软件无线电发射机的FPGA实现

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一Leabharlann Baidu 引! 言
软件无线电是近几年在无线通信领域提出的一 种新的通信系统体系结构， 其基本思想是以开发性、 可扩展、 结构最简的硬件为通用平台， 把尽可能多的 通信功能用可升级、 可替换的软件来实现。这一新 概念一经提出， 就得到了全世界无线电领域的广泛 关注。由于它所具有的灵活性、 开放性等特点， 不仅 在军、 民无线通信中获得了应用， 而且还被推广到其 它领域。 3045（ 现场可编程门阵列）是上世纪 %# 年代 收稿日期： )##+ $ #% $ ))
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! !""# 年第 $ 期 式中 " # （ $ % $&’ ）( $) * + ,， ! # )- . 。 用 /0"102 模拟上述的成形滤波器， 考虑到资 源占用和逼近程度， 采用了 3) 阶、 系数宽度为 $4 567 的 89: 滤波器。考虑到成形滤波前还需 . 倍插值， 采用了插值器的多相滤波结构， 其结构图如图 + 所 示。
! !""# 年第 $ 期 文章编号： "##" $ %&’( （ )##* ） #+ $ #")+ $ #*
研究与开发
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软件无线电发射机的 %&’( 实现
邵善友， 杨家玮
（ 西安电子科技大学 信息科学研究所， 陕西 西安 ,"##," ）
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摘! 要： 本文以软件无线电理论为指导， 以 ! - + ./012 调制为特例， 重点介绍了软件无线电发射机 数字信号处理部分在 3045 上的实现， 主要包括数据映射、 成形滤波、 676 插值滤波和 869 等。在设 计上使用了基于多相滤波和单 :56 的成形滤波器及高效 676 插值滤波器， 使性能和资源占用率获 得了较好的突破。与专用芯片相比， 用 3045 实现的软件无线电发射机更具灵活性。 关键词： 软件无线电； 发射机； 现场可编程门阵列； 多相滤波； 676 插值滤波器 ! - + ./012 调制； 中图分类号： ;8%’! ! 文献标识码： 5
图 3! 基于内插的软件无线电发射机
三、 软件无线电发射机的 %&’( 实现
0 ) 调制映射的实现
调制映射是指把串行比特流映射到星座图上的 相位点， 包括串并变换、 相位字累加器、 延迟单元和 一个 DE$ 查找表。其中相位累加器的前端输入数
图 0! 软件无线电发射机的基本组成
据宽度为 " F?:， 其值可为 //0 、 /00 、 0/0 或 000 ， 它是 由串并后的两比特数据决定。由编码规则可知， // 对应 //0 ， /0 对应 /00 ， 00 对应 0/0 ， 0/ 对应 000 。将 累加器输出的 " F?: 数据延迟 0 个码元周期与前端 输入相加， 并把累加器的输出作为 DE$ 的地址线， 通过读取 DE$ 里事先存好的 ’、 B 值， 即达到映射的 目点。 上述映射方法适用于所有的数字调制， 改变的 只是累加器的位数、 DE$ 的深度和内部的 ’、 B 值。 （"） 若调制方式为绝对调制， 即一个星座点固定对应一 个数据时， 则去掉累加器和延迟单元， 仅用串并后的 数比特作为 DE$ 的地址线即可。
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图 3! 基于单 /0C 的 89: 滤波器实现框图
二、 软件无线电发射机数学模型
软件无线电发射机是软件无线电两大组成部分 之一， 它的主要功能是把需发射或传输的用户信息 经基带处理上变频， 调到规定的载频上， 再通过功率 放大后送至天线， 把电信号转换为空间传播的无线 电信号， 发向空中或经传输介质送到接收方的接收 端， 由其进行接收解调。其基本组成如图 0 所示。 本设计要做是用 5+#% 实现其中的基带调制和上变 频部分。
功能电路时， 可以让人们的思路从传统的以单片机 或 .10 芯片为核心的系统集成型转向单一专用芯 片型设计。3045 技术的发展使单个芯片上集成的 逻辑门数目越来越多， 实现的功能越来越复杂， 人们 通过硬件编程设计和研制 5176 ， 可以极大地提高芯 片的研制效率， 降低开发费用。 基于上述优点， 用 3045 实现软件无线电发射 机， 不仅降低了产品成本， 减小了设备体积， 满足了 系统的需要， 而且比专用芯片具有更大的灵活性和 可控性。在资源允许下， 还可以实现多路调制， 并能 对每一路发射信号的幅度和相位进行细调， 这也是
［ +］ /0C 的 89: 设计方法。其实现框图 如图 3 所示。
图 +! . 倍内插器的多相滤波结构
