软件无线电习题课ppt

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S2
Y
S3
S1
X
N个距离测量结果、已知基站位置坐标、信源 坐标三者的数学关系为可表示为一个方程组:
距离定位系统
距离定位系统的特点:
精确测量 ,信源和基站的时钟必须严格同步 定位精度依赖于系统的几何结构。
距离和定位系统
利用多个基站接收机的距离和测量结果,寻找 多个椭球面的交点,从而移动用户定位:
软件无线电技术 习题课
11
作业一
作业一
设计一个软件无线电收音机,要求:
射频低通采样,输入为中波AM和调频FM,输出为 89.4MHz上对应的调制信号; 画出系统框图,给出主要参数,设计高效的抽取结 构。
应用背景
两种类型无线电广播:
调幅(AM)广播
长波: 150~415 KHz; 中波: 525~1605 KHz 短波: 1.6~26 MHz 超高频频段(VHF):我国FM广播波段87~108 MHz
S2
R2
S1
R1
移动用户 (x,y,z)
R3
S3
距离差定位系统
距离差Rij与基站接收机间的TDOA(波达时 间差)关系为: N个距离和测量结果、已知基站位置坐标、信 源坐标三者的数学关系为可表示为一个方程组: 信源位置可由3个或更多的双曲面交点确定。
距离差定位系统
距离差定位的优点:
TDOA法的优点 TOA法:精确知道信源发射时间 无需信源和接收机间保持严格的时钟同步 能够消除或减小接收机普遍存在的时延误差
通带截止频率:fc=540K 阻带起始频率:fa=1024K 通带/阻带纹波系数均为:0.001 Kaiser窗函数
则滤波器的阶数N为:
数字下变频
多相滤波结构实现低通滤波器:
滤波器的阶数取为48 分为3相,则每相支路的滤波器的长度减少为16个
数字下变频
数字下变频器原理框图
cos(ω0 n)
LPF 3
K
z 1
2048
EK 1 ( z2 )
YK 1 ( z 2 )
π 2
3π 2
f1 / 2048 (K
3
作业三
作业三
阐述智能天线用于移动通信系统用户定位原理 和系统结构。
应用背景
智能天线的高分辨能力和强抗干扰能力 蜂窝移动通信系统:确定移动台所处的小区 通过两个或多个基站联合处理的智能天线系统 可将用户终端定位到一个较小区域,定位精度 更高 美国联邦通信委员会(FCC):要求有无线紧 急呼叫的功能,并且可达到125m的定位精度。
,则
各级抽取前的信号采样率不同,因而HB滤波器阶 数也不同,第m级HB滤波器输入信号的采样率为: 过渡带为: 设整个多级HB滤波器的纹波系数为 级纹波系数为 ,则每
数字下变频
使用Kaiser窗,各级HB滤波器的阶数为:
求得:
数字下变频
HB滤波后的信号速率为:fs3=2M/8=250K 信号的频谱为:
信道L1
(信道L1) 定位信息
定位算法
(信道LM) 定位信息
N
模拟 前端
A/D
定位算法
信道LM (信道L1) 定位信息
(信道LM) 定位信息
DOA估计算法
四类:
传统法:延迟-相加法、Capon法; 子空间法:MUSIC法、 ESPRIT法 最大似然法 综合法
H ( e jω )
x(t )
f (MHz)
0
108
125
ADC与采样频率选择
