软件无线电信道处理的DSP实现毕业论文

软件无线电信道处理的DSP实现摘要 软件无线电（SDR）作为一种新的无线通信概念和体制近年来浮出水面,日益受到国内外相关通信厂商的重视。它使得通信体制具有很好的通用性、灵活性和可配置性,并使系统互联和升级变得容易。软件无线电的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的个人通信功能用软件实现，是一种用软件来实现物理层连接的无线通信设计。本文重点研究了软件无线电中不同信道的处理技术,其技术关键在于构建不同频段的数字滤波器，通过滤波器进行不同信道信息的接收处理。在建立软件无线电信道模型的基础上,利用MATLAB实现多阶FIR滤波器的设计,并将算法移植到DSP软件设计当中, 并构建基于DSP的硬件平台，使算法在硬件平台的运行结果达到软件无线电的信道处理要求。通过本课题的研究，掌握软件无线电信道的DSP实现方法，重点研究软件无线电中的信道处理算法，通过仿真，选择合适的滤波算法，并构建基于DSP的硬件平台，使算法在硬件平台的运行结果达到SDR的信道处理要求。关键词：软件无线电 信道 数字信号处理 FIR滤波器SDR ChannelProcessingBasedOnDSPAbstract The basic concept of software radio is that hardware is the basic platform of wireless communication. More and more function of personal communication is realized by software.Software radio is the design of wireless communication which realizes the hardware connection by software. The papermainly studies the processing technique of different channels in SDR (Software Defined Radio). The key technique is to design digital filters of different frequency bands to receive the information of different channels. Based on founding the model of SDR channel processing use MATLAB to realize the design of FIR filters by setting different parameters and transfer the arithmetic to DSP software design. After that use CCS to simulate the FIR filter. The effect can reach the demand of channel processing for SDR.Key words SDR channel DSP FIR filter引言以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以微电子技术为支撑的软件无线电自从1992年由JooMitola提出以来,在最近几年取得了引人注目的进展,引起了包括军事通信、个人移动通信、微电子以及计算机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣。软件无线电作为一种新的通信系统,它是由硬件平台和各种功能模块组成,不同的通信功能采用更新软件的方式加以实现。人们普遍认为软件无线电将使无线通信、甚至整个无线电领域产生重大变革,并由此推动电子信息技术的快速发展,最终在全世界范围内形成巨大的软件无线电产业市场,产生巨大的经济效益、推动社会和技术的进步。本论文重点研究了软件无线电中不同信道的处理技术,其技术关键在于构建不同频段的数字滤波器及进行不同信道信息的接收处理。首先分析了软件无线电中的采样定理、数字滤波器理论、不同频段FIR滤波器的设计方法。在此基础上,利用Matlab完成了FIR滤波器的设计,进行了滤波器的检验,并在DSP芯片TMS320VC5509为核心的信号处理实验平台下,利用CCS集成开发环境对FIR滤波实验进行了仿真,对不同参数滤波效果进行评估,提出了基于DSP硬件平台的软件无线电信道处理方法。软件无线电的核心思想是构建一个采用数字无线电技术的通用硬件平台,通过实时的软件控制,用户能定义该平台的工作模式,包括工作频带、信号速率、调制方法、多址方式、接口协议、业务种类等,从而使一个硬件平台能实时地转变为不同技术标准的通信系统。通过本课题的研究，掌握软件无线电信道的DSP实现方法，重点研究软件无线电中的信道处理算法，通过仿真，选择合适的滤波算法，并构建基于DSP的硬件平台，使算法在硬件平台的运行结果达到软件无线电的信道处理要求。对课题“软件无线电信道处理的DSP实现”的研究背景及国内外研究现状进行了广泛的调查研究，对课题设计所涉及的关键技术有了较为深刻的认识，计划并最终明确了课题应该完成的任务，设计出合理的思路，研究可行的手段，直至完成论文。通过此次设计，加深了对软件无线电的了解，提高了自己DSP对系统设计的能力，并不断提高自己阅读中外文献、独立思考和理论转化为实践的能力。