1、基于軟件無線電QPSK調制解調實現的研究PAGE PAGE 56摘要(zhiyo)軟件無線電在無線通信領域被稱為是自模擬通信過渡到數字通信之后的又一次革命，在軍用(jnyng)和民用方面都有著廣闊的應用。它是一種新的無線通信技術，基于通用的可編程的硬件平臺，把盡可能多的通信功能用軟件實現，從而使系統的改進和升級都非常方便，容易實現不同通信系統之間的兼容。調制(tiozh)與解調是整個數字通信系統基帶處理的基本組成部分，也基本上構建了數字通信系統的總體性能框架。其中，QPSK調制與解調是一種性能較好，易于實現且已廣泛應用于實踐的調制解調方式。本文在深入地研究了國內外有關軟件無線電調制解調方面論文

2、的情況下，以現代移動通信最常使用的QPSK調制解調模式為研究對象，給出了具體的調制解調實現的方法，Matlab仿真。關鍵詞 : 軟件無線電，QPSK，調制解調，matlab仿真。ABSTRACTSoftware radio has called another revolution in radio communication after transition from analogue communication to digital communication. It has vast use in both of military and civil. Software radio is

3、 a novel wireless communications technology, which is based on a versatile programmable platform to realize all kinds of communications criterions and to meet the need of many increasing new molds and function. When doing this, the change and upgrade of the system are convenient, and different syste

4、ms can communicate effectively.Modem is the basic elements of the whole digital communication system and the performance of digital communication system is influenced easily and has been used in the projects widely. QPSK is a linear narrowband modulation, which has the features of high spectrum util

5、ization, better spectrum specification, and stronger ability of anti-fading and applicability of non-coherent detection.This article by thoroughly studied the domestic and foreign related software radio modulation and demodulation aspect papers , Take QPSK as the research object . Produced the detai

6、led modulation and demodulation realization method .Implement and test the QPSK using MATLAB.Key words: Software radio, QPSK, Modulation and demodulation, matlab Simulation.第一章 緒論(xln)1.1引言(ynyn)回顧通信的發展歷史，可以看到通信技術發展迅速。其原因除了在于生活實際、社會要求和新器件發明的推動之外，通信理論的指導也起著十分重要的作用。在20世紀40年代至50年代通信理論的發展出現了高峰，過濾和預測理論、香

7、農信息論、糾錯編碼理論、信號和噪聲理論、調制理論及信號檢測(jin c)理論等使通信理論在有效性和可靠性等方面的研究出現了突破。當今，隨著數字信號處理技術和集成電路制作工藝的發展，現代通信正朝著數字化方向發展，并融入計算機技術。當前廣播電視領域的數字化革命也充分說明了這一點，而且它對人們的生活方式影響深遠。移動通信發展到現在，出現了多種通信制式、多種通信標準并存的現象。例如第二代移動通信就有GSM、窄帶CDMA等，第三代移動通信的主流標準有WCDMA、TD-SCDMA和CDMA-2000。現有系統標準眾多，新舊體制并存，而通信技術發展日新月異，新的制式、標準又不斷涌現，運營商和移動用戶對多模式

8、的需求不斷增長。目前第三代移動通通信系統已在我國實施。第三代移動通信的三種主流標準的調制解調方式都涉及到了QPSK，這就要求第三代移動通信系統最好能與GSM移動通信系統，CDMA通信系統相兼容。這就需要研究兩種或兩種以上模式（或稱為多模式）的調制解調問題。如果仍像以前完全用硬件來實現移動通信的多模式調制解調，就會給用戶和運營商帶來許多問題。一是就硬件方面來實現多模式調制解調難度很大，二是通信技術迅速的升級換代也給運營商和用戶的投資帶來很大的損失，三是用硬件實現缺少靈活性。針對這種情況，可以在移動通信的調制解調中引入軟件無線電，充分利用軟件無線電技術帶來的系統靈活性和通用性，實現移動通信中多種調

9、制方式的并存，以及實現與先前的移動通信系統調制解調方式的兼容，并對將來新的通信所采用的調制解調方式的引入和升級帶來非常大的便利，保護了運營商和用戶的利益。顯然,研究軟件無線電中的調制解調技術對于現代移動通信技術發展的非常必要。本文所要做的具體的工作(gngzu)就是要實現軟件無線電中的QPSK的調制。1.2軟件無線電的起源(qyun)及發展現狀軟件無線電技術起源于軍事通信應用的需要。通過近20年的發展，無線通信在現代通信中被廣泛應用于商業、軍事、民用等領域。隨著(su zhe)通信技術的發展，在軍事通信領域，各軍兵種之間采取了不同的通信體制，不同的頻段，波形以及調制方式，完成各自的通信任務。在

10、民用通信領域，以第三代移動通信為例，有W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等標準，這些通信系統的組網能力、移動性、安全性等都大大提高了，但是各通信系統間還無法實現無縫通信。隨著無線通信的迅速發展，新的通信系統不斷出現，產品的生存周期縮短，開發費用上升，使得原來以硬件為主的收發系統難以適應這種快速升級換代的局面。面對這一問題，國際上進行了大量的研究。大部分專家提出，把硬件收發系統作為基本平臺，A/D、D/A變換盡量靠近天線，將盡可能多的無線通信功能用軟件實現，這就是所謂的軟件無線電。美國是軟件無線電技術的發源地。1992年5月，MITRE公司的Joe Mitola首次明確提出了軟件無

