ZORANZR35325DSPDSPDSP數據寬度或字長表示DSP的運算精度，一般的定點DSP的字長為MC56001等。浮點的字長一般為32位，累加器為40位。通常精度越高，則DSP請注意絕大多數DSP器件的指令字和數據字的寬度一樣也有一些不一樣，ADI(ADSP-21XX1624DSP具有特殊的尋址模式。DSP一般包含有專門的地址產生器，它能產生信FIRFFT如，TMS320C2000MACDDSPDSPGPPDSP易判斷指令是從高速緩存還是從器中DSP一般不使用動態特性如了當的，這使得程序員得以確定的性能限制。(如TI公司的TMS320C54X系列)，系列中不同DSP也具有不同的硬僅用于信息電器的DSP操作系統就有10種左右，其中較為流行的主要有電源電壓過去常采用5V，在某些DSP應用場合，功耗也是一個需要特別注意的問題。例如，便攜式的DSP設備、手持設備、野外應用的DSP設備等都對功耗有特殊的要求。目前，3.3V供電的低功耗高速DSP已大量使用。DSPDSP的處理能TMS320C6000系列為新一代高性價比DSP，是高端DSP處理器的代表。C6000系列的DSP定點運算可以達到1200~8000MIPS，浮點運算可以達到600~1800MFLOPSTMS320C62XTMS320C67X。TMS320C64X為TI公司推出的高性能定點DSP處理器，時鐘速1GHz，8000MIPS。DSP廣泛采用流水線。與哈佛總線結構相關，DSP指、譯碼、取操作數、執行等幾個階段，DSP在程序執行過程中是進行的，即在對本條指令取指的同時，前面的三條指令2-10圖2- 流水線示意 FIRIIR。這種多處FFTDSP行的操作的數量；提高每個指令周期中執行的指令的數量。GPP中所采用的SIMD、VLIW和量技術在DSP中都有采用由此可知，DSP多處理器并行技雖然現代單片DSP的處理能力已經非常強大但是面對軟件無線電的應用需DSP圖2-11給出了采用總線共享方式實現多DSP并行處理的組成框圖?？偩€共同的。當多個DSP申請總線使用權時，總線仲裁電路將根據分時或優先等級原則把總線的使用權交給其中的某個DSP，并把此DSP作為此時的主處理器，而DSP2-11DSP當然還有其他的一些解決方式某些DSP專門提供了特殊用途的硬件來解決各個處理器的連接，比如ogDevices公司的ADSP-2106x提供了雙向DSP開發工在具體設計基于DSP的軟件無線電系統的時候，首先需要選擇DSP。只有選定了DSP，才能進一步設計其電路及系統的其他電路。總的來說，DSP的選擇應根據實際應用系統的需要而確定，并考慮上述DSP的具體質量標準、供貨情況、生命周期等。另外特別需要考慮DSP的開發工具，在DSPDSPCDSP硬件兩部分。軟件開發工具主要包括：C編譯器、匯編器、器、程序庫、軟從而確定必要的性能指標。硬件開發工具包括硬件仿真器和系統開發板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板，可以對設計的硬件進行調試。DSPDSPDSP2-12DSP圖2- DSP處理器開發流程C(CCompiler)DSPDSPCCC20%～40%CCIIR一般為了得到高效編程，在系統軟件開發中，關鍵的DSP運算程序都是自行用匯編語言手工編寫的，按照規定的接口約定，由C程序進行調用，這樣可極大。器(Linker)器用來將主程序、庫函數和子程序等，由匯編器產生的目標文件在一起，產生一個可執行的模塊，形成DSP目標代碼。。硬件仿真器(Emulator)。硬件仿真器用JTAG接口電纜把DSP硬件目標系統和裝有仿真軟件/仿真卡的PC接口板連接起來，用PC平臺對實際硬件目標為了方便調試廠家會提供一個包含DSP器常用接口電路的通用路板和相應軟件的軟/硬件系統，通常有兩種形式：一種是電路板卡的形式，插DSPDSK(DSPStarterKit)門套件和較為復雜的EVM(EValuationModule)評估模塊等。這些都有助于初學DSP隨著DSP應用范圍的擴大、處理能力的加強以及DSP更新速度的加快，DSP些標準，依據標準來設計生產電路板級DSP處理模塊，同時為這種標準模塊提供豐富的軟件開發系統和算法庫。其中典型的如TMS320C4X和SDSP2106X，它們可DSPDSP、目前各DSP生產廠家已經把以上列出的各開發工具集成在一起構成了境把編譯匯編等工具集成在一起用一條命令即可完成全部的匯編工作。、TICCSTICCS(CodeComposerStudio)，IDE，TIDSPCCSTIC6000可視化和剖析的編譯功能CCS能在一個控制窗口內使用所有的工具無TIDSPDSP在一個開放式插件(plug_in)結構下，CCS集成了以下軟件工具：集CodeComposer換軟件(RTDX)，實時分析(real_timeysis)和數據可視化(datavisualization)軟件。