【優(yōu)秀碩士論文參考】認知無線電實驗終端的軟件設計和OFDM導頻輔助信道估計算法的實現(xiàn)

1、碩士學位論文認知無線電實驗終端的軟件設計和OFDM導頻輔助信道估計算法的實現(xiàn)申請人： 學科專業(yè)：信息與通信工程指導教師： 2008年05月Software Design of Cognitive Radio Experimental Terminal and Implementation of OFDM PSAM Channel Estimation論文題目：認知無線電實驗終端的軟件設計和OFDM導頻輔助信道估計算法的實現(xiàn)學科專業(yè)：信息與通信工程申請人： 摘 要 本研究得到國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）項目（編號：2005AA123940）;陜西省自然科學基金資助項目（2006F41

2、）；陜西省科技攻關計劃項目（2005K04-G11）資助。認知無線電(Cognitive Radio，CR)是一種用于提高無線通信頻譜資源利用率的技術，為了對認知無線電的理論方法和禮儀協(xié)議進行更深入的實驗評估和研究，項目組在第一版實驗系統(tǒng)的基礎上，研制了第二版認知無線電實驗系統(tǒng)。論文主要完成了第二版認知無線電實驗系統(tǒng)中的基帶和中頻部分的軟件設計，實現(xiàn)了基于OFDM的無線通信功能，并在實驗系統(tǒng)中實現(xiàn)了OFDM導頻輔助的信道估計算法。論文首先介紹了認知無線電實驗系統(tǒng)的設計目標，總體結構和性能指標。接著介紹了實驗終端上/下變頻器件和D/A器件的軟件配置，分析并解決了頻譜翻轉，子載波鏡像，高頻子載波幅

3、度衰減等問題。論文設計了基帶和中頻各模塊間的軟件接口，包括接收通道下變頻器件與同步模塊、DSP與同步模塊、DSP與譯碼模塊間的接口，保證數(shù)據(jù)能夠正確傳輸。然后介紹了DSP片內外設的配置情況以及一些初始化配置。之后對如何提高系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)率作了討論，列出了實現(xiàn)過程中所能達到的技術參數(shù)。隨后在總結常見的OFDM導頻輔助信道估計方法的基礎上，論文給出了適合實驗系統(tǒng)的信道估計實現(xiàn)方案，完成了算法的DSP實現(xiàn)，通過對程序的時間和空間復雜度的分析，表明算法能夠滿足系統(tǒng)設計的時序要求。最后論文設計了閉環(huán)測試程序，并在FDD工作方式下對誤比特率進行了測試和分析，驗證了實現(xiàn)方案能夠滿足系統(tǒng)設計的傳輸質量要求。論文

4、提到的認知無線電實驗終端軟件設計已完成并調試成功，系統(tǒng)能夠正常工作。實現(xiàn)了OFDM導頻輔助信道估計算法，算法能夠滿足系統(tǒng)設計的時序和傳輸質量要求。關 鍵 詞：認知無線電實驗系統(tǒng)；正交頻分復用；信道估計；DSP論文類型：應用研究Title: Software Design of Cognitive Radio Experimental Terminal and Implementation of OFDM PSAM Channel EstimationSpeciality:Information and Communication EngineeringApplicant:Kun NiuSupe

5、rvisor:Associate Prof. Xinmin LuoABSTRACT Funded by“The research was supported by the Hi-tech Rearch and Development Program of China (“863”Plan)(NO.2005AA123910)“,“The Nature Science Fundation of Shaanxi Province(NO.2006F41)”,“The Science and Technology Plan Foundation of Shaanxi Province(NO.2005K0

6、4-G11)”.Cognitive Radio is a smart technology used to improve the utilization of spectrum resource.In order to verify not only the theory of Cognitive Radio technology, but also the etiquette and protocol of Cognitive Radio, we designed a new cognitive radio experimental system. This thesis mainly f

7、ocuses on software design of the baseband and IF of the receiving module,the implementation of wireless communication of the second edition CR experimental system and the implementation of OFDM channel estimation based on the second edition CR experimental system.The content of the thesis can be sum

8、marized as follows:Firstly,design object,total stucture,and parameters of CR experimental system were introduced.Secondly,the software configuration of IF devices was introduced,then the thesis analysized the reasons of spectrum flip,subcarrier mirror, high-frequency attenuation of subcarrier.The de

9、sign of interfaces between modules of baseband and IF,such as the interface between receiving module and sync module,the interface beween DSP and sync module and the interface between DSP and decoding module,was proposed.Through these interfaces data can be transmitted smoothly.Then the configuratio

10、n of DSP was introduced.Then the thesis discussed how to improve the data race.Thirdly, on the basis of the introduction of common OFDM PSAM channel estimation,the thesis introduced an implementation method of channel estimation for the CR experimental system and completed the DSP implementation of

11、the algorithm. The time and space complexity of the algorithm was analysized.The result is that the algorithm can meet the timing requirements.Through the closed-loop test program,the BER was tested and analysized.The result is that the method can match the transmission quality requirements of the s

12、ystem.Software design of CR terminal has already been finished.The system can work normally.The implementation has already been finished too,and the conclusion that the algorithm can match the timing and quality requirements of the system is made.KEY WORDS: Cognitive radio experimental system; OFDM;

