基于软件无线电的突发多速率通信技术研究

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软件无线电这一在军事通信领域诞生的新概念不仅被应用于军事通信领域,在民用无线电领域也获得了广泛地应用,甚至推广到了所有无线电系统。本文将软件无线电技术应用于突发多速率接收机的设计与实现,对相关的关键技术进行了理论研究和仿真验证,主要包括数字信道化、突发帧检测、多速率信号处理、符号同步、频率同步和基于FPGA的动态可重构技术。具体研究内容与取得的研究成果包括:  1、研究了实信号信道化接收机的结构模型。首先,提出了新的实信号信道划分方法,推导了与之对应的信道化接收机数学模型,给出了一种高效的实信号信道化接收机结构模型;接着,对比了该高效结构模型与一般的实信号信道化接收机结构模型以及一般的复信号信道化接收机结构模型在硬件资源消耗和工作频率两方面的性能,对比结果表明所提出的高效结构模型节省了硬件资源,减小了计算复杂度,简化了控制逻辑,有利于硬件实现;然后,指出了在新的信道划分方法下,“边缘实数信道”对后续的信号处理没有影响,仿真了多相滤波器阶数和延时校正滤波器阶数对相邻信道干扰的影响;最后,在硬件平台上实现了所提出的高效实信号信道化接收机。  2、研究了π/4-DQPSK突发通信系统的突发帧检测问题。提出了一种基于循环自相关的恒虚警率突发帧检测算法,推导了算法在加性高斯白噪声信道下检测概率的数学表达式。该算法利用接收信号的循环自相关函数来提取前导码的循环平稳性,并结合恒虚警率检测的思想实现自适应检测门限。算法对频偏和符号定时误差不敏感,可在频率同步和符号同步未完成的情况下有效地检测突发帧。此外,算法在较低的信噪比下仍有较好的检测性能。  3、研究了多速率接收机的设计与实现问题。设计了接收机中的可变抽取模块,提出了一个结构简单、时序稳定的级联抽取采样率变换电路;给出了一个基于插值滤波器和数控振荡器的符号同步环路,详细分析了插值滤波器、环路控制器的工作原理,重点讨论了环路控制器的实现方法,提出了能够兼顾符号同步捕获和跟踪性能的环路滤波器结构;提出了大频偏捕获的算法并分析了该算法的性能,介绍了频偏跟踪算法的FPGA实现;分析了直流偏移对解调的影响,提出了一个易于硬件实现的去直流电路;讨论了模数混合型自动增益控制电路的实现方法,给出了数字电路的实现;讨论了基于FPGA的Viterbi译码器实现方法。  4、研究了被复加性高斯白噪声污染的BPSK和QPSK信号的信噪比估计问题,提出了一种新的信噪比估计算法。由于接收信号的二阶矩等于信号功率与噪声功率之和,而接收信号的同相与正交分量的绝对值平方和与信号功率有紧密的关系,因此将二者之比定义为一个统计量,然后推导了此统计量与信噪比的关系式,由于此关系式比较复杂,最后采用了查表法解决了复杂公式的计算问题。仿真结果表明,所提出的信噪比估计算法在估计准确度和估计精度两方面均优于现有的两种性能较好的非数据辅助型信噪比估计算法,在低信噪比区间,所提出的算法优势更加明显。  5、研究了软件无线电通用硬件平台的设计方案和基于FPGA的动态可重构技术。首先,给出了一个软件无线电通用硬件平台的设计方案,介绍了各部分电路的设计思想和实现方法;然后构建了一个多调制方式、多速率的基带调制解调器模型,将各个功能模块划分为静态模块与动态模块两类;最后,利用FPGA的动态局部重构技术实现了该调制解调器。在上位机的控制下实现调制方式与通信速率的动态切换,验证了FPGA动态重构技术。
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