《基于软件无线电的超低频接收机的设计研究》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在学术论文-天天文库。
硕士学位论文目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯··⋯⋯·⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..⋯..⋯⋯⋯⋯⋯⋯IAbstract·················································································-·····II第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11.1本文的研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11.2国内外超低频通信的发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31.3软件无线电概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31.3.1软件无线电的产生⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31.3.2软件无线电的现状及发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51.3.3软件无线电的关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61.4本文所做的工作及文章结构安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7第2章超低频接收机中的关键技术及实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82.1天线的原理及实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82.1.1天线的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82.1.2智能天线技术分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92.1.3天线的实现及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112.2采样方式的选择及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122.2.1采样方式的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122.2.2采样的原理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132.2.3采样孔径抖动及其影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152.3增益分配及AGC的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯162.4数字信号处理技术的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172.4.1数字信号的正交检波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172.4.2DSP处理流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182.4.3数字滤波器的选取和设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19第3章超低频接收机的总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233.1超低频接收机的设计要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233.1.1超低频接收机的设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233.1.2超低频接收机的设计指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243.2超低频接收机的总体构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243.2.1超低频接收机的结构选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯243.2.2硬件构成模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26 基于软件无线也的超低频接收机的设计研究3.2.3软件构成模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27第4章超低频接收机的硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284.1射频前端及电源、时钟模块的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284.1.1射频前端的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284.1.2电源模块的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯294.1.3时钟模块的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304.2A/D转换器的选型及设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯314.2.1A/D选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l4.2.2AD7731的配置及外围电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯324.3DSP芯片的选型及设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯354.3.1DSP选型⋯⋯⋯!⋯⋯⋯一⋯⋯··⋯··⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯354.3.2TMS320VC549的应用设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯364.4接收机的抗干扰措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414.4.1噪声处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414.4.2电磁兼容性处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42第5章超低频接收机中的软件设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435.1数字信号的软件解调⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435.1.1MASK软件解调⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯445.1.2MSK软件解调⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯455.2DSP处理流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯455.3DSP软件优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯465.3.1编程需注意的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯465.3.2软件编程优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48第6章解调测试及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯506.1测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯506.2MASK信号的解调测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯516.3MSK信号的解调测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯536.4测试结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54结束语⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯55参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57致谢⋯”·”··””·”··”···”·”·”··”·”·””·⋯·“···”·”一”“········””·一·”一·一“一·60附录(攻读学位期间所发表的学术论文目录)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61y『 硕士学位论文摘要超低频通信是海军对潜通信的一种重要通信方式,因为具有在海水中衰减慢、传输稳定和抗干扰能力强等优点而受到重视。