13、 Channel estimation; DSPTYPE OF THESIS: Applied Research目 錄1 緒論1 選題意義及應用背景1 國內外研究現(xiàn)狀分析1 本文研究的主要工作和結構安排32 認知無線電系統(tǒng)概述5 認知無線電系統(tǒng)的設計目標5 認知無線電實驗系統(tǒng)的總體結構5 認知無線電實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構5 認知無線電終端6 認知無線電實驗系統(tǒng)參數(shù)7 本章小結83 認知無線電實驗終端中頻和基帶模塊的軟件設計9 中頻器件的配置9 發(fā)送模塊中頻器件的配置9 接收模塊中頻器件的配置14 基帶和中頻各模塊間的接口設計193.2.1 GC1012B與同步模塊的接口19 同步模塊與DSP的

14、接口20 譯碼模塊與DSP的接口213.3 DSP的初始化設置22 外部存儲器接口23 擴展的直接存儲器訪問23 中斷24 通用輸入/輸出外設25 關于提高有效數(shù)據(jù)率的討論26 本章小結284 OFDM信道估計技術29 無線信道特性29 大尺度衰落29 小尺度衰落304.2 OFDM信道估計33 發(fā)送端導頻的選擇與插入33 接收端導頻位置信道信息獲取34 數(shù)據(jù)子載波位置信道信息獲取36 本章小結385 OFDM信道估計在認知無線電系統(tǒng)中的實現(xiàn)39 實驗系統(tǒng)整體對接結構39 實驗方案設計和參數(shù)的確定405.3 OFDM信道估計的設計與實現(xiàn)42 在時域糾小數(shù)倍頻偏435.3.2 FFT變換45 塊

15、狀導頻作信道估計46 分散導頻作信道估計49 算法復雜度和性能分析49 復雜度分析49 性能分析51 本章小結536 總結與展望54 總結54 展望54致 謝56參考文獻57聲明CONTENTS1 Preface11.1 Topic Signifacance and Background11.2 Status quo of the Research11.3 Main Work and Structure in the Dissertation32 Summary of Cognitive Radio System52.1 Designing Goals of CR Experimental S

16、ystem52.2 Structure of CR Experimental System5 Network Topology Structure5 CR Terminal62.2.3 Parameters of CR Experimental System72.3 Brief Summary83 Software Design of IF and Baseband Modules of CR System93.1 IF Devices Configuration9 Send Module IF Device Configuration9 IF Receiver Module Device C

17、onfiguration153.2 Design of Baseband and IF Interfaces between the Various Modules19 Design of Interface between GC1012B and SYNC Module20 Design of Interface between SYNC Module and DSP20 Design of Interface between Decoding Module and DSP213.3 DSP Configuration22 External Memory Interface Design23

18、 EDMA Configuration23 Interrupt Configuration24 GPIO Configuration253.4 Discussion on the Improvement of Effective Data Rate263.5 Brief Summary284 Research of OFDM Channel Estimation Method294.1 Characteristics of Wireless Channel29 Large-scale Decline29 Small-scale Decline304.2 OFDM Channel Estimat

19、ion334.2.1 Pilot Insertion Method in Send Module33 Channel Estimation of Pilot Subcarrier34 Channel Estimation of Data Subcarrier364.3 Brief Summary385 Implementation of Channel Estimation in CR System395.1 Structure of the Experimental docking System395.2 Design Expermental Method and Parameters405

20、.3 Design and Implementation of OFDM Channel Estimation42 Correct the Frequency Offset in Time Domain43 FFT45 Correct the Frequency Offset in Frequency Domain46 Channel Estimation by Scattered Pilot495.4 Algorithm Complexity and Performance Analysis495.4.1 Algorithm Complexity Analysis495.4.2 Perfor

21、mance Analysis515.5 Brief Summary536 Conclusions and Suggestions546.1 Conclusions546.2 Suggestion54Acknowledgements56References57Declaration在每一章的末尾插入下一章的MathType的章標記（打印前將其字體顏色變?yōu)榘咨?，在打印預覽中看不見即可）：1 緒論1.1 選題意義及應用背景無線頻譜是一種珍貴的自然資源，它的分配利用通常是由無線電法規(guī)部門確定的。目前世界各國采用的是基于靜態(tài)頻帶分配的原則和方案。近年來，通信界普遍認識到，靜態(tài)頻帶分配是造成當前頻譜資源日

22、趨缺乏的一個主要原因。2002年11月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）發(fā)布了一項由Spectrum-Policy Task Force提交的旨在有效管理美國頻譜資源的報告1。該報告明確指出：“在許多頻帶，頻譜的準入是一個比頻譜資源本身稀缺更加重要的問題，很大程度上由于法規(guī)限制了這些頻譜上的潛在用戶獲得準入?！笔聦嵈_實如此，如果審視各類地域的頻譜占用率，將會發(fā)現(xiàn)一些頻帶在絕大多數(shù)時間是未被占據(jù)的；一些頻帶是部分時間被占據(jù)的；而另外一些頻帶則是被密集使用的2。這種頻譜利用不均的情況引導通信業(yè)界研究人員去思考“頻譜空穴”（Spectrum Holes）3這樣一個嶄新概念，即“一個頻譜空穴是分配給授權用

