軟件無線電原理與應用第3版 課件 第4-6章 軟件無線電硬件平臺設計、軟件無線電信號處理算法、信道編譯碼技術

軟件無線電原理與應用（第三版）軟件無線電硬件平臺設計第四章高等學校電子信息類精品教材01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電系統(tǒng)設計原則包括硬件設計原則和軟件設計原則兩部分，兩部分設計原則的出發(fā)點和膠合點是軟件通信體系結構(SCA)規(guī)范。硬件設計的原則概括來說有以下兩條：●基于硬件體系結構模型設計原則；●基于標準總線設計原則。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介所謂體系結構是指組成系統(tǒng)各部件的結構、它們之間的關系以及制約它們設計隨時間演進的原則和指南。按照軟件無線電各功能模塊的連接方式劃分，目前，硬件體系結構可分為以下四種:●流水式硬件體系結構；●總線式硬件體系結構；●交換式網絡硬件體系結構；●基于計算機和網絡的硬件體系結構。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(1)流水式硬件體系結構流水式硬件體系結構如圖4.1所示，包括寬帶多頻段天線、射頻(RF)部分、寬帶ADC和DAC、DDC和DUC以及數字信號處理器(DSP)等。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(2)總線式硬件體系結構總線式軟件無線電結構中，各功能單元通過總線連接起來，并通過總線交換數據和控制命令，總線式硬件體系結構如圖4.2所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(3)交換式硬件體系結構交換式硬件體系結構是一種基于交換網絡的軟件無線電結構，如圖4.3所示。該結構通過交換網絡和適配器為各功能模塊提供統(tǒng)一的數據通信服務。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則1.軟件無線電硬件體系結構簡介(4)基于計算機和網絡的硬件體系結構基于計算機和網絡的硬件體系結構由可編程前端、交換網絡和并行計算機系統(tǒng)組成，如圖4.4所示。用網絡構成計算機群作為運算平臺，用消息傳遞實現計算機間的互聯，用協(xié)同計算方案軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則2.標準總線簡介軟件無線電只有采用先進的標準總線結構，才能發(fā)揮其適應性廣、升級換代簡便的特點。所以，軟件無線電硬件系統(tǒng)的設計應基于主流的標準總線，這樣的好處是顯而易見的，主要是通用、設計難度降低、實現簡單、可貨架式采購和搭建、成本相對較低等。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則目前，主流標準總線有VME系列和PCI系列兩大類，其發(fā)展歷程如表4-2所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則兩大標準為多種主流的互連協(xié)議制定了各自的工業(yè)標準，如表4-3所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則VME總線標準一直在發(fā)展，從最初的VME32,發(fā)展到VME64、VME2eSST、VXS,直至目前最新一代的總線標準——VPX。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設計原則表4-4列出了VPX系列、VME64x和VITA41(VXS)等標準的功能和性能情況。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計具有寬帶高速數據傳輸網絡為保證大量數據的傳輸，軟件無線電系統(tǒng)必須具有極高的數據交換和I/O吞吐能力，傳輸網絡的鏈路傳輸速率應該達到10Gbps級以上。②系統(tǒng)架構單板級：射頻模擬前端、A/D板、D/A板、信號處理板、數據處理板等；通道級：多個從天線到處理板再到天線的完整通道合成與分離；單機級：多個單機伸縮性要求。③支持多處理器系統(tǒng)由于軟件無線電系統(tǒng)是在射頻或中頻上對寬帶通道進行連續(xù)不斷的采樣(包括接收和發(fā)射),需要對高速數據流進行實時處理，運算量非常大，因此要求極高的處理速度，目前單片數字信號處理芯片一般難以勝任，需要多片數字信號處理芯片同時并行處理，軟件無線電硬件系統(tǒng)應能保證多處理器的并行處理，共享系統(tǒng)資源。①1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計具有良好的機械和電磁兼容特性能夠在惡劣的環(huán)境(包括溫度、沖擊、振動、氣壓、濕度等極端情況)中正常工作。⑤系統(tǒng)功能可重構系統(tǒng)通過加載不同的軟件進行功能重構。④1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構(1)軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡承載著系統(tǒng)重構性、伸縮性、通用性和實時性的實現。