由于传统的接收机存在功耗大、体积大和可靠性差等缺点,不利于向小型化、智能化、多功能化和模块化的方向发展,因此必须对接收机的结构进行重大改进。随着数字信号处理芯片、A/D转换器性能的提升和价格的相对下降,特别是软件无线电理论研究的成熟,研制出一种软件化、数字化的超低频接收机已经成为可能。本文依照软件无线电的思想,提出了一种超低频接收机的实现方案,采用射频低通采样技术来实现模拟域到数字域的转换,在数字化以后使用TI公司的TMS320VC549芯片等组成硬件平台。在这个统一的数字信号处理硬件平台上,通过采用不同的软件算法来实现不同类型调制信号的纯软件解调。这样能够在很大程度上使解调模块体积缩小、功耗降低,而且便于扩展解调其它类型的信号。文中讨论并解决了接收天线的设计、采样方式、AGC控制、数字信号处理技术及其算法实现和硬件选型等重要技术问题:提出了一种可行的软硬件实现结构;详细地给出了关键元器件的具体设计方法;对影响超低频接收机性能的可靠性和抗干扰设计进行了详细的分析研究,给出了具体的解决方案;对软件解调算法作了详细的分析研究,并在最后给出了软件测试结果。结果表明该接收机能够正确解调不同类型的调制信号,而且可靠性好,抗干扰能力强,具有较大的实用价值。关键词:软件无线电;超低频接收机;A/D转换器;数字信号处理 ABSTRACTAsanimportantcommunicationmethodthatnavycommunicateswithsubmanne'superlowfrequency(SLF)gainsitsrecognition,foritsslow。reducesinseawater’stability.spreadandstronganti.interferencecapability.Forthereasonofpowerconsume.volumeandreliability,thetraditionalreceiverisnotsuitableforthedevelopmenttominiaturizedintelligentmulti—functionandmodule.Sogreatchangesmustbetakenintheconstructionofreceiver.Now.theA/DconvertchipsandDSPchipshavebetterperformanceandlowerprice,especiallythetheoreticalresearchontheSoftwareRadiohasbeenalreadyripe·AllthesemakeitpossibletodesignakindofSLFreceiverbasedontheSoftwareRadio.AccordingtothethoughtoftheSoftwareRadio,akindofrealizationschemeofSLFreceiverhasbeenputforward.AnalogsignalisconvertedtodigitalsignalbyusingRFdirectlylowpasssamplingtechnology.ThenauniformhardwareplatformisconsistedformTMS320VC549chipofTIcompany,inwhich,differenttypesofmodulatedsignalsaredemodulatedbyusingcorrespondingsoftwarealgorithms·Soitcandecreasethemodule’Svolume,reduceitspowerconsumption,what’Smore,itmakesitpossibletodemodulateothertypesmodulatedsignal·Inthispaper,ithasdiscussedandsolvedthatthedesignofthereceptionantenna,themodeofsampling,AGCcontrolling,digitalsignaltreatmenttechnologyanditsaIgorithmtorealize,andtheselectionofhardwarearchitecture.Andthenakindoffc觞iblesoftwareandhardwareconstructionisputforward,inwhich,theconcretedesignmethodsofkeycomponentsaregivenindetail;Hascarriedondetailedanalysisandrcsearchtothedependabilityandanti—interferencewhichinfluencetheperfbrmanccoftheSLFreceiver,thentheconcretesolutionhasappeared;Hasdonedetailedanalysisandresearchtothedemodulationalgorithmofsoftware,andthetestresuitofthesoftwarehasbeengivenoutatlast,theresultindicatesthatthisreceiverc龃correctdemodulatedifferentkindsofmodulatedsignals,andthedependabilityisgood,theanti.interferenceabilityisstrong.Soitispracticalandcanbeusedwidely.Keywords:SoRwareradio;SLFreceiver;A/Dconverter;DigitalsignalprocessingⅡ 