DSPVisualDSP++軟件開發環境、EZ-KitLiteUSBPCI該系統支持ADI公司的在業界領先的處理器，像Blackfin和TigerSHARC系列C其中，VisualDSP++C/C++(VisualDSP++EZ-KitLite增加JTAG仿真來支持擴展。仿真程序適用于串行端口、PCI和USB主機FPGA簡FPGA2-13圖2- FPGA的結FPGAFPGA是作為集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路出現的它既解決了定制電CPUFPGA來實現。設計可以通過傳統的原理圖輸入法或是硬件描述語言，自由完成以后，還可以利用FPGA的修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件路。FPGA一般采用SRAM工藝，也有一些器件采用Flash工藝或反熔絲工藝等，其集成度很高，器件密度為數萬門到數千萬門不等。FPGA通常包含三類可I/O能塊是實現用戶功能的基本單元，它們通常排列成一個陣列，散布于整個；可編程I/O塊完成上邏輯與外部封裝腳的接口常圍繞著陣列排列于四I/O整個上發送數據。不同廠家生產的FPGA在可編程邏輯塊的規模 互聯線的結構和采用FPGAFPGAPLDFPGA這兩者的差別在于FPGA的邏輯塊通常遠遠小于PLD，這樣FPGA就具有較好的資源利用率。FPGA邏輯塊中通常包含n輸入的查找表(LUT)以及用于數據的觸發器。輸入邏輯塊的數據送入LUT或觸發器的輸，LUT的輸出與邏輯塊的輸出口或觸發器的輸連接，采用多路開關(Mux)選擇不同的輸入組合。這樣，依靠正確設置的內容，LUT就可以實現n輸入的布爾代數，如圖2-14所示。每個邏輯塊中的觸發器用于數據。LUT和觸發器依靠可編程布線資源2-14FPGA采用SRAM工藝的FPGA在掉電后信息就會丟失一定需要外加配，在上電的時候，由這個配置將數據加載到FPGA中，然后FPGA就可以FPGA采用反熔絲或Flash工藝，對于這種FPGA，不需要外加配置。FPGA的可重配置能力很強，其配置一般在系統上電時完成。在工作期間，FPGARAM對片內的RAM進行編程，加電時，FPGA將EPROM中數據讀入片內編程RAM中，配置完成后，FPGA進入工作狀態，掉電后FPGA恢復成白片，邏輯關系。FPGA的編程無需的FPGA編程器，只需用通用的EPROM、PROM編程器FPGAEPROMFPGA，不同AtmelAT40K)已經允許動態重配，即在工作狀態下對功能進行重配置。在軟件無線電的應用中，FPGA的主要優勢在于：FPGA可以進行并行化，比如在實現乘加運算(MACFPGAFPGA的種類和性FPGAAltera、Xilinx。FPGACycloneXilinxFPGAXC9500CoolrunnerSpartanFPGAGPPDSP，幾乎沒有什么可對比DSP，FPGA完成。隨著微電子技術的發展，FPGA的集成度非常高，性能越來越好，片上資源也較為豐富，特別是有大量的乘法器，使得處理速度非常快。以Xilinx的XC2V8000為例，其上有168個乘法器，當時鐘速率為250MHz時，如果使42000MMACS，DSP10500MMACS，DSP需要注意的是，FPGAFPGA具有很強的硬件可重構性這是GPPDSP所沒有的功能通過FPGA良好的系統結構可重配置特性。配置文件的加載有多種方式。將配置文件全部預存在大的器中，由系統選擇配置通過，如無線或互聯網絡FPGAFPGA的開發工用開發工具輔助設計完成系統的開發。其電路設計采用的方式可以很多，包括原理圖輸入、硬件描述語言輸入，如VHDL、Verilog等。即使結構非常復雜，設計者也不必擔心FPGA的結構，開發工具可自動將設計者的電路映FPGA圖2- FPGA的開發流FPGAASICFPGAFPGAFPGA其中硬件工具主要是FPGA廠商或第廠商開發的FPGA開發板及其在軟件方面，針對FPGA設計的各個階段，FPGA廠商和EDA軟件公司提供了EDA2-15每種EDA工具都有自己的特點。一般情況下FPGA廠商會提供相應的集成開AlteraQuartusIIXilinxISE，在使用時是非常方便的，但它EDAFPGA使用，進行多種EDA工具的協同設計，比如QuartusⅡ＋＋FPGACompilerⅡ，ISE＋＋SynplifyPro等。數字信號處理器的性能比GPPDSPDSP勢源于大多數信號處理算法中的乘累加運算是基本運算而且很大通過級流水線結構，DSPMACDSPROM數據處理量比較大的DSP算法，其通用性卻下降了，比如Viterbi編譯和ViterbiTurbo于某種或某些算法的協處理器)，因而導致DSP無法適用于多種類型的DSP算法和DSP技術應用。結果成本增加，通用性下降，因此大部分DSP應用場合并沒有從這種增加各種硬件的DSP結構變化中得到好處。