11、線電的概念，其核心是將寬帶A/D和D/A盡可能靠近天線，用軟件實現盡可能多的無線電功能。之后，開始實施Speakeasy計劃并成功研制出多功能，多頻段電臺。研究基于軟件無線電技術的3G的多頻帶多模式手機與基站，同時融合軟件無線電技術與計算機技術，如麻省理工學院的Spectrum Wave計劃。歐洲的ACTS（Advanced Communications Technologies Services）計劃中，靈活的綜合無線電系統FIRST（Flexible Integrated Radio System Technology），未來無線電寬頻段多址系統FRWMAS（Future Radio Wi

12、deband Multiple Access System）和軟件無線電技術SORT（Software Radio Technology）都將軟件無線電技術應用在3G中。在日本，從1998年底開始，電氣、信息和通信工程師協會（IEICE）成立了軟件無線電技術研究小組，推動軟件無線電技術的研發工作。在我國，對軟件無線電技術也相當重視，在“九五”和“十五”預研項目和“863”計劃中都將軟件無線電技術列為重點研究項目。我國的大唐公司向國際電信聯盟（ITU）提交并被采納的第三代移動通信標準TD-SCDMA中也采用了軟件無線電技術。這標志著我國對軟件無線電的研究應用到了一個新階段。軟件無線電通過這些年的

13、發展，迅速顯示出其重要意義，逐漸成為可提供高性能的地區性和全球性通信的第三代移動通信的基石。這一技術是無線通信技術從模擬到數字，從固定到移動這兩次革命后的第三次革命，也成為了無線通信技術在21世紀(shj)初的發展方向。1.3軟件(run jin)無線電的概念、組成(z chn)結構及其主要特點1.3.1軟件無線電的概念軟件無線電（Software Radio,簡稱SR），就是采用數字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協議部分全部由軟件編程來完成。其基本思想(

14、sxing)是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現各種功能。功能的軟件化勢必要求減少功能單一，靈活性差的硬件電路，尤其減少模擬環節。軟件無線電系統的無線電功能是通過軟件而不是固定的硬件電路來完成的。其核心思想是在盡可能靠近(kojn)天線的地方使用寬帶的“數字(shz)/模擬”轉換器，盡早地完成信號的數字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現。總之，軟件無線電是一種基于數字信號處理(DSP)芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構。“軟件無線電”的基本概念包含以下三層含義第一是“全數字化”，將寬帶A/D和D/A向射頻(RF)端靠近，不僅在基帶數字化，而且

15、要在中頻甚至射頻數字化;不僅接收機數字化，發射機也要數字化。第二是把硬件作為無線電通信的基本平臺，而盡可能多的通信功能用軟件實現，通信體制由軟件定義。第三，軟件無線電不僅僅是一種實現方法，更代表了一種新型的體制和開放的、可擴展的、模塊化的軟硬件平臺體系結構，實現多頻段、多模式、多業務、多個性。軟件定義的無線電（SDR）是指在目前技術條件下可實現的軟件無線電。也就是說通過使用可編程器件DSP和硬件支持來完成數字領域中的大部分信號處理,但是有些信號處理仍需借助模擬電路來完成，如RF,IF。軟件無線電與軟件定義的無線電的根本區別，是軟件無線電的最終目的就是要使通信系統擺脫硬件系統結構的束縛，在系統結

16、構相對通用和穩定的情況下，通過軟件實現各種功能。1.3.2軟件(run jin)無線電的基本(jbn)組成結構(jigu)軟件無線電主要由三部分組成，即用于射頻信號變換，位于A/D、D/A之前的射頻處理（含天線）前端；高速A/D、D/A；以及數字信號處理（DSP）單元三部分。圖1-1給出了軟件無線電系統的結構框圖。天線一般要覆蓋比較寬的頻帶；射頻前端主要完成模擬上/下變頻、濾波、功率放大等任務；A/D轉換器要有足夠的動態范圍，較高的采樣率，12位以上的分辨率，以保證足夠的動態范圍；DSP器件負責承擔A/D數字化后的處理任務。鑒于目前DSP器件水平的限制，A/D之后的數字信號可先經由專用數字下變

17、頻器處理，降低數據速率，變換到基帶，再由通用DSP進行處理，或者采用多片DSP并行處理的方法。圖1-1 軟件無線電系統的結構軟件無線電的基本結構有三種：射頻低通采樣數字化結構、射頻帶通采樣數字化結構和寬帶中頻采樣數字化結構。它們的結構框圖如圖1-2所示。前兩種結構為理想的軟件無線電結構，但對A/D轉換器的性能，DSP的處理速度等要求都比較高，現階段難以實現。目前最易實現的是寬帶中頻采樣數字化結構，且具有良好的波形適應性、信號帶寬靈活性和擴展性。(a) 射頻低通采樣(ci yn)軟件無線電結構(b) 射頻(sh pn)帶通采樣軟件無線電結構中頻帶通采樣軟件(run jin)無線電結構圖1-2 軟

18、件無線電三種基本結構1.3.3軟件(run jin)無線電的主要(zhyo)特點：(1) 靈活性：軟件無線電可通過增加軟件模塊，很容易(rngy)增加新的功能；可以和其它任何電臺進行通信，并可以作為其它電臺的射頻中繼；可以通過無線加載來改變軟件模塊或更新軟件。(2) 開放性：軟件無線電由于采用標準化、模塊化的結構，其硬件可以隨著器件和技術的發展而更新和擴展，軟件也可以隨需要而不斷升級。軟件無線電不僅能和更新體制的電臺通信，還能與舊體制電臺兼容。1.4 軟件無線電的關鍵技術(1) 開放式總線結構及實現開放性是軟件無線電的一個重要特點，主要體現在軟件無線電所采用的開放式標準化總線結構上。在軟件無線