通過它可以：完成所有數字信號處理功能；運算資源集中控制、統(tǒng)一調度、并行/串聯同步工作；系統(tǒng)資源按需分配、有效共享；滿足原始數據/中間數據/結果數據從源地址無障礙、實時地傳輸到目標地址；數據的高速輸入、輸出。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構(2)軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡拓撲結構軟件無線電硬件系統(tǒng)的數字傳輸網絡集中體現了系統(tǒng)的硬件體系結構和技術體制。首先，體現體系結構的開放性，這一點通過開放的網絡拓撲結構來實現；其次是通用性，即傳輸網絡的物理層應該通用，要有足夠的包容能力。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結構(3)軟件無線電硬件系統(tǒng)數字傳輸網絡傳輸協(xié)議目前主流的高速傳輸技術(協(xié)議)有PCIExpress(PCI-E)、RapidIO、InfiniBand、FibreChannel(光纖通道)和Ethernet(以太網)等。各種傳輸技術目前的應用情況如圖4.10所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計PCIExpress的網絡拓撲結構必須是樹狀的，如圖4.11所示，這種網絡結構對于系統(tǒng)的伸縮性有一定的影響。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計2.軟件無線電硬件系統(tǒng)數字信號處理架構軟件無線電硬件系統(tǒng)的數字信號處理架構主要涉及FPGA、DSP和GPP等器件。FPGA、DSP和GPP是目前主流的數字信號處理器件，各有特點，如表4-5所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計軟件無線電硬件系統(tǒng)設計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結構設計3.軟件無線電硬件系統(tǒng)設計根據圖4.7所示，基于全交換的軟件無線電硬件系統(tǒng)包括可重構天線陣、可重構射頻前端、可重構A/D/A,可重構數字信號處理和重構控制五部分。02軟件無線電的射頻前端軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構射頻前端有三種結構：多次變頻的超外差結構、直接變換的零中頻結構、不變頻結構。前兩種前端結構適用于寬帶中頻采樣的軟件無線電體制，不變頻前端結構則適用于射頻低通、射頻帶通采樣的軟件無線電體制。多次變頻的超外差射頻前端結構如圖4.13所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構超外差的射頻前端結構的主要優(yōu)點是：①靈敏度高(由于有預選濾波器和信道濾波器);②總增益被分配到工作在不同頻率的多級放大器上，降低了放大器的設計難度；③實信號變頻只在一個固定頻率上進行，對本振的相位和幅度平衡沒有要求。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構其主要缺點是：①復雜程度高；②需要多個本地振蕩器；③鏡頻信號干擾的抑制比較困難，需要特殊的中頻(IF)濾波器，很難用單片集成電路實現超外差接收機。圖4.14給出一個實際超外差射頻前端的例子。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構直接變換的射頻前端結構的主要優(yōu)點是：①把射頻信號直接混至基帶，輸出端不會出現鏡頻信號；②只要求簡單的濾波；③容易實現電路集成。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構主要缺點是：①本振泄露較嚴重，即本地振蕩器產生的信號容易通過低噪聲放大器反向泄露到RF端口，通過天線輻射出去；②由于為零中頻，任何直流偏移都無法從有用信號中分離出來，而且較大的直流電平，容易使后端飽和；③如果同相、正交兩路的平衡性不好，將嚴重影響接收機的性能。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結構不變頻的射頻前端結構如圖4.16所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端各功能模塊的設計混頻器(Mixer)混頻器是將輸入的兩個不同信號的頻率進行相加或相減運算，實現信號的頻率搬移?；祛l器主要有兩類：無源混頻器(比如二極管)、有源混頻器(采用有增益的器件，比如，雙極性晶體管、場效應管)。2本地振蕩器(LocalOscillator)與混頻器緊密相關的一個器件是頻率源(本地振蕩器)。頻率源最重要的參數是相位噪聲(相噪)。3濾波器(Filter)射頻濾波器主要實現對信號的預濾波，并提高接收模塊和發(fā)射模塊之間的隔離度。