軟件無線電的思想是以模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件功能單元構(gòu)建一個(gè)具有高度靈活性、開放性的通用硬件平臺(tái)，將高速、寬帶的A/D、D/A盡可能地靠近天線，通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能，軟件無線電的基本思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法中解放出來。功能的軟件化實(shí)現(xiàn)勢(shì)力要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線。軟件無線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件更新改變硬件配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的功能。軟件無線電采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)，以利于硬件模塊的不斷升級(jí)和擴(kuò)展。

軟件無線電（softwareradio）在一個(gè)開放的公共硬件平臺(tái)上利用不同可編程的軟件方法實(shí)現(xiàn)所需要的無線電系統(tǒng)。簡(jiǎn)稱SWR。理想的軟件無線電應(yīng)當(dāng)是一種全部可軟件編程的無線電，并以無線電平臺(tái)具有的靈活性為特征。全部可編程包括可編程射頻（RF）波段、信道接入方式和信道調(diào)制。軟件無線電將A/D和D/A向RF靠近，由基帶移到中頻甚至到射頻，用可編程能力強(qiáng)的DSP或FPGA器件代替專用的數(shù)字電路，進(jìn)行A/D后的一系列處理，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)獨(dú)立，這樣就可以基于一個(gè)相對(duì)通用的硬件平臺(tái)，通過軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能，并可對(duì)工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調(diào)制方式、信源編碼加以編程控制，系統(tǒng)靈活性大大增強(qiáng)。功能強(qiáng)大的軟件開發(fā)工具可以根據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展和需求，修改各工作模塊以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。

　　1 軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)構(gòu)建與仿真

　　1.1 數(shù)字下變頻系統(tǒng)參數(shù)的確定

系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，主要參考了GSM標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)參數(shù)，系統(tǒng)輸入中頻信號(hào)采用頻率為246 MHz、帶寬為200 kHz、頻偏為50 kHz的MSK調(diào)制信號(hào)，下變頻后輸出速率要求為1 MS/s。根據(jù)帶通信號(hào)采樣定理，本系統(tǒng)采樣率定為24 MHz。采樣后原中頻信號(hào)將在6 MHz處有一個(gè)頻譜鏡像，從而可以取本振頻率為6 MHz來完成數(shù)字混頻的功能。可實(shí)現(xiàn)的軟件無線電，稱做軟件定義的無線電（SoftwareDefinedRadio，SDR）。SDR被認(rèn)為僅具有中頻可編程數(shù)字接入能力。發(fā)展歷史無線電的技術(shù)演化過程是：由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路；由分立器件發(fā)展到集成器件；由小規(guī)模集成到超大規(guī)模集成器件；由固定集成器件到可編程器件；由單模式、單波段、單功能發(fā)展到多模式、多波段、多功能；由各自獨(dú)立的專用硬件的實(shí)現(xiàn)發(fā)展到利用通用的硬件平臺(tái)和個(gè)性的編程軟件的實(shí)現(xiàn)。

　　1.2 下變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由以上確定的數(shù)字下變頻系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)可知，系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)字下變頻后的信號(hào)進(jìn)行24倍的抽取。本文選擇了抽取濾波器四級(jí)級(jí)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。其中級(jí)CIC濾波器實(shí)現(xiàn)6倍抽取；第二級(jí)CIC補(bǔ)償濾波器對(duì)CIC濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)2倍抽取；第三級(jí)HB濾波器完成2倍抽取任務(wù)；第四級(jí)FIR濾波器不進(jìn)行抽取，而是進(jìn)一步低通濾波以增強(qiáng)輸出信號(hào)的效果。這樣就構(gòu)造了所示的軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)。

　　1.3 抽取濾波器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

M、D分別為CIC濾波器的抽取倍數(shù)和微分延遲因子?？梢娖渥鑾p較差，難以滿足一般的應(yīng)用需要。故在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用多級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使阻帶得到較大衰減。本文采用了6個(gè)單級(jí)CIC波濾器級(jí)聯(lián)的形式。采用這種結(jié)構(gòu)，帶來了通帶波紋的增大，對(duì)通帶內(nèi)的信號(hào)也產(chǎn)生了一定的衰減。

在MATLAB中，設(shè)計(jì)產(chǎn)生特定參數(shù)的CIC補(bǔ)償濾波器，將其與CIC濾波器級(jí)聯(lián)后，建立相應(yīng)的仿真文件，并進(jìn)行Matlab仿真，得到CIC與CIC補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)效果。

可以看到，CIC濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了6倍的抽取，但是沒有完全濾掉混雜的噪聲頻率，其輸出的數(shù)據(jù)再由CIC補(bǔ)償濾波器進(jìn)行處理后，濾除了鄰帶噪聲信號(hào)的頻率成分，同時(shí)也完成了對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步抽取。即CIC和CIC補(bǔ)償濾波器能夠完成對(duì)特定參數(shù)信號(hào)的濾波與抽取。