19、電的研制開發過程中，必須逐步形成標準化的硬件平臺，而標準化的總線則是構筑上述平臺的奠基石。現有的軟件無線電研究和實驗系統中一般采用雙總線結構。(2) 寬帶段射頻前端和功率放大寬帶射頻前端要求有較寬的頻率范圍。軟件無線電對這部分的要求包括：天線能覆蓋所有工作頻段；能用程序控制的方法對功能及參數進行設置。主要完成低噪聲放大、濾波、混頻、自動增益控制（AGC）以及輸出功率放大等功能。(3) A/D部分軟件無線電對這部分要求很高，是軟件無線電關鍵部分之一。就性能而言，對其的要求主要包括采樣速率和采樣精度。采樣速率主要由信號帶寬決定。由于軟件無線電的接收信號帶寬較寬，而采樣速率一般要求大于信號帶寬的2.

20、5倍，因此采樣速率較高；采樣精度在80dB的動態范圍要求下不能低于12位。在無線通信中，信噪比（SNR）與無寄生動態范圍（SFDR）等技術指標也非常重要。(4) 數字(shz)下變頻部分數字下變頻（DDC）是A/D變換后首先要完成的處理工作，是系統中數字處理運算量最大的部分，也是最難完成的部分，包括數字下變頻、濾波和重采樣。對一個軟件無線電系統來說，若要進行好的濾波等處理，一般認為需要對每個采樣點進行100次操作。若系統帶寬為10MHz，則采樣率要大于25MHz，這樣就需要2500MIPS（百萬條指令每秒）的運算能力，這是現有的單個DSP難以(nny)勝任的。因此，一般都將DDC這部分工作交給

21、專用的可編程芯片完成。這樣既保留軟件無線電的優點，又具有較高的可靠性。(5) 高速數字(shz)信號處理部分這部分工作由高速信號處理器（DSP）完成，這是軟件無線電的一個核心部件，也是一個主要瓶頸。主要任務是完成基帶處理、調制解調、比特流處理和編譯碼等工作。當單片處理能力不足時，可采用多片DSP并行處理提高運算能力。(6) 信令處理部分軟件無線電用于實現多模互聯時，需實現通用信令處理，而軟件無線電的任務是將通信協議及軟件標準化、通用化和模塊化，所以有必要把現有的各種無線信令按軟件無線電的要求劃分成幾個標準的層次，開發出標準的信令模塊，研究通用信令框架。1.5 軟件無線電的應用前景軟件無線電具有

22、極大的靈活性和適應性，特別適合多頻段、多用戶、多模式兼容及互聯系統，它為解決各種不斷涌現出來的新的通信協議之間的兼容提供了一條有效途徑，并且一直廣泛應用于無線電通信領域， 雖然其首先誕生于軍事上的應用，但由于上述優良特點，軟件無線電技術很快滲透到民用的無線移動通信領域，特別是在已走向商用的第三代移動通信領域的應用。1.5.1軟件(run jin)無線電技術在軍事通信中的應用軟件無線電技術引入軍事通信中具有十分重要意義，軟件無線電的特點和體系結構能保證電臺的模塊化、通用化和系列化設計(shj)，有利于減少無線電設備及其保密機的品種，能降低電臺裝備和維護費用。在軍用通信系統中，不同兵種和不同指揮級

23、別使用的頻段、波形調制方式、語音編碼方法及保密算法都不同，軟件無線電特別適合軍用通信系統，它可以集成各種通信頻段，如HF、VHF、UHF、SHF等及其調制方式，軟件無線電的內置通用可編程加密模塊也可方便地實現各種保密算法，實現各軍兵種協同通信。在無線發射電臺組成(z chn)的網絡中起到“網關”或“網橋”的作用。用可編程實現的軟件無線電，能靈活配置信號波形，模擬各種正在服役和正在研制的電臺的工作方式。這種軟件無線電不僅能與已有各類電臺互通，而且還能溝通由不同電臺組成的無線電網絡，完成頻段調制、語音編碼和保密算法的變換，起到類似于“網關”或“網橋”的作用。 軟件無線電還可以可提高野戰通信的抗毀能

24、力。軟件無線電可擺脫傳統的基于點對點組網的限制，通過采用分組無線電等通信協議，可組成包括柵格網在內面向任意拓撲結構的無線電網絡。電臺組網性能的增強，提高了無線電鏈路的溝通概率和頻譜資源的利用率，可使野戰通信的抗毀能力明顯改善。1.5.2軟件(run jin)無線電技術在民用(mnyng)通信(tng xn)中的應用軟件無線電技術在民用通信，特別是在第三代移動通信中起到了至關重要的作用。第三代移動通信中存在著多模操作，在ETSI(歐洲電信標準學會)確定的通用移動通信標準UMTS中包含了WCDMA和TD-SCDMA標準。這樣在第三代移動通信發展過程中，存在著多模操作，在處理對稱和非對稱業務中存在著

25、FDD和TDD兩種模式，第三代移動通信必須與GSM移動通信系統兼容。在這種情況下，如果仍像以前完全用硬件來構造移動通信系統，就會給用戶和運營商帶來許多問題。一方面用戶和運營商不能靈活地利用各具優點的多種通信標準制式，而另一方面，通信技術迅速的升級換代也給運營商和用戶的投資帶來很大的損失。針對這種情況，可以在第三代移動通信發展中引入軟件無線電，充分利用軟件無線電技術帶來的系統靈活性和通用性，實現第三代移動通信中多種空中接口的并存，以及第三代與GSM系統的兼容，并對將來新的通信標準的引入和升級帶來非常大的便利，保護了運營商和用戶的利益。在第三代系統中引入軟件無線電技術，特別是利用軟件無線電技術實現