濾波器的種類很多，主要有LC濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、機械濾波器等。1軟件無線電的射頻前端02射頻前端各功能模塊的設計功率放大器(PowerAmplifier)軟件無線電必須能滿足各種通信體制的功率放大要求，需具有較寬的發(fā)射帶寬，特別是對效率、線性、雜散輻射等性能要求較高。5放大器(Amplifier)放大是整個前端電路中非常重要的一個環(huán)節(jié)。由于軟件無線電的接收通道是寬帶的，甚至是寬開的，通帶內的信號可能有很多。4軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標射頻前端的技術指標很多，主要有噪聲系數、二階截點值、三階截點值、動態(tài)范圍、鏡頻抑制、本振反向輻射等。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標1.噪聲系數(Noisefactor)噪聲系數表明了一個模塊或一個網絡固有的噪聲影響，說明通過這些模塊、網絡時，信號的信噪比降低的程度。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標2.靈敏度(Sensitivity)在介紹靈敏度之前，先來討論一下最小可檢測電平。最小可檢測電平(MinimumDetectableSignal,MDS)對接收機來說是一個很重要的參數，它表征了系統(tǒng)可檢測的最弱信號。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標3.截點值(InterceptPoint)表征接收機、發(fā)射機非線性性能的指標很多，比如有1dB壓縮點、二階截點值、三階截點值等。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標4.動態(tài)范圍(DynamicRange,DR)動態(tài)范圍是指接收機在達到規(guī)定的信息質量下，能處理的信號電平范圍。在數字通信中，信息質量常用誤比特率來表示。動態(tài)范圍可以用1dB壓縮點與系統(tǒng)噪聲電平之差來表示，如圖4.33所示。該動態(tài)范圍也稱1dB增益壓縮點動態(tài)范圍。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標5.無虛假動態(tài)范圍(Spur-FreeDynamicRange,SFDR)無虛假動態(tài)范圍與三階互調抑制比很類似。無虛假動態(tài)范圍是指失真產物等于噪聲功率時，基波功率與噪聲功率之差，如圖4.34所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標6.虛假響應混頻器要把射頻信號變頻至中頻信號(IF),如果是上變頻則選擇(fRF+fLO),下變頻則選擇(fRF-fLO)或(fLO-fRF)。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標7.舉例下面我們通過一個例子，來說明多個級聯模塊(見圖4.37)的總噪聲系數、三階截點值、靈敏度、動態(tài)范圍等指標的計算方法。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標03軟件無線電中的A/D/A技術軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類1.逐次比較式A/D轉換器逐次比較(SA)式A/D轉換器的應用范圍很廣，它可以用較低的成本得到很高的分辨率和采樣速率。其通過速率可達到1MHz以上，轉換位數可達到16位或更多。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類2.并行式A/D轉換器并行式A/D轉換器的功能框圖如4.40所示。模擬信號同時輸入到2~-1個帶鎖存的比較器中，每一個比較器的參考電壓都比下一個的參考電壓高出一個LSB所代表的電壓值。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類3.子區(qū)式A/D轉換器子區(qū)式(Subranging)A/D轉換器功能框圖如圖4.41所示。以8位(bit)轉換器為例，首先用第一片并行式A/D轉換器(優(yōu)于8位精度)數字化出高4位。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類4.∑-△A/D轉換器∑-△(總和增量)ADC是一種過采樣量化器，其利用過采樣、噪聲整形、數字濾波等手段來提高數字化性能。通信信號對靈敏度、動態(tài)范圍要求高，而帶寬相對較窄，所以可以實現很高的過采樣速率，達到很高的量化信噪比。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器原理與分類三級標題軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(1)轉換靈敏度軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標（2）信噪比軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(3)有效轉換位數由于A/D轉換部件不能做到完全線性，總會存在零點幾位乃至一位的精度損失，從而影響A/D的實際分辨率，降低了A/D的轉換位數。