23、戶的頻帶，但是，在某一指定時間和空間，在授權用戶不占用這一頻帶的情況下，此頻帶可以被其他用戶使用?！边@樣，頻譜資源的潛在利用率可以得到明顯提高。為了解決當前這種低效率的頻譜管理方式與不斷增長的頻譜資源需求之間的矛盾，瑞典的Joseph Mitola博士于1999年在軟件無線電的基礎上，提出了認知無線電（Cognitive Radio, CR）的概念。認知無線電技術相應的被認為是未來探索頻譜空穴特性、高效利用無線頻譜的主要手段。為了對認知無線電的理論方法和禮儀協(xié)議進行深入的研究和實驗評估，項目組設計了認知無線電實驗系統(tǒng)。認知無線電實驗系統(tǒng)通信采用OFDM調制方式，在無線傳輸環(huán)境中，信道的時域與頻

24、域響應是時變的；多徑引起的頻率選擇性衰落在不同的子載波上也表現(xiàn)出衰落的不一致性，從而導致OFDM符號各個數(shù)據(jù)子載波上出現(xiàn)畸變的不均勻性。為了達到高速率的數(shù)據(jù)傳輸，需要在OFDM系統(tǒng)中使用正交幅度調制（如16QAM，64QAM等）等調制方式，為了保證系統(tǒng)的性能不受信道多徑和衰落效應的影響，就需要采用信道估計的方法跟蹤信道響應的變化。信道估計的目的就是估計出信道的時域或頻域響應，對接收到的數(shù)據(jù)進行校正和恢復，以獲得相干檢測的性能增益，并提高數(shù)據(jù)傳輸速率。1.2 國內外研究現(xiàn)狀分析 “認知無線電”這個詞最早由Joseph Mitola在1999年提出4-6。他描述了認知無線電怎樣通過一種稱作“無線電

25、知識表達語言（RKRL）”的新語言來提高個人無線業(yè)務的靈活性。隨后，Mitola的博士論文5這樣描述認知無線電：無線數(shù)字設備和相關的網(wǎng)絡在無線電資源和通信方面具有充分的計算智能來探測用戶通信需求，并根據(jù)這些需求來提供最適合的無線電資源和無線業(yè)務。這被認為最終會演進成一個擴展的軟件無線電平臺一個能夠根據(jù)網(wǎng)絡或（和）用戶要求完全重新配置通信功能、參數(shù)的無線黑盒子。在Mitola的認知無線電中，在作出改變運行參數(shù)的決定的時候，無線節(jié)點和網(wǎng)絡觀察到的每一個可能的參數(shù)都被考慮到，所以Mitola的認知無線電通常被稱為“全認知無線電”。然而，到目前為止，這樣的認知無線電還沒有被實現(xiàn)過。當今的無線網(wǎng)絡采用的

26、是固定頻譜分配政策，即無線頻譜資源的規(guī)劃和使用是由政府部門制定的，收發(fā)機對它的使用需要得到政府的許可。然而，各國的無線電法規(guī)制定部門，比如美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）發(fā)現(xiàn)無線頻譜資源并沒有得到充分利用7,8。FCC 2003年底的NPRM8指出目前分配出的頻段利用率是從15%-85%不等，某些頻帶如移動 網(wǎng)絡的頻帶是超負荷的，但是諸如業(yè)余無線電等相當多頻段并沒有得到充分使用。并且，頻譜利用率在不同的空間和時間段也是不同的。然而，縱然擁有頻譜使用批準的授權用戶很少使用分配給他們的頻段，法規(guī)也限制了那些潛在的、但不具備使用許可的用戶的準入。盡管固定頻譜分配政策在過去很有效，但在最近幾年，無線業(yè)務急

27、劇增長，對有限的頻譜的需求也隨之劇增，這就挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)頻譜政策的有效性。有限的可利用頻譜及頻譜利用率的低下等問題使得一種全新的、優(yōu)化使用頻譜的無線通信模式變得十分必要。因此，研究一般認為動態(tài)頻譜接入（Dynamic Spectrum Access）是解決目前頻譜低效利用的有效技術。人們開始考慮允許未授權用戶在對授權用戶不產生任何干擾的情況下來使用已分配的許可頻段。這樣一種無線通信也被稱作認知無線電。由于這種認知無線電僅僅以無線頻譜為關注對象，因此被稱作頻譜感知認知無線電（Spectrum Sensing Cognitive Radio）。如今，人們對認知無線電的研究絕大多數(shù)仍舊集中在頻譜感知認知

28、無線電上尤其是研究利用電視廣播（TV）頻段進行通信，盡管認知無線電最初被認為是基于軟件無線電的擴展（Mitola的認知無線電）。認知無線電必然會改變傳統(tǒng)的無線電頻譜資源分配制度。認知無線電系統(tǒng)中的認知無線電用戶可以根據(jù)獲取的頻譜使用情況智能的改變所使用的頻譜資源，從而可以大大提高頻譜利用率。認知無線電技術的一個難點是認知無線電用戶如何感知周圍無線環(huán)境。早期的方法是認知無線電用戶周期性的對所有可以使用的頻譜資源進行掃描。然而這種操作即費時又耗能，并且不具有實用性。Oliver Holland等人提出了資源感知信道的概念（Resource Awareness Channel,RAC）9。RAC是一