26、第三代多模多媒體終端14 15，對軟件無線電的相關技術提出了非常高的要求。目前技術的進步已經為采用軟件無線電技術提供了堅實的基礎，對于第三代移動通信，已經能夠實現相當程度上的軟件無線電。通常用通用CPU芯片和通用操作系統軟件方式解決無線通信和分布式信號處理問題。在移動通信系統中利用通用CPU和操作系統，來進行無線通信的信號處理，并不能充分利用通用CPU和通用操作系統的性能。對于特定的移動通信信號處理，實時(sh sh)性是至關重要的，而利用現有通用CPU和通用操作系統來實現軟件無線電，估計將是非常困難的。軟件無線電實現的重要基礎是處理器速度的提高，然而在一定的處理速度限制下，需要有效地實時應用

27、處理軟件和實時操作系統支持，才能充分發揮處理器的性能。將面向數字信號處理的DSP芯片和通用CPU芯片結合，利用能夠充分滿足處理時間限制的實時操作系統，有效利用計算資源，是在第三代移動通信系統特別是在移動終端中實現軟件無線電的最好方式。在我國自行提出的TD-SCDMA第三代移動(ydng)通信技術標準中，自豪地提出(t ch)了利用軟件無線電技術完成設計的任務。軟件無線電技術是TD-SCDMA的核心技術之一。可以在平臺上實現3G的智能天線結構、獲得DOA(信號到達方向估計)等空間特征矢量；完成天線陣列的波形賦形；實現各種基帶數字信號處理：包括各類無線信令規則與處理、信號流變換、調制解調算法、信道

28、糾錯編碼、信源編碼、多用戶檢測等。1.6 國內外軟件無線電的發展動態由于軟件無線電具有現有無線通信體制所不具備的許多優點，它有著廣泛的應用前景。因此在國內外都成為了研究的熱點。1.6.1國外的發展動態基于軍事通信的需求，國外很早就開始了軟件無線電方面的研究。20世紀90年代初期，美國國防部高級研究項目署(DARPA)提出了多模式、多功能無線電網關研究計劃，目標是解決美軍不同兵種、不同類型電臺之間相互通信、相互聯通的問題，即開發一種能實現(shxin)聯合作戰的、三軍統一的多波段多模式電臺(MBMMR，Multi-Band Multi-Mode Radio)。以此為目的的軍用軟件無線電SPEAK

29、easy項目(xingm)包括兩個階段(SPEAKeasy與SPEAKeasy)，要求在一個產品中包含200多種不同軍用電臺系列，把多個(du )不同的單頻段電臺合并成一個2MHz至2GHz的、具有靈活的射頻接入能力的、軟件可編程的電臺。SPEAKeasy在1994年完成，當年八月進行了樣機演示。它在演示中實現了如下功能:可以分別與美軍現役的四種電臺進行通信;同時和其中兩種跳頻電臺進行通話;作為網橋連接兩種不同的通信網絡;演示語音、數據和圖像的傳輸。SPEAKeasy項目從1995年開始，它的重點是解決實現中的問題，尤其是將SDR封裝到大小、重量和功耗合理的開放體結構的商用硬件中去。在加州Ft

30、.lrwin的國家訓練中心，SPEAKeasy電臺在TaskForceXXI演習中實現了AM、FM、VHFSINCGARS、UHFHAVEQUICK、UHFSATCOM、GPS等波形兼容。實驗單元僅重80磅，基于商用現貨(COTS)技術，易于實現戰場保障。目前該技術正被應用于JTRS、地空數據調制解調器(GADM)和其他項目。聯合作戰信息終端(JCIT)是一個由美軍海軍研究實驗室開發的具有可編程調制解調的多波段、多功能終端。它作為能使用的產品投入研制，能夠與很多從短波到2.SGH乙的射頻波段軍用電臺實現互聯。兼容的調制各式包括AM、FM、SSB、BPSK、QPSK、MSK、CPFSK、FH、G

31、PS、COMA等，數據率范圍從50b/s到5Mb/s。I/O接口包括RS-232、RS-422、MIL-STD-1553、Ethernet等等。截至2000年6月，原型樣機已經實現了許多技術指標。FIRST(Flexible Integrated Radio Systems Technology)是歐洲電信標準協會(ETSI)和歐共體高級通信技術與服務項目(Advanced Communications Technology and Services，ACTS)為促進第三代移動通信標準的研制而提出的多個項目之一，其目的在于深入研究IMT-2000中提出的軟件無線電技術。它的前身可以追溯到英國B

32、班STOL大學1989年開始的800/900MHz多模無線電。FIRST項目1998年完成，建成了4個樣機(demonstrator)，每一個都可配置為基站(base)或移動臺(mobile)。發射機采用了直接變換(基帶到射頻)技術，接收機則采用了超外差的雙中頻結構。工作頻率范圍1710MHz-2200MHz，調制模式可以兼容DCS1800、UMTS(16QAM and CDMA)、DECT、AMPS、D-AMOS、TACS、CT2。最大信道帶寬1.5MHz，A/D采樣精度為12bit。FIRST電臺能夠提供多媒體服務，特別是實時視頻服務，以及internet接入服務。該項目研究了一些關鍵技術

