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1、无线电信号频谱监测的多DSP模块设计与实现.txt用快乐去奔跑，用心去倾听，用思维去发展，用努力去奋斗，用目标去衡量，用爱去生活。钱多钱少，常有就好！人老人少，健康就好！家贫家富，和睦就好。 本文由sail_avalon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。 北京工业大学 硕士学位论文 无线电信号频谱监测的多DSP模块设计与实现 姓名：张晶 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：曹小秋 20050501 摘要 摘 要 随着无线通信技术的发展，频谱资源也变得越来越紧张。为了提高频谱资源 的利用率，维护控制通道的畅通，对无线电信号进行频
2、谱监测就成为了必要。近 年来，随着软件无线电技术的发展，监钡水平取得了很大进步。但对于频段覆盖 范围较宽（）、扫描速度快（以上），并具备快速全频段实 时频谱显示和记录的无线电监测接收设备，目前我国尚不能生产，国内现在已经 进口的宽频段监测接收机一般也只能进行低速扫插，无法满足实际的要求。从少 数发达国家进口，不仅价格昂贵，往往需要几十万美元，而且还要受到对方的出 口限制，甚至技术封锁。 本课题涉及的宽带数字化监测接收机在原有窄带数字化监测接收机 的基础上进行改进，增大频谱扫描的步进长度，提高监测的效率。从 前面板上引出宽带中频信号，对其进行大步进扫描，得到的数据量大，要求的实 时性高，对后端的
3、模块提出了很高的要求，这就需要后面的数字信号处理 部分就要做相应改动，另做套适用于宽带扫描的快速数字信号处理方法。 本文作者在对软件无线电技术做了深入研究的基础上，提出了对中频数字信 号进行中频处理，基带处理，信号识别等一系列处理模块，可基本完成本项目对 模块提出的要求。 本文首先对总体的运算量做了整体估计，并对信号处理流程做了讨论。通过 比较、以及专用的优缺点，最后作者采用公司的高 性能数字信号处理器。是系列中的 一款，具有工作频率高、浮点运算能力强大、高速度数据吞吐量以及大容量的片 内存储器的特点，并且片内有专门的解决通信算法的运算单元，可直接进行 译码，非常适合于软件无线电领域。本系统首
4、先对收到的中频数字信号进 行数字下变频（西 ），并进行基带滤波（ ）， 得到两路正交信号、。分别对、两路信号进行处理，最后得到感兴趣的信 息。在该算法的实现过程中，作者用了大量实验、仿真等手段为辅助，并在 上进行调试。本文给出了在环境下进行多片 处理器联调的过程和方法。最后，作者对编程过程中的程序优化提 出了一些方法。 关键词：监测接收机；软件无线电；多处理器 出 ， ， ， ， ， （ ）， （ ） 一 ， ， （ ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ；一； 卜 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特
5、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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 器名 日期 州 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印，缩印或其它手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名 秽、晒 导师签名 澎讯 日期： 兰！： 第章绪论 第章绪论 课题背景 本课题研究的总线监测接收机
