基于软件无线电的pi/4-QPSK与GMSK调制系统实现
摘要
软件无线电在通用的、开放的硬件平台上通过软件定义无线通信功能，而且硬件平台本身也是可扩展可升级的，这就使得通信系统摆脱了硬件的束缚，可以实现各种通信体制的无缝连接，提供灵活多变的服务。
近十多年来，随着相关研究的不断深入以及硬件水平的极大提高，软件无线电的实现逐渐成为现实，在通信系统中的应用越来越广泛。本文主要研究软件无线电在发射机中的应用。为便于在项目中应用软件无线电，首先回顾了一些相关问题，如软件无线电功能模型，硬件平台结构等，这对于深入理解软件无线电，进行工程设计都很有好处。硬件平台结构的模式决定了系统的柔性与扩展性。优秀的结构降低其硬件模块间的耦合，允许系统具有即插即用功能，使通信系统可以方便地扩展升级，还可以降低系统成本，充分发挥软件无线电特有的技术优势。本文还总结分析了发射机数学模型，包括单通道、多通道以及信道化发射机。特别提出了改进的实信号信道化发射机数学模型，通过利用多相滤波与离散傅立叶变换，减少信号处理运算量，这对于强调实时运行的无线通信系统有重要意义。随后讨论了两种典型的数字调制，pi／4-QPSK与GMSK，以及它们传统的实现方法。对非线性的GMSK分析了线性近似方法，这对于在软件无线电中实现GMSK有重要意义。最后详细叙述了软件无线电发射机的硬件实现。它主要由一片DSP与可编程数字上变频器构成，可以通过PC机进行监控，通过加载合适的软件实现各种调制方式如pi／4-QPSK，GMSK等。
Software-Defined Radio (SDR) defines radio communication functions using software on a general, open hardware platform that possesses scalability itself, which not only relieves communication systems from the constraints of hardware elements but also enables seamless connection between kinds of wireless communication systems and supports flexible services.
Software Defined Radios become to true as a result of fruitful researches in this domain and great progresses achieved by hardware devices in recent more than a decade, and now are found in more and more communication systems. This thesis focuses on application of SDR to a transmitter. To streamline the application, at first some relevant issues are reviewed such as functional model of SDR and hardware platform architecture, which can help us get a good understanding into SDR and facilitate conceiving and developing projects. The flexibility and scalability of a SDR are decided basically by its hardware platform architecture. A good architecture can minimize the coupling between its components and enable plug-and-play, consequently makes a system employing SDR capable of upgrade, scalability and more cost-efficient. And, it also helps us fully exploit exclusive advantages of SDR. This thesis also discusses, from a mathematical perspective, the models of transmitters including unichannel, multichannel and channelized transmitters. A modified real signal model of channelized transmitter is presented that employs multiphase filters and Discrete Fourier Transform to maximize computing efficiency, which can mean much in a radio communication system that requires real-time processing. Then two typical digital modulation schemes, pi/4-QPSK and GMSK, are examined respectively with their conventional implementations. A linear approximation of the non-linear GMSK is proposed to help GMSK to be readily accommodated into a SDR. Finally, this thesis elaborates the construction of the transmitter using SDR that comprises mainly a DSP along with a programmable digital up-converter. The transmitter is capable, when coupled with appropriate software, of digital modulation schemes such as pi-QPSK, GMSK and so forth, and supervised by a personal computer.