硕1:学位论文第1章绪论1.1本文的研究背景与意义超低频(SLF)通信作为海军通信手段之一,它主要用于对隐蔽于水下深达100米以下潜艇,特别是核潜艇和导弹核潜艇的通信指挥,属于国家战略之用,它可以与现有的甚低频(VLF)通信共同组成海军对潜通信系统。因为潜艇是在水下活动,所以海水直接影响到采用何种方式来对潜通信。由于海水对甚低频及以上频率电波的衰减为每米3分贝左右,且与海域有关,略有偏离。为使下潜深度加深,除提高接收机的灵敏度之外,还可以加大发射功率和天线的有效辐射。由于发射天线庞大的工程造价所限制,增加下潜深度只有加大发射机的功率,但是加大一倍的功率下潜深度只能增加l米左右,靠加大功率不能很好解决下潜深度问题。而超低频通信由于其本身的特点(能以极低的衰减在地面一电离层波道中传播,无需很大的发射功率就能传播很远距离;最为可贵的一点是能够穿透到海洋深处并能穿过厚冰层;而且对大气层的扰动很不敏感,传播稳定【l】),能很好地解决这个问题。所以为了使潜艇做到隐蔽、机动,在作战时尽量在深水区活动,超低频通信手段就成为唯一的通信手段。超低频的频率范围为30"--300Hz,在这个频段上的通信有以下特点:(1)在海水中衰减慢超低频是指频率范围在30"---'300Hz这个频段内,对应波长为10000"--"1000km的频率。它穿透海水的能力很强,在海水中电波衰减较小,衰减lOdB可下降30米左右。这是其它频段信号所不能达到的,也是超低频水下通信最重要的特点之一o’(2)传输稳定超低频波长很长,可将电离层底部与地球表面看成波导,超低频是在波导中传输,因此衰减很小;同时不易受传播条件的影响,属于恒参通信;不宜受太阳黑子和核爆炸引起的电磁干扰。这也是超低频通信的重要特点之一。(3)抗干扰能力强如要干扰超低频信号,敌方必须建立一个超低频干扰发射台,所输出功率和天线系统造价是相当可观的,一般很难完成如此大的干扰信号。(4)发射机功率大为补偿天线低效率辐射功率,只有将发射机功率加大,因此一般发射机的功率为兆瓦级,将天线设计成天线阵,由若干个发射机构成发射阵功率叠加。 (5)频带窄超低频载频为30,-.-,300Hz,这样低的载频通频带是非常窄的。(6)通信速率慢由于通频带很窄,辐射功率低,可以传输速率比较低,以最小移频键控(MSK)调制为例,发3个字码的报文需要4分钟,选用移相键控(PSK)要快一些。这是制约超低频通信很重要的原因之一,解决的办法一般是通过超低频呼叫潜艇浮上来接收甚低频信号,或在深水区通过内部编码来传递简单短语。尽管系统传输速率很低,不能用来传送紧急行动信息,但采用信息预排和编码技术,就可以在短瞬间发送大量的信息,文献[21表明美国能在5分钟内发送许许多多预排信息中的任何一个,弥补了速率低的特点。正是由于以上这些特点,使超低频通信在传统的对潜通信中必不可少而又不能独立完成任务。传统对潜通信一般需要两个通信系统:一个是超低频通信系统,用于呼叫潜艇,使潜艇上浮到靠近海面来接收甚低频信号;另外一个是甚低频通信系统,用于与潜艇之间传输信息。这样,对潜通信工程浩大,投资费用相当高。为减少费用,提高系统的通信质量,就迫切需要改进超低频通信系统,使超低频通信系统的建造、维护和升级费用大大降低。目前的超低频通信系统是在美国已建成的超低频通信系统的基础上发展起来的,其对潜通信设备的功能主要是由模拟或数字逻辑器件组成的硬件电路完成的,这种通信设备使潜艇相互间的联合通信很困难,而且功能的扩展以及升级换代难度较大,无法适应对潜通信设备小型化、模块化、数字化的发展要求。虽然许多形式的组合电台能使对潜通信设备更加紧凑,计算机技术的引入也使对潜通信设备更加灵活,但这些都不是根本的解决办法。为保证无论何时都能呼叫到潜艇,无需在等待出现通信窗口时再通信,提高潜艇的作战能力。这都需要一种技术更先进、功能更强大的超低频通信系统。1982年初许多大西洋舰队的核动力导弹潜艇就安装了处于研究及试制阶段的超低频接收机来执行巡逻任务。三年后,即1985年5月,由美国地面试验设备公司(GTE公司)新研制的ELF接收机在太平洋舰队的潜艇上成功地进行了试验,整个安装计划于1989年末完成。现在,美国所有潜艇基本上都装备了ELF接收机。它采用先进的^N/UYK-44型军用处理器,可以把接收到的ELF信息进行移码,并能监测最小超报容量的信号强度,以使潜艇指挥官明白是否可以在潜得更深、航速更快的过程中接收到ELF信号。随着现代通信技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展,以及软件无线电理论研究的成熟,我们研制超低频通信系统有了坚实的基础,在此基础上设计出~种经济、实用的基于软件无线电的超低频通信系统的条件已经成熟。