6、用于无线电频谱监测，可以对目前用于 无线电通讯的频段范围进行快速扫描监测，为无线电管理提供技术手段，也可 以用于电子战等军用领域。 无线电频谱涵盖从到的电磁辐射频段。频谱提供了无线电 广播和电视广播、以及微波和卫星链路使用，它们传送长途电话、传真、用户 电报和数据通信。它们还用于移动通信、蜂窝业务和寻呼公司，商业航空公司， 出租车和货运公司，拖船公司，新建传送代理公司，建筑和房地产承包公司， 石油勘探和公用事业，以及农场和零售商等。这些都有赖于专用通信系统有效 的频谱管理【。科学高效的频谱管理对确保各种无线电频谱及静止卫星通信网络 在全球范围内共用，而不产生相互间的有害干扰起着至关重要的作用。
7、 频谱监测是频谱管理的基本手段。频谱监测可以确保遵守规定的无线电通 信系统的技术参数、特性及标准，合理、高效地使用无线电频谱、静止卫星轨 道和无线电通信网络的最佳性能。频谱监测技术不同于无线电通信网络，在大 多数情况下，它是在非最佳环境中及未知环境中进行工作的。 尽管我国无线电频谱监测技术水平已经有了很大发展和进步，但对于频率 覆盖范围宽（ ）、扫描速度快（以上）并具备快速全频段实 时频谱显示和记录的无线电监测接收设备，目自我国尚不能生产，国内现在已 经进口的宽频段监测接收机般也只能进行低速扫描，无法满足实际的需要。 从少数发达国家进口不仅价格昂贵，往往需要几十万美元，而且还要受到对方 的出口
8、限制，甚至技术封锁。 针对国内这一现状，本课题所涉及的宽带数字化脓测接收机具有高灵敏 度、频段宽、互调要求小、宽中频带宽、可快速自动频谱扫描等优点，在频谱 监测领域具有广阔的应用前景，非常适合移动和自动监测站使用。 软件无线电技术的发展、应用与结构 软件无线电是指用软件定义的、能实现多种功能的无线电通信系统，主要 是为了解决不同通信系统的互通性。基本思想是，以硬件作为其应用平台，把 尽可能多的无线及个人通信的功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新 产品的开发逐步转移到软件上来，其产值也在软件上体现出来。其最终目的是 使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下， 北京
9、业大学工学硕士学位论文 通过软件来实现各种功能，使得系统的改进和升级都非常方便、代价小，不同 系统间很容易互连与兼容【】。 软件无线电最初起源于军事研究。年月，公司的 在美国国家远程系统会议上首次作为军事技术提出了软件无线电（ ，简称为）的概念，希望用这种新技术来解决三军无线电台 多工作频段、多工作方式的互通问题。从此，对软件无线电的研究在全球范围 内迅速展开。 软件无线电区别于传统的数字通信的关键是用通用的可编程器件代替了 专用的数字硬件，使通信系统摆脱了系统结构的束缚，通过软件的更新或升级、 加载新的软件模块，增强了系统的灵活性、通用性，使不同通信系统问的互联 和兼容更为方便。 由于软件无
10、线电具有现有无线电体制所不具备的许多优点，它有着广泛的 应用前景。目前，软件无线电在国外发展迅速。年，美国国防部已完成 “计划”三期工程的开发，并在电子战领域得到应用。系 统的目标是使一个波形可编程的多频段多模电台能同时处理不同频段的信号波 形（包括从到等），能兼容美军以上的电台的通信制式，组网 方式，调制方法，占用多种不同频段。该电台采用双总线结构（总线，高 速数据总线）、多频段天线等技术，使用通用可编程（多芯片 组），频率覆盖范围，能同时处理种以上的不同 调制波形。 近年来，软件无线电技术已经迈向了民用领域。由于现有多种移动通信体 制的存在，在第三代移动通信系统的发展过程中就存在多频段、多