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(4)孔徑誤差孔徑誤差是由于模擬信號轉換成數字信號需要一定的時間來完成采樣、量化、編碼等工作而引起的。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(5)無雜散動態(tài)無雜散動態(tài)(SpuriousFreeDynamicRange,SFDR)是指在第一奈奎斯特區(qū)內測得信號幅度的有效值與最大雜散分量有效值之比的分貝數。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(6)動態(tài)范圍軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(7)非線性誤差非線性誤差是指A/D轉換器理論轉換值與其實際特性之間的差別。非線性誤差又可分為差分非線性(DifferentialNon-Linearity,DNL)誤差和積分非線性(IntegralNon-Linearity,INL)誤差。差分非線性誤差是指，對于一個固定的編碼，理論上的量化電平與實際中最大電平之差，如圖4.47所示。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器性能指標(9)總諧波失真由于A/D器件的非線性，使其輸出的頻譜中出現許多輸入信號的高次諧波，這些高次諧波分量稱為諧波失真分量。軟件無線電中的A/D/A技術03A/D轉換器的選擇在軟件無線電的設計中，A/D器件的選擇應保證軟件無線電功能和性能的實現。根據上面的討論和分析，可以得到以下A/D器件的選擇原則。①采樣速率選擇。②采用分辨率較高的A/D器件。③選擇模擬輸入帶寬寬的A/D器件。④選擇動態(tài)范圍大的A/D轉換器。⑤根據環(huán)境條件選擇A/D轉換芯片的環(huán)境參數，比如功耗、工作溫度。⑥根據接口特征考慮選擇合適的A/D轉換器輸出狀態(tài)。軟件無線電中的A/D/A技術03數據采集模塊的設計現代高速A/D轉換器力求做到低失真、高動態(tài)、低功耗。數字采集系統(tǒng)的性能除了與A/D轉換器本身的固有特性外有關，還與其外圍電路關系密切。一般的數字采集系統(tǒng)由放大器，抗混疊濾波器、A/D轉換器、RAM、時鐘等組成，如圖4.50所示。軟件無線電中的A/D/A技術03D/A轉換器的基本原理及性能指標軟件無線電中的A/D/A技術03D/A轉換器的基本原理及性能指標04軟件無線電數字前端軟件無線電數字前端04軟件無線電數字前端的定義無線電系統(tǒng)前端的概念傳統(tǒng)上一般是指安裝在天線上或天線附近的模擬高頻電路，通過電纜與離天線相當遠的后端連接，常見的如大型衛(wèi)星地球站系統(tǒng)。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)1.數字下變頻器組成正如第2章所介紹的，在軟件無線電中，數字下變頻器一般都采用正交數字下變頻法實現，主要包括數字混頻器、數字控制振蕩器(NumericallyControlledOsillator,NCO)和低通濾波器三部分組成，重畫如圖4.58所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)2.數字控制振蕩器工作原理數字控制振蕩器(數字控制本地振蕩器)在DDC中相對來說是最復雜的，也是決定DDC性能的最主要因素之一，或者說DDC需要一個高速、高精度的NCO,所以，作為重點進行介紹。NCO的目標就是產生理想的正弦波和余弦波，更確切地說是產生一個頻率可變、時間離散的正弦波和余弦波的數據樣本，如式(4-88)、式(4-89)所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字接收前端(數字下變頻DDC)軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)數字上變頻器是數字下變頻器的逆過程，兩者的工作原理、結構和實現都大同小異，只處理順序剛好相反。數字上變頻器由成形濾波器、內插器、數字混頻器、數字控制振蕩器等成。數字正交上變頻器原理框圖如圖4.60所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)數字上變頻器是數字下變頻器的逆過程，兩者的工作原理、結構和實現都大同小異，只處理順序剛好相反。數字上變頻器由成形濾波器、內插器、數字混頻器、數字控制振蕩器等成。數字正交上變頻器原理框圖如圖4.60所示。軟件無線電數字前端04軟件無線電中的數字發(fā)射前端(數字上變頻DUC)1.NCO的FPGA設計后續(xù)基帶處理中的信號解調對載波頻偏十分敏感，而頻偏的產生主要由本振的偏差和多普勒頻移所引起的，因此，在數字前端中，設計一個性能較好的NCO是非常關鍵的。2.NCO優(yōu)化設計相位累加器的位數N由要求的頻率分辨率決定，而正弦查找表ROM的深度M及寬度W由雜散的要求決定。