根据低通采样定理,采样频率应为fs≥2fmax fs = 250MHz > 2×108MHz ADC采样后的频谱为:
A/D
x(t )
x(n)
X (e jω )
150 KHz
250
8 9.4
0
(0.72π)
89.4
(1.28π) (2π)
0
(0.72π)
89.4
ω0 = (89.4 250) 2π = 0.72π
fs (1.28π) (2π)
166.6
数字下变频
NCO产生的本地载波信号频谱: 0 = 0.72π ω
cos(ω0 n)
1 2
fs
0.72π 0 0.72π
fs (2π)
ω
sin(ω0 n)
fs
0.72π
1 2
定位信息 (信道11) (信道1M) 定位信息 信道11 (信道11) 定位信息
1
模拟 前端
A/D
定位算法
(信道1M) 定位信息
信道1M
解调器 定距定位 信道 分离 N 信道L 多波束 形成 TOA/TDOA 估计 TOA/TDOA 估计 解调器 多通道/多波束形成 软件无线电接收机 定位算法 信道1 DOA估计 定位算法
多相滤波器组设计
侦察频率范围的信道参数:
X ( e jω )
1 0.5 O 0.5 1
f1 (KHz )
侦察有无信号,信号略有损失
多相滤波器组设计
X ( e jω )
滤波器
参数设计:
通带截止频率: 阻带起始频率: 通带/阻带纹波系数:
0.25 0.75
f1 (KHz)
滤波器阶数N为:
π 3π 4096 4096
FM:
问题分析
可接收中波AM和FM信号(0.5M~108MHz) 基于射频低通采样结构; 输出89.4MHz的FM信号; 采用高效的抽取结构
系统原理框图
模拟 前端
A/D
数字 下变频
基带解 调算法
D/A
模拟 输出
软件无线电收音机的原理框图
模拟前端
放大、滤波、动态范围调整
模拟前端 LNA AGC LPF
调频(FM)广播
频道划分:
AM:频道间隔:9 KHz; FM:频道间隔:200 KHz,信号带宽为150 KHz
应用背景
AM和FM广播的特点:
AM:
传播距离远,覆盖面积大,电路简单,价格便宜; 抗干扰能力差,信号带宽窄,音质较差。 抗干扰能力强,带宽宽,音质好; 覆盖范围小,接收质量受建筑物或其它地物遮挡影响
通带截止频率:基带调制信号的最高频率75KHz 阻带起始频率:125KHz Kaiser窗,通带纹波、阻带纹波:0.001
则滤波器的阶数N为:
数字下变频
高效抽取结构数字滤波器设计
分级 CIC和HB D=fs/(2fa): 分级抽取: 抽取结构:3级CIC和3级HB级联抽取
抽取因子D的选择:
数字下变频
通过测量波达时间(TOA)来测量手机和一组基 站间的绝对距离,而对手机用户进行定位。
测量手机和基站间信号传播的波达时间(TOA): 计算手机用户和基站间的传播距离: 利用多个基站接收机的距离测量结果,寻找的球面的公 共交点进行定位
距离定位系统
定位原理示意图:
Z
移动用户 (x,y,z)
R1
R3
R2
ω
X B Q(e jω )
0.56π
2π 1.44 π
1.28π 0.72π
0
0.56π
0.72π
1.44π 2π
1.28π
ω
数字下变频
低通滤波后得到的基带信号频谱
X B I ( e jω )