11、模式兼容的 问题。年，欧洲举荐将软件无线电应用于通用移动通信系统（） 中。在欧洲的 项目中，将软件无线电技术应用于设计多频多 模（可兼容、及现有的大多数模拟体制）可编程手 机。它可自动检测接收信号，接入不同的网络，而且能满足不同接续时间的要 求，具有高度的灵活性。 我国对软件无线电技术也相当重视，例如我国提出的是一种同步 的直接扩频（码分多址）技术，它结合了智能天线、软件无线电及全质量话 音压缩编码技术等通信新技术。另外，在“九五”和“十五”项目和“”计 划中都将软件无线电技术列为重点研究项目。 软件无线电主要由天线、射频前端、宽带转换器、通用和专用数 字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电
12、的天线一般要覆盖比较宽的频段， 要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。射频前端在发射时主要完 成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频等功能。 第荜绪论 对于转换器要求有足够宽的工作频带，较高的采样率，而且要有较高的 转换位数，以提高动态范围。数字化后的处理任务全有承担。通用主 要完成各种基带信号处理，例如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自适 应均衡算法的实现等，还要完成经信源编码后的前向纠错（）、帧调整、比 特填充和链路加密等算法。 软件无线电的结构基本上可以分成三种：射频低通采样数字化结构、射 频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。 课题简介 本
13、监测接收系统的目的是以公司的设备为基础，接收全频段（ ）信号，开发出能基本满足国际电联要求和用户需要的频谱监测系统。 系统由一个主控站和一个车载移动站组成，并可根据需要扩充固定站和移动 站，主控站与移动站之间采用无线信道传输控制指令和监测数据，如图卜【。 图卜监测接收系统组成框图 主控站采用接收机、和一钡向机和高性能的个人计算机，配 合监测天线和定向天线，主站可独立完成国家无委和国际电联（）要 求的频谱监测任务，监测频率范围为，监测内容主要有信号频率测 量、带宽测量、调制方式测量、信号调制度和频偏测量、频率占用度测量、信号 监听等。用图形化人机接口界面显示各种测量结果并可对接收机、测向机和移动
14、 站进行控制。结合发射台站数据库和实时监测数据，可检测和判断非法发射、违 规发射和故障发射。通过机箱槽控制器和接口，可对一接收 机和钡向机进行设置，并得到信号的频率、场强、调制方式、频谱分布 北京工业人学丁学硕士学位论文 和方向，通过这些数据和计算，可以得到除信号调制度外满足国际电联（） 要求的大部分数据。 本系统由于监测的频带范围宽，调制方式多样，识别及解调算法复杂，所 以应用软件无线电技术对其软件模块进行处理。 软件无线电技术要求数字化尽量靠近天线。目前商用转换器还不能 达到射频直接数字化的要求，因此在监测接收机系统中采用宽带中频数字化方 案。接收机主要由五部分组成：天线、射频模块、中频数
15、字化、数字信号处理 模块和控制器，硬件框图如图一。 天线接收全频段射频信号（）。射频模块采用美国 公司的接收机，它是符合标准的模块化仪器。接收 机作为消息基的从机，通过总线与外界通信。射频中频（）转 换模块由两级混频完成，二次混频后得到中频点、带宽的宽 带中频信号，其调谐时间非常短，般小于。通过对接收机的中频输 出进行宽带数字化处理，可以达到大步进快速频谱扫描和大概率信号截取，这 是因为该系统的中频数字化带宽取为。全景频谱扫描时步进频率间隔就 小于等于，如果以每秒个中频带宽以上的扫描速度进行扫描，理论 上扫描速度可达到 。那么以这么高的速度进行扫描完全可以捕捉到 短时信号和一些跳频信号。 ！煳