第一章 绪论1.1论文研究背景通过近20年的发展,移动通信己成为通信领域最活跃、市场份额最高的产业,也成为国际上市场竞争最激烈的部分。面对多种通信体制并存、各种标准层出不穷和频率资源缺乏的现状,以硬件为主的传统的通信体制已难以适应:出于各种新标准的射频载波频率和调制方式不同,限制了设备间的互通和兼容,造成了资金大量浪费和重复投入。面对这个问题,国际上已经进行了大量的研究。大部分专家认为:“软件定义无线电”(Software Defined Radio,简称SDR)将是一个解决全球无线通信需求的方案,它将成为未来无线通信设备设计的核心所在。软件无线电技术最初起源于军事通信应用的需要。随着通信技术的发展,在军事通信领域,各军兵种之间使用了不同的通信体制,应用不同的频段、波形和调制方式,完成各自的通信任务。各个体制之间互不兼容,各自使用的电台功能单一,这使得军队面临频带拥挤的状况。现在战争越来越强调各军种甚至多国军队之间的作战,因此多种通信体制的互联互通要求成了日益突出的矛盾。为了使各军兵种不同的设备之间实现高效、可靠的协同通信与互通信,美国军方最早开展了研制三军通用软件无线电台的工作,其目标是研制出一种包容很宽的无线频带、接收多种信道调制方式的具有很强“可互操作性”无线电台。1992年5月,在美国电信系统会议上,MITRE公司的JoeMitola首次提出了软件无线电的概念,其核心思想是: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,如工作频率、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,并使宽带刀D和D/A转换器尽可能地靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。这种电台是可用软件实现的,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,故还可以与旧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为“超级计算机”。在民用方面,纵观当前的通信市场,多种通信体制并存,新体制不断涌现。模拟体制与数字体制并存,TDMA体制与CDMA体制共存。由于多种体制硬件平台的不同,他们之间的兼容和互通变的比较困难,无线通信的发展,使得人们对各种通信体制间互通的要求日趋强烈。目前,软件无线电的思想与开发手段已经在新一代通信产品的开发中发挥着越来越重要的作用。1.2国内外研究现状、水平和发展趋势1.2.1国内研究现状和水平国内对软件无线电技术的研究,开始于1995年美国第一台高水平的软件无线电系统SPEAKeasy问世。在0996年10月,我国通信“863”首先立项,开始了对软件无线电的小规模探索,九五期间,该技术已成功地在某型号军用单兵短波数字通信系统中得到应用。1998年7月,我国向ITU提交了第三代移动通信提案TD-SCDMA中就采用了软件无线电技术。同年,我国国家自然科学基金就设立了有关软件无线电技术的重大研究课题:由清华大学和北京邮电大学合作完成,这表明了我国对软件无线电技术地重视。在自然科学基金地项目中,我国将开展软件无线电地基础性和应用性研究,并以蜂窝移动通信系统的多模平台为背景,重点研制支持两种制式以上的个人通信接收机的软件无线电平台。试验平台由一些硬件(包括射频部分,以及由FPGA等实现的中频部分)和带有NIC的高速局域网组成。在这个试验平台上可以运行两个频段(900MHZ和1800MHz),并兼容四种以上的传输方式。2002年5月28日,国家自然科学基金委员会信息科学部组织专家,对清华大学电子工程系和北京邮电大学联合承担的国家自然基金资助的重点项目“软件无线电理论与技术及其在个人通信中的应用”进行了验收。观看软件无线电试验平台的现场演示后,专家组经认真讨论,一致认为:该课题在基础理论及试验平台研究方面取得了重要进展,其研究成果在军事和名用领域具有广泛应用前景。目前我国正在研究开发第二代同步轨道航天测控设备的方案中,其核心就是引入软件无线电技术,采用其综合基带模式、大规模地简化了系统结构,极大地提高了系统地灵活性、可靠性和可维护性。到目前为止,我国许多高等院校、研究所都投入大量地人力、物力开展对软件无线电进行研究,如:进行实用型软件无线电体系结构方案的设计:对软件无线电系统中某一模块进行研究;研究软件无线电的实际应用对象;进行算法研究等。但目前国内的研究多处于试验阶段,尚未有比较成熟的软件无线电产品问世。虽然我国对软件无线电技术的研究起步晚于欧美,但是关于软件无线电的研究己经得到了越来越多的重视,理论水平基本与国外保持一致。总体而言,目前国内外对软件无线电的研究正处于各种应用的具体研究实践阶段。1.2.2国外研究现状和水平软件无线电的想法最早产生于20世纪70年代末,Dr.Walte Tbttlebee把当时安装了8085微处理器的A/D和工作于VLF的无线电设备的Roke Manor Researeh(Romsey United Kingdom)称为世界上第一个关于软件无线电技术研究的工作场所,但是鉴于当时可编程芯片和模数转换器发展水平有限,还不可能实现商业化,因而早期的研究都是用于军事目的的。20世纪80年代,美国率先在军事系统中开始了软件无线电的研究、开发和试验。20世纪90年代,由于计算机技术、微电子技术、通信技术和VLSI技术的飞速发展,使得全面采用软件无线电的思想成为可能。