3.FIR的FPGA設計數字FIR濾波是個卷積運算，即乘法和累加運算。因而FIR濾波模塊包括乘法器、加法器、延遲單元以及存儲單元等。軟件無線電數字前端04軟件無線電數字前端的ASIC實現在某些成本、功耗、重量和尺寸等敏感的應用中，如無線移動通信系統(tǒng)中的基站和移動終端(手機),一般用ASIC來實現軟件無線電數字前端單元。隨著需求的不斷增加和技術的不斷進步，ASIC也不斷地向集成數字基帶處理、ADC、DAC、射頻收發(fā)等更多單元以及從單通道接收、單通道發(fā)射到收發(fā)多通道的方向發(fā)展。軟件無線電數字前端04軟件無線電數字前端的ASIC實現05高速數字信號處理器高速數字信號處理器05軟件無線電信號處理的特點(1)性能數字信號處理平臺的性能主要用計算能力來衡量，軟件無線電在不同的應用場合對計算能力的需求是不一樣的。(2)模塊化模塊化是軟件無線電系統(tǒng)構建的一種標準方式，是主流趨勢。模塊化可以分為硬件模塊化和軟件模塊化。(3)可擴展可擴展性就是系統(tǒng)規(guī)模的可伸縮性，允許對軟件無線電進行增強以提高系統(tǒng)的能力。(4)靈活性靈活性是指處理現有或是將來的各種空中接口和協(xié)議的能力，靈活性與性能、模塊化和可擴展性等因素密切相關、密不可分。高速數字信號處理器05數字信號處理器件的選擇技巧首先，需要指出本節(jié)的數字信號處理器件是指專用集成電路、現場可編程門陣列、通用數字信號處理器和通用處理器等所有具有數字信號處理功能和一定編程能力的器件，DSP專門指通用數字信號處理器。目前，可構建軟件無線電數字實時處理系統(tǒng)的主要是四類器件。高速數字信號處理器05數字信號處理器介紹自從20世紀80年代初第一片數字信號處理器(DSP)誕生以來，伴隨著微電子技術、數字信號處理技術的快速發(fā)展，DSP得到了日新月異的進步，在處理速度、運算精度、處理器的結構、指令系統(tǒng)、指令流程等諸多方面都有很大的提高。目前，DSP產品正在向高性能、多功能、低功耗、多領域等方向發(fā)展。DSP已經滲透到消費、軍事、民用、商業(yè)等各個領域，成為許多電子產品的技術核心。高速數字信號處理器05通用處理器介紹通用處理器(GeneralPurposeProcessor,GPP),例如，Intel的CPU、Motorola的PowerPC等，多采用馮·諾依曼結構。普遍沒有DMA通道控制器，數據傳輸和處理不能并行，普遍沒有通用存儲器接口和I/O接口，需要芯片組配合。高速數字信號處理器05圖形處理器介紹軟件無線電處理平臺要實現各種機器學習的算力要求一般不會高于DL的算力要求，考慮開發(fā)難度、靈活度、可編程性、算法兼容性、通用軟件兼容性等多個維度，在現階段，基于CPU+GPU計算結構是目前軟件無線電處理平臺中額外配備專門用于實現智能計算的最合適的架構。06高速FPGA設計技術高速FPGA設計技術06軟件無線電中的高速FPGA從軟件無線電實現角度看，軟件無線電最高設計原則有三點，即：●最大限度地進行寬帶數字化；●最大限度地實現功能軟件化；●最大可能地進行靈活重構。高速FPGA設計技術06軟件無線電中的高速FPGA基于極高性能的FPGA實現軟件無線電數字信號處理有以下五大好處。(1)極其強大的處理能力；(2)最理想化的算法定制；(3)最理想的適配接口；(4)無比靈活的重配置能力；(5)相對低的功耗高速FPGA設計技術06FPGA基本原理高速FPGA設計技術06軟件無線電中的高速FPGA當前的FPGA具有以下主要特點：●容量大：高端的FPGA規(guī)模已達到上千萬門級，能承擔繁重的信號處理任務、完成復雜的功能；●功能強：以PowerPC、MicroBlaze和Nios等為代表的RISC處理器軟硬IP核，極大地加強了FPGA的功能，可輕松實現大規(guī)模的片上系統(tǒng)(SOC);●保密性好：有防止反向技術的FPGA,能很好地保護系統(tǒng)的安全性和設計者的知識產權；●開發(fā)容易：FPGA開發(fā)工具功能強大，可完成從輸入、綜合、實現到配置芯片等一系列的功能。還有很多工具可以完成對設計的仿真、優(yōu)化、約束和在線調試等功能。這些工具智能化程度高、易學易用。高速FPGA設計技術06基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)設計1.軟件無線電處理系統(tǒng)中高速FPGA的一般性設計；2.基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)硬件體系結構設計；高速FPGA設計技術06基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)設計3.基于高速FPGA的軟件無線電處理系統(tǒng)硬件概要設計高速FPGA設計技術06基于高速FPGA的軟件無線電系統(tǒng)設計4.FPGA重配置設計(1)FPGA配置設計由于FPGA中靜態(tài)隨機存儲器掉電后數據會丟失，系統(tǒng)每次上電后需要重新配置數據后才能運行。以Xilinx公司FPGA為例，FPGA的配置模式歸納起來有8種，見表4-24。(2)多片FPGA系統(tǒng)配置設計軟件無線電系統(tǒng)一般都是由多片FPGA組成的系統(tǒng)，這時系統(tǒng)配置可以這樣設計。