29、個固定頻率的隨機接入通用信道，所有使用認知無線電頻譜資源的無線電用戶在RAC上傳輸頻譜資源利用的信息。利用這種方法，每個認知無線電用戶可以監(jiān)聽RAC，然后判斷如果改變發(fā)送的頻譜資源會對區(qū)域內無線電用戶所造成的影響。而且這種方法是可擴展的，它不僅可以用于頻譜資源的分配，如果容量和技術允許，它也可以應用于其它資源的分配，例如時隙（TDMA）和碼片（CDMA）。目前國際上對認知無線電研究大多基于Fatih Capar等人給出的一種簡單，容易實現(xiàn)的認知無線電的定義10，即認知無線電用戶可以檢測出某個頻段的授權用戶是否正在發(fā)射信號，如果有則認為有授權用戶在使用該頻段，如果沒有則認為可以利用這個頻段來進行

30、通信；同時認知無線電用戶還必須保證，在它使用授權頻段的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)授權用戶重新開始工作，則能夠立即停止對該頻段的使用，對授權用戶產生盡可能小的干擾。正交頻分復用(OFDM)是公認的易于實現(xiàn)頻譜資源控制的傳輸技術，而認知無線電系統(tǒng)的主要特征是機會式的利用頻譜資源以及子載波可重載。為了有效利用授權用戶傳輸中的頻譜空穴，認知無線電系統(tǒng)需具備控制發(fā)射信號頻譜形狀的高度靈活性。而利用OFDM技術實現(xiàn)這樣具備高度靈活性的系統(tǒng)，是一種相當合適的選擇。然而要想完全實現(xiàn)OFDM 技術所帶來的性能的提高，還需進行相關關鍵技術的實現(xiàn)，而信道估計就是其中之一。信道估計是通信領域的一個研究熱點，它是進行相關檢測，解

31、調，均衡的基礎。OFDM多載波的出現(xiàn)，為信道估計技術的應用提供了新的空間。從最早的無分集的單載波信道估計到現(xiàn)在的有分集的多載波信道估計，從時域或頻域信道估計到現(xiàn)在的時頻域二維估計，信道估計的性能在不斷的提高。1.3 本文研究的主要工作和結構安排本文是在國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）（編號：AA123910）的資助下完成的。為了對認知無線電系統(tǒng)的理論方法和禮儀協(xié)議進行更深入的實驗評估和研究，項目組在第一版實驗系統(tǒng)的基礎上，研制了第二版認知無線電實驗系統(tǒng)。論文作者主要完成如下工作：1）參與認知無線電實驗系統(tǒng)的硬件調試工作。主要包括DSP和FPGA之間數(shù)據(jù)的正常通信、DSP與各中頻器件間的

32、接口測試，使DSP和FPGA能夠正常工作。2）在學習軟件無線電相關知識并閱讀上/下變頻和D/A等中頻器件手冊的基礎上，完成了DSP對相關中頻器件的軟件配置，實現(xiàn)了DSP通過FPGA與中頻器件正常數(shù)據(jù)傳輸。解決了頻譜翻轉、子載波鏡像、高頻子載波受濾波器過渡帶衰減等問題，從而提高了有效數(shù)據(jù)率。3）通過編程對DSP片內外設進行了配置；設計了OFDM同步算法、信道估計算法、信道編碼等模塊間的的軟件接口。4）研究了復雜度較低的基于導頻輔助的OFDM信道估計算法。設計了適用于實驗系統(tǒng)的信道估計方案，然后編寫DSP程序實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹?頻對接和射頻對接，完成了OFDM頻偏糾正及信道估計等相關算法的實現(xiàn)。5

33、）通過CCS自帶的代碼剖析工具分析了解調程序的時間和空間復雜度，證明了信道估計實現(xiàn)方案的可行性；通過設計基于實驗系統(tǒng)的閉環(huán)測試程序對不同信噪比下解調數(shù)據(jù)的誤比特率分析證明了實現(xiàn)方案的合理性。本文共分6章，各章安排如下：第一章，緒論，提出了選題意義及應用背景，介紹了國內外對于認知無線電和OFDM信道估計的研究現(xiàn)狀。第二章，認知無線電系統(tǒng)的概述，介紹了認知無線電實驗系統(tǒng)的設計目標，總體結構和實驗參數(shù)。第三章，認知無線電系統(tǒng)中頻和基帶模塊的軟件設計，介紹了中頻器件的配置，和調試中出現(xiàn)的問題及相應的解決方案；然后介紹了基帶和各中頻模塊的接口設計和DSP的片內外設的配置；最后分析了實際應用中對有效數(shù)據(jù)率

34、的影響因素。第四章，OFDM信道估計技術，首先介紹了無線信道的特性，然后介紹了常見OFDM導頻輔助的信道估計算法。第五章，OFDM信道估計在認知無線電系統(tǒng)中的實現(xiàn)，介紹了系統(tǒng)整體的對接結構，設計了信道估計實現(xiàn)方案并確定了實驗參數(shù)；詳細描述了實現(xiàn)各步驟的具體實現(xiàn)方法；最后進行了算法復雜度和性能的分析。第六章，總結與展望，對全文做出了總結，展望了后續(xù)的研究工作。2 認知無線電系統(tǒng)概述2.1 認知無線電系統(tǒng)的設計目標實驗系統(tǒng)的初步目標是能夠在一定距離內利用空閑電視頻道建立起來點對點的無線通信，通信終端具有感知電視信號的出現(xiàn)和存在，及時切換到新的空閑頻道保持通信的能力，能夠驗證認知無線電智能、動態(tài)頻譜