1992年5月,MITRE公司的Joe Mitola在美国电信系统会议(National Telesystems Conferenee)上首次明确提出了软件无线电的概念,其基本思想是:以通过硬件为基本平台,将宽带A/D,D/A尽可能靠近天线,把尽可能多的无线通信功能用软件来实现,从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件开发上来。1995年5月,以Joe Mitola的“软件无线电结构”一文为代表,与其它一些论文一起构成了第一期关于软件无线电的专刊发表以后,商用软件无线电的研究开始迅速升温。20世纪80年代,美国率先在军事系统中开始了软件无线电的研究、开发和试验。20世纪90年代,由于计算机技术、微电子技术、通信技术和VLSI技术的飞速发展,使得全面采用软件无线电的思想成为可能。在国外,软件无线电的研究项目除早己展开speakeasy，还有ACTS,RACE,Speetrum Ware,SORT，SLATS，PROMURA等。ACTS是欧洲联合研究项目。其中,为了实现多波段、多模式的可编程软件无线电结构,FIRST项目做了大量研究,内容涉及如何提供多媒体业务以及RF硬件和DSP信号处理算法。它建立了4个多模式测试床,两台用作移动台,另两台用作基站,完成了双制式系统的软件无线电试验;而FRAMES项目则对自适应天线在软件无线电中的使用作了认真研究。欧共体的ACTSFIRST项目和美国RUTGERS大学分别进行了针对软件无线电应用于第三代移动通信系统的研究。目前己取得一些重要研究成果,确定了各模块应满足的性能指标。美国哈里斯公司研制成功AN/VRC-94(E)多频段车载收发信机,可与其他电台如AN/PRC-117A和AN/RC-94A互通。美国陆军正在研制新一代三频段的超高频战术卫星通信中断,以实现真正意义上的互通。1.3软件无线电的研究现状和存在的问题软件无线电是用软件实现各种功能的无线电通信设备,因而所有的处理均是针一对数字化信号进行,其理想结果形式如图1所示。对所传送的模拟基带信息,先通过A/D转化为数字基带码,然后由数字信号处理器(DSP)进行处理,实现通信电台的各种功能,最后经宽带D/A变换出符合要求的射频信号。而接收过程也是如此,射频信号经宽带A/D变换为数字码。进入DSP处理,最终由D/A变换为基带信息提供给终端。图1 软件无线电系统体系结构框图软件无线电是与原来由硬件电路构成无线电通信电台完全不同的一种信息处理、传送新体制,也与用软件方式控制的数字无线电完全不同。由于DSP处理能力的制约,在射频完成信息的软件处理,目前是非常困难的。但随着数字式上、下变频技术的发展,已可实现中频数字化、基带DSP的实时处理。这样的结构具有较高的可实现特点,其A/D和D/A转换在中频进行,DSP实时处理在低频进行,数百MOPS的处理能力要求易于满足。并且,随着DSP及DDC、DUC、A/D和D/A技术的发展,数字化频段可向射频段靠近,最终过渡到真正意义的软件无线电系统。1.4论文的基本内容、研究手段和可行性分析1.4.1论文的基本内容第一，滤波器的设计：软件无线电信道处理的关键技术在于获得不同信道的信息,这就要设计不同的滤波器,对数字化FIR滤波器的设计原理和实现方法进行了深入的研究,在其数学模型基础上,利用Matlab软件进行了不同信道参数提取和仿真。第二，基于DSP平台的数字滤波器的实现。在CCS开发环境下,将通过软件编程得到信号初始数据,用DSP汇编语言程序进行运行软件的数据接口,并实现在CCS下的数字滤波,将滤波后的数据通过图形化界面反映出来,以此评估DSP对不同信道的处理效果。1.4.2论文的研究手段根据不同的研究对象拟采用不同的研究手段（途径），本课题包括下面几方面的内容：1.重点分析不同数字滤波器的实现方法，比较优缺点，进行性能对比；2.分析研究TMS320VC5509DSP的体系结构，简单的比较了它和通用处理器的异同，总结出DSP区别于通用处理器的主要性能特点；3.选择一种软件无线电信道处理算法，经MATLAB仿真验证其有效性和可行性；4.设计硬件系统的几个主要模块，选择合适的外围芯片，着重于互相之间的连接方式以及相互协同工作模式。1.4.3论文的可行性分析该系统选择TMS320VC5509芯片为处理芯片，该芯片具有性能（最高可达到200MHz的处理速度）、功耗低、接口多、外设丰富的特点，其良好的开发环境CCS，可以实现各种算法的仿真设计，在此基础上，完成信道处理算法的仿真，并根据选择的算法需求，选择合适的外围芯片，设计硬件平台，在硬件平台上完成软件的设计，经反复调试，使系统指标符合要1.5论文结构安排本论文在论述了软件无线电技术的背景、研究现状、国内外发展状况、以及它的特点的基础上,提出了本课题研究的目的和意义,找出了信道处理技术的关键是在于对不同频带的信号进行接收处理,亦即设计不同的滤波器在通用硬件平台上实现。软件无线电中的滤波运算可以用软件实现,也可以用硬件来实现。软件实现指的是在计算机上执行编辑好的程序。这种方法灵活,但一般不能完成实时处理。硬件实现指的是根据数字滤波器的数学模型和算法,设计专用数字信号处理器,使计算程序全部硬件化。实际上,这两种方法是不能截然分开的。随着计算机技术的发展,数字信号处理技术的应用范围越来越广泛,程度也越来越复扎,因而对于算法及实现的研究更显重要。本文首先选用Matlab,亦即矩阵实验室来实现对所要求的滤波器的设计,然后利用器件对其进行了实现。论文将按照下面的描述进行内容的安排：第一章在分析软件无线电的起源、研究现状以及存在问题的基础上,提出了本课题研究的目的与意义;第二章滤波器的设计。