(3)軟件上載的配置設計采用配置芯片對FPGA進行配置，每次上電后只能載入固定配置的文件。(4)IRL重配置[23]因特網重配置邏輯(InternetReconfigurableLogic,IRL)是Xilinx等公司推出的一種能夠通過互聯網對目標系統(tǒng)的硬件進行遠程更新和動態(tài)重構的設計方法。07軟件無線電系統(tǒng)設計實例軟件無線電系統(tǒng)設計實例07軟件無線電系統(tǒng)主要技術指標：●工作頻段：1～2GHz;●通道帶寬：60MHz;●通信路數：8路；●調制樣式：BPSK、QPSK;●瞬時動態(tài)：≥60dB;●噪聲系數：≤6dB。軟件無線電系統(tǒng)設計實例07軟件無線電系統(tǒng)設計師在設計方案時，需要對各個方面的因素進行綜合考慮，主要有以下幾點：●體系結構選擇；●選擇中頻和采樣頻率；●選擇目標硬件；●劃分模擬和數字部分；●系統(tǒng)性能；●為子系統(tǒng)分配設計指標；●確定信號精度和電平；●解決抽象和獨立性的需求；●選擇特定的濾波設計；●硬件和軟件的劃分；●采用已存在的硬件器件和軟件庫；●對處理器/進程/芯片分配實體。感謝觀看，再見！軟件無線電原理與應用（第三版）高等學校電子信息類精品教材軟件無線電原理與應用（第三版）軟件無線電信號處理算法第五章高等學校電子信息類精品教材01軟件無線電中的調制算法軟件無線電中的調制算法01信號調制通用模型隨著現代通信的飛速發(fā)展，通信體制的變化也日新月異：一些舊的通信方式或者被改進完善，或者被淘汰，適合現代通信體制的新通信方式不斷涌現并且日臻完善。目前常用的模擬調制方式主要有AM、FM、SSB、CW等，而數字信號通信的調制方式卻非常多，如ASK、FSK、MSK、GMSK、PSK、QAM等。軟件無線電中的調制算法01信號調制通用模型軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法軟件無線電中的調制算法01模擬信號調制算法4.單邊帶信號(SSB)上文已經提到，SSB信號是通過濾除雙邊帶信號的一個邊帶而得到的。濾除其上邊帶就是下邊帶(LSB)信號，濾除其下邊帶就可得到上邊帶(USB)信號。由于單邊帶信號的頻譜寬度僅為雙邊帶信號的一半，單邊帶一方面可以為日益擁擠的短波頻段節(jié)約頻率資源；另一方面，單邊帶只傳送攜帶信息的一個邊帶功率，因而在接收端獲得同樣信噪比時，單邊帶能大大節(jié)省發(fā)射功率。因此短波頻段廣泛應用單邊帶信號傳輸信息。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法1.振幅健控(2ASK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法2.二進制頻移鍵控(2FSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法3.二進制相移鍵控(2PSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法4.M進制數字振幅調制(MASK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法5.M進制數字頻率調制(MFSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法6.四進制數字相位調制(QPSK)信號軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法7.正交振幅調制(QAM)信號正交振幅調制是一種多進制混合調幅調相的調制方式。4QAM就是QPSK,我們畫出8QAM和16QAM的信號分布圖如圖5.10所示，這種分布圖通常稱為星座圖。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法8.最小移頻鍵控(MSK)信號正交振幅調制是一種多進制混合調幅調相的調制方式。4QAM就是QPSK,我們畫出8QAM和16QAM的信號分布圖如圖5.10所示，這種分布圖通常稱為星座圖。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法9.高斯最小移頻鍵控(GMSK)信號正交振幅調制是一種多進制混合調幅調相的調制方式。4QAM就是QPSK,我們畫出8QAM和16QAM的信號分布圖如圖5.10所示，這種分布圖通常稱為星座圖。軟件無線電中的調制算法01數字信號調制算法02軟件無線電解調算法軟件無線電解調算法02信號解調通用模型為了便于信號發(fā)射，提高信道利用率、發(fā)射功率效率以及改善通信質量，人們研制出各種通信信號的調制樣式，相對于調制的逆過程——解調也因調制樣式的不同而不同，解調方法大致有相干解調和非相干解調二類。軟件無線電解調算法02信號解調通用模型軟件無線電解調算法02模擬調制信號解調算法1.AM解調；2.DSB解調；3.SSB解調；4.FM解調；軟件無線電解調算法02數字調制信號解調算法1.ASK解調；2.MASK解調；3.FSK解調；4.MFSK解調；5.MSK解調；6.GMSK解調；7.SFSK解調；8.PSK解調；9.MPSK解調；10.QPSK解調；11.OQPSK解調；12.