35、管理特性。在實現(xiàn)初步目標的基礎上，進一步完成在特定空間范圍內、已分配的若干（連續(xù)或者不連續(xù)的）電視頻道上完成自動檢測頻譜空穴11，自適應調整載波（子載波）頻率、子載波個數(shù)、發(fā)射功率、編碼方式等系統(tǒng)參數(shù)進行通信。電視發(fā)射機作為該實驗系統(tǒng)的一部分，選擇某一實驗頻道發(fā)射電視信號，認知無線電用戶要能夠針對此電視信號進行檢測和反應。實驗系統(tǒng)還可以評估認知無線電用戶對電視信號的干擾情況、認知無線電用戶受外來發(fā)射機干擾的情況以及驗證在認知無線電用戶接入認知無線電系統(tǒng)的過程中采用的禮儀和協(xié)議。2.2 認知無線電實驗系統(tǒng)的總體結構2.2.1 認知無線電實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構本實驗系統(tǒng)采用有中心控制節(jié)點的分布式A

36、dHoc網(wǎng)絡結構。實驗網(wǎng)絡工作頻段為西安地區(qū)2640號電視頻道，頻率范圍從614734MHz，共120MHz的帶寬。實驗網(wǎng)絡由多個小區(qū)組成，每個小區(qū)覆蓋范圍為300m。包括一個認知無線電中心控制節(jié)點、四個認知無線電用戶(CR用戶終端)、一個電視信號發(fā)射機(TV信號發(fā)射塔)和若干電視機(TV信號接收機)。認知無線電實驗網(wǎng)絡的網(wǎng)絡體系架構如圖 21所示。圖 21 認知無線電實驗網(wǎng)絡拓撲中心控制節(jié)點位于服務區(qū)域的中心，主要負責電視頻譜資源的分配以及認知無線電用戶的呼叫接續(xù)的控制。而認知無線電終端則隨機分布在服務區(qū)域中。任意兩個終端通過直達的認知無線電鏈路進行點對點通信，而不通過中心控制節(jié)點的轉接，但

37、通信鏈路的建立和釋放則是在中心控制節(jié)點的控制下完成。在通信之前，主叫認知無線電終端會首先向中心控制節(jié)點申請一個可用的電視頻段，作為通信信道，然后在通信信道上與被叫認知無線電終端進行通信；當在通信過程中，發(fā)現(xiàn)授權用戶出現(xiàn)，則會切換到控制信道重新建立通信。通信結束之后，認知無線電終端則向中心控制節(jié)點釋放所申請的通信信道。認知無線電終端與中心控制節(jié)點通過專用的控制信道傳遞信令信息，且假設電視信號發(fā)射機從開始到結束使用其授權頻段發(fā)射信號為一個時間較長的過程，因此授權用戶工作的持續(xù)期遠遠大于系統(tǒng)檢測授權用戶所需要的時間，同時設定服務區(qū)域的半徑為300米，遠小于電視信號發(fā)射機的覆蓋范圍，因此可以認為電視信

38、號發(fā)射機的信號功率在本實驗系統(tǒng)服務區(qū)域內近似均勻分布。2.2.2 認知無線電終端一臺認知無線電終端主要由物理層單元和鏈路層單元組成，應用層在上位機上實現(xiàn)，如圖 22所示為認知無線電終端示意圖。各層功能如下：圖 22 認知無線電終端示意圖1）物理層能夠實現(xiàn)編、解碼，調制、解調等功能，能將鏈路層送來的信息發(fā)送出去以及能將另一個認知無線電用戶發(fā)來的信息（滿足一定信噪比要求）解調出來，然后送往鏈路層；認知無線電用戶能對接收頻段內授權用戶的出現(xiàn)進行準確的檢測，若檢測到授權用戶出現(xiàn)，能夠轉移到中心控制節(jié)點預先分配的新信道上繼續(xù)通信，并且操作員能對連接和無線頻譜資源進行管理和配置。2）鏈路層主要需要在一定的

39、誤比特率條件下完成數(shù)據(jù)包的分拆、合并以及差錯校驗等功能。3）應用層將指定的數(shù)據(jù)文件通過認知無線電終端傳送到另一臺上位機中以及通過認知無線電終端將數(shù)據(jù)文件再傳回來的過程。2.2.3 認知無線電實驗系統(tǒng)參數(shù)實驗平臺的中頻模擬信號的中心頻率是36MHz，實驗系統(tǒng)設計帶寬為6.4MHz，采用帶通采樣，采樣率為51.2MHz。為了保證實驗系統(tǒng)能夠對認知無線電技術作一些簡單的驗證，本課題設計的主要技術指標如下： 表 21 實驗系統(tǒng)主要技術指標項目指標（室內）指標（室外）頻段614-734MHz614-734MHz雙工方式FDDFDD實驗系統(tǒng)覆蓋區(qū)域半徑150m600m可容忍的時延擴展的統(tǒng)計平均值保護間隔的

40、持續(xù)期10OFDM符號的有效持續(xù)期（插入CP前）10us40OFDM符號的持續(xù)期（插CP后）50子載波頻率間隔1/10us=100kHz1/40=25kHz信道帶寬 MHzFFT點數(shù)（N） M/100k=64/25k=256CP點數(shù)G1664OFDM符號總點數(shù)80320總子載波個數(shù)64×0.8（約為52）208導頻子載波個數(shù)832可用子載波個數(shù)44176OFDM符號的速率=80kBauds1/50=20kBauds總的數(shù)據(jù)符號的速率44×1/1=3.52MBauds總的符號速率（加入導頻）52×1=映射方式QPSKQPSK比特速率2×3.52Mbps7.