软件无线电信道处理的关键技术在于获得不同信道的信息,这就需要设计不同的滤波器,本章对数字化FIR滤波器的设计原理和实现方法进行了深入的研究,在其数学模型基础上,利用Matlab软件进行了不同信道参数提取和仿真;第三章基于DSP平台的数字滤波器的实现。在CCS开发环境下,将通过软件编程得到信号初始数据,用DSP汇编语言程序进行运行软件的数据接口,并实现在CCS下的数字滤波,将滤波后的数据通过图形化界面反映出来,以此评估DSP对不同信道的处理效果;第四章对并行处理数字滤波器进行了理论研究,提出了由FPGA实现的技术思路,并与DSP的顺序执行情况进行比较,为实时高速的真正意义上的软件无线电研究提供了有益的探索。第五章对两种实现方法进行了总结分析并对今后工作进行了展望。第二章 软件无线电中滤波器的理论与设计软件无线电虽然是一种新型的无线通信体系结论,但它仍然是以现代通信理论为基础的。FIR数字滤波器是指用有限精度算法实现的,完成信号滤波处理功能的离散时间线性非时变系统,其输入是一组由模拟信号取样和量化得到的数字量,其输出是经过变换得另一组数字量。数字滤波器具有高稳定性、高精度、灵活性大等突出优点。在这一章中介绍了软件无线电中信道处理所涉及的一些基础理论,并且针对软件无线电中对不同频段滤波器的需求,给出了滤波器的理论以及它的设计流程。2.1软件无线电中的采样定理软件无线电的核心思想是对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化,将其变换为适合于数字信号处理器(DSP)或计算机处理地数据流,然后通过软件来完成各种功能,使其具有更好地可扩展性和应用环境适应性。所以,软件无线电首先面临地问题是如何对工作频带内的信号进行数字化,也就是如何对感兴趣地模拟信号进行采样,这些既是最基本,但也是软件无线电信道处理技术中最关键的问题,对此进行详细讨论与阐述,为软件无线电研究奠定了理论基础。2.1.1基本采样定理Nyquist采样定理如果对某一时间连续信号(模拟信号)进行采样,当采样率达到一定数值时，那么根据这些采样值就能准确地确定原信号。Nyquist采样定理可以表达如下:Nyquist采样定理:设有一个频率带限信号x(t),其频带限制在(0,)内,如果以不小于角的采样速率对x(t)进行等间隔采样,得到时间离散的采样信号x(n)=x(nT)(其中T=1/为采样间隔),则原信号x(t)将被所得到的采样值x(n)完全确定。上述Nyqulst采样定理告诉我们,如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样,那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。2.2.2带通信号采样定理由于软件无线电所覆盖地范围一般都要求比较宽,例如从0.1MHz到2GHz,作为软件无线电,只有这样宽的频段才能有广泛地适应性,这也是它的最突出的特点之一。但是如此宽的频带采用Nyquist低通采样所需的采样速率至少大于4GHz,目前这是不可能实现的。所以,对于宽频带工作的软件无线电台是无法采用Nyquist采样技术来采样的。而必须采用带通采样,在本文的滤波器设计中也同样采样带通采样。Nyquist采样定理讨论了频谱分布在(0,)上的基带信号的采样问题,而在适用的软件无线电模式,我们从中频开始全数字化,因为有用信号只是占据了整个中频带宽的一部分,所以如果将整个带宽进行采样,不仅数据非常大,而且也包含很多无用信息,我们只需要进行带通采样。带通采样定理:设一个频率带限信号x(t),其频带限制在(,)内,如果其采样频率满足: （2-1） 式中,n取能满足2()的最大整数(0,1,2,),则用进行等间隔采样所得到的信号采样值x(n)能准确地确定信号x(t)。 式(2-l)用带通信号的中心频率场和频带宽度B也可以表示为: （2-2）式中，,n取能满足B(B为频带宽度)的最大整数。由(2-2)可见,当频带宽度B一定时,为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率(B)对带通信号进行采样,带通信号的中心频率必须满足: （2-3）当n取不同的值时，就对应了不同的中心频率，也就是说任何一个中心频率为（n=0, 1, 2,）,带宽为B的带通信号均可以用同样的采样频率=2B对信号进行采样，这些采样均能准确地表示位于不同频段(中心频率不同)原信号。 值得指出的是，上述带通采样定理适用的前提条件是:只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号的混叠。 根据Nyquist信号采样定理的概念，在设计软件无线电滤波器时，就需要考虑到用信号处理器及其软件来对带宽B内位于某一特定信道上的信号进行分析、识别等处理。该软件主要完成数字滤波(可变宽带)以及解调等信号处理任务，这样，就可以通过在软件上加载不同的程序来完成对不同体制、不同带宽以及不同种类信号的接收解调等信号处理任务，这样就对信号环境的适应性以及可扩展性就大大提高了。2.2软件无线电中的数字滤波理论所谓的数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的数字器件。所以，数字滤波器和模拟滤波器实现的功能相同，只是信号形式和实现滤波的方法不同。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有以下优点:精度高，体积小，稳定性好，重量轻，方便灵活，不要求阻抗匹配等。