33、問題如空中接口、復用、高性能自適應編碼(如turbo碼)、DSP算法倉庫等，還對比特率與空中接口自適應、基于網絡的軟件下載、多媒體服務提供等方面進行了探討Spectrum Ware項目是由麻省理工學院(MIT)計算機科學實驗室開發的基于通用處理器的軟件無線電系統。它以通用計算機為處理平臺，具有(jyu)最大的靈活性。由于在結構上與基于通用計算機的“虛擬儀器”相似(xin s)，又被稱為“虛擬(xn)無線電”(Virtual Radio)。Spectrum Ware的處理平臺為采用Linux操作系統的DEC Alpha工作站，寬帶中頻采樣數據通過PCI插卡進入系統，大部分的后續數據處理由四片IN

34、TELMMX200完成。該項目目前還無法用于移動通信，因為處理能力還不能滿足實時信號處理要求。近十年來軟件無線電技術的研究引起了全球范圍的興趣。IEEE通信雜志1995年5月出了一期專刊，成為軟件無線電發展過程的中的里程碑。1996年3月美國政府邀請工業部門組建了模塊化多功能信息傳輸系統(MMITS)論壇，借以促進政府與工業部門之間的對話，重點討論民用產品、民用業務與軍用無線通信裝備。該論壇1999年更名為SDR論壇。歐共體(EC，European Community)1997年在布魯塞爾召開了第一次歐洲軟件無線電學術研討會。第一次亞洲軟件無線電學術研討會則于1998年4月在日本召開，同年6月

35、在希臘召開了第一次軟件無線電國際學術研討會。1999年2月的IEEE通信雜志以軟件無線電全球化為主題，刊載了關于軟件無線電特性的系列文章。同年4月的IEEEJSAC也刊載了軟件無線電的系列文章。 國內的發展(fzhn)動態我國對軟件無線電研究(ynji)起步較晚，但卻引起了政府部門與各高校、研究(ynji)機構相當的重視。863-中國高技術研究發展計劃中就有軟件無線電研究項目，由清華大學微波與數字通信國家重點實驗室承擔。他們對軟件無線電體系結構進行了研究，提出了基于交換網絡的硬件平臺。中國科學院空間科學與應用研究中心研制了采用軟件無線電技術的空基遙科學指令接收機，調試時在不改變硬件的前提下完成

36、了對BPSK與QPSK兩種調制方式的解調。還有其他一些研究機構提出在衛星遙控系統、靶場移動終端、GPS等場合采用軟件無線電技術;甚至有人預言軟件無線電系統將成為遙測的“萬能工具”。目前，在我國第三代移動通信已全面鋪開，用戶可以通過手機終端、筆記本終端無線高速上網，收看電視節目。而且與GSM網絡完美兼容，不能不說是與軟件無線電技術的發展和技術成熟有著緊密的聯系。第二章 軟件(run jin)無線電中的調制解調實現的研究本章主要討論(toln)軟件無線電中的數字調制和解調(ji dio)的原理。軟件無線電具有靈活性、可擴展性等主要特點，這主要是因為軟件無線電的所有功能都是用軟件來實現的，通過軟件的

37、增加、修改或升級就可以實現新的功能。可以說，功能的軟件化是軟件無線電的最大優勢之一。同樣，我們這章所要討論的軟件無線電中的調制和解調最終也要通過軟件來實現。2.1軟件(run jin)無線電系統結構軟件(run jin)無線電的核心思想在于使寬帶A/D與D/A轉換器件盡可能靠近天線，將模擬信號盡早數字化，然后采用高速數字信號處理芯片作后續處理，通過(tnggu)軟件來實現各種無線通信功能。一個軟件無線電系統主要由三大部分構成:包括天線在內的射頻處理模塊、寬帶A/D與D/A轉換器件、高速數字信號處理模塊。理想的軟件無線電如下圖2一1所示 圖2-1 理想軟件無線電由于天線與ADC器件帶寬等因素限制

38、，上述的理想軟件無線電 ( SWR ) 目前無法實現，工程上實現的稱為軟件定義的無線電(Software defined radio )。在一個軟件無線電( SDR )系統中，A/D器件的位置非常重要，稱為數字接入點，它表明了數字化處理的起點。軟件無線電要求系統的全部可編程性，包括可編程的射頻(RF)頻帶、信道接入模式以及信道調制等等，這是它與多模式無線電等的區別所在。J.Mitola 從信號流的角度分析了軟件無線電系統的結構，包括以下幾個部分:實時信道處理流實時信道處理實現無線通信系統基本信息流處理，包括射頻子系統、寬帶(kun di)A/D與D/A變換、信道分離、調制解調、安全處理(加/解

39、密)等等。環境(hunjng)管理流環境管理(gunl)包括無線電環境識別與高級控制，屬于近實時信息流。它可以從頻域、時域、空域多個角度描述無線電環境，完成信道識別、環境參數如信道干擾電平估值等等。環境管理采用模塊化操作，如快速傅立葉變換(FFT)、小波變換、波束成形矩陣算法進行數據處理，提取信道參數后控制實時信道處理。在線自適應在線自適應功能的目的是根據無線電環境實現信噪比(SNR)/誤比特率(BER)優化，頻帶與模式選擇優化等，提供高的服務質量(QoS)。離線軟件支持離線工具包括實現系統分析、增強信號處理等的軟件平臺。軟件無線電憑借離線軟件 (軟件工廠) 而支持業務增強。它允許定義增強的業