16、兰陶蟮 图卜采用技术的宽带监测接收机硬件框图 监测接收机的性能主要取决于的性能。部分采用带通采样，采样 率为，位宽，经查表，此类最大处理带宽为。 为了防止频谱混叠，在前端须放置一个抗混叠滤波器，经计算其最佳带宽 钔。经过采样，相当于过了一个混频器，中心频率下移， 第章绪论 搬移后的中频点为 一 （） 带宽不变。从转换器出来的信号经过一级缓冲，进入进行处理。 宽带处理对数据传输和数字信号处理能力提出了很高的要求。普通商用计 算机特长不在于数字信号处理，并且将数据传输到总线外部的计算机也将 消耗总线传输带宽。因此需要研发数字信号处理（）模块进行数字信号 处理，这些处理包括中频及基带处理、谱分析、测
17、量信号频率和场强、调制分 析等。 为了与现有系统有很好的协同工作能力，高速模块、数字信号 处理处理模块应作为一个独立信号采集处理模块接到总线上，也作为 一个仆从机工作，其命令机与一样是零槽控制器，由控制它与 协同工作。考虑到灵活性，本系统采用独立模块设计，信号处理模块受 机直接控制。 本文研究内容及结构 在移动台监测站和主控台检测站中，有一定数据处理能力的监测接收机是 频谱监测的核心设备。本文主要讨论监测接收机中的数字信号处理模块，即在 采样模块后，频谱监测功能的实现。 监测的内容包括： 信号频率及带宽的测量 调制方式的测量（，等） 信号调制度、频偏的测量 信号监听 图形化人机接口界面 这些功
18、能皆由基于的软件实现。当信号到达数字信号处理模块时，达 到的性能参数是： 信号中频点： 中频数字化带宽： 频率分辨率： 监测信号灵敏度：一 ? 监测信号饱和值： 无交调瞬时动态范围： 模拟噪声系数： 扫描速度： 北京工业大学工学硕士学位论文 本文主要探讨监测接收机中多处理模块的设计与应用，宽带监测接收 机的中频信号处理数据量大、实时性高，这样，对芯片提出了很高的要求， 实际中可以结合使用、以及一些专用的来完成这部分功能。 第二章详细介绍了项目整体算法的流程，包括各个模块的设计与划分，并 以此为依据初步对算法傲了运算量的估计，提出每个模块的解决方案，特别是 对窗长的划分做了详细讨论。最后就各种芯
19、片的特点，对几种芯片做了性能上 的比较，并对本项目使用的芯片进行了选择。 第三章介绍了数字正交变换的原理与实现途径，并讨论了软件无线电算法 中下变频模块的必要性。然后，在该模块中介绍了下变频模块如何在上实 现，其中一些参数如何在上仿真得到。最后，给出了该算法的结果， 并计算出实际消耗的时间。 第四章提出了在 上用汇编语言实现的方法，并给 出了消耗的时间。在信号的识别模块中，本文介绍了两种载波提取的方法，并 给出了调制波的调幅系数的估计和信号的调频系数及最大频偏的估计 方法，同时列举了其中调制信号的相干解调的具体方法。 第五章介绍了多的连接方式和几个程序优化的考虑方向。 第六章介绍了的加载方式以
20、及加载核的编写。 第章 信号处理流程 软件模块的总体设计 带宽的模拟中频信号经采样后，进行变换。 的有效位取，经过进行缓冲，并调整数据格式，可以（ ） 一起传输。如果按照个样点（）一起传输，那么输出的数据流速为 （） 从输出的数据，进入进行数字信号处理。 采样后的信号处理流程如图。 胆浯： 锺 网椭铺准 叫 一 符一 广 剞参数提取分类器 一簖 ：。一；溉磊赢氮一一。 ！：一一一一一一一一一一一一一 中颁信号处理：基带信号处理 图数字信号处理模块框图 首先，由于接收的是中频信号，需要进行下变频（， ）处理变为两路正交的基带信号。信号的正交分离为各种参数的测量 及调制方式识别提供了方便。数字下变