近十多年来，随着相关研究的不断深入以及硬件水平的极大提高，软件无线电的实现逐渐成为现实，在通信系统中的应用越来越广泛。本文主要研究软件无线电在发射机中的应用。为便于在项目中应用软件无线电，首先回顾了一些相关问题，如软件无线电功能模型，硬件平台结构等，这对于深入理解软件无线电，进行工程设计都很有好处。硬件平台结构的模式决定了系统的柔性与扩展性。优秀的结构降低其硬件模块间的耦合，允许系统具有即插即用功能，使通信系统可以方便地扩展升级，还可以降低系统成本，充分发挥软件无线电特有的技术优势。本文还总结分析了发射机数学模型，包括单通道、多通道以及信道化发射机。特别提出了改进的实信号信道化发射机数学模型，通过利用多相滤波与离散傅立叶变换，减少信号处理运算量，这对于强调实时运行的无线通信系统有重要意义。随后讨论了两种典型的数字调制，pi／4-QPSK与GMSK，以及它们传统的实现方法。对非线性的GMSK分析了线性近似方法，这对于在软件无线电中实现GMSK有重要意义。最后详细叙述了软件无线电发射机的硬件实现。它主要由一片DSP与可编程数字上变频器构成，可以通过PC机进行监控，通过加载合适的软件实现各种调制方式如pi／4-QPSK，GMSK等。
Software-Defined Radio (SDR) defines radio communication functions using software on a general, open hardware platform that possesses scalability itself, which not only relieves communication systems from the constraints of hardware elements but also enables seamless connection between kinds of wireless communication systems and supports flexible services.
Software Defined Radios become to true as a result of fruitful researches in this domain and great progresses achieved by hardware devices in recent more than a decade, and now are found in more and more communication systems. This thesis focuses on application of SDR to a transmitter. To streamline the application, at first some relevant issues are reviewed such as functional model of SDR and hardware platform architecture, which can help us get a good understanding into SDR and facilitate conceiving and developing projects. The flexibility and scalability of a SDR are decided basically by its hardware platform architecture. A good architecture can minimize the coupling between its components and enable plug-and-play, consequently makes a system employing SDR capable of upgrade, scalability and more cost-efficient. And, it also helps us fully exploit exclusive advantages of SDR. This thesis also discusses, from a mathematical perspective, the models of transmitters including unichannel, multichannel and channelized transmitters. A modified real signal model of channelized transmitter is presented that employs multiphase filters and Discrete Fourier Transform to maximize computing efficiency, which can mean much in a radio communication system that requires real-time processing. Then two typical digital modulation schemes, pi/4-QPSK and GMSK, are examined respectively with their conventional implementations. A linear approximation of the non-linear GMSK is proposed to help GMSK to be readily accommodated into a SDR. Finally, this thesis elaborates the construction of the transmitter using SDR that comprises mainly a DSP along with a programmable digital up-converter. The transmitter is capable, when coupled with appropriate software, of digital modulation schemes such as pi-QPSK, GMSK and so forth, and supervised by a personal computer.
引文
[1] Joe Mitola著，赵荣黎等译，软件无线电结构——应用于无线系统工程中的面向对象的方法，机械工业出版社，2003年1月第1版
[2] Peter G.. Cook and Wayne Bonser, Architecture Overview of the SPEAKeasy System, IEEE JSAC, VOL. 17, APRIL 1997
[3] D.W.Bennet, etc. The ACTS-FIRST Project and its Approach to Software Radio Design, IEE Colloquium on Adaptable and Multistandard Mobile Radio Terminals (Ref.No. 1998/406)
[4] Vanu Bose, etc. Virtual Radios, IEEE JSAC, VOL.17 NO.4, APRIL, 1999
[5] 王际兵等，软件无线电发展动态，清华大学学报，1999年第39卷第9期
[6] 屈晨阳等，空基遥科学指令接收机二次解调设计与工程实现，中国空间科学学会空间探测专业委员会第十三次学术会议，2000年9月
[7] 戴淑珍，软件无线电在靶场移动终端中的应用研究，2000年航天测控技术研讨会
[8] 钟兴旺等，软件无线电在卫星系统中的应用，中国电子学会空间电子学年会，2000年10月
[9] 王银锋等，DSP技术在GPS接收机中的应用，中国航空学会信号与信息处理专业第三届学术会议，1999年5月
[10] 侯超宇，21世纪的航空遥测技术发展眺望，全国第七届遥感遥测遥控学术研讨会，2000年5月
[11] 李小文等，TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现，人民邮电出版社，2003年1月第1版
[12] Jay R. Moorman, Implementation of a 3G W-CDMA Software Radio, IEEE International Conference on Communications, 2003. ICC'03.