40、務如改進的波束成形、均衡器、網絡解碼器等等。這些改進可以納入到樣機的信道處理流中，進行參數設置試驗，圖2-2 軟件(run jin)無線電信號流排除算法(sun f)中的錯誤，最后確定改進的價值 (增加的用戶密度) 以及耗費的資源(I/O帶寬、時間延遲、處理容量等)。基于軟件的增強可以與開放體系結構軟件接口(ji ku)標準一致，于是可以通過空中接口分發到其它軟件無線電節點。這樣，軟件無線電通信網就可以提供新的業務。2.2 軟件無線電中的調制實現的研究連續波數字調制是以正弦信號(可以是高頻正弦信號，也可以是音頻正弦信號)為載波，調制信號為數字信號的調制方式。數字信號的載波傳輸，就是指以正弦信號

41、為載波傳輸或運載數字信息的信息傳輸方式。數字信號可以看成是模擬信號的特殊情況，在這種意義上可以把連續波數字調制看成是連續波模擬調制的特殊情況。數字調制的基本類型主要有振幅鍵控(ASK)，頻移鍵控(FKS)和相移鍵控(PSK)等等。如果按照常規的方法，產生每一種信號就需要一個硬件電路，甚至一個模塊，那么要使一部(y b)通信機中產生幾種、十幾種通信信號，其電路就會極其復雜，體積重量都會很大。如果要增加一種新的調制方式就非常困難。軟件無線電中的各種調制信號是以一個通用的數字信號處理平臺為支撐，利用各種軟件來產生的。每一種調制算法都做成軟件模塊形式，要產生某種調制信號只需調用相應的模塊即可。由于各種

42、調制用軟件來實現，因此在軟件無線電中，可以不斷地更新調制模塊的軟件來適應不斷發展的調制體制，具有相當大的靈活性和開放性。軟件無線電的各種調制完全(wnqun)可以基于數字信號處理技術來實現。在當代通信中，通信信號的種類很多，下面僅就PSK信號的實現方法加以(jiy)討論。從理論上來說，各種通信信號都可以用正交調制的方法加以實現。具體的方法是把信號分成同相分量(I路)和正交分量Q(路)，然后再分別調制。可以寫出它的時域表達式。S(t)=I(t)cos(ct)+Q(t)sin(ct) （2-1）其中，c為載波頻率。調制信號的信息包含在I(t)和Q(t)內。由于各種調制信號都是數字域實現的，因此，在

43、數字域實現時要對式(2一1)進行數字化。S(n)=I(n)cos (nc/s)+Q(n)sin(nc/s) （2-2）s為采樣頻率的角頻率。在對調制信號和載波頻率進行數字化時，其采樣頻率可能不一樣。我們可以采用多相濾波器來提高數據源的采樣速率，使得調制信號的采樣速率和載波的采樣速率一致。下面就幾種典型的數字(shz)調制方式作一介紹。2.2.1軟件無線電中的ASK調制(tiozh)實現的研究一個二進制振幅鍵控信號可以表示(biosh)為一個單極性脈沖與一個正弦波相乘，即 （2-3）式（2-3）中，g(t)是持續時間為T的矩形脈沖，an為信源給出的二進制符號0,1。如果令 （2-4）那么 （2-

44、5）因此，要實現正交調制，只要令 I(t)=0 （2-6） Q(t)=m(t) （2-7）就可以實現2ASK調制。2.2.2軟件無線電中的FSK調制實現的研究2FSK信號是符號O對應載波角頻率為，符號1對應載波角頻率為的己調波形。它可以用一個矩形脈沖對一個載波進行調頻實現，其表達式為 （2-8）式中，的取值為0，1，g(t)為矩形脈沖,為an的反碼，T為碼元周期。因此，只要把調制數據序列(xli)形成矩形脈沖，并把2FSK看成兩個ASK信號相加就可以(ky)了，并令 （2-9） （2-10）然后(rnhu)再利用式(26)，式(27)就可以實現正交調制。2.2.3軟件無線電中的PSK調制實現的

45、研究2PSK方式是鍵控的載波相位按基帶脈沖序列的規律而改變的數字調制方式。2PSK的信號形式一般表示為: （2-11）式中，的取值為-1，+1，即發送二進制符號0時取1，發送二進制符號1時取-1。這種調制方式的正交實現與2ASK信號十分類似。在用2PSK調制方式時由于發送端以某個相位作為基準，因而在接收端也必須有這樣一個固定的基準相位作參考。如果參考相位發生變化，則接收端恢復的信息就會出錯。即存在“倒”現象。為此在實際中一般采用養分相移鍵控(2DPSK)。2DPSK是利用前后相鄰碼元的相對載波相位去表示數字信息的一種表示方法。2DPSK和2PSK只是對信源數據的編碼不同。在實現2DPSK調制時

46、，只須把2PSK碼序列變成2DPSK碼，其他的操作和2PSK完全相同。假設在2PSK調制時，數字信息0用相位0，數字信息1用相位表示，在2DPSK調制時數字信息0用相位變化0,數字信息1用相位變化表示，則2PSK和2DPSK調制舉例如下。數字信息: 0 0 1 1 1 0 0 1 0 12PSK相位(xingwi): 0 0 0 0 0 2DPSK相位(xingwi): 0 0 0 0 0 在實現2DPSK調制時，只要先把原信息序列(xli)(絕對碼)變換成相對碼，然后進行2PSK調制就可以了。相對碼就是按相鄰符號不變表示原信息0，相鄰符號改變表示原信息1的規律變換成的。上述信息碼的相對碼為:

