认知无线电算法和接口FPGA设计实现

第一章绪论

1.1认知无线电简介
随着无线通信技术的发展，各种无线业务和应用的出现，每一个应用和业务都要暂用固定带宽的话，频谱资源将会越来贫乏。为了缓解频谱资源短缺的问题，相关研究机构和人员不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率，比如采用正交频分复用技术来提高频谱利用率。然而通过这种方式来提高频谱效率效果相当有限，无法满足人们对带宽需求的增长。美国sharedSPectrum公司的调查显示，在2004年1月到2005年8月间美国30、3000M日z频段的频谱平均使用率只有5，2%，其中分配给无线电天文学的频段利用率仅有1%，即使是使用率最高的纽约，其使用率也才为13.，%[3]。由以上统计可见，拥塞频段或者己经被授权的用户无法访问其它空闲频段，这就导致了频谱资源的使用不充分，其结果就会导致也频谱使用效率的降低。因此，目前的问题并不在于频谱短缺，而在于我们应该找到一种新的技术，能够在满足已授权用户需求的一前提下，充分利用各时间段、各地区的空闲频段，以此缓解不断增长的频谱资源的需求和频谱短缺的矛盾，提高频谱的利用效率[6]。通过对认知无线电概念的提出以及现有频段分配的实际问题，可知认知无线电技术是解决频谱再利用和提高利用率的理想方法。

1.2本论文的课题背景以及本人工作
1.2.1研究背景
由上述认知无线电的概念可知，我们必须实现伺机的动态频谱接入，即非授权用户(也称次用户或认知用户)通过检测感知无线环境，机会性地接入己分配给授权用户(或主用户)但暂时很少使用甚至未被使用的空闲频段，一旦主用户重新接入该频段，次用户迅速腾出信道[2]。这种技术需解决的问题就是如何快速准确地获取授权频谱的使用情况，目前主要有3类解决方案:建立数据库档案、传送信标信号和频谱感知。其中频谱感知方案因具有建设成本低、与现有主系统的兼容性强等突出优点，得到了大多数研究学者的认同;另外两种由于受到政治、经济等因素的制约而很难实现，对其研究相对较少[2]。因此，目前频谱感知技术的研究大多数集中在本地感知、协作感知和感知机制优化3个方面。本地感知其最主要感知算法包括能量检测算法、匹配滤波器检测算法、循环平稳特征检测算法和协方差矩阵检测算法。以上这些算法都是对主用户发射端无线信号的直接检测，都是从经典的信号检测理论中移植过来的。
此外，近期一些文献从主用户接收端的角度提出了基于干扰温度的检测和本振泄露功率检测的方法。还有些文献对经典算法进行了改进，提出了一种两级感知算法即基于能量检测一循环特征检测结合的算法[2]。协作感知为了克服本地检测的弊端，进一步提高检测性能，所以协作感知得到了全球范围很多的研究。通过不同层次用户间的交互与协作，信息共享，能降低认知用户的检测灵敏度需求，速度要求等等，大幅度提高认知用户的频谱分析能力，还能有效缓解“隐藏终端”问题以及噪声不确定性等问题[2]。目前协作感知包括集中感知和分布式感知。主要算法包括数据融合算法和决策融合算法。目前研究现状也存留在理论上研究居多，关于通信实践的研究还不是很多，还有很多问题需要解决，比如如何加入信道，在空间和时间上怎么分级，是否支持蜂窝架构，对调制方式是否也能随之改变等等，这些问题还有待解决。本地检测算法能量检测算法，其主要原理是在特定频段上，测量某段观测时间内接收信号的总能量，然后与某一设定门限比较来判决主信号是否存在。由于该算法复杂度较低，实施简单，同时不需要任何先验信息，因此被认为是CR系统中最通用的感知算法[2]。因为其相对比较简单，我们利用来实现我们的频谱感知的基本原则算法。这也是我们应用的背景，本次论文的设计也是基于能量检测算法来识别空中信号的暂用情况，为了得到能量信号我们设计了如下的硬件的终端。
1.2.2本人设计工作
基于上面对认知无线电概念的提出和理解，在本次论文和系统中做了适当的改变以使他适应我们的需要。利用空闲频段的前提就是要先要能够准确并且迅速的找到空中信号的空闲频段，然后利用这段空闲频段进行通信，当然认知无线电的任务还有很多，本文只讨论如何快速有效的识别信号的频谱。

第二章 相关算法和接口理论 ....................15-35
    2.1 数字信号采样定理 ....................15-16
    2.2 多速率信号处理原理 ....................16-19
    2.3 数字下变频原理 ....................19-27
    2.4 快速傅立叶变换(FFT)原理 ....................27-32
    2.5 PCI总线标准 ....................32-33
    2.6 本章总结 ....................33-35
第三章 相关算法和接口FPGA设计实现 ....................35-58
    3.1 直接数字频率合成(DDS)实现 ....................35-39
    3.2 带通采样采样率的设计 ....................39-40
    3.3 数字下变频(DDC)实现 ....................40-46
    3.4 快速傅立叶变换(FFT)实现 ....................46-55
    3.5 PCI接口模块的实现 ....................55-56
    3.6 本章总结 ....................56-58
第四章 硬件平台设计实现 ....................58-71
    4.1 硬件平台总体功能模块设计 ....................58
    4.2 射频前端超宽带接收机模块设计 ....................58-61
    4.3 数字中频A/D采样模块设计 ....................61-64
    4.4 FPGA模块设计 ....................64-67
    4.5 数据传输接口PCI模块设计 ....................67-69
    4.6 电源模块设计 ....................69-70
    4.7 本章总结 ....................70-71

总结

本论文对现有频谱资源利用率低的情况做了一些简单的介绍，然后提出了认知无线电的概念，将认知的概念应用到我们的系统中来，利用软件无线电的方法去实现认知无线电中重要的频谱感知的内容。本论文对认知无线电频谱感知硬件终端中的关键技术做了介绍，包括多速率信号处理技术、高精度直接数字频率合成技术、以及数据处理中关键的滤波技术和快速傅立叶变换技术。同时给出了这些技术在F尸GA中的实现，并且做了适应我们设计需求的改进。如直接数字频率合成采用线性插值法，数字下变频采用多级滤波实现，由于CIC具有很大的衰减所以进行了补偿滤波，快速傅立叶变换采用两快存储实现变相同址运算。同时每个算法的实现都给出了相应的仿真结果，有的给出了mat泊b和modelsim的对比结果，证明了算法的处理精度很高。同时能够满足处理速度的要求。本论文同时介绍了尸Cl接口技术，尸Cl接口技术目前的应用十分多，本次设计巧妙的应用桥接芯片大大的缩减了设计的时间，省去了户Cl复杂的时序协议，同时能够达到我们尸CI高速传输的设计要求。最后本论文给终端的硬件设计做了介绍，以及硬件设计中应该考虑的问题，以及硬件上主要芯片的功能介绍。

参考文献

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[2]郭云玮，刘全，高俊.认知无线电中频谱感知技术的研究进展.中兴通讯技术.2010.12.39、42.
[3]MeHenryMA.Nsfspeetrumoeeupaneymeasurementsprojeetsummary.SharedSpeetrumCompany，Teeh.Rep，2005.8.
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[6]曹华孝，鲜永菊，徐昌彪.认知无线电技术的国内外发展与研究现状.数字通信.51一57.
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