Jhquvc东南大学2005多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用研究文库.doc
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1、生命是永恒不断的创造,因为在它内部蕴含着过剩的精力,它不断流溢,越出时间和空间的界限,它不停地追求,以形形色色的自我表现的形式表现出来。泰戈尔 本文由毕韬贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。 东南大学 硕士学位论文 多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用研究 姓名:何健雄 申请学位级别:硕士 专业:信号与信息处理 指导教师:吴镇扬 20050601 摘要 摘要 多采样率数字滤波器在软件无线电中的应用研究 硕士研究生:何健雄 导师:吴镇扬教授 东南大学无线电工程系 继模拟到数字,固定通信到移动通信之后,软件无线电技术是第三次通信技术领域的革命
2、.多 采样率转换技术是实现软件无线电通信系统对各种通信标准兼容的关键.多采样率数字滤波器广泛 应用于软件无线电中,它能降低信号处理的复杂度,增加应用的灵活性. 本文首先分析了软件无线电中带通采样,内插和抽取等多采样率数字信号处理技术,从最大限 度降低系统运算速度要求和减少系统存储空间出发,将软件无线电采样率转换过程分为整数倍转换 和非整数倍转换两个步骤来实现,并详细地讨论非整数倍采样率的转换方法. 其次对软件无线电中各种多采样率数字滤波器的特性进行了详细的分析研究,并对软件无线电 数字下变频常用芯片HsP50214B的结构原理进行分析,着重讨论了其中的采样速率转换过程. 最后,对HsP5021
3、4B中所采用的积分梳状(cIc),半带(船),有限冲激响应(FIR)数字滤波 器的进行了研究和设计,并作了数字下变频(DDc)和信道分离的仿真实验,结果表明,多采样率数 字滤波器在软件无线电的应用,能在保持有用信息不损失的基础上实现采样率变换,显著地降低系统 运算速度,节省系统存储空间,有助于减轻后续处理系统的复杂性,保证系统的实时处理. 关键词;软件无线电;采样率;抽取;内插:滤波器;数字下变频 垒璺!坠! 一 ABSTRACT THE IMPLICATIoN oF MULTI-SAMPLERATE DIGlTAL FIIrER矾SoFTARE JiaIlxiong,Supenrisor:W
4、U RADIO Zllen-yallg Calldidate:HE Radio Engineermg Department,Southeast UniVersi可 so竹ware Radio Tecllnology (SWR) has been reco印ized di舀tal as the third transfo皿 in the telecommunication打eld after the aIlalog commuIlication to mobile communjcation.The commIIIlication,fixed communication to plays an
5、multi-s姗pIe mte conversion(SRC)technique essential pan in enablmg the SWR system to match mum-coIIlrnunication standards.Multi-sample-rate dlgital nltewhich reduces me complexlty in handl.mg . signals锄d enhaI】ces the nexibil磅of implication function,is widely used inme field This essay 0fSWR. fi僦ly m
6、akes a research on band pass s啪pling applied in SWR system,inteI.polation and on decima廿on in multi.sample rate network and,on ttle baSis ofreducing the requjrement to calculation speed the minimum a11d memory space,divides the SRC system into two parts:decimation system for integral or f犯tor a11d f
7、or矗甚ctional fhctot irrational fktoL and fu曲er dlscusses in detail the conversion of factional Secondlythe widely used in essay mal【es a funller a11aIysis on the characteristics ofV撕0us multls锄pIerate nlters SWR,In addition,tlle essay analyses ttle st兀lcmre of丹equency-shi丘ing chip HSP50214B In swR ci