超低频通信系统包括超低频通信发射台和超低频接收机两部分,本文主要研究超低频接收 硕士学位论文机的研制。1.2国内外超低频通信的发展状况为了对核潜艇和导弹核潜艇进行有效的水下通信,美国最先发展极低频(即超低频)通信,从1958年开始研究,到1968年建成试验台,但由于环境保护、使用土地、经费和必要性等因素,研究计划多次被变动,七十年代几乎停止研究工作,直到1984年才重新确定建造极低频台,于1986年建成投入使用。美国建成的极低频台比原计划压缩了许多,实际建成的美国极低频台天线是南北和东西向,总长度达28英里,架设在地面上9~17米高的木杆上,而不是埋在地下,构造简单,又容易维修。美国在密执安州台址上架设一条南北向和两条东西向呈“F”型的天线。为提高抗毁能力,在威斯康星州又建造了一个类似的极低频台,两个发射台既能单独工作,又能同步组合工作。极低频台原计划安装100部发射机,总功率达几百兆瓦级,经过压缩之后采用四部650kW发射机,同时工作总功率达2.6兆瓦,调制方式是单一的最小移频键控方式(MSK),载频频率为76Hz。除美国外俄罗斯也已建成超低频台,据西方报道目前已有两个超低频台在工作,载频频率为80Hz,调制方式仍是单一的最小移频键控。英国和法国均在研制中,没有确切信息表明其已建成超低频通信系统。国内在20世纪六、七十年代开始收集国外超低频新技术的发展情报。761厂于1986年根据所收集的资料首先在国内向电广总局、电子部和国防科工委提出进行超低频技术研究的建议和申请,并同时提出了项目研究的可行性分析报告。在1986年12月广州移动通信搿八五一规划会议期间,电子部将<极低频对潜通信体制与技术研究》(编号为19·2·7·2·1)列入“七五"军事电子预研项目。1989年11月,海司通信部在承德举办“八五一至2000年规划会,会议期间,761厂代表提出了进一步开展极低频研究的建议。1992年7月,海司通信部主持了由海军装备论证中心电子所、海军电子工程学院两单位分别承担的(09-4艇综合系统战术技术使用要求》和<极低频通信系统可行性》论证的评审会,作为海军对潜通信的极低频研究工作正式启动。1998年开始正式研制由激励器、数字化固态超低频发射机和接收机组成的超低频系统。2001年3月超低频通信系统草样基本完成。1.3软件无线电概述本超低频接收机之所以采用软件无线电技术,是因为软件无线电技术所具有的灵活性、.开放性等特点,特别适合于接收机向小型化、模块化的方向发展。而且升级方便、简单(选用不同软件模块就可以实现不同的功能,且软件可以升级更3 基于软件无线电的超低频接收机的设计研究新,硬件也可以像计算机一样不断地升级换代)。同时,还可以通过更新软硬件模块来与其它电台通信,大大延长了接收机的使用周期,增大了接收机的使用范围,也节约了开支。正是基于以上理由,本接收机才采用了软件无线电技术。关于软件无线电的发展、特点和关键技术等知识,具体介绍如下。1.3.1软件无线电的产生无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置,被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。当代无线通信系统很多,如卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统等。各种无线通信系统的调制方式也很多,有AM,FM,LSB,USB,ISB,FSK,PSK,MASK,GMSK,QAM等。其多址方式有:时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和频分多址(FDMA)等。各种通信系统由于自身的特点而应用于不同的场合,使得本以拥挤不堪的无线频谱面临着新的挑战。由于无线通信具有设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点,在军事通信领域是不可或缺的通信手段。然而,军用电台往往是根据某种特定的用途而设定的,功能单一,有些电台的基本结构相似,而信号特征差异很大。例如:工作的频段不同,有的在HF频段,有的在VHF、UHF频段,调制方式不同,波形结构不同,通信协议不同,数字信息的编码方式、加密方式不同,等等。电台之间的这些差异极大地限制了不同电台之间的互联互通。而且,由于不同频段的电台只能满足某些特定的要求,无法满足部队各种各样的军事要求,给协同作战带来了困难[31。经过几十年的发展,无线通信有了长足的发展。通信系统由模拟体制不断向数字体制发展,出现了许多数字化接收机,例如,德国R/s公司研制的宽带数字化接收机EBD900,主要用于无线电监视,其工作频率范围为20MHz~2GHz,搜索速度为4GHz/s(25kHz带宽),动态范围为80dB。又如,英国研制的PVS3800接收机,工作频率为0.5MHz~IGHz,是一种用于电子战环境中的宽带无线电通信监测接收机,可以实现搜索、监听、分析识别等功能;还可以根据需要,通过加载不同的软件,灵活地配置成各种不同的接收机,如PV3830截获接收机,PV3840分析接收机,PV3850监视接收机,等等。