47、 2DPSK編碼 0 0 1 0 1 1 1 0 0 12.3 軟件無線電中的解調實現的研究為了便于信號發射，提高信道利用率、發射功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一樣，解調方法大致有相干解調和非相干解調二類。一般而言相干解調性能比非相干解調好，在某些場合利用非相干解調的主要原因是其解調電路簡單，硬件成本低。在解調需要用硬件電路實現的時代，當然有其存在的理由，但其不足也是顯而易見的，如非相干解調過程中通常存在的“門限效應”。軟件無線電中由于大部分功能用用軟件實現，硬件的總體成本降低。在軟件無線電中解調一般采用數字相干解調的方法。

48、數字相干解調從原理上講與模擬相干解調法一樣。常見用于模擬解調電路的一般相干解調法（指用一個同頻同相的本地載波去相干解調），當同頻同相不滿足時，解調就會嚴重失真。例如，在移動通信中，接收到的信號受到嚴重衰落時，提取出來的載波質量往往達不到要求，特別是在多譜勒效應等引起的頻偏環境下更是如此。由于正交解調法在一定程度上能克服以上這些弱點，因此，軟件無線電的解調一般采用數字正交解調法。一般調制都能用正交調制法進行，也就是說，正交解調法從理論上說可以對幾乎所有的調制樣式進行解調。盡管調制樣式多種多樣(du zhn du yn)，但實質上調制不外乎用調制信號去控制載波的一個（或幾個）參數，使這個參數按照調

49、制信號的規律而變化的過程。載波可以是正弦波或脈沖序列，以正弦型信號作為載波的調制叫做連續波調制。對于連續波調制(tiozh)，已調信號的數字表達式為： （212）調制信號(xnho)可以分別“寄生”在已調制信號的振幅A(n)、頻率和相位中，相應的調制就是調幅、調頻及調相這三大類熟知的調制方式。由于頻率與相位有著一定的關系，為便于分析，可將式（212）改寫為 （2-13）式中，表示載波角頻率。所以，（2-14）式中， （215） （216）這就是我們所希望(xwng)獲得的同相和正交兩個分量，根據、，就可以對各種調制樣式(yngsh)進行解調。下面就幾種典型(dinxng)的數字解調方式作一介紹

50、。2.3.1軟件無線電中的ASK解調實現的研究ASK信號表達式： （217）式中，為輸入碼元，且0,1；是幅度為1，寬度為碼元傳輸速率倒數的矩形脈沖門函數。ASK的解調，應先對信號進行正交分解，得同相和正交分量：同相分量為: （218）正交分量為: （219）對同相分量與正交分量平方之和開方： （220）計算出后，再對進行抽樣判決，就可恢復出調制的碼元信號。2.3.2軟件(run jin)無線電中的FSK解調實現(shxin)的研究信號(xnho)表達式為: （221）式中，為載波角頻率間隔；為輸入的碼元，1，1。FSK解調同樣要先對信號進行正交分解，得同相和正交分量：同相分量為： （222）

51、正交分量為： （223）瞬時頻率f(n)可以表示為： （224）在計算出瞬時頻率f(n)后，對f(n)經抽樣門限判決，即可恢復出傳輸的數據。2.3.3 軟件無線電中的PSK解調實現的研究信號表達式： （225）式中，PSK解調：對信號(xnho)進行正交分解后，得同相和正交分量：同相分量(fn ling)為： （226）正交分量(fn ling)為： （227）瞬時相位可以表示為： （228）在計算出瞬時相位后，對抽樣判決，即可恢復數據。第三章 四相相移鍵控（QPSK）技術(jsh)3.1 多進制數字相位(xingwi)調制（MPSK）多進制數字相位調制(tiozh)也稱多元調相或多相制。它利

52、用具有多個相位狀態的正弦波來代表多組二進制信息碼元，即用載波的一個相位對應于一組二進制信息碼元。如果載波有個相位，它可以代表k位二進制碼元的不同碼組。多進制相移鍵控也分為多進制絕對相移鍵控和多進制相對（差分）相移鍵控。在MPSK信號中，載波相位可取M個可能值，（n=0,1,2,M-1）。因此，MPSK信號可表示為假定載波頻率是基帶數字信號速率的整數倍，則上式可改寫為上式表明，MPSK信號(xnho)可等效為兩個正交載波進行多電平雙邊帶調幅所得已調波之和。因此，其帶寬與MASK信號帶寬相同，帶寬的產生也可按類似于產生雙邊帶正交調制信號的方式實現。3.2 四相相移鍵控（QPSK）簡介(jin ji

53、) QPSK即為Quadrature Phase Shift Keying,正交相移鍵控，或Quaternary Phase Shift Keying,四相相移鍵控，有時也稱為4PSK。它是多相相移鍵控(MPSK)中常用的一種，是目前數字微波或衛星數字通信中最常用的一種載波傳輸方式。四相相移鍵控（QPSK）是一種性能優良，應用十分廣泛的數字調制方式，它的頻率利用率高，是二進相移鍵控（BPSK）的2倍，采用相干檢測時其誤碼性能與BPSK相同。它可以(ky)看成由兩個BPSK調制器構成，這在上一節中我們已經講述過了。輸入的串行二進制序列經過串并變換分I路和Q路，分成兩路速率減半的序列，然后經過成形