8、rcumstance,putting the em曲aSis on血e process ofs舢pling rate conversion. nlters like CIC,HB a11d FIR, on Finally,t11e essay discusses a工1d researches on廿le design of some which are digi诅l used in HSP50214B.Besides,we made proves a simulation experhnem DDC柚d signal diversion, call,on 血e result of which
9、 that me implication of multi-samplera地di西tal 6lter i11 soft,Vare radio 廿le basis of realizing SRC,promjnently reduce the requirement of system calcul鲥叽speed aIld the memo叮space and th;refore count much in reducing back_stage hafldling complexity and securing the systematic halldling.m due tim e. 1(
10、ey words:sofhvare radjo,sample mte,decimati011,i11terpola廿on,filteL digi诅l down conVert 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究:L作及取得的研究成果.尽我所 知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证啪而使用过的材料.与我一同:f作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意. 研究生签名:!互垒垒鲴!目期:.奎.&:出 东南大学学位论文使用授权声明
11、 东南大学,中国科学技术信息研究所,国家倒批馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档,可以采用影印,缩印或其他复制手段保存论文.本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致.除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或 部分内容.论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理. 研究生签名:曼垒鱼筮导师签名:姜塑日期:坦:塑 第一章绪论 第一章绪论 1.1软件无线电通信的发展状况和前景 继模拟通信到数字通信,固定通信到移动通信之后,软件无线电是第三次世界通信技术领域的 革命.所谓软件无线电,实际上是一种宽频段,支持多模式,由软件实现的无线通信模式.它使
12、用 通用的便件平台,将接收到的模拟信号尽可能靠近天线进行数字化,它采用模块化设计原则,具有 开放式ISO/0SI体系结构,用软件来实现无线通信功能,从而使无线通信系统具有软件可移植性和功 能可编程性,便于系统互联和功能升级.1 . . 软件无线电的概念最早在1992年5月美国电信系统会议上由MITRE公司的J.Mit01a首次明确提 出,之后迅速风靡全球,1995年5月IE髓counication Magazin曲寺别发表了一期无线电专刊,全 面系统地介绍了软件无线电与数字无线电的区别,硬件和软件的实现方法,性能分析及其结构,为 软件无线电的一些关键技术的研究提供了理论基础. 1996年10月
13、我国将软件无线电技术列入国家863计划中的通信研究项目.近年来软件无线电 技术己被广泛应用于陆地移动通信,卫星移动通信与全球通信系统,成为解决数字移动通信中多种 一 不同标准问题的最佳选择方式. 软件无线电的完全数字化,宽频带内的完全可编程性,系统功能的可扩充性,系统实现的模块 化(各模块间的物理,电气性能指标符合统一,开放的接口标准等特性)囊括了朱来通信技术发展 的主要趋势,而现代计算机技术,微处理器技术,DSP处理技术,VLsIcs以及AsIcS技术的广泛应用, 又为软件无线电的实现提供了软件及硬件基础.因此可以说,软件无线电技术正是为实现未来通信 技术孕育而生的.6 ; 1.2软件无线电
14、的关键技术 , . 软件无线电技术的优势是显然的,但本身的发展过程也是i目难的,因为软件无线电技术的发展 和推广应用依赖于以下几项关键技术: 1.宽带射频段的关键技术 软件无线电台覆盖的频段为2MHz2000删z,因此,其射频段应具有接入多仓波段甚至覆盖全波 段的功能,致使其频率很高,带宽很宽,而现有技术无法研制出这种全频段天线,通常的方法是把 工作频段分为230MHz,30M500z,500M2000姗Z三段进行实现,在一定程度,上解决了这个难题. 2.A/D变换技术 . ADC的采样速率和采样分辨率直接限制了软件无线电中数字信号的起点和终点,而这位置的确定 又影响到系统软件化操作的能力.近