这些接收机尽管能覆盖多个频段,但它们只能工作于单一的频段和模式,功能相对较少,灵活性不够,可扩展能力也较差,不同电台之间仍不能完全互通,无法完全满足现代军事通信的需要。为了解决互通性问题,各国军方进行了积极的探索,努力使不同设备既能满足互通的要求,又能满足抗干扰、保密性好的要求:既能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐,又能延长设备的使用寿命。其中一种设想是研制多频段、多功能电台,用一个系列的电台来代替其他所有电台。这个想法固然可以解决互通问题,然而开支庞大,而且其使用寿命也成问题,因为通信技术的发展是相当迅速4 的,过不了多久这些设备就会落伍。、1992年5月,MILTRE公司的JeoMitola首次提出了软件无线电(softwareradio[41)的概念,它是一种实现无线电系统(尤其是通信系统)的新的体系结构。软件无线电的提出是针对现在无线电系统领域存在的一些问题,如多种体系并存,各种标准竞争激烈,频率资源紧张,干扰日益严重等等,特别是由于新器件的发展,使得新的系统层出不穷,产品生存周期越来越短,原有的以硬件为主的无线电系统难以适应这种局面,软件无线电的概念便应运而生。软件无线电的基本概念是在完全可编程的硬件平台上,通过注入不同的软件,构成灵活可变的多模式、多功能传输系统。这样,无线电新系统,新产品的开发将逐步转到软件上来,这是继模拟到数字,无线电领域的又一次重大突破。其中心思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽量靠近天线,以研制出具有高度灵活性开放性的新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用软件控制和再定义的电台。选用不同软件模块就可以实现不同的功能,而且软件可以升级更新,其硬件也可以像计算机一样不断地升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的,如果要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。同时,由于它能形成各种调制波形和通信协议,故还可以与1日体制的各种电台通信,大大延长了电台的使用周期,也节约了开支。有些人也把软件无线电称作为“超级计算机"。软件无线电这一概念一经推出,就得到了全世界无线电领域的广泛关注。由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点,使其不仅在军、民无线通信中获得了极大的应用,而且将在其他领域如电子战、雷达、信息化家电等领域得到推广,这将极大促进软件无线电技术及其相关产业(集成电路)的迅速发展。软件无线电至今还没有严格而准确的定义,但是可以把它的核心思想归纳为以下两点:宽带A/D/A尽可能地靠近射频端;利用数字信号处理(DSP)技术取代专用集成电路(ASIC),尽可能多地用软件来定义和实现无线通信的功能,如上下变频、调制解调、编解码、加密和多址等。1.3.2软件无线电的现状及发展软件无线电作为未来通信乃至未来无线电技术的发展方向,世界各国都在进行深入的研究,美国尤其突出[51。美国军方制定了具体的发展计划,来研制三军通用软件无线电台,即基于数字信号处理器、软件可编程、模块化、多频段、多模式,并具有波形重新配置能力的电台一Speakeasy(易通话)。这个研究工作分为几个阶段实施。第一阶段已于1994年8月结束,并向美国代表作了汇报演示,目前正在进行第二阶段的研究工作并已接近完成。它是最早实现的实用软件无线电5 基于软件无线电的超低频接收机的设计研究系统。易通话电台工作频段为2MHz-~2GHz,利用可编程技术,与15种在役或在研电台兼容,具备AM,FM,PM以及各种数字调制解调方式,含有许多无线电台特定的调制或专用的软件模块,还可以作为各种不同模式电台之间通信的中继转发电台,解决了多种制式电台之间的互通问题。软件无线电在民用、商用等方面的应用也取得了很大的进展。例如已研制成功的220MHz地震遥测系统,采用16QAM的调制方式,信道带宽为20kHz(数据速率达60kb/s),频带利用率为3b/(s·Hz)。利用此系统的灵活性,能使其中的任何一台无线电设备既可成为标准设备又可成为射频中继器。这样,如果有的设备所处的位置不好,就可用别的设备进行射频中继,把数据以实时方式转发回基地台。因此,利用这种设备不必专门设计中继设备,不但降低了成本,还提高了系统的灵活性。目前人们对软件无线电的研究日趋深入细致,理论上已基本成熟,正在进行各种应用的具体实践。人们已经提出了一些解决关键元器件的方法,目前出现了大量的数字中频产品,尤以Harris公司和Gray公司为代表。Gray公司的产品包括数字发射芯片(GC4114)、数字接收芯片(GCl011A)、数字滤波芯片(GC2011)、数字重采样芯片(GC3011)、宽带数字调谐芯片(GCl012A),还有四通道数字接收芯片(GC4014)、四通道数字发射芯片(GC4114)等产品。Harris公司的主要产品有可编程数字上变频器(HSP50215)、可编程数字下变频器(HSP500214)、数字下变频器(HSP50214)、数字滤波器(HSP53168)、数字科斯塔斯环(HSP50210)、数字正交调谐器(HSP50110)、数字PSK解调器(HSP50306)等产品。