41、04Mbps7.04Mbps發(fā)送階段：1)基帶處理模塊輸出，數(shù)字復基帶信號，數(shù)據(jù)率為6.4MSPS（兆樣點每秒），實部、虛部位寬均為14bits。2)數(shù)字上變頻輸出，數(shù)字實信號，數(shù)據(jù)率為102.4MSPS。3)模擬中頻輸出，中心頻率為36MHz，帶寬為6.4MHz。4)射頻捷變頻模塊輸出，頻率范圍為614MHz734MHz，信號帶寬為6.4MHz。接收階段：5)高頻頭模塊輸入，信號頻率范圍為614MHz734MHz，信號帶寬為6.4MHz。6)高頻頭輸出（模擬中頻模塊輸入），中頻模擬信號，中心頻率36MHz。7)模擬中頻模塊輸出（ADC輸入），中頻模擬信號，中心頻率36MHz，帶寬為6.4MH

42、z。8)數(shù)字下變頻輸入（ADC輸出），數(shù)字實信號，數(shù)據(jù)率為51.2MSPS，位寬為12bits。9)數(shù)字下變頻輸出（基帶處理單元輸入），數(shù)字復信號，數(shù)據(jù)率為6.4MSPS，實部、虛部位寬均為12bits。2.3 本章小結本章首先介紹了認知無線電實驗系統(tǒng)的設計目標，然后給出了該實驗系統(tǒng)的總體結構，最后介紹了認知無線電實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程和主要技術指標。3 認知無線電實驗終端中頻和基帶模塊的軟件設計本課題要求建立一個通用的認知無線電實驗平臺，在此平臺上進行一系列CR相關理論的研究。為了保證此實驗平臺的通用性，項目組利用軟件無線電的思想對其進行設計，這樣就可以在不改變硬件結構的情況下，利用軟件編程

43、實現(xiàn)不同的理論成果及相關算法?；谲浖o線電的思想，項目組認知無線電實驗終端的軟件設計包括：1）利用外處理器（DSP）通過軟件編程對終端的中頻器件如AD9857、GC1012B等進行初始化配置，能夠根據(jù)不同需要即時改變相應參數(shù)，使這些中頻器件按設計要求工作。2）認知無線電實驗終端基帶采用的是DSP+FPGA的設計，F(xiàn)PGA和DSP都承擔著基帶算法任務，因此必須要合理設計各算法模塊的接口，才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。3）認知無線電實驗終端所使用的TMS320C6000系列DSP不僅運算速度高，而且片內集成了許多外圍設備，支持多種工業(yè)標準的接口協(xié)議，能夠提供高帶寬的數(shù)據(jù)I/O。在DSP初始化時必須要根

44、據(jù)設計需要對使用到的片內外設進行配置，以使其按照設計要求工作。本章將對認知無線電實驗終端中頻和基帶模塊的軟件設計作詳細介紹。3.1 中頻器件的配置3.1.1 發(fā)送模塊中頻器件的配置發(fā)送模塊基帶和中頻的數(shù)據(jù)流如圖 31所示，發(fā)送DSP要完成對上位機傳來的數(shù)據(jù)的調制，還要配置AD9857并進行中頻增益的控制。上位機將數(shù)據(jù)通過ARM子板經(jīng)過HPI接口傳給發(fā)送DSP，在DSP中對比特信息進行位組合，然后通過EMIFB口送入到FPGA的編碼模塊對數(shù)據(jù)進行信道編碼，然后再通過EMIFB口讀回DSP，對數(shù)據(jù)進行QPSK或QAM星座映射，OFDM調制，插入導頻，最后對數(shù)據(jù)進行峰均比抑制處理，并將數(shù)據(jù)通過EMI

45、FB口經(jīng)FPGA中的FIFO緩存后送入到AD9857上變頻和D/A處理。下面對AD9857作簡單介紹：圖 31 發(fā)送模塊基帶和中頻結構圖1） AD9857簡介AD9857是AD公司采用多項先進的數(shù)字技術生產的具有高集成度的高性能正交數(shù)字上變頻器，它內部集成了直接數(shù)字頻率合成器（DDS）、正交數(shù)字上變頻器、倍頻電路、多種數(shù)字濾波器、14位數(shù)模轉換器以及調制和控制電路，使其能夠在單片上完成單頻輸出、頻率調制、相位調制、幅度調制以及IQ正交調制等多種功能，廣泛應用于通信和雷達領域。AD9857的接口設計主要涉及到兩部分，一部分是并行口，完成I、Q數(shù)據(jù)的輸入，另一部分是串行口，完成AD9857芯片的一