FPGA器件是由大量的邏輯宏單元組成的，通過配置可以使這些邏輯宏單元FPGA成的電路可以以并行或順序方式工作。FPGAFPGA礎上，嵌入了許多面向DSP的硬核模塊，結合大量可配置于FPGA硬件結構PSoC。DSP的定義是固定的。FPGAFPGAFPGADSPDSP。這里主要涉及一個問題，就是現在軟件無線電系統的需求面我們已經3G2。展遠遠不能滿足這些復雜的信號處理算法對處理器的要求，為了實現這些DSP功能，可以采用多個DSP處理器并行處理的方法，但是這樣會使設備的價格顯著FPGA的處理速度很快。例如，在Altera的FPGA中有大量的乘法器FPGA作。在并行工作方面，FPGADSPDSPFPGAFPGAFPGADSPBDTI是一個專門對DSP性能進行評估的公司，它對用FPGADSP實現128抽頭的FIR濾波器的性能進行了比較，發現用DSP處理器需要64時鐘周期計算一個采樣，而用FPGA可以在1個時鐘周期內計算一個采樣。因此可以看出，與傳統DSP相比，用FPGA實現DSP應用將帶來性能上性的提高。DSP開發中除了可以利用等工具完成算法仿真外，唯一有實際意義件系統已經設計成功并能正常工作的條件下完成DSP源程序在硬件系統上的調試。這種調試環節單一，許多軟硬件中存在的問題定位十分，對于DSP器件在FPGA用HDL仿真器進行RTL級功能仿真和模擬信號仿真；利用QuartusSignalTapⅡDSP5不同系列的DSP處理器結構有較大差別需要選擇不同的匯編語言及其對應FPGAFPGA一語言的綜合器和仿真器構成了這一技術的；功能強大、適用面廣的FPGAFPGAIP對于低速、低吞吐量和大量復雜運算的情況，DSP處理器的系統成本要比FPGA系統低得多。在多片DSP系統中，每一片DSP處理器都必須配置完整的輔其中包括諸如數據RAM、程序RAMROM、FIFO、雙口RAMFPGA/CPLD基于FPGA的系統其優勢主要源于可以形成單片系統。目前擁有大規模邏輯資源的FPGA完全能容納本來由多片DSP處理器構成的系統，從而使單片DSP系FPGA；DSP綜上所述，FPGA和DSP兩種器件的技術各有其特點，有分工也有競爭。一般來說，DSP處理器應用于復雜算法的領域(例如多重if-then-elseMACDSP在先進通信基礎設施的應用中信號處理的工作量正在超出通用DSP的承受能力，因為FPGA具有更高的速度，并可以通過一個上的多級MAC單元來提供更高的帶寬，它的巨大性能優勢還使其成為一些高端信號處理應用的技術選擇。在諸如3G、復雜實時工控系統、導航設備、實時圖像處理和聯合戰術無線電通信系統等領域中基于FPGA解決方案成為唯一的選擇同時FPGA也將 端的可編程數字信號處理，如FT、FIR、IR濾波器及很難適應理想軟件無線電架構所要求的面向對象的軟件設計。同時，DSP也在不斷創新，以使其產品在更廣泛的應用中具有。例如，AD公司計劃BlackfinLinux，此舉將使該系列數字信號處理器遠MotorolaGPP、DSP、FPGA2-3GPP+DSP+FPGA，以整合這三種器件的特點。在具體開3章軟件無線電軟件體系結構在計算機互聯網時代TCP/IP的出現了異構網絡(即不同物理層結構網絡)的差異，而向上層提供統一的服務，真正實現了網絡的互聯，從而使Internet的發展有了質的飛躍。類似的要求也出現在無線通信領域，即軟件無線電的軟件部分硬件部分的差異(不同的硬件結構和信號特征)而向上層供統一的各類服務。因此要求軟件無線電的軟件部分具有以下特點：想情況下，軟件也可以實現“即插即用”(plug&play)功能。這里引入一個重，主要的軟件體系結硬件特定的軟件結3-1I/ODSPDSP法是非面向對象的，因此不可移植。圖3- 硬件特定的軟件結開放的軟件結間插件的層次結構。這就構成了與硬件特定軟件結構不同的開放的軟件結構。另外下層為操作系統、驅動程序、資源管理，以及處理器通信。硬件、中間資源給不同的應用，器管理，中斷服務，提供統一接口給硬件模塊圖3- 開放的軟件結面向過程和面向對象的軟件設計方硬件特定的軟件結構和開放的軟件結構的軟件設計思想分別面向過程(或面向過程的軟件設計方{……；{{……；圖3- PSK通信系統的工作流下面舉一個通信系統的例子。PSK3-3FSK“PSK“PSK另外，如果初始設計的調制功能僅限于“PSK制功能進行擴充，增加“FSK“PSK面向對象的軟件設計方對象其實非常簡單，因為在上按下Play鍵時，DVD可能在電視上一部；但是如果在機中放的是CD，那么它將通過音箱出音樂。雖然按鈕相同，操作相同，但是結果對于上面PSK調制的例子，我們首先對類進行設計，設計有信源/信宿、調基礎上形成對象，如圖3-4所示。這里采用了統模語言(UML)的類圖表示。UML圖3- 類的舉如果初始設計的調制功能僅限于“PSK的調制方式為FSK調制那么僅需要增加或改變調制解調器對象的屬性和行為就重用和技術。