21、频模块包括正交调制和低通滤波。得到 的分量和分量组成复信号。 然后，复信号进入频谱检测模块。在此模块中，主要的算法是傅立叶变换。 从信号的频域表现出的信息，可以监测无线电台发射的信号是否符合国家标准。 同时，从其频谱信息可以计算出各种参数，如中心频率、带宽、功率等信息。 可以监测到符合国家标准的电台，但更值得关心的是非法电台或未知电台。当 监测模块锁定不符合标准的电台后，即根据测定的信息，通过带通滤波器（） 滤出该频段，并送到信号识别和解调模块进行监听。 北京工业大学工学硕士学位论文 最后，信号识别和解调分为两步。第一步提取特征参数，特征参数的提取 需要用、信号经过计算得到。第二步根据提取出来
22、的参数信息进行分类。通 过分类器分类，即可辨认出信号的调制类型。根据其调制方式进行解调并监听。 本文研究的调制识别模块主要用于电子侦察，它可以对目标信号进行分析 识别、特征提取和参数测量。只要更换处理模块，也适用于合作无线电信号的 分析。通常合作无线电信号具有更多的先验信息，如载频、带宽固定且已知， 故识别难度相对较低。本文中，主要讨论非合作通信信号的识别。 运算量的估计与芯片选择 频谱监测的任务是对信号频谱进行监测，因此数字信号处理的主要任务是 频谱分析。在进行常规扫描时，监测接收机采用每频段采样的工 作方式。在每个频段内，接收机驻留时间小于以保证的扫描速 度。要求在剩余的内完成监测运算。由
23、于带宽较宽，要求的采样率较 高，所以信号处理的运算量很大。需要选择高速处理器来完成监测任务。 运算量估计 数字下变频分两部分。正交分解的运算主要是乘法运算，假设信号窗长， 则其运算量需要次分量乘法，次分量乘法，一共要做次乘法。乘 法对于数字信号处理器来说时间非常短，并不消耗大量资源。因此这一阶段大 运算量的算法是数字滤波。如果采用滤波器，则计算量与滤波器阶数有 关，约为，为数据流速。假定不超过，则每个滤波器计算量为： （ ）。 采用至少个滤波器，计算量约为。采样的计算量为： （ ）。 频谱分析的主要方法之一是对数据进行，直接得到离散频谱，这是一 种最简便也最经典的方法，所以用这种方法对所需要的
24、数字信号处理运算量进 行分析。是按数据块进行的，要求数据的点数为的指数次幂，采样 数据为个样点，若取的次幂，。点计算 量为胛 ，其中胛为每次复数运算所需的计算量，复数相乘需四次 实数相乘和两次实数相加共次运算，所以点复信号运算量为： （为包括开销的估算系数）。 信号窗长定下来后，就可以确定正交分解部分的运算量，读取的数 据需要做次正交分解乘法。 频谱的可视化显示是传送到机上实现的，所以运算量不在之内。 但需要考虑传输速率。由于信号经过变换并不会增加数据量，所以经过 弟章软件模块的总体设计 信号速率不会增加。但是滤波运算会增加数据量，原始数据长度，滤波器阶 数，卷积后结果的长度为，因此数据流量会
25、有所增加。每传 输的数据量近似为，如果每个分量不止经过一个滤波器的话，流 量至少为。而全局总线的速率是， 所以中间需要一级缓冲，可以用双口来实现。 至此，需要实时完成的任务主要有数字下变频和变换，所以采样 的运算量为。每秒钟有次这样的采样，于是就下变频和 变化这两部分算法来讲，要求的运算速度是。此处 计算量估计不计任何开销，并且采用了计算量最少的优化算法，实际对处 理器应至少大于此数的两倍才能保证基本运算能力。即要求的运算速度须大于 。 除了上述算法以外，本系统还包括信号调制识别，解调等算法。由于后续 算法大多用语言实现，运算量不可预测，所以系统要给这些算法留出足够的 空间。参考表，可知的浮点
26、峰值处理能力。考 虑到今后的扩展功能，这里选择使用两片 一。 。一次处理的信号长度的选择 由于的扫描速度，而抗混叠滤波器的带宽， 所以每一次处理带宽的停留时间不应超过，才能跟上扫描的速度。假定采 样时间是（每一次采长的信号，这个时间可设定），那么留给处 理的时问就是。 如果取一窗点数为，显然对个数据需要补零，这在运算的时候 无疑浪费了资源。所以，可以考虑把个样点分段进行处理。 假定窗长定为，则可分成个帧。假定每帧的处理时间为 ，那么这个样点的总处理时间为?。要求 （） 为了确保准确性，得到的帧数最好为整数。如果原始信号要是一帧取 个点，那么经过滤波器（阶）之后的信号长度就是个，不是的整 数次幂