46、些控制設置和頻率控制字加載。AD9857有三種工作模式：正交調制模式（默認）、單頻輸出模式和插值DAC模式。三種模式的選擇是通過對控制寄存器的編程來實現(xiàn)的，而這些編程是通過串口完成。下面對AD9857的三種工作模式做簡單介紹：（1） 正交調制模式在正交調制模式下，I和Q數(shù)據(jù)路徑都是可用的。PDCLK/FUD引腳作為并行數(shù)據(jù)時鐘輸出，提供AD9857的輸入的同步信號，輸入數(shù)據(jù)必須與PDCLK的上升沿同步。一個I數(shù)據(jù)和一個Q數(shù)據(jù)組成一個內部數(shù)據(jù)組，它們在內部數(shù)據(jù)路徑上是并行傳輸?shù)摹DS模塊提供一個局部正交（SIN和COS）本振信號給正交調制器，在這里，I和Q數(shù)據(jù)與不同相位的載波相乘再相加（減），

47、產生一個正交調制數(shù)據(jù)流。這些都是在數(shù)字域內發(fā)生的，而且只有數(shù)字的數(shù)據(jù)流允許加到14位DAC，最后產生正交調制模擬信號。（2） 單頻輸出模式在單頻輸出模式下，PDCLK/FUD腳是輸入腳，并作為FUD（頻率更新）控制信號。在該模式下，DDS的余弦部分作為信號源，輸出信號由單一頻率組成，這個頻率是由每個幀中適當?shù)目刂萍拇嫫鲀Υ娴念l率調節(jié)字決定。在該模式下沒有14位并行數(shù)據(jù)提供給AD9857，內部DDS核心依據(jù)頻率調制字產生一個單頻信號。然后單頻信號輸出，提供給反SINC濾波器和輸出幅度控制器，最后，數(shù)字單頻信號通過14位DAC轉化成模擬信號。（3） 插值DAC模式在插值DAC模式下，DDS和調制器

48、都不可用，而且只有I路數(shù)據(jù)路徑是激活的。與正交調制模式一致的是PDCLK腳為輸出腳，并作為AD9857輸入數(shù)據(jù)的同步時鐘。不同的是PDCLK按I路數(shù)據(jù)的頻率工作。這是因為相對于正交調制模式時的交叉I/Q形式，在該模式下只有I路數(shù)據(jù)送往并口。在插值DAC模式下，并口提供數(shù)據(jù)輸出依然是基帶數(shù)據(jù)，沒有經(jīng)過調制。對信號進行過采樣操作并保持原始信號的頻譜不變時，使用該模式。2） AD9857的配置DSP通過多通道緩沖串口（Multi-channel Buffered Serial Port,McBSP）與AD9857的串口以SPI模式接口如圖 32所示，對AD9857進行配置。C6000系列DSP的Mc

49、BSP基本功能包括全雙工串行通信；雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器，允許連續(xù)數(shù)據(jù)流；收發(fā)獨立的幀同步和時鐘信號；數(shù)據(jù)傳輸可以利用外部時鐘或片內的可編程時鐘等。McBSP支持多種方式的接口模式，其中就包括SPI模式。SPI是Series Protocol Interface的縮寫，這是一個四根信號線的串行接口協(xié)議，包括主/從兩種模式。DSP通過McBSP與AD9857的接口對其進行配置時，McBSP作為SPI主設備，AD9857作為從設備。如圖 32CLKX為時鐘信號，F(xiàn)SX為從設備使能信號，DX和DR分別為數(shù)據(jù)輸出和輸入信號。圖 32 DSP配置AD9857在實驗系統(tǒng)中，除了在調試階段采用過單頻輸出模式外，系

50、統(tǒng)都使用正交模式。通過FPGA鎖相環(huán)產生12.8MHz的時鐘送給AD9857的REFCLK引腳，作為AD9857的參考時鐘。要使AD9857正常工作，還要對內部的8個8位控制寄存器進行初始化配置，8個寄存器地址為00-07。下面對寄存器關鍵比特位的配置作簡單介紹：設置寄存器00h的Bit4-Bit0為4，這樣AD9857內部時鐘將倍頻為51.2MHz，所有AD9857內部模塊的時鐘都由此51.2MHz的時鐘SYSCLK提供。寄存器01h的Bit6控制反SINC濾波器是否使能。過采樣的載波數(shù)據(jù)流輸入給AD9857的內部集成模塊DAC。DAC輸出頻譜具有SINC函數(shù)的特性，因此需要對其進行反SIN

51、C函數(shù)濾波，因此Bit6要配為0，以使能反SINC濾波器。寄存器01h的Bit1-Bit0控制工作模式，配為0，表示工作在正交調制模式。認知無線電實驗系統(tǒng)中頻工作在36MHz，因此要通過寄存器05h-02h設置輸出頻率，36MHz*232/51.2MHz=FTWORD,將這四個寄存器配為B4000000。寄存器06h的Bit7-Bit2為CIC內插率控制位。AD9857內部有固定內插濾波模塊和可編程內插模塊，固定內插為4倍內插，可編程內插范圍為2-63倍，因此輸入數(shù)據(jù)的內插范圍為8-252倍。反CIC濾波器用于預先補償CIC（積分梳狀濾波器）的幅度衰減，因此寄存器06h的Bit0位要設為0，以