0

ω
X B Q ( e jω )

0

ω
数字下变频
考虑所设计的低通滤波器指标为:
xI (3n)
x(n)
~
LPF 3
xQ (3n)
sin(ω0 n)
数字下变频
3倍抽取后侦察信号的频谱:
多相滤波器组
各信道为间隔均匀的1KHz窄带信号 侦察频率范围内的信道数为1080个, 多相滤波器输入样本速率为:2048KHz 取D为2048,多相滤波器组的通道数K为2048, 利用均匀滤波器组的整数频带抽取
X B I ( e jω )
π
3π 5
0
3π 5
π
( f s 3 2)
ω
X B Q ( e jω )
π
0
π
( f s 3 2)
ω
数字下变频
I、Q支路信号叠加后的结果:
X B ( e jω )
π
3π 5
0
3π 5
π
( f s 3 2)
ω
解调、DAC、模拟输出
恢复原始的音频调制信号
最终系统原理框图
CIC滤波
非2的幂次方抽取,无乘法运算; 级联:有效降低CIC滤波器的旁瓣电平
数字下变频
CIC滤波后的信号频谱,抽取125倍后,采样 率变为fs1=2MHz
数字下变频
CIC滤波后的信号频谱:
数字下变频
HB滤波:
H ( e jω )
1 1/2
0
ωC
π 2
ωa
π
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ω
数字下变频
HB滤波器设计:
信号带宽可表示为:
S2
R2
S1
R1
R3
移动用户 (x,y,z)
S3
距离和与基站接收机间的TOA关系为
距离和定位系统
N个距离和测量结果、已知基站位置坐标、信 源坐标三者的数学关系为可表示为一个方程组:
信源位置可由3个或更多的椭球面交点确定。
距离差定位系统
利用多个基站接收机的距离差测量结果得到的 相交双曲面而对信源定位。 TDOA估计将信源的可能位置限制在以接收机 为焦点的旋转双曲面上。
166.6 250
f ( MHz)
数字下变频
原理框图
f 0 = 89.4MHz
NCO
cos( ω0 n)
LPF D
xB I(n / D)
xB Q(n / D)
x(n)
sin(ω0 n)
LPF D
数字下变频
ADC采样后的数字信号x(n)的频谱
X (e jω )
150 KHz
f (MHz)
fs
8 9.4
0 0.72π
fs (2π)
ω
数字下变频
搬移后的I路信号的频谱:
X (e jω )
150 KHz
1 2
f (MHz)
fs
8 9.4
0
(0.72π)
89.4
166.6 f s (1.28π) (2π)
fs
0.72π 0 0.72π
fs (2π)
ω
X B I ( e jω )
2π 1.44 π
0.56π 0.56π
1.28π 0.72π
0
1.44π 2π
0.72π
1.28π
ω
数字下变频
搬移后的Q路信号的频谱:
X (e jω )
150 KHz
1 2
f (MHz)
fs
8 9.4
0
(0.72π)
89.4
166.6 f s (1.28π) (2π)
fs
0.72π
0 0.72π
fs (2π)
问题分析
定位原理 系统框图
定位系统分类
定向系统: 定距系统:
距离定位系统 距离和定位系统(椭圆型定位系统) 距离差定位系统(双曲型定位系统) 定向:DOA估计 定距:TOA和TDOA估计
技术基础:
定向系统
通过测量信源信号的DOA,来估计移动用户的位置。
S1
移动用户
S2
S3
距离定位系统
则每相滤波器的长度为N/D约为8
多相滤波器组的原理框图
Y0 (e jω )
原理框图
2048
1
X ( z1 )
E0 ( z2 )
Y0 ( z 2 )
π 2
3π 2
z
f1 / 2048 (K
2048
E1 ( z 2 )
Y2 ( z 2 )
2048点 DFT 2 π
W* = e
j
YK 1 (e jω )
f 0 = 89.4MHz
NCO
cos( ω0 n)
模拟前端 LNA AGC LPF A/D CIC HBF
sin(ω0 n)
CIC HBF
FM 解 调 算 法
D/A
LPF
PA
扬声器 输出
2
作业二
作业二
设计一个软件无线电侦察接收机,要求:
频率范围525 KHz ~1605 KHz 频率分辨力1.0 KHz。
f (KHz)
-1605 -1065 -525 O 525 1065 1605
频率分辨力为1.0 KHz,则最少存在1080个信道
X ( e jω )
0#
539#
1079 #
1# 2#
f (KHz)
-1605 -1065 -525 O 525 1065 1605
系统原理框图
基于多相滤波器组的信道化接收机原理框图
应用背景
无需专用设备对整个频段进行搜索或监视 全概率信号截获 适合处理持续时间很短的“突发”通信信号、 调频通信信号等 实现基础:采用多相滤波器组的信道化接收机
问题分析
侦察范围:525 KHz ~1605 KHz,接收机的处理带宽: X ( e jω ) 1.08MHz;
Bs = 1080KHz Bs = 1080KHz
抗混叠滤波器特性
侦察信号的中心位置为:f0=1065KHz 通带截止频率:fc=1605KHz 阻带起始频率:fa=2089KHz
X ( e jω )
f (KHz)
O 525 1065 1605 2089
ADC与采样频率选择
根据低通采样定理,采样频率应为fs≥2fmax fs =6144KHz> 2×2089KHz
当前移动通信定位系统的主流技术
智能天线定位系统的原理框图
基于多通道/多波束形成的软件无线电智能天 线结构(P163) 对其进行改造,可实现定向定位、定距定位以 及联合定位
多通道多波束形成智能天线结构
具有定位功能的智能天线框图
定向定位 定位算法 信道1 DOA估计 定位算法 解调器 定距定位 信道 分离 1 信道1 多波束 形成 TOA/TDOA 估计 TOA/TDOA 估计 解调器 定位算法
数字下变频
将整个侦察频段的中心搬移到零频率位置:
X ( e jω )
0#
539#
1079 #
1# 2#
f (KHz)
-540 O 540 1024
fc=540K,fa=1024K,fs=6144K=6fa,因此可先通过 抽取降低处理信号的采样速率,抽取因子D为:
数字下变频
低通滤波器的设计:
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