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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于短波信道模拟器的应用平台及主要算法设计 姓名：汤玉宇 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：吴国安 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 短波通信在军用通信领域得到广泛应用。现在短波信道的主要测试方法为外场测 试，其成本高，受地理环境和天气因素影响很大，不可重复试验。因此，有必要研究 一种可在室内测试，可模拟各种环境因素，可重复试验的短波信道模拟器。 本文首先对短波信道的特性进行了分析和研究，选取了 Watterson 模型作为信道 仿真的数学模型，并
2、以此为基础进行系统设计。在综合考虑系统的设计方案基础上， 进行模块划分，并规划出各模块的软硬件框图。系统选取 TI 公司的 TMS320C6416t DSP 为处理器，并以此为核心进行设计，分为主控板，模拟多径通信的信号处理板， 以及合路板三个功能模块。 本文设计了基于 TMS320C6416t DSP 的应用平台。主要包括 EMIF 接口的设计以 及其与 FIFO 之间的通信， EDMA 传输设计， 以及基于 FLASH 烧写的 BOOTLOADER 设计。通过逻辑分析仪，数字示波器等对数据传输进行测试，验证了所搭建的平台是 成功的。 论文着重对基于 Watterson 短波信道模型的主要算
3、法进行了分析，包括具有高斯 功率谱的抽头因子)(tGi的产生，高分辨率小延时和 IQ 正交解调模块。其中，对 Watterson 模型的核心模块，即实时高速高斯因子)(tGi的产生过程进行了详细的介绍 和验证。 本文在最后对短波信道模拟器现阶段工作进展进行了总结，并对今后工作的重点 难点进行了展望。 关键词关键词： Watterson 模型， DSP，高斯型功率谱，插值滤波器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract HF communication is used widely in the military co
4、mmunication field. Now, HF channel test is usually carried in external field. This method cost much, is affected by geography and weather greatly, and test unrepeatable