　　1.3.2 HB濾波器

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)要求，半帶濾波器的輸入數(shù)據(jù)采樣率Fs應(yīng)為2 MHz，通帶截止頻率fp=0.1 MHz。通帶HB濾波器的通帶歸一化截止頻率wp、阻帶截止頻率ws滿足如下性質(zhì)：wp+ws=π，可求得其阻帶截止頻率等于0.9 MHz。

　　1.3.3 FIR濾波器

FIR（Finite Impulse Response）濾波器：有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、模式識(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

在數(shù)字下變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，抽取濾波模塊有FIR濾波器，它對(duì)前三級(jí)抽取濾波器處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的濾波，以使輸出具有更好的波形效果。FIR的輸入來自HB濾波器處理后輸出的數(shù)據(jù)，采樣率Fs=1 MHz。本文采用了多相分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)FIR濾波器。

　　2 基于FPGA的DDC系統(tǒng)仿真

　　2.1 DDC系統(tǒng)的功能仿真

DDC近幾年來，它代替了傳統(tǒng)控制組件，如溫度開關(guān)、接收控制器或其它電子機(jī)械組件等，成為各種建筑環(huán)境控制的通用模式。DDC系統(tǒng)是利用微信號(hào)處理器來做執(zhí)行各種邏輯控制功能，它主要采用電子驅(qū)動(dòng)，但也可用傳感器連接氣動(dòng)機(jī)構(gòu)。所有的控制邏輯均由微信號(hào)處理器，并以各控制器為基礎(chǔ)完成，這些控制器接收傳感器，常用融點(diǎn)或其它儀器傳送來的輸入信號(hào)，并根據(jù)軟件程序處理這些信號(hào)，再輸出信號(hào)到外部設(shè)備，這些信號(hào)可用于啟動(dòng)或關(guān)閉機(jī)器，打開或關(guān)閉閥門或風(fēng)門，或按程序執(zhí)行復(fù)雜的動(dòng)作。這些控制器可用手操作中央機(jī)器系統(tǒng)或終端系統(tǒng)。

在系統(tǒng)功能仿真時(shí)，本系統(tǒng)選擇了QPSK調(diào)制信號(hào)作為輸入的激勵(lì)源。由MATLAB按系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的中頻已調(diào)信號(hào)，對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行12比特量化，并對(duì)系統(tǒng)在加入高斯白噪聲的情況進(jìn)行了測(cè)試，給出了輸入、輸出信號(hào)的波形。測(cè)試時(shí)，加入高斯白噪聲的情況下對(duì)應(yīng)的信噪比為0 dB，即SNR=0 dB。

調(diào)制比特流的速率為200 Kb/s，經(jīng)過串并變換為I、Q兩路后，碼率降為100 Kb/s。在有高斯白噪聲的情況下，DDC系統(tǒng)輸出的兩路正交下變頻信號(hào)能夠較好地與輸入的I、Q調(diào)制比特流相對(duì)應(yīng)，而且濾除了輸入中頻信號(hào)混雜的噪聲成分。

　　2.2 DDC系統(tǒng)時(shí)序仿真

在設(shè)置了軟件無線電中頻數(shù)字化系統(tǒng)的各項(xiàng)約束條件并進(jìn)行了綜合、布線等操作后，本文建立了相關(guān)的仿真激勵(lì)文件，輸入待處理數(shù)據(jù)，對(duì)DDC系統(tǒng)的時(shí)序性能進(jìn)行了仿真，在Quartus II輸出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了毛刺，并且都有了一定的時(shí)延，但沒有出現(xiàn)時(shí)序混亂的問題。總之，軟件無線電數(shù)字下變頻系統(tǒng)的時(shí)序基本正常，但時(shí)延較大，還有進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的余地。

數(shù)字下變頻是軟件無線電技術(shù)體系的關(guān)鍵組成部分，模擬中頻信號(hào)經(jīng)過高速ADC采樣數(shù)字化后輸入到數(shù)字下變頻系統(tǒng)中，首先與數(shù)控振蕩模塊（NCO）產(chǎn)生的數(shù)字本振進(jìn)行混頻，然后再送入到后續(xù)的抽取濾波器進(jìn)行濾波和抽取，輸出較低速率的下變頻信號(hào)。在超外差式接收機(jī)中，如果經(jīng)過混頻后得到的中頻信號(hào)比原始信號(hào)的頻率低，那么此種混頻方式叫做下變頻 （Down Converter or DC）。將射頻信號(hào)通過或者幾次的模擬下變頻轉(zhuǎn)換到中頻上，在中頻對(duì)信號(hào)數(shù)字化，然后再進(jìn)行數(shù)字下變頻。數(shù)字下變頻（Digital Down Converter or DDC）是軟件無線電的技術(shù)之一。