54、濾波后分別與cost和sint載波相乘，最后把I路和Q路兩路信號相加后即得到QPSK信號。QPSK調制原理框圖如圖3-1所示：圖3-1 QPSK調制原理(yunl)框圖可以(ky)看出，QPSK是由兩路BPSK信號構成，且兩路信號相互正交的，圖3-2 QPSK調制信號功率(gngl)譜密度（單邊）圖3-3 QPSK相位轉移圖圖3-4 QPSK誤碼率性能即相位差相差(xin ch)90，兩路BPSK信號(xnho)相加，即得到QPSK信號。由圖3-1得到的QPSK信號是一個抑制載波的單邊帶信號，即在已調射頻信號中不存在載波分量和下邊帶分量。其功率譜、信號相位轉移圖及誤碼率性能分別如圖3-2、圖3

55、-3和圖3-4所示。與BPSK相比，QPSK有著相近（幾乎相同）的誤碼率性能，從圖中可以看到它們的誤碼率曲線基本重合，而QPSK的頻譜效率卻高了一倍，因此QPSK在光纖、衛星、微波(wib)等通信系統中被廣泛采用。不過這種調制方式卻不適合用在移動通信系統中，其原因是：1.帶外輻射強：窄帶移動通信系統對射頻信號的帶外輻射都有嚴格的要求，專業模擬移動通信系統一般要求的鄰道功率為不大于70dBc，如CPS標準系統；數字系統一般為60dBc，如TETRA系統。而從圖中我們可以看到，QPSK信號頻譜的滾降速度很慢，遠遠達不到要求。2.不能使用非線性放大器：普通QPSK信號中載波的相位變化可以是0度、90

56、度、180度和270度中的任意一個。這樣的信號在經過帶通濾波器之后其包絡就會出現起伏，特別是在相位產生180度變化的地方，包絡可以降到0，而當一個有著非恒定包絡的帶限線性調制載波經過非線性放大后，其原已被濾掉或原本并不存在的旁瓣就會被恢復，同時還會產生同相、正交信號間的帶內串擾。這將引起嚴重的鄰道和同信道干擾。經過非線性放大后系統的誤碼性能也會下降。這樣一來，通過線性調制所獲得的頻譜效率在經過非線性放大后就完全喪失了。3.不能使用非相干解調：普通的QPSK是依靠載波的絕對相位來傳遞信息的，只能用相干檢測來進行解調，而不能使用非相干檢測（差分或鑒頻器）。這樣系統難以快速獲得同步，抗快衰落能力不強

57、，同時系統設備復雜，成本高。為了解決這些問題，人們采用了基帶濾波、相位交錯、差分編碼等方法，由貝爾電話實驗室的貝克爾（Baker）于1962年首先提出了/4-QPSK這種調制方式。最初提出這種方式的目的是為了在電話線上傳送數據，后經研究發現它的性能可以滿足數字移動通信系統對調制技術的要求. 這種經過(jnggu)改進的調制方式將QPSK中載波相位的變化限制到了/4和3/4。由于(yuy)載波中不存在的相位變化，因此大大減少了包絡波動，也降低了系統性能對信道非線性的敏感度。加入平方根升余弦（RRC）基帶濾波器可以大大加快調制信號的帶外滾降速度，能夠滿足移動通信系統對帶外輻射的要求。采用差分編碼，

58、使系統既可以使用相干檢測也可以使用非相干檢測來進行解調，一方面簡化了設備，另一方面也使系統具備了快速獲得同步(tngb)、抗快衰落、抗多普勒頻移的能力。為了減少/4-QPSK在快衰落移動信道中時延擴散對系統性能的影響，采用這種調制方式的數字移動通信系統都使用突發模式如TDMA、FHMA來進行數據傳輸。雖然都是/4-QPSK，但各個系統所規定的具體參數如信道間隔、傳輸速率等卻不盡相同，因此性能也都略有差異。我國數字集群移動通信系統體制國家電子行業標準體制A中所采用的/4-QPSK是差分編碼、/4相移的QPSK，即/4-DQPSK。3.3 QPSK的發展及其特點根據被調參數的不同，數字調制方式主要

59、有振幅調制(ASK)、頻率調制(FSK)和相位調制(PSK)三種。振幅調制是最早應用的數字調制方式，它是一種線性調制系統。其優點是設備簡單、頻帶利用率高，缺點是抗噪聲性能差，而且它的最佳判決門限與接收機輸入信號的振幅有關，因而不易使取樣判決器工作在最佳狀態。但是，隨著電路、濾波和均衡技術的發展，多電平調制技術越來越受到人們的重視。頻移調制是數字通信中的一種重要的調制方式。其優點在于(ziy)抗干擾能力強，缺點是占用頻帶較寬，尤其是多進制調頻系統，頻帶利用率低。目前主要應用于中、低速傳輸系統中。相移鍵控分為絕對相移和相對相移。絕對相移是利用載波振蕩不同相位的絕對值來傳遞數字信息的，其在解調時存在

60、相位模糊的缺點，因而在實際中較少采用。相對相移是依靠前后兩個接收碼元信號的相位差來恢復數字信號的，所以不存在相位模糊的問題。相對相移的實現通常(tngchng)是先進行碼變換，將絕對碼變為相對碼，然后對相對碼進行絕對相移。解調時先進行絕對相移解調，然后再進行碼的變換，恢復信號。在恒參信道下，相移鍵控比ASK及FSK具有較高的抗干擾性能，而且能較高地利用頻帶，所以相移鍵控是一種高傳輸效率的調制方式，在中、高速數字通信中被廣泛采用。相位調制中常采用的是四相和八相調制，均可看作是振幅相等而相位不同的調制，傳輸效率高，得到廣泛的應用。QPSK具有很好的誤碼率性能，非常適合頻譜利用率為1-2bps/Hz