下面具體說明面向對象在軟件無線電中的應用特點。3-5圖3- 一個簡單調制解調器的部分對象模PSKFSK實現位，可分別采用傳號和空號濾波器解調FSK信號。位對象在時多態性和重載。重載允許給定算法在不同的數據結構上操作。調制器對QoSSNRBPSK16QAM計中是非常有用的。面向對象的語言在20世紀60年代出現，即Simula語言，20世紀80年代早期出現了SmalltalkFlavors語言現在面向對象的語言C++、Python、Ruby、Java軟件通信結構SCA的定GPP、DSP、FPGAADC/DAC2090JCIT，、增長，為了使系統能夠支持多任務，同時降低長期工作和維持的成本建立使用的費用。為了達到系統的設計目標，一個重要的步驟就是規范軟件無所說的軟件通信結構，簡寫為SCA，由聯合戰術無線電系統聯合工程，、發布，雖然此前各個廠商早已有各自的架構和體系，但SCA是第一個軟件無線電獻，而且也將SCA應用于新的無線系統的開發。JTRSJPO構建SCA的目標SCA的，具備新技術快速引入的能力。例如，在SCA中的應用部分描述了可提供特定功能的軟件單元，而這可能有幾個不同的實現方案，比如一個在DSP上實現，一GPPDSPGPP可與嵌入式可編程的模塊INFOSEC相結合10SCA是什么呢？SCA定義了用于管理、控制、配置軟件無線電的軟件體系結SCA結構的重點在于可重用模塊的設計和開發以及推動軟件和標準SCA標是確保軟件和硬件的可移植性和可配置性。SCA基于面向對象和CORBA技術，使用統模語言(UML，UnifiedModelingLanguage)對接口進行圖示，使用接口定義語言(IDL，InterfaceDefinitionLanguage)對接口進行定義。SCA形API。SCA結構、設計或實現。SCA。SCA首先由JTRSJPO發布，后來被軟件無線電(SDRForum)作為SDR標準，其對軟件模塊之間的應用程序接口(API)Vxworks操作系統希望SCA通過對象管理組織OMG而成為標準并且已經20019，FCC電的報告和規則，其內容要點如下：。第可以在原硬件制造商確認的情況下制造和銷售終端軟件能成在能成在圖3- SCA的版本演20002，SCASCA1.02000年7過補充后形成SCA1.12000年12過較大變動后形成SCA2.020015，SCA2.0SCA2.1200111SCA2.0SCA2.220026(GMR)SCA2.2。JTRS(Cluster1)。20044，SCA2.2.1SCA2.220045OMG發布了軟件無線電規范，這個規范是由一些SCA的開發商發起的，目的是將SCA發展為標準，而不僅僅是標準。2004JTRSGPPDSPFPGAJPOFPGA8，SCA3.020068，SCA2.2.2SCA2.2.1SCASCA基應用程序接口(API)其中，SCA基還可進一步分為硬件結構和軟件結構SCAAPIIDLAPI支持這些需求的API，采用公共標準評估等級作為安全需求定義的基礎(CommonCriteriaEvaluationAssuranceLevels)子系統、INFOSEC下面將分別對SCA基中的硬件結構和軟件結構進行說明SCA的硬件結SCA3-7總的硬件父類是pliantHardware類，它定義了可性、可用性、ChassisHWModule(s)。圖3- SCA的硬件結Chassis子類包含模塊插槽、構成要素、背板類型、平臺環境、功率、冷卻調制解調器GPS處理器參考標準I/O等HWModule(s)類從 Hardware類繼承系統級屬性，HWModule(s)以下的類從HWModule(s)中繼承類屬性。不同的屬性值滿足不同的要求，可以在實現過程中進行選擇。硬件設備值。一些屬性由設備描述體(DeviceProfile)給出，用于產生波形應用?？?-9圖3- SCA中射頻類的擴圖3- SCA中調制解調器類的擴SCA的軟件結SCA操作環境(OE)。操作環境包括實時操作系統ROTS、實時對象請求CF(2)框架(CF)CORBA接口日志接口(LogInterface)事件服務(EventService)命名服務(NamingService)域描述體(Profile)。SCA3-10中間件層、框架層。上層應用為應用層。SCACORBA可重用性和可擴展性；CORBA還提供了一定的透明性及不依賴于編程語言的特CORBA圖3- SCA軟件結盡可能利用商品標準和產品，比如，采用硬件總線結構(VME、cPCI等)。軟件架構操作系統采用具有嵌入實時能力的操作系統，且支持可移植(POSIX)標準，該標準對操作系統特定的方法提供了一個抽象層，從而將移植波形軟件的成本降到最低。圖3-10中的深色部分表明產品。總線SCA3-113-11SCASCA可以根據實際需要(比如數據帶寬等)使用現有的總線產品(例如紅色的非總線(對于沒有需求的應用，不需要進行兩種總線的劃分)。