27、，不易进行变换（位反序的过程要求信号长度是的整数次幂）， 还需要补零，最少补个零，凑成个点，这样耗时是点信号的两倍， 所以，原始信号取个点，这样经过滤波之后，信号是个点，下好进 行变换。 如果每窗取个样点，则中有窗，这就要求一窗的 处理时间最多为帧。，即。 可是问题在于不能保证处理速度恰好就是，程序在处理完一窗数据 北京工业大学工学硕：学位论文 就马上处理下一窗数据，所以最好在程序中设计一个定时器（），数据如 果在，之内处理完，就等待，到再进入下一次读数。 但实际上并不像想象的那么简单，一窗取的点数越多，需要取的窗数越少， 而处理的时间越长。但这个时间不能无限长，不能比要求的处理速度（ 个样点
28、）还慢。实际处理一窗的时间也不完全等于理论上需要的处 理时间。可以肯定的是随着越大，也就越长，但是，经过优化，和并 无线性关系。另外个制约取值的因素是频率分辨率， （） 要求频率分辨率至少为，所以 （） 在这些关系的基础上，一定有个最佳值，使得的性能发挥的最好，最 小限度降低时间上的浪费。这就需要在实验中不断摸索。 目前用的测试程序是一窗读取个样点。由于样点的间隔是 ，所以这一窗的信号的时间长度是 。 一帧信号 一幢信号 一帐信号 器擎 ， 处目晤号茬孥 处自讯号蓉擎 图信号的分段处理 处理信号 卜叭吼一 信号的截短会给结果带来一定的误差】。截短相当于突然的使点以外的 值为零，等于将序列（）乘
29、上了一个矩形窗函数（），于是，处理器实际 处理的信号（）（）（）。根据傅氏变换的性质【时域序列相乘对 应于频域序列频谱的卷积（”）（”）（）。很明显，（） （），相对于（）有失真。这种失真是由于（”）的频谱泄漏引 起的。为了减少频谱泄漏引起的（”）失真，应适当增加窗口长度。 同样，时域的离散化同样会给结果带来误差【们。时域的采样可能会漏掉较 大的频率分量，造成栅栏效应。减轻栅栏效应的办法是在保持序列长度不变的 情况下，增大采样率。 这两种误差在数字信号处理过程中是不可避免的，只能通过各种渠道减轻 其影响，不能彻底避免。本文中，没有考虑其影响。 第章戟件模块的总体设计 芯片的选择 实时的软件无线
30、电硬件可以采用各种数字硬件来实现，包括、 和。是最特殊的硬件类型，只能够用在已经设计实现的特定应用中， 灵活性较差。可以按照设计者所期望的方式配置门阵列中的逻辑门，但 是一旦逻辑配置好，功能就固定下来了。比较之下，代表了最通用的硬件 类型，能够进行编程来实现各种功能。本质上是一种针对数字信号处理的 应用而进行优化的微处理器，灵活性强，可以方便的修改和升级，从而减少了 每次反复设计的时间。 现在对处理器的运算能力的要求已经到了每秒钟百亿次运算以上，同时在 传统的处理器单元的性能在得到了大大的提高以后已经渐渐的接近器 件的开关速度、连线延时以及理论特征尺寸限制的极限。所以其性能的 进一步提高将越来越困难。因此，满足这种高速度信号处理的方式，只有通过 并行处理技术来实现，也就是采用多系统并行处理数据。 是公司推出的一款极高性能的静态超标量处理器， 专为大的信号处理任务和通信结构进行了优化。该处理器将非常宽的存储器宽 度和双运算处理模块（支持和浮点及，定点 处理）组合在一起，建立了数字信号处理性能的新标准。三条独立的宽 的内部数据总线，每条连接个内部存储器块中的一个，提供字的数 据、指令及访问，和的内部存储带宽。除此以外，提供 的外部寻址空间，通过的外部数据总线和的外部地址总线，外部端 口可提供的访问速度。加上四个 的数据吞吐量达