如果使用模数相互转换，就可以使用数字滤波器对模拟信号滤波。2.2.1数字滤波器的分类数字滤波器按照分类方法的不同有很多种，但总起来说可分为两大类。一类称为经典滤波器，即一般滤波器，特点是输入信号中有用频率和希望滤除的频率成分各占不同的频带，通过一个合适选频滤波器达到滤波的目的。但是，如果信号和噪声相互混叠经典滤波器就无能为力，这时就需要现代滤波器。现代滤波器按照随机信号内部的一些统计分布规律，从干扰中最佳地提取信号。如维.纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等。一般数字滤波器从功能上分类，也可以分成低通、高通、带通和带阻等滤波器。理想的数字滤波器是不可能实现的，因为它们的单位脉冲响应均是非因果而且是无限长的。但是这些滤波器可以作为逼近的标准。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即无限长冲激响应(IIR)滤波器和有限长冲激响应(FIR )滤波器。它们的系统函数为：N-1阶FIR滤波器 （2-4） N阶IIR滤波器 （2-5）无限长单位冲激响应(IIR)滤波器有以下几个特点:（1）系统的单位冲激响应h(n)是无限长的;（2）系统函数H(z)在有限z平面()上有极点存在;（3）结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归型的。 但是，同一种系统函数H(z)可以有多种不同的结构,它的基本网络结构有直接I型、直接II型、级联型和并联型四种。有限长单位冲激响应滤波器有以下几个特点:(1)系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零;(2)系统函数H(z)在处收敛,在处只有零点,有限z平面只有零点，而全部极点都在z=0处(因果系统);(3)结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中(例如频率抽样结构)也包含有反馈的递归部分。因为FIR数字滤波器的单位冲激响应是有限长的，所以它永远是稳定的。在数字信号处理的许多领域中，常常需要滤波器具有线型相位，对FIR数字滤波器的冲激响应h(n)施加一定的约束，就可以很容易地做到这一点。由于FIR系统只有零点、系统稳定，便于实现FFT算法、运算速度快、线性相位的特性和设计更为灵活等突出优点而在工程实际中获得广泛应用。在软件无线电滤波器的设计中，也采用FIR滤波器来进行设计与试验。2.2.2数字滤波器设计的基本步骤IIR滤波器的特征是，具有无限持续时间冲激响应。这种滤波器一般需要用递归模型来实现，因此有时也称之为递归滤波器。FIR滤波器的冲激响应只能延续一定时间，在工程实际中可以采用递归的方式实现，也可以采用非递归的方式实现。数字滤波器的设计方法有多种，如双线性变换法、窗函数设计法、插值逼近法和Chebyshev逼近法等等。随着Matlab软件尤其是Matlab的信号处理工具箱的不断完善，不仅数字滤波器的计算机辅助设计成为可能，而且还可以使设计达到最优化。数字滤波器设计的基本步骤如下： （1）确定指标在设计一个滤波器之前，必须首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标。在很多实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作。因此，指标的形式一般在频域中给出幅度和相位响应。幅度指标主要以两种方式给出。第一种是绝对指标。它提供对幅度响应函数的要求，一般应用于FIR滤波器的设计。第二种指标是相对指标。它以分贝值的形式给出要求。在工程实际中，这种指标最受欢迎。对于相位响应指标形式，通常希望系统在通频带中任有线型相位。运用线性相位响应指标进行滤波器设计具有如下优点:1、 只包含实数算法，不涉及复数运算;2、 不存在延迟失真，只有固定数量的延迟;3、 长度为T的滤波器(阶数为N-1)，计算量为N/2数量级。 （2）逼近确定了技术指标后，就可以建立一个目标的数字滤波器模型。通常采用理想的数字滤波器模型。之后，利用数字滤波器的设计方法，设计出一个实际滤波器模型来逼近给定的目标。 （3）性能分析和计算机仿真上两步的结果是得到以差分或系统函数或冲激响应描述的滤波器。根据这个描述就可以分析其频率特性和相位特性，以验证设计结果是否满足指标要求;或者利用计算机仿真实现设计的滤波器，再分析滤波结果。2.2.3数字滤波器的实现方法数字滤波器的实现方法一般有以下几种:第一， 采用加法器、乘法器、延时器设计专用的滤波电路，单片通用数字滤波器(如TDC 1028)使用简单方便，但由于字长和阶数的规格较小，不易完全满足实际需要。虽可采用多片扩展来满足，但会增加体积和功耗，因而在实际中受到一定限制;第二， 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机设计实现;第三， 用通用的可编程DSP芯片实现，DSP处理器是专为数字信号处理而设计的，如TI公司的TMS320CX系列，AD公司的ADSP2IX, ADSP210X系列等。它的主要数字运算单元是一个乘累加器(MAC )，能够在一个机器周期内完成一次乘累加运算，配有适合于信号处理的指令，具备独特的循环寻址和倒序寻址能力。这些特点都非常适合数字信号处理中的滤波器设计的有效实现，并且它速度快，成本低，在过去的20多年的时间里，软件可编程的DSP器件几乎统治了商用数字信号处理硬件的市场。