板級支持包通常由設備提供方提供，并且需要避免型特性，其作用如下：(6)統一器網絡和串行接口SCA3-12圖3- SCA的網絡和串行接口SCA使用網絡協議支持多個獨立的串行接口和網絡接口例如RS-232、RS-422等。為了提供與總線層可靠的傳輸，使用了不同的底層協議棧。TCP/IP1394PPP、SLIPCORBA操作系統SCA3-13RTOS)。圖3- SCA的操作系統目前市場上比較著名的實時操作系統有VWorks、Unx、Linux、PSOS、NucleusQNXVRTXWindowsCEPalmOSLynxOSWRS(WindSystems)VxWorks作系統,在實時操作系統市場上處于領先地位。該操作系統支持廣泛的網絡通信系統非常適合于軟件無線電應用并得到了軟件無線電的推薦它以其良及實時性要求極高的領域中如通信彈道制導飛機導航等另外,Linux等系統也很適于軟件無線電的應用國內一些廠商也開發了具有自主知識DeltOS“用方面的能力。另外，SCA的操作系統還支持可移植操作系統接口(POSIX)標準，若在SCAPOSIXPOSIX編譯執行。系統軟件具有很好的可移植性。POSIXIEEEUnix系統上運行軟件而定義的API(一組用于應用程序呼叫某個功能或服務的函數)的一系列互相關聯的標準的總稱，POSIXUnix性?，F在許多其他操作系統(如WindowsNT)同樣支持POSIX標準，IEEE1003，ISO/IEC9945CORBA中間件SCACORBA3-14圖3- SCA的CORBA中間件中間件是一種用來將應用和操作環境細節(如硬件)相的軟件一般位集成復雜的應用軟件這樣應用程序的開發和與底層的硬件和系統軟件相(DSPFPGA在各種不同的系統軟件而且這些硬件可能通過網絡連接形成分布式構環境這使軟件無線電應用程序的開發新的需求這就是中間件的必要所在。OS中間件的種類很多，在JTRS中采用的是對象請求中間件(ORB)，即公共這是由對象管理組織(OMG，ObjectMangementGroup)指定的一種標準的面向對1991年OMG提出CORBA1.1，同時還提出了接口定義語言IDL，能夠讓客戶/服務器對象在特定的ORB中進行通信。1994年提出并被采納的CORBA2.0標準CORBAOMGCORBACORBA可以說，CORBA是一種描述接口的工業標準。當系統向分布式結構和用戶/IDL)IDLIDL“編在具體工作時，CORBA采用接口定義語言(IDL)定義系統中對象的接口，IDL通過編譯會生成針對客戶的stub代碼和針對對象實現的skeleton代碼，stub和skeleton的作用是作為客戶和對象之間的。當客戶請求對一個對象進行操作時，將工作交給ORB，由ORB決定哪個對象完成這個請求，激活該對象并將完成請求所需參數傳送給該對象，其過程如圖3-15所示。用戶(比如控制器)向兩個對象(Rake和發射機)請求了不同的操作(如增加用戶和設置導頻)，Rake可以通過運行在GPP上的一個軟件單元實現，而發射機可以通過運行在DSP上的另外一個軟件單元實現。系統中每個對象(比如Rake 的接口，這個接口由接口定義語言定義，當客戶調用一個對象上的操作(請求)IDL圖3- 通過ORB實現通5.框架SCA的框架層如圖3-16所示圖3- SCA 框架43IDL框架服務接口：為軟件應用單元提供分布式文 服務和事件日志域描述體文件：是一組可擴展標記語言(XML6用OE，SCACORBA處理和嵌入式應用。應用層應使用CF服務的接口，不能直接操作系統。網絡功能可以在應用層以下實現，像的IP網絡層就可以直接操作系統。對于非CORBA類型的應用，必須使用適配器(adapter)進行轉換。適配器也是一實際的硬件為軟件，便于在應用中使用。圖3- SCA的操作應用圖3- SCA的操作應用層(非CORBA應用軟件以及軟件可重配軟件的定今天軟件無線電地看做是一種可以通過軟件實現可重配置通信終乃至那些已經被消費者的產品均可以實現可重配置即軟件無線電研究關注過軟件進行重配置是實現一機無縫介入多種無線通信系統的這在通信中也具有相當的圖3-19和圖3-20分別顯示了軟件無線電終端和通過軟件在技術升級或修補方面所呈現的巨大優勢。圖3- 軟件實現不同空中接口標準之間的通信以及軟件缺陷修圖3- 軟件實現系統升軟 是指為軟件無線電設備提供重配置數據或者新的可執行代碼以變其操作或性能的過程軟件和重配置技術是軟件無線電與數字無線電的主軟件可以獲得以下優勢軟件的方法有多種，例如可以通過直接連接，采用智能卡(SIM)下載或通過空中接口(OTA)。雖然通過空中接口具有非常大的優勢，不僅可以使過程變得非常簡便，而且成本大為降低，對無線設備生產商、運營戶等多方均非常有利。其實，我們只需想象一下如果不采用網絡升級，那么計算機庫會有多么麻煩從圖3-19和3-20中可看出通過空中接口所顯軟件的內中間件、驅動程序等)。