π/4QPSK解調；13.QAM解調。03軟件無線電中的同步算法軟件無線電中的同步算法03數字鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)是實現兩個信號相位同步的自動控制系統(tǒng)，它由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)等組成，如圖5.13所示。鑒相器可以用乘法器后接一個低通濾波器來實現。軟件無線電中的同步算法03同步參數估計實現各種同步時，首先需要知道一個參數的初值，對同步所需要的各種參數進行估計，并且估計精度至少要達到同步捕獲的要求。對于信號解調來說，需要對載波頻率、信息碼速率、偽碼速率、信號帶寬等參數進行估計。軟件無線電中的同步算法03同步參數估計1.載波估計軟件無線電中的同步算法03同步參數估計2.碼速率估計數字信號的碼速率估計也可以利用FFT的方法來實現。由于信號在碼元交替時，在其包絡上總會呈現出相應的變化，特別是對于經過成形濾波的數字信號，其幅度譜的基波分量就是碼元速率。圖5.14是采用滾降系數為0.35的升余弦濾波器成形后的QPSK信號幅度譜。軟件無線電中的同步算法03同步參數估計2.碼速率估計軟件無線電中的同步算法03同步參數估計3.信噪比估計介紹一種利用特征值分解和子空間分割實現對信噪比估計的方法，先構造出接收信號的相關矩陣，然后利用最小描述原理(MDL)來確定接收數據中信號子空間的維數，從而分離出信號子空間和噪聲子空間7。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法載波同步(跟蹤)可以分為兩類：接收到的信號中存在載頻分量時，如有載波的模擬或數字調制信號，此時采用窄帶濾波器或基本的鎖相環(huán)路就可以提取出載波分量，鎖相環(huán)中VCO的輸出就是載波；而對于一些接收信號中不含載波分量的信號，也就是抑制載波的調制信號，比如BPSK、QPSK等就需要通過一些特殊的環(huán)路來實現對同步載波的恢復。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法載波同步的第三種方法是采用判決反饋環(huán)，其基本原理是對信號進行相干解調，然后將解調出來的信號去抵消接收信號中的調制來恢復載波分量。其組成框圖如圖5.20所示。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的位同步算法數字通信中解調器必須產生一個頻率與符號速率相同的定時抽樣脈沖，以在合適的時刻對輸出波形進行抽樣判決。這個定時抽樣脈沖是通過位同步也叫定時同步來獲得的。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的載波同步算法軟件無線電中的同步算法03載波和位同步的聯合最大似然估計算法在上面的討論中，載波和位同步信號的獲取主要是通過鎖相環(huán)實現的，有一個控制反饋的過程。近年來，人們提出了接收端的本地參考載波和定時時鐘都獨立振蕩于固定頻率，不再需要反饋控制的方法。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的幀同步算法幀同步的作用是在數字信息流中插入特殊的碼組作為每幀的頭尾標記。接收端產生與發(fā)射端相同的碼組，并與接收到的信號進行相關運算，當相關值為最大時，就認為找到了幀的起始位置。作為幀同步的碼組應是具有尖銳單峰特性的局部自相關函數，而且識別器要盡量簡單。軟件無線電中的同步算法03軟件無線電中的幀同步算法04軟件無線電的中均衡算法軟件無線電的中均衡算法04線性均衡算法最常用的線性均衡器是橫向濾波器，其組成如圖5.33所示。軟件無線電的中均衡算法04線性均衡算法1.基于最大失真準則的線性均衡器軟件無線電的中均衡算法04線性均衡算法2.基于最小均方誤差(MMSE)的均衡器軟件無線電的中均衡算法04判決反饋均衡算法判決反饋均衡器(DFE)是一種非線性均衡器，它由一個前饋濾波器和一個反饋濾波器組成4。前饋濾波器的輸入是接收信號序列，其功能與線性橫向濾波器相同，反饋濾波器把先前被檢測符號的判決序列作為輸入，反饋濾波器用來消除當前估計值中由先前被檢測符號引起的碼間干擾。其組成框圖如圖5.36所示。軟件無線電的中均衡算法04判決反饋均衡算法軟件無線電的中均衡算法04自適應均衡算法1.迫零算法前面提到，在線性均衡的峰值失真準則中，通過選擇均衡器系數cj;,可以使得峰值失真最小。除了均衡器輸入端的峰值失真小于1的特殊情況，一般沒有實現最佳化的簡單方法。該失真小于1時，令均衡器具有如下響應，可使均衡器輸出端的峰值失真最小。軟件無線電的中均衡算法04自適應均衡算法2.最小均方(LMS)類算法為便于分析，下面先討論橫向濾波器系數的自適應更新問題。M階FIR濾波器的抽頭系數為cj;(j=1,…,M),濾波器的輸入輸出分別為x(n),y(n),而d(n)為期望輸出，則有：軟件無線電的中均衡算法04盲自適應均衡算法不需要已知信號I(n)進行自適應均衡的算法稱為盲自適應均衡算法。盲自適應均衡算法有Bussgang算法、基于高階統(tǒng)計量的算法、基于周期特性的算法、最大似然估計算法等。