! ! 由图 + 可见， 数字滤波位于内插器之前， 即数字 滤波在提速之前进行， 这对降低数字滤波的实时性 ） 阶数只 要求很有好处。另外， 分支滤波器 （ :（ ; <） 有原来的五分之一， 有利于提高运算精度， 降低对字 长的要求。 将原有的 3) 个滤波器系数分成 . 组， 得= （ .> ， 其中 ) , > ,@ ， ) , ; ,3 。由多相滤波的公式 ? ;） 推导可知 :（ # = （ .> ? ; ） ，) , > ,@ ， ) , ; ,3 。 ; >） 由于这 . 个分支滤波器的结构完全相同， 故只需编 写一个分支滤波器的程序， 其它的只要重复调用即 可。后面的插值和延迟单元相当于一个多路选择开 开关选择的 关， 其选择速率为输入数据速率的 . 倍， 顺序是从 :（ 到 :（ 、 :（ 、 :（ 、 :（ ， 再 3 <） + <） ’ <） $ <） ) <） ， 循环得到 . 倍于输入速率的输出数据。 到 :（ 3 <） 上述的选择开关用简单的状态机即可以实现， 难点 是分支滤波器的设计。 为什么 分支滤波器也就是普通的 89: 滤波器， 说它难设计呢？原因在于分支滤波器的个数较多， 是影响资源占用的关键因素， 因此必须尽可能地降 低单个分支滤波器所需的资源。89: 滤波器的设计 方法很多， 但都是各有优缺点。以本设计中用到的 A 阶系数不对称的 89: 滤波器为例， 基于全并行的 乘累加实现方法需 A 个乘法器和 @ 个加法器， 占用 资源很大， 它的优点就是速度快， 单个时钟周期就能 （ 分布式算法） 的 89: 滤波 输出一个结果。基于 B0 再由相应 器实现方法把传统的 /0C 重新分别求和， ・ $’4・ 子。 根据 M 变换的定义， C9C 滤波器的 M 变换为
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号的带外辐射， 在同相和正交支路上还分别增加一 个具有线性相位特性和平方根升余弦幅频特性的低 通滤波器。另外， 为了使产生的基带信号与后面的 采样速率相匹配， 在进行正交调制前还必须通过内 插把低速的基带信号提升到采样频率上， 整个实现 过程如图 3 所示。
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的二次幂加权并累加，2 （ 输入数据的位宽） 个时钟 周期输出一个结果， 在位宽 2 较小而阶数较大时优 势比较明显， 但所需的 1D" 较大。还有就是所用的 位移寄存器实现起来也较费资源。基于单个 /0C 的 89: 滤波器实现方法只需要一个乘法器和一个累 加器， 资源占用很少， 但当阶数较大时对时钟速率要 求很高， 为输入数据速率的 E （ 滤波器阶数） 倍。 由于本模块对资源要求较高， 而速率要求相对 较低 （ $&’ ( A ;F<） ， 且本设计使用了插值器的多相 滤波 结 构， 使 系 统 先 滤 波 后 插 值， 故选择基于单
3 ) 成形滤波器的实现
［ A］ 根据 +,- 空中接口 D&D -(1 C 3. 协议 ， 其
! ! 众所周知， 任何一个无线电信号可表示为 ! （ "） # $ （ "） 678 ［ 3 ! %/ " & ! （ "） ］ （0） 式中， （ 9 :） 、 （ :） 分别表示该信号的幅度调制信息 " 和相位调制信息， ;/ 为信号载频。 对式 （0） 进行数字化， 可得： ! （ ’( ) ） # $ （ ’( ) ） 678 ［ 3 !%/ ’( ) & ! （ ’( ) ） ］ （3） 式中， ( 8 < 0 = ; 8 为采样间隔。 式 （3） 通常简写为 （ ’） ］ ! （ ’） # $ （ ’） 678 ［ "/ ’ & ! 取值 / > ! （ 实信 式中， #/ < 3 !;/ ( 8 为数字角频率， 号） 。 进行正交 为便于进行信息调制， 通常把式 （"） 分解： ! （ ’） # （ * ’） 678 （ "/ ’）& + （ ’） 8?@ （ "/ ’ ） （A） 式中， （ ’ @）< （ 9 @） 678" （ @） ， B （ @）< C （ 9 @） 8?@" （ @） 。 ’ @） 、 B 调制的方 法 是 先 根 据 调 制 方 式 求 出 （ （ @） ， 然后分别与两个正交本振 678 （ #/ @ ） 、 8?@ （ #/ @ ） 相乘并求和， 即可得调制信号。但为了抑制已调信
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! !""# 年第 $ 期 实现 "# 智能波束跟踪算法的基础。 本文在设计上使用了基于多相滤波和单 $%& 的成形滤波器和高效 &’& 插值滤波器， 充分考虑了 性能和资源占用率的关系， 并用 $%()%* 仿真出各 模块最佳的输入输出位数， 从而实现了资源占用最 少而性能最佳的目的。整个设计利用安立公司的 +,- 专用测试仪 $(../0& 对其频谱、 眼图、 星座图 和其它各项发射指标进行测试， 均达到或超过专用 (-+ 芯片 %1223" 的效果4
调制的成形滤波器的幅频特性如式 （G） 所示：
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