还有高速数字信号处理器TMS320C6x、ADSP21160,高速高分辨率的A/D转换器AD6640、AD9432等都为软件无线电的实现奠定了必要的硬件基础。但有些问题还将继续研究,例如在移动通信中,多频带系统中所需的双工问题,手持式软件无线电设备要小而轻、电池寿命要长、费用要低等软件无线电工程化所带来的一些具体问题。总之,软件无线电是通信领域的一次大变革,软件无线电台的发展不断受到高速DSP、高性能A/D/A技术发展的推动,软件无线电的发展趋势之一,就是解决不同种类的无线通信设备之间的互通能力[vl。另外,它还可以解决两个不同通信网之间的相互通信问题。软件无线电的最终目标,就是既可以工作于GSM网络、AMPS网络,又可以工作于将来的卫星移动通信网络中,最后“无缝"地接入到PCS和多媒体服务网络中去,具有各种各样的访问模式,并能适应各种通信标准和通信格式。结构上分层化和功能上模块化已成为软件无线电系统的发展趋势。1.3.3软件无线电的关键技术软件无线电通信系统按照功能可以划分为三部分:射频部分、中频及基带处理部分以及控制管理和支持部分.关键模块有:多波束智能天线、射频转换、模6 硕f?学位论文数转换、数字中频和基带处理191。(1)智能天线:组合式多频段天线可以覆盖全部无线通信频段。利用智能天线和数字信号处理对接收到的多径信号进行最佳合并,能够降低衰落、提高系统性能和频谱利用率。(2)RF转换技术:RF转换包括天线接收信号预放大、射频中频转换等。因为宽带射频AD还没有商用化,现阶段RF变换采用模拟方式。.(3)A/D、D/A转换技术:信号的中频甚至射频数字化是实现软件无线电的关键之一,此功能通过宽带A/D、D/A转换器实现。中频数字化给中频处理带来了灵活性,同时对A/D、D/A的性能提出了很高的要求。(4)数字中频处理:在软件无线电系统中,数字中频是连接射频和基带信号的纽带,它从信道宽带数字信号中提取所需信道并转换到基带。中频处理对DSP芯片要求很高,可以结合使用ASIC、DSP、FPGA以及一些专用的CPU来完成这部分功能。1.4本文所做的工作及文章结构安排本文利用软件无线电技术的优点,提出了一种新型的超低频接收机的实现方案。文中从超低频接收机的各个功能模块出发,对各个模块所采用的技术和算法进行了详细的分析,给出了具体的实现框图,同时给出了具体的硬件设计方案,最后进行了测试分析。文章结构安排如下:第一章绪论。介绍了超低频通信技术的特点、超低频接收机的产生背景、国内外超低频通信的研究状况和软件无线电的关键技术。第二章超低频接收机中的关键技术及实现。讨论了软件无线电技术在超低频接收机中的实现问题,对天线技术、采样技术、增益分配和数字信号处理等关键技术进行了详细的理论分析并给出了具体的实现方案。第三章超低频接收机的总体设计。提出了超低频接收机的设计要求并给出了接收机的实现方案。第四章超低频接收机的硬件设计与实现。给出了超低频接收机硬件模块的实现方案,主要有模拟前端、宽带A/D、高速数字信号处理及电源等模块的实现。第五章超低频接收机的软件设计研究。对数字信号的软件解调技术和DSP软件优化及分析处理进行了详细的研究。第六章软件解调测试。根据第四章中的硬件结构对MASK、MSK信号的软件解调进行了测试分析。7一厂 基于软件无线电的超低频接收机的设计研究第2章超低频接收机中的关键技术及实现在本方案中,软件无线电技术在超低频接收机中起着举足轻重的作用,直接关系着超低频接收机的系统性能。本章对超低频接收机中关键的软件无线电技术进行了详细的分析研究,并对其在超低频接收机中的具体应用作了介绍。2.1天线的原理及实现超低频接收机的天线要求灵敏度高,能自动感知干扰源的存在并有抑制其干扰、增强期望信号的能力,还要求与各种无线通信技术标准兼容。所以超低频接收机的天线实际上是一种基于软件无线电的智能天线(SmartAntenna)110】。本方案中天线的基本单元采用鞭状天线,以智能天线技术加以组合,形成一种新型的圆阵天线。它把传统的鞭状天线技术和软件无线电的智能天线技术有机地结合在一起,大大提高了接收天线的灵敏度和可靠性,极大地改善了天线的性能。2.1.1天线的基本原理本地电场在鞭状天线上感应的电压为:K—Eh。cos9(2.1)式中,E为与鞭状天线成9角的电场强度(伏/米):h。为天线的有效高度(米)。一般来说,对小型鞭状天线,只要地网的径向长度远大于天线高度,就可以使损耗电阻R相当小:但是,电短天线的辐射电阻是极小的,蜀通常是天线电阻的主要部分。在大多数情况下,天线输入阻抗是容性的、且比电阻项大得多。接收天线的几个重要特性是其有效高度、电容和损耗电阻。对于一般电短鞭状天线来说,其有效高度近似等于实际高度的一半。天线的有用功率通常是很重要的。在发射天线中,电流为:1一正玩/【R,+马+吃+.『(L+z工)J(2.2)而输出功率为:乙∥R一雨焉挈哥玎天线的有用功率在谐振时达到最大值。谐振时,Xa一一孔,气一万E而2he2RL(2.3)在此情况下,(2.4)当心一B+局时,有损耗的谐振天线产生最大有用功率,这时,8 硕=i:学位论文尸..墨笙(2.5)‘础4限+R)有用功率随损耗R,的减小而增大,在实际情况下,特别是对短天线来说,R,<
此文档下载收益归作者所有