軟件無線電的中均衡算法04盲自適應均衡算法1.Sato算法軟件無線電的中均衡算法04盲自適應均衡算法2.Godard算法05調制樣式自動識別算法調制樣式自動識別算法05模擬調制信號的自動識別假設所要識別的調制樣式主要有：AM(調幅)、FM(調頻)、DSB(雙邊帶)、LSB(下邊帶)、USB(上邊帶)、VSB(殘留邊帶)以及AM-FM(組合調制)7種模擬調制樣式。任何調制樣式的信號均可采用以下統(tǒng)一的數學表達式來表示：調制樣式自動識別算法05數字調制信號的自動識別調制樣式自動識別算法05數字調制信號的自動識別調制樣式自動識別算法05模擬數字調制信號的聯合自動識別調制樣式自動識別算法05模擬數字調制信號的聯合自動識別調制樣式自動識別算法05模擬數字調制信號的聯合自動識別調制樣式自動識別算法05信號調制樣式自動識別中應注意的幾個問題前面對基于決策理論的信號調制樣式自動識別的基本原理進行了介紹討論，在實現這些算法時還會碰到許多具體的實際問題，比如采樣速率的選取、載頻的精確估計(非線性相位分量的計算)、瞬時頻率的計算、特征參數門限電平的確定以及非弱信號段的實際選取等。下面就這些問題進行簡單討論。調制樣式自動識別算法05信號調制樣式自動識別中應注意的幾個問題調制樣式自動識別算法05基于人工神經網絡的調制識別基于ANN的模擬信號調制識別原理結構如圖5.43所示，該人工神經網絡采用了三層結構即1個輸入層，1個輸出層，1個中間層。調制樣式自動識別算法05基于人工神經網絡的調制識別感謝觀看，再見！軟件無線電原理與應用（第三版）高等學校電子信息類精品教材軟件無線電原理與應用（第三版）信道編譯碼技術第六章高等學校電子信息類精品教材01信道編譯碼基礎信道編譯碼基礎01現代通信飛速發(fā)展的一個重要原因是模擬信號的數字化，數字通信具有模擬通信無法比擬的特殊優(yōu)點，如抗干擾能力強、便于實現保密、通信質量不受距離影響、能適應各種業(yè)務、電路易于集成化等。信道編譯碼基礎01那么到底什么是信道編碼呢?廣義的信道編碼是指從信源編碼信息到信道波形的映射，因此復接、代數編碼、調制、成形濾波、擴頻、上下變頻等都可歸于廣義的信道編碼范疇，如圖6.1所示。02信道編碼概述信道編碼概述02在通信加擾中，從擾碼序列是否獨立于用于加擾的偽隨機序列來看，擾碼可分為自同步擾碼和同步擾碼兩種，偽隨機序列一般由一個或多個線性反饋移位寄存器(LFSR)來產生。擾碼關系如圖6.2所示。擾碼信道編碼概述02擾碼信道編碼概述02擾碼信道編碼概述02糾錯碼及交織糾錯碼按功能可分為檢錯碼和糾錯碼，按對信源序列進行的不同處理方式可分為分組碼、卷積碼及級聯碼，按照信息碼元在編碼之后是否保持原來的形式不變，又可分為系統(tǒng)碼與非系統(tǒng)碼。信道編碼概述02信道編碼的應用及性能在對信道編碼半個多世紀的研究中，能夠更加逼近Shannon限的編譯碼方法不斷出現，Shannon限已基本達到。從漢明碼、BCH碼、RS碼，到卷積碼、級聯碼，以及Turbo碼、LDPC碼，所能達到的性能與Shannon限的距離正在不斷縮小。這些先進的信道編碼技術已經在數字通信領域大放異彩，與人們的生活息息相關，如衛(wèi)星通信、深空通信、地面移動通信、網絡傳輸、數字電視等。表6-3列出了一些信道編碼的使用情況。信道編碼概述02信道編碼的應用及性能信道編碼概述02信道編碼的應用及性能在AWGN信道，不同調制方式下對碼率為1/2的(171,133)卷積碼進行性能比較，性能曲線如圖6.13所示。信道編碼概述02信道編碼的應用及性能圖6.15所示是DVB-T、DVB-C、DVB-S及DVB-S2的信道編碼方案。03幾種簡單的檢糾錯碼幾種簡單的檢糾錯碼03線性分組碼是信道編碼中最基本的一類碼，它有明顯的數學結構，是討論各類碼的基礎。一般把信道編碼中非0碼元的個數稱為碼組重量(簡稱碼重),如0001碼組的碼重為1,定義碼距為兩個碼組中對應位上不同碼元的個數。幾種簡單的檢糾錯碼03一般情況下，對于分組碼存在以下結論：幾種簡單的檢糾錯碼031.奇偶校驗碼奇偶校驗碼是一種非常簡單的編碼方式，在計算機通信中得到廣泛應用，奇偶校驗碼中無論信息位有多少位，校驗位都只有1位，一般插入在一組碼的末尾，碼率等于k/(k+1)。幾種簡單的檢糾錯碼032.恒比碼恒比碼中每個碼組均含有相同數目的“1"或"0”。在檢測時，只要計算接收碼組中的“1'的數目是否對，就知道有無錯誤。恒比碼編碼簡單，適用于傳輸字母和符號，對二進制隨機數字序列不適用。幾種簡單的檢糾錯碼033.正反碼正反碼是一種簡單的能夠糾錯的編碼。正反碼中編碼的校驗位數目與信息位數目相同，校驗位內容為信息位的重復或取反，具體由信息碼中"1"的個數而定，如可定義“1”的個數為奇數時校驗位重復信息位，“1”的個數為偶數時校驗位為信息位的反碼。如0101的正反碼為01011010,0111的正反碼為01110111。幾種簡單的檢糾錯碼034.群計數碼群計數碼是將k位信息元經分組之后，計算出每個信息碼組中“1”的數目，然后將這個數目用r位二進制表示，并作為校驗碼元附加在信息碼元后面一起傳輸，組成(k+r,l)碼。如1101001共有4個“1”,用二進制100表示十進制的4,則傳輸碼組變?yōu)?101001100。幾種簡單的檢糾錯碼035.漢明碼漢明碼的發(fā)現時間其實早于Shannon論文的發(fā)表時間，由于技術專利的原因導致其直到1950年才發(fā)表。漢明碼是一