軟件的內容所涵蓋的范圍很寬，從最簡單的用戶應件實現功能改變可以分為五個層次，如圖3-21所示。圖3- 通過軟件實現功能改變的層第二層次是協議的修補在該層次可以實現對現有通信協議出現錯誤的中接口標準不是終端內已經設置好的，而是通過某種方式得到的。軟件的過、、件的大體上可以分為前期間后三個階段，每個階段還可以3-22、、味著軟件可以采用相同的方式到不同的設備上。圖3-23給出了軟件標圖3- 軟 的過圖3-23軟件標準化的示意軟件需考慮的問軟件和重配置對軟件無線電系統的影響是全面的軟件無線電系統的多3-24圖3- 軟件無線電的多層視軟件貫穿軟件無線電系統的各個層次，需要考慮如下問題的程根據的內容覆蓋原系統的程度我們可以將分為部分和完全下載兩類。完 就是完全替換原系統代碼,這需要較大的系統資源，如帶寬，部分只是替換原系統的部分代碼量相對較少，但各層之間的接口通常，系統單元之間的通的內安對異常情況的預版本管軟件的標軟件的安全保的軟件代碼不能被以及激活 (1)：確認用戶可以數據或使用網絡軟件無線電可用的編程語匯編語高級軟件語CC++。C語DennisRitchie在1972年改進了B語言，在一臺DECPDP-11計算機上開發出了最早的C語言版本，其主要目的是開發Unix操作系統。C語言優秀的設計和合理的結構使得移植C代碼變得異常容易。Kernighan和Ritchie于1978很快C語言得到了推廣，在各種機型上都有了C的不同版本。但這也造成了很大的問題，不同版本的C編譯器往往并不兼容，于是標準C出現了。 國制定了一個C語言標準(ANSIC)，Kernighan和Ritchie在《TheCProgrammingLanuageCCCDSPDSPDSPCTIC(CCS，CodeComposerStudio)，CC++語C++CBjarneStroustrup1983Unix與面向過程的C語言的主要差異是數據和函數(對數據進行的操作)可以合并形Ada語Ada是一種表現能力很強的通用程序設計語言它是國防部為克服軟開發，耗費巨資，歷時近20年研制成功的，被譽為“第四代計算機語言Aa的清晰性可靠性有效性和可性Ada是現有語言中無與倫比的一種大的成果它是迄今為止最復雜最完備的軟件工具Ada語言是國防部指的唯一一種可用于系統開發的語言。硬件描述語硬件描述語言(HDL，HardwareDescriptionLanguage)是一種用形式化方ASICFPGA“and”“C=AandB”2VHDLVerilogHDL。硬件描述語言具有如下特點：ASICVHDL語，VHDL語言于1980年開始在國防部的指導下開發，當初開發這種語言是出于國防部采購電子設備的需要希望供應商能夠把生產的器件的行為1981HDLVHDL(VHSICHardwareDescriptionLanguage速集成電路硬件描述語言)1986年3月，IEEE開始致力于VHDLIEEE-1076198712IEEEStd1076-1987，VerilogHDLVerilogHDL是在最廣泛的C語言的基礎上發展起來的一種描述語言，它最初是于1983年由GatewayDesignAutomation公司為其模擬器產品開發的硬件建模語言，那時它只是一種語言。VerilogHDL語言于1990年被推向公眾領域。1992年，OVI(開放Verilog國標)決定致力于推廣VeriloI標準，使其成為IEEE標準這一努力最后獲得了成功Verilog語言于1995年成為IEEEIEEEStd1364-1995。VerilogHDL的最大特點就是易學易用，比VHDL簡潔得多。如果有C語言的學習要一些。4章采樣技術與量化軟件無線電的實現是以數字技術為基礎的，因此數字轉換是非常重要的環ADC/DACADC/DACA/DA/D隨后完成量化。無線電的工作頻帶很寬，對ADC/DAC器件性能要求高；其次，軟件無線電有特殊本依據。采樣定理是1928年由電信工程師H.奈奎斯先提出來的，因此稱為奈奎斯特采樣定理。1933年，工程師科捷利尼科夫首次用公式嚴格地表述了這一定理，因此在文獻中稱為科捷利尼科夫采樣定理。1948年，信息論的創始人C.E.香農對這一定理加以明確說明并正式作為定理，因此在本章中就軟件無線電中所可能涉及到的均勻采樣技術予以詳細介低通采 ssSampling)是最基本的采樣形式，也稱Nyquist采樣。x(t)x(t)可以被所得到的采樣值完全確定。所謂帶限信號，是指對于連續信號x(t)，如果|f|>fH，則其傅立葉變換X(f)=0，4-1圖4- 帶限信號示意對于給定的最高信號頻率fH系統所需要的最低采樣速率2fH稱為Nyquist速率。T=1/2fH稱為Nyquist間隔，它是抽樣所可能取得的最大間隔。當給定系統采樣速率fs時，所可能輸入的最高信號頻率為fs/2，稱為Nyquist頻率。下已知一個頻帶限制在(0fH)x(t)周期性沖激函數δT(t)T=1/fs序列，即