52、使能反CIC濾波器?？梢酝ㄟ^改變AD9857的內插率來調整輸入到AD9857的數(shù)據(jù)的時鐘進而改變OFDM符號帶寬，如圖 33所示為通過改變可編程內插率來改變符號帶寬在發(fā)送端中頻用頻譜分析儀觀測到的不同帶寬信號。(a) (b)(c) (d)圖 33 通過改變AD9857寄存器值改變帶寬3） 調試中出現(xiàn)的問題及解決方法（1） 調試中出現(xiàn)的問題在認知無線電實驗系統(tǒng)中，在發(fā)送端發(fā)送OFDM數(shù)據(jù)，比如對于一個64子載波OFDM符號在頻域使用5-25的奇數(shù)號子載波上傳QPSK調制數(shù)據(jù)，在接收端對接收數(shù)據(jù)進行分析，如圖 34 (a)所示為對接收數(shù)據(jù)畫幅頻圖，5-25子載波上數(shù)據(jù)的幅度有一個遞增的衰減，而且除

53、了在原來的子載波號上有數(shù)據(jù)外，在41-61的奇數(shù)號子載波上也會產生鏡像，但實際上在這些子載波上本來沒有傳任何數(shù)據(jù)。這樣如果OFDM符號在41-61的奇數(shù)子載波號上也調制數(shù)據(jù)的話，將與5-25子載波上的數(shù)據(jù)相互影響，導致不能正確解調。(a)(b)(a)接收端數(shù)據(jù)幅頻圖 (b)發(fā)送端中頻模擬信號頻譜圖圖 34 頻譜鏡像接收端和發(fā)送端的頻譜特性（2） 問題分析在中頻，將輸出的中頻信號通過SMA線連到頻譜分析儀觀察輸出頻譜特性，如圖 34 (b)所示，可以看出在發(fā)送端中頻輸出之后的信號的頻譜幅度隨著子載波號的增加幅度衰減而且會產生鏡像，因此，確定問題出在發(fā)送端中頻器件這里。AD9857輸入引腳TxEN

54、ABLE被置為高時，IQ數(shù)據(jù)輸入使能，接下來第一個PDCLK時鐘上升沿為I路數(shù)據(jù)，下來為Q路數(shù)據(jù)，依次類推，當TxENABLE為高電平的周期內必然有偶數(shù)個PDCLK上升沿，以使IQ匹配。通過QuartusII自帶的邏輯分析工具SignalTap抓取的時序圖分析顯示，送入AD9857的數(shù)據(jù)不滿足時序要求。DSP要往AD9857寫的數(shù)據(jù)應該是但實際上讀入AD9857的數(shù)是，IQ不匹配導致了不同子載波產生不同幅度衰減并產生鏡像子載波的情況。另外，AD9857的固定4倍內插模塊是通過兩個半帶濾波器實現(xiàn)的，原始數(shù)據(jù)通過此模塊后即被4倍過采樣。兩個級連的半帶濾波器的通帶為奈奎斯特頻率的80%。阻帶為120

55、%-400%奈奎斯特頻率，最少會產生85dB的衰減?？捎脦挄拗仆ㄟ^AD9857的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)率。所以通過上述對級聯(lián)半帶濾波器傳輸特性的分析，為了使幅度錯誤不超過1dB，輸入信號的帶寬不能超過奈奎斯特頻率的90%。而且根據(jù)AD9857器件手冊的建議發(fā)送端提供給AD9857的數(shù)據(jù)要至少已經(jīng)是二倍過采樣的數(shù)據(jù)。（3） 解決方法在DSP往AD9857中寫的數(shù)組前面加一個0，這樣就可以避免IQ不匹配的問題。對于高頻子在波通過固定內插模塊后會有幅度衰減的問題需要對OFDM數(shù)據(jù)在基帶進行過采樣，就可以將數(shù)據(jù)的帶寬限制在濾波器通帶的平坦部分。如果不預先對數(shù)據(jù)過采樣，邊帶會產生6dB甚至更多的衰減。對OFD

56、M符號進行過采樣可以通過IFFT/FFT來實現(xiàn)，做IFFT運算時，需要在原始的N個輸入值的中間添加(p-1)N個零。下面以p=4為例來說明這種過采樣的實現(xiàn)。輸入的N個數(shù)據(jù)符號表示頻域數(shù)據(jù)符號，經(jīng)過IFFT變換后，得到時域數(shù)據(jù)符號，即： 如果希望通過4倍過采樣得到更加精確反映連續(xù)信號變換的時域離散采樣點，可以在IFFT輸入的頻域數(shù)據(jù)符號中間補充3N個零，即構成：然后再做4N點的IFFT，則可以按4倍過采樣得到4N個時域離散采樣點，即：， 由此可以實現(xiàn)對時域信號的過采樣，更加精確地反映OFDM連續(xù)符號的變換情況。最終在系統(tǒng)中采取了對基帶數(shù)據(jù)2倍過采樣之后再送給AD9857發(fā)送方式。 3.1.2 接收模塊中頻器件的配置接收模塊基帶和中頻的數(shù)據(jù)流如圖 35所示，GC1012B下變頻后的數(shù)據(jù)通過FPGA中的同步模塊和FIFO緩存后由接收DSP的EMIFB口讀入DSP對數(shù)據(jù)糾正頻偏，然后進行信道估計，通過估計的信道信息對數(shù)據(jù)進行糾正后，通過EMIFB口將數(shù)據(jù)送出給FPGA中的譯碼模塊，譯碼結束后DSP再將數(shù)據(jù)讀回DSP通過HPI口將比特信息傳回給上位機。下面對GC1012B作簡單的介紹：圖 35 接收端基帶和中頻結構圖1） GC1012B 簡介GC1012B是GrayChip公司（TI子公司）推出的單通道寬帶中頻數(shù)字下變頻器件。GC1012B