用专用的DSP芯片实现，在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高；第四， 用专用的DSP芯片实现，在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通用DSP芯片很难实现，这种芯片将相应的滤波算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程;第五， 采用FPGA/CPLD设计实现。随着可编程逻辑器件的容量和不断增加速度，实现单片系统集成(System-On-Chip)已经成为可能。利用可编程逻辑器件实现FIR滤波器，由于实现的是硬件并行算法，因此特别适用于某些实时性要求高的场合;在上述几种方法中，第二种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟。第一，四种方法专用性强，应用受到很大的限制。第三，五种方法都可以通过编程来实现各种数字滤波，但是，第三种因有专用的指令来实现滤波运算编程实现容易，而第五种方法编程实现较为困难。2.3 FIR带通滤波器的设计与实现2.3.1FIR滤波器理论设数字滤波器的输入为x(n)、输出为y(n)，冲激相应为h(n)，根据FIR滤波器的系统函数，可知它的数学表达式为: （2-6）在上节中曾提到，数字滤波器可以用两种形式来实现有限冲激响应滤波器(FIR)和无限冲激相应滤波器(IIR)。一般的，数字滤波器h(k)的频率相应可表示为: （2-7）有限冲激响应滤波器FIR是指冲激响应函数h(n)为有限个值的数字滤波器，FIR数字滤波器的频率响应可表示为: （2-8） （2-9）式中，H(w)称为幅度特性,称为相位特性。注意,这里H(w)不同于, H(w)为w的实函数，可能取负值，而总是正值。线性相位是指是w线性函数，即: ， 为常数 （2-10）称满足(2-10)式是第一类线性相位;如果满足下式: （2-11）满足(2-11)式为第二类线性相位。由此，可以推导出满足第一类线性相位的条件是:h(n)是实序列且对(N-1)/2偶对称，即: （2-12）同样，可以推导出满足第二类线性相位的条件是:h(n)是实序列且对(N-1)/2奇对称，即: （2-13）下面分类讨论线性相位FIR滤波器幅度特性。（1）h(n)=h(N-n-1)N为奇数，幅度函数H(w)为: (2-14) 式中，h (n)对(N-1) /2偶对称，余弦项也对(N-1) /2偶对称，可以以(N-1)/2为中111，把两两相等的项进行合作，由于N是奇数，故余下中间项n=(N-1)/2。这样幅度函数表示为: （2-15）令m=(N-1)/2-n,则有： （2-16） 式中 ， ，n=1,2,3, (2-17) 按照(2-15)式，由于式中coswn项对w=0,皆为偶对称，因此幅度特性的特点是对w=0,是偶对称的。（2）h (n) =h(N-n-1),N=偶数，推导情况和前面N=奇数相似，不同点是由于N=偶数，Hg(w)中没有单独项，相等的项合并成N/2项。 (2-18)令m=N/2，则有 （2-19），） 由线性相位FIR滤波器幅度特性，可以得出线性相位FIR滤波器网络结构。设N为偶数，则有:（3），N=奇数，有 （2-20）令m=(N-1)/2-n,则有： （2-21）（4）h(n)=-h(N-n-1),N=偶数，有： （2-22） 令m=N/2-n，则有 （2-23） ，） FIR滤波器通常有直接型、级联型、格型、频率抽样型等几种结构。令h (n)表示滤波器的冲激响应，x (n)表示输入序列，y (n)表示输出序列，则滤波器的输入、输出关系式为: (2-24)由此关系式可画出直接型的基本结构如图2-1所示:线性相位FIR滤波器的单位冲激响应h (n)关于n= (N-1) /2对称，所以可画出线性相位FIR滤波器的直接型结构如图2-2和图2-3所示: F工R滤波器设计任务主要是选择有限长度的h (n)，尽可能逼近传输函数。FIR滤波器的设计步骤一般包括:（1）根据工程设计的要求，确定FIR滤波器的性能指标;（2）根据性能指标，设计出FIR滤波器的单位冲激响应h (n);（3）选择合适的FIR滤波器结构，并利用有限精度数值实现这个滤波器。线性相位FIR:滤波器单位冲激响应h (n)的设计一般采用窗函数法、等波纹法或频率抽样法。2.3.2FIR滤波器的设计方法(1)窗函数法窗函数设计法的基本原理是:从所要求的理想滤波器的频率响应出发，经过傅立叶反变换导出。 （2-25）由于为无限长，为了构造一个长度为N的线性相位滤波器，只有将截取一段，对其进行加窗处理，并保证截取的一段对（N-1）/2对称，以得到满足要求的单位冲激响应h(n)。 （2-26） 其中窗函数w(n)可以有多种形式，常见的有矩形窗、三角形窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗和凯撒窗等。用窗函数设计FIR滤波器的步骤如下:（1）根据技术要求确定待求滤波器的单位取样响应。如果给出待求滤波器的频响为，那么单位取样响应应用式（2-25）求出。 （2）根据对过渡带宽及阻带衰减的要求，选择窗函数的形式，并估计窗口长度N。设待求滤波器的过渡带用表示，它近似等于窗函数主瓣宽度。（3）根据式（2-26）计算滤波器的单位取样响应h(n)。4)验算技术指标是否满足要求。设计出的滤波器频率响应用下式计算: （2-27） Matlab中提供了许多窗函数的设计方法，每种方法Matlab都有之间的设计函数，窗函数设计FIR滤波器的方法的好处是简单、直观和便于理解，本论文下部分就是用的窗函数实现的FIR滤波器。