(4-xnx(t)x(t)的抽樣，即xs(t)x(t)T(t)

xn(tnT

(4-x(t)、δT(t)、xs(t)X(f)、fsf、Xs(f)X(f)

X(f)fsf

(f)T

X(

nfs

(4-

(f) (fnfs),

1T式(4-3)已抽樣信號xs(t)的頻譜Xs(f)是無窮多個間隔為fs的原信號x(t)Xs(f)X(f)的周期性重復且不，因而在xs(t)x(t)的全部信息。圖4- 采樣頻(Alising) 圖4-3所示為采樣的混疊現象4-3要采用一個帶寬不小于fH(fs/2)的理想低通濾波器作為重構濾波器(ReconstructionFilter)就可以恢復原始信號。理想低通濾波器的特性為H(f)

f2f

f2

(4-(4-x(t)h(t)xs(t)

xnSa(πfs(tnT

(4-ADCfs/21.6GHz，2MHz，則所需3.2GHzADC這是難以，也是不經濟的。的最高頻率不高的場合(如工作在短波段的情況下)或者采用傳統的多變換體制(外差式)將射頻頻率變換為固定的中頻頻率然后再進行ADCADC在現實中實現軟件無線電的設計目標，應該采用的是帶通采樣。帶通采樣或欠采帶通采樣定為了解決低通采樣所造成的采樣速率過高的問題需要實現采用低于2倍最高頻率的采樣，這種采樣一般稱為帶通采樣(BandpassSampling)欠采樣(UnderSampling)，其理論基礎是帶通采樣定理。上邊界頻率，fLB=fH-fL，4-4圖4- 帶通信號示意為了描述帶通信號的位置，可以采用頻帶位置(BandPosition)的概念，它c

fL

fHB

B

(4-［a］ (4-c=04-5(b) 2c1

(fH

fL)cB

(4-圖4- 頻帶位置示意(a)(b)2fHn

fs

2fLn1

(4-式中，n

1nfHc1B

(4-4-64-64-6(a)所示。圖4- 帶通采樣的結(a)(b)當信號重構時沒有信息損失。fs/2稱為Nyquist頻率，從直流到fs/2的頻率范4-71Nyquistfs/2fs/21n-1)fs，nfs)不同Nyquist區上的信號都用位于(0，fs/2)上第1NyquistNyquist率不再依賴于射頻載波頻率，而是信號帶寬。對于上面提到的最高頻率為1.6GHz，2MHz4MHz就大大降低了。圖4- 帶通信號的帶通采樣頻譜(包括Nyquist區輸入模擬信號頻率fc經過采樣速率fs的帶通采樣后所得到的進入第1Nyquist

rem(fc,fs

當2fc/fs1為奇數

rem(f,f

當2f/f1為偶數

(4-［2fc/fs］+1Nyquistrem(a，b)a/b的余78MSPS，Nyquist39MHz1區為(0，39)MHz，40MHz，2Nyquist MHz MHz等點都將采樣輸出10 始輸入信號的頻率因為已經了Nyquist準則所以帶通采樣是有意的混疊1NyquistfA，有 A A f f

2

另外，由式(4-12)知，當整個帶通信號位于偶數Nyquist區時，經過采樣后Nyquist4-84-8混疊三角形可以這樣構成，在頻譜上從0開始畫一組等腰三角形，其底邊長為Nyquist1NyquistNyquist1Nyquist圖4- 混疊三角還有一種直觀的方法就是折扇法。想象用一疊半透明紙，如圖4-10所示，將紙的疊痕按垂直方向固定，沿底邊從左到右繪制頻率軸，然后在A/D采樣速率fs的倍數(即fs/2的偶數倍)處向內折，在fs/2的奇數倍數處向外折。這樣，Nyquist4-10RFA/D4-10fs/2fs/2FFT，然后將結果進行逆序排列。信號相應變化。但是高Q濾波器(模擬的或是級聯的)是不易實現的。為了解決這樣，這樣防混疊濾波器的設計就變得相對容易，這就是所謂的外差式。帶通采樣速率的選最小采樣速f2fH

(4-4-114-11可見，當帶通信號處于整數頻帶位置時，可以取到理論上的最小2Bn2B，因允許的采樣速2fHn

fs

2n

(4-根據式(4-15)4-114-12圖4- 允許采樣速率和不允許采樣速率與頻帶位置關系4-12nn fHc1 B

Nyquist低通采樣定理。速率為2B，此時信號所處的Nyquist區的階數就為nmax。在實際應用時，由于當然在某些特殊的場合帶通采樣定理可以例如對于平衡雙邊B樣速率出現一點變化，則會引起不正確的折疊，使信息受到損失。不在最小采樣速率2B進行采樣意味著給原信號增加了一個保護帶寬。實際BGTBGT=fs- (4-4-13為 (4-圖4- 有保護頻帶的n′階鍥形區以及采樣頻率的容許范

fL,

fL

fH

(4-式中：BGL、BGH (4-n

B T

(4-n′

2fLn1

2

(4- (4-

n1

(4-

ΔfsL

nf12fH

2 2

n

(4-

n1

Δfs

4-1】25kHz(10.7025MHz，10.7275MHz)，設定對稱的保護頻帶為2.5kHz，這樣該信號的區間就為(10.7MHz，10.73nfH10730B T3572fLn1