15、年来,由于无线数字信号处理应用发展,使ADC在采样速率和采 样分辨率方面有了很大的提高.但离实际的软件无线电需求还有较大的差距.现在的解决办法主要 是采用多个ADc并行处理或采用抑制信号动态范围的算法降低对A/D变换的分辨率的要求. 3.数字前端的实现技术 数字前端即数字中高频部分,主要完成sRC(采样率变换),信道抽取以及与各种通信标准适配 东南大学硕士学位论文 的功能.这一部分是整个数字信号处理中运算速度最快,运算量最大,功耗昂多的部分,也是实现 软件无线电技术的瓶颈之一. 4.多DSP技术 软件无线电的灵活和可配置能力的基础在于数字处理技术,而其核心就是DsP单元,限于目前的 芯片处理能
16、力,单独的DSP无法承担软件无线电所要求的数字信号处理,所以必须采用多DSP技术. 5.软件下载技术 软件无线电设备要想自如地在不同制式的通信网络漫游,就必须使用灵活的动态下载技术,这 对于系统的要求是很高的.现在常见的解决办法有静态下载技术和半静态下载技术两种.71 1.3本课题的主要研究内容和意义 1.本课题的研究背景和意义 综观软件无线电关键技术,发现采样率转换技术是整个软件无线电通信系统中的一个重要组成 部分,在其关键技术数字前端技术和多DsP处理技术中处于比较重要的地位,尤其是实现软件无 线电结构的关键部分.因此,对软件无线电中的多采样率转换技术进行研究具有十分重要的意义. 首先,采
17、样率变换是实现软件无线电通信系统对各种通信标准兼容的关键. 根据目前现状,各种移动通信标准很多,新旧体制混杂,不同标准的信号的符号速率(或chip 速率)是不同的.而不同标准所对应的数字信号,在正交调制后使用抽样判决的方法恢复码元信息时, 要求码元速率与抽取系统的输出速率必须满足特定的关系(如整数倍关系)等.以最常见的GsM,Is一95 及UIlTS(uniyersal M0be Telecommunication systems)为例,他们的符号速率存在着咀显的差 别,如GsM们比特速率为270.83Ksa叩1es/秒,Is一95的码元速率为1.2288Mchip/秒,UMTs的码元速 率为
18、3.84Mchips/秒.对每一个码元符号要取两个采样点,所以这三种通信制式所需要的采样率分 别为GsM一541.6KsaDles/秒,Is一951.2288Mchip/秒,uMTs一3.84Mchips/秒. . 采样率转换技术就是要完成软件无线电技术所要解决的使用通用硬件平台处理多种不同通信标 准的信号这一功能.工程中,在设计软件无线电硬件平台时,通常使ADc工作在一个固定的采样频率 上,然后通过采样率转换将信号的采样率转换到满足不同标准要求的数值上,进而使用DSP进行后续 处理.同时由于上述固定的采样频率要高于任何一种标准所对应的采样频率,必然会导致其数值非 常高,而实际的信号带宽比AD
19、c输出的信号带宽要小得多,所以在A/D变换后应尽可能早的进行采样 率变换,这对减小整个系统的功耗和减小后级处理的复杂度都具有非常重要的意义. 其次,采样率变换是缓解DsP处理瓶颈的有效手段 软件无线电的最终目的是将尽可能多的通信功能采用软件实现,因此运算量很大.以中频段的 数字处理为例:12.5姗z的移动蜂房波段用30.72唧z采样率采样,将频率搬移,滤波和抽取,至少要 求对每个样本作100次以上操作,这等于3000MIPs(每秒百万次)的处理要求,尽管具有这种速度的 DSP已出现,但一般价格上可接受,实际上可使用的DsP处理能力只有儿百MIPs.因此在实时操作中, DSP成为了实现软件无线电
20、的瓶颈. 采样率转换技术与数字下变频技术的结合是解决这一问题的有效方法.用数字下变频实现从输 2 第一章绪论 入的宽带高速数据流的数字信号中提取所需的窄带信号,使用采样率转换技术降低采样率,将高速 数据流变成当前DsP可实时处理的低速数据流,借助多DsP并行处理. 最后,采样率变换是降低对A/D前端模拟器件要求的需要 软件无线电中选择采样速率时,不但要满足Nyquist定理,而且要考虑A/D前端的抗混叠模拟滤 波器的可实现性.一般通过提高采样率来降低对模拟抗混叠滤波器的要求,但同时会给后期处理增 加了很大的运算负担.因此可咀在进行后期处理之前通过转换采样速率得到较低速率的,与符号速 率成整数倍
21、的采样信号,以此来减少后期数字处理的运算量. 基于上述三种考虑,对软件无线电中采样率转换技术的基本理论及硬件实现的研究显得尤为重 要. 2.本课题主要的研究内容如下: 首先,对软件无线电中带通采样,内插和抽取等多采样率数字信号处理技术进行了研究,从最 大限度降低系统运算速度要求和减少系统存储空间出发,将软件无线电采样率转换过程分为整数倍 转换和非整数倍转换两个步骤来实现.详细讨论非整数倍采样率的转换方法,包括转换因子为有理 数和无理数的不同实现方法,并通过多相结构和级联结构等形式实现任意倍数的采样率转换. 其次,对软件无线电中常用到的各种多采样率数字滤波器特性进行了详细的分析研究,如适合于 D
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