(2)频率抽样法对于所期望的滤波器的频率响应，可以在频域对其进行采样，以此来确定FIR滤波器的H(k)，即令 (2-28)这样设计的滤波器的系统函数为: (2-29)对于线性相位FIR滤波器的H(k)，在设计时还应满足采样值的幅度与相位约束条件。设所要设计的是偶对称的N为奇数的一类线性相位滤波器，则需有: (2-30)其中H( )具有偶对称性质，即: (2-31)如果H(k)也用幅值H和相角来表示，则有 H= H (2-32)根据约束条件，值应为 (2-33)必须满足对称要求，即: = (2-34)对于其它3种情况，幅度与相位有着相应的约束关系。 由频域抽样法设计的滤波器，在每个采样点上，频率响应将严格与理想特性一致，而在采样点之间的频率响应，则是由各采样点的内插函数延伸叠加来形成的，因此，如果各采样点之间的理想特性越平缓，则内插值就越接近理想值，逼近也就越好。 理想的矩形特性经过采样，在通带的边缘由于采样点之间的突然变化引起了频率特性的起伏变化，使阻带衰减减小。在窗函数法中用加宽过渡带来换取阻带的衰减，在这里可以通过选择适当的通带与阻带之间的过渡带的频率采样来达到峰值逼近误差最小。在过渡带的频率采样值以HT表示，究竟取几点，这还要根据实际需要来确定，一般取一、二、三点以后就能得到良好的效果。 由于受N个采样点的限制，滤波器的截止频率不能任意选择，为了能自由选择，就应该增加采样点数N。2.3.3FIR滤波器的Matlab实现FIR滤波器可以用软件实现，也可以用硬件来实现。软件实现指的是在计算机上执行编好的程序。这种方法灵活，但一般不能完成实时处理。硬件实现指的是根据数字滤波器的数学模型和算法，设计专用数字信号处理器，使计算程序全部硬件化。实际上，这两种方法是不能截然分开的。随着计算机技术的发展，数字信号处理技术的应用范围越来越广泛，程度也越来越复扎，因而对于算法及实现的研究更显重要。采用何种语言实现算法更方便，效率更高，对于数字信号处理及其重要。FIR滤波器的软件实现可以选用许多算法语言来完成，例如C语言，Pascal语言等。这里选用的是Matlab语言，其全称是MatrixLaboratory，亦即矩阵实验室。Matlab是一种使用简便，特别适用于科学研究和工程计算的高级语言，它集科学计算，自动控制，信号处理，图像处理，神经元网络和小波分析等于一体。功能强大，与其它计算机语言相比，它的特点是简洁和智能化，具有极高的编程和调试效率，它集成了大量函数数学运算的分析软件，是非常高效实用的。Matlab的数字信号处理工具箱包含了各种经典和现代的数字信号处理技术，所以在实际软硬件模拟系统之前，可以先根据工程实际的需要，选择Matlab中的窗函数来求得滤波器的系数，并编写相应的程序来检验所求得的系数是否符合最终的要求，以此来缩短设计周期，减少工作量，提高设计效率。利用Matlab软件首先对系统做出分析,然后按照功能和信号流向将系统功能拆分为各个功能模块。其设计流程图如下： 在Matlab中提供了一些滤波器的函数，使FIR滤波器的运算更加方便和快速。在Matlab中提供的滤波函数有fir1()，此函数以经典的方法实现加窗线性相位FIR数字滤波器的设计，可以设计出低通、高通、带通和带阻滤波器;fir2()函数设计的FIR滤波器，其滤波器的频率特性由矢量f和m决定，f、m分别为滤波器的期望幅频相应的频率相量和幅值相量。Fir1()和remez的基本格式用于设计第一类和第二类线性相位FIR滤波器，是偶对称滤波器，第一类和第二类的区别在于滤波器的阶数是偶数还是奇数。Firrcos()用于设计具有光滑，正弦过渡带的低通线性相位滤波器。filter()用于实现IIR和FIR滤波器对数据的滤波，常用来计算滤波器对输入的响应。fftfilt()利用效率高的基于FFT重叠相加算法实现对数据滤波，该函数只实用于FIR滤波器。freqz()用于求数字滤波器的频率响应。并且提供了各种窗函数的函数，比如，hamming()是海明窗函数，kaiser()是凯塞窗函数，使在设计的过程中，不用自己重新设计窗函数。 线性相位FIR滤波器通常采用窗函数法设计。窗函数法设计FIR滤波器的基本思想是:根据给定的滤波器技术指标，选择滤波器长度N和窗函数,使其具有最窄宽度的主瓣和最小的旁瓣。其核心是从给定的频率特性，通过加窗确定有限长单位脉冲响应序列h(n)。 假设软件无线电中需要设计一个线性相位带通FIR滤波器指标如下: 阻带截止频率为30MHZ和120MHz;通带截止频率为60MHz和90MHz;阶数为18。根据软件无线电中的带通信号采样定理，在这里取采样频率fs=300MHz,利用Matlab的FIR滤波器的设计函数fir1，可以快速地设计出所需的数字滤波器。这个带通滤波器的设计函数如下: B=firl(N,Wn,bandpass )，表示设计一个N阶(N点)的低通FIR数字滤波器，返回的向量B为滤波器的系数(单位冲激响应序列)。截止频率必须在0到1.0之间，1.0对应于采样频率的一半(以下类同)。Wn是一个包含两个元素的向量，Wn=W1 W2,其通带为W1WW2。根据系统条件和Matlab中的相关函数，求滤波器程序如下:Wn=0.3 0.7;n=18;b=fir1(n,Wn,bandpass);h,f=freqz(b);plot(f，abs(h);xlabel(归一化频率);ylabel(频率相应的幅值);在此程序中,向量b-0,-0.0081,0,0.0193,0,0.0579,-0,-0.2698,0,0.3995,0,-0.2698,-0,0.0579,0,0.0193,0,-0.0081,-0就是所求滤波器的系数，在此设计的是18阶滤波器，所以滤波器的返回系数有19个。