[13] 杨小牛，楼才义，软件无线电原理与应用，电子工业出版社，2002年1月第1版
[14] Jason Melby, JTRS AND THE EVOLUTION TOWARD SOFTWARE-DEFINED RADIO, MILCOM 2002. Proceedings 1286_1290
[15] A.V.奥本海姆等著，刘树棠等译，离散时间信号处理：第2版，西安交通大学出版社，2001年9月第1版
[16] Joe Mitola, software radio architecture: a mathematical perspective, IEEE JSAC VOL. 17, NO. 4, APRIL, 1999
[17] Srikathyayani srikanteswara, etc. A soft radio architecture for reconfigurable platforms, IEEE communication magazine February 2000
[18] Ji-bing Wang ,Ming Zhao,Xi-Bin Xu and Yan Zhao ,Research on Hardware Platform of Software Radio ,ICCT'98
[19] Alister Burr, Modulation and Coding for Wireless Communications(英文版)，电子工业出版社，2003年2月第1版
[20] 杨留清，张闽申等，数字移动通信系统，人民邮电出版社，1995年5月第1版
[21] John G.Proakis著，张力军等译，数字通信(第三版)，电子工业出版社，2001年4月第1版
[22] KAZUAKI MUROTA, AND KENKICHI HIRADE, GMSK Modulation for Digital Mobile Radio Telephony, IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS. VOL.COM. 29, NO.7, JULY 1981
[23] 庞沁华等，数字移动通信高斯最小频移健控调制器，北京邮电大学学报，第17卷第4期，1994年
[24] 王喜成，移动信道GMSK窄带数字调制解调系统，桂林电子工业学院学报，第16卷第2期，1996年
[25] PIERRE A.LAURENT, Exact and Approximate Construction of Digital Phase Modulations by Superposition of Amplitude Modulated Pulse (AMP),IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,VOL.COM-34,NO.2,FEBRUARY 1986
[26] A. Wieslter, etc. Comparison of GMSK and linear approximated GMSK for use in Software Radio, 1998 IEEE 5th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, 1998. Proceedings, 557_560 vol.2
[27] Peter Jung, Laurent's Representation of Binary Digital Continuous Phase Modulated Signals with Modulation Indes 1/2 Revisited, IEEETRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, VOL.42, NO.2/3/4,1994
[28] 徐胜波等，无线通信网中的安全技术，人民邮电出版社，2003年7月第1版
[29] Karl V. Davis, JTRS-A OPEN, DISTRIBUTED-OBJECT COMPUTING SOFTWARE RADIO ARCHITECTURE,
[30] 钮忻心，杨义先，软件无线电技术与应用，北京邮电大学出版社，2000年9月
[31] Yik-Chung,etc. New Implementation of a GMSK Demodulator in Linear Software Radio Receiver, The 11th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile radio Communications, 2000. PIMRC 2000. 1049_1053 vol.2
[32] Joe Mitola,The software radio architecture,IEEE Communications Magazine,May 1995
[33] 戴明桢，周建江，TMS320C54X DSP结构、原理与应用，北京航空航天大学出版社，2001年11月第1版
[34] Jan Axelson编著，精英科技等译，并行端口大全，中国电力出版社，2001年4月第1版
[35] 老虎工作室，Protel 99高级应用，人民邮电出版社，2000年11月第1版
[36] Jan Axelson编著，精英科技等译，串行端口大全，中国电力出版社，2001年5月第1版
[37] 曹志刚等著，现代通信原理，清华大学出版社，1992年8月第1版
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