21070060.112360kHz3571

2fL

2

0.315n

fH10727.5B 2fLn

42912fH

210727.550.01166kHz0.02Hz429-357=72率。最小采樣速率的相對精度隨帶通信號頻率的增加而增加即隨著n的增加而增加。從上面的例子可以初步看到這一點，如果采樣速率工作點在n階鍥形區域(4-(4-n=429，則采樣速率的相對精度為圖4- 相對精度與最小允許采樣速率之間的關采樣的噪式，因此對性能的影響也非常大。這里主要考慮量化噪聲(zationNoise)量化及其噪模擬向數字轉換的理想轉換函數具有均勻的階梯特性，如圖4-15所示。該圖4- A/D的理想轉換函量化間隔的寬度定義為1LSB(最低有效位)，這是轉換精度的度量。若輸出一階和最后一階只有正常量化間隔的一半，因此滿刻度范圍(FSR，FullScaleRange)2N-1Nbitq(1LSB)

2N

(4-N=14bit，則其量化間隔為A，(4-這里假設量化誤差e是在(-q/2，q/2)之間均勻分布的0均值 量，(4-(4-(4-16dB14bit，86dB10bit，62dB聲。(4-帶外噪聲的混疊效在應用帶通采樣的時候，帶通信號會反折進入低通(第1Nyquist區)，即從直流開始到輸入ADC的信號頻率之間的能量會折疊進入第1Nyquist區，這樣將4-16圖4- 噪聲混疊示意S(4-其中，nNyquistNp>>N0，可以不考慮信噪比下降Np=N0n>>1，那么信噪比的下降因子可以表示為DSNR=10 (4-n4-2】4-1，B=30kHz，n=357，DSNR=10lgn=25.5可以看到，信噪比的是相當大的。在實際應用中，即使僅存在熱噪聲，帶通采樣所可能造成的信噪比也必須充分考慮到因此防混疊濾波器是非常多頻段信號的帶通采圖4-17中給出了兩個分布于不同頻段的信號。對其分布的頻帶進行帶通采4-17其采樣速率和所要求的后處理速率仍然是相當大的。例如，兩個帶寬為20MHz1.2GHz1.6GHz，速率至少為800MHz，這顯然是十分浪費的，因為兩個信號的信息帶寬不過是40多個頻段的信號進行帶通采樣，它們都會混疊進入第1Nyquist區，只要采樣速率能夠保證他們互不就可以實現信號的分離，如圖4-18所示。圖4- 多頻帶信號帶通采1Nyquis1NyquisfA保證多頻段信號帶通采樣后頻譜相互之間不發生混疊。對于兩頻段信號，有N式中：i,j=1,2,…,Ni≠j

(4-4-19所示的方法進行輔助設計。下面通過一個實例來具體說明?！纠?-3】 擬設計一軟件無線電導航，可以同時接收GPS信號和俄羅斯GOLNASS信號。已知GPS： 中心頻率fc_GPS=1575.42MHz，3dB帶寬3.2MHz；GOLNASS： 對其采樣策略進行。1.6GHz3.2GHz若按照傳統帶通采樣，則由于兩個信號的覆蓋范圍大約為(1573.821609.41)，35.59MHz，71MHz10.7MHz，21.4MHz24GPS24MHzGPSGPS24MHzn=131，則采樣速率范圍為1Nyquist區的頻率如圖4-19深域所示。其中，混疊區域是指采樣速率選GLONASS24MHzGLONASSGLONASS24MHzn=133，則采樣速率范圍為入第1Nyquist區的頻率如圖4-19中淺域所示。其中，混疊區域是指采樣速那么只有圖中網點狀的區域符合條件，其范圍是(24.2015，24.212624.205MHzGPS，1Nyquist由于［2fc_GPS/fs］+1=［2×1575.42/24.205］+1=131為奇數，因此有：fIF_c_GPS=rem(fc_GPS,GPS1NyquistGLONASS，1Nyquist由于［2fc_GLO/fs］+1=［2×1605.656/24.205］+1=133fIF_c_GLO=rem(fc_GLO,GLONASS信號經過帶通采樣后進入第1Nyquist區的頻率范圍是(8.13-7.5/2=4.376，8.13+7.5/2=11.876)，兩個恰好不，如圖4-19所示圖4- GPS-SPS和GLONASS在不同采樣速率下的中頻示意過采所謂過采樣(OverSampling)，是指信號的采樣速率大于兩倍的信號帶寬或βNyquist采樣速率的倍數， (4-這里，fs是采樣速率，fH濾波后的帶限信號(或近似帶限信號)Nyquist波器都會有過渡帶，然而過渡帶會增加輸出信號的帶寬，原來的采樣速率(，10%~20%的帶寬。為了使系統能夠在最低的采樣率上采樣以降低后處理的數據量須，4-20Nyquist4-20中圖4- Nyquist采樣和過采樣后信號頻譜對NyquistNyquist過采樣是一種非常經濟的解決方案，類似的原理也用于數/模轉換中，DAC后的ADC，(4-36)4-21式為式(4-37)。4-21根據式(4-373dB。(4-實現，即每隔k個值取一個值。這兩個過程可以合在一起，即將樣點分成組，每k4-22這里，通過數字平均角度也可以看到輸入參考噪聲的減少。以一個16