而滤波器的幅频特性也可利用分析函数freqz得出，如图2-4所示:2.3.4FIR滤波器的Matlab检验 当求出滤波器系数后，需要对这一通带滤波进行正确性检验，在这里用滤波器对假设信号:Sin(2*pi*75000000*t)+0.5*sin(2*pi*10000000*t)+3*sin(2*pi*18000000*t)滤波(该信号的采样频率为300MHz )，然后观察滤波前后的信号波形图。Matlab试验程序如下:t=0:1/300000000:0.0000001;sig=sin(2*pi*75000000*t)+0.5*sin(2*pi*10000000*t)+3*sin(2*pi*18000000*t);plot(t,sig);xlalbel(时间);ylalbel(幅值);newsig=fftfilt(b,sig);figure;plot(t,newsig);xlabel(时间);ylabel(幅值);运行plot(t,sig);语句运行滤波前的信号时域图，如图2-5所示:此波形为三个正弦波的叠加混合波形。当用函数fftfilt滤波后，运行plot(t,newsig);语句得到滤波后的信号时域图，如图2-6所示:从滤波前后的信号时域图可以看出，只有频率为75MHz的正弦信号Sin(2*pi*75000000*t)通过了滤波器，而频率分别为l 10MHz和18MHz的正弦信号0.5*sin(2*pi* 10000000*t)和3*sin(2*pi* 18000000*t)却被滤掉，这充分验证了所设计的滤波器的正确性。第3章基于DSP平台的软件无线电信道的设计在这一章里，通过运用DSP的集成开发环境CCS，完成了软件无线电中信道处理技术的设计与理论实现，这是本论文的重点研究内容。大部分信号用通用可编程DSP处理,在CCS开发环境下,将通过软件编程得到信号初始数据,用DSP汇编语言程序进行运行软件的数据接口,并实现在CCS下的数字滤波,将滤波后的数据通过图形化界面反映出来,以此评估DSP对不同信道的处理效果。设计流程基本如下：开始DSP初始化将滤波器系数存入存数单元操作数与程序存储器相乘后累加保存滤波结果FIR程序设计流程图3.1DSP芯片介绍在进行DSP系统设计时，选择合适的DSP芯片是非常重要的一个环节。通常依据系统的运算速度、运算精度和存储器的要求等来选择DSP芯片。只有选择了DSP芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，DSP芯片的选择应根据实际应用系统的需要而定。不同的DSP应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对DSP的选择也不同。本论文选择TMS320VC5509芯片为处理芯片，该芯片具有性能高（最高可达到200MHz的处理速度）、功耗低、接口多、外设丰富的特点，其主要优点如下：(1)围绕一组程序总线、3组数据总线和4组地址总线而建立的改进哈拂结构，提高了系统的多功能性和灵活性。(2)具有高度并行性和专用硬件逻辑的CPU设计，提高了芯片的性能。(3)具有完善的寻址方式和高度专业化指令系统，更适应于快速算法的实现和高级语言编程的优化。(4)模块化结构设计，使派生器件得到了更快的发展。(5)采用先进的静态设计技术，进一步降低了功耗，使芯片具有更强的应用能力。(6)采用先进的IC制造工艺，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性能。TMS320VC5509芯片的结构框图如下：芯片图DSP内部一般都有多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘法器(MUL)等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。例如，当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元已经完成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分的准备。因此，DSP在进行连续的乘法运算时，每一次乘法运算都是单周期的。DSP的这种多处理单元结构，特别适用于FIR和IIR滤波器。此外，许多DSP的多处理单元结构还可以将一些特殊的算法，例如FFT的位倒序寻址和取模运算等，这种芯片内部的特殊硬件结构可以提高运行速度。这为软件无线电中不同频率信号的处理提供了保障。3.2基于ccs系统软件实现根据软件无线电信道处理技术的研究步骤，在设计好所需的滤波器后，首先需要在软件上实现。DSP软件编程有其独特性，在这里介绍了其软件编程环境,研究了如何在CCS上实现滤波功能。3.2.1软件开发环境目前DSP的发展趋势是处理器更复杂，更新速度更快，DSP的应用也向多处理器、多通道发展，变得越来越复杂。与此同时，市场对基于DSP的产品需求越来越大，竞争也越来越激烈，因此对开发效率的要求也越来越高。对于开发者，要想在有限的开发周期内充分利用DSP器件的每个MIPS，有效的开发工具至关重要。 Code Composer Studio(CCS)是TI公司推出的一个集成性DSP软件开发工具。在一个开放式的插件(plug-in )结构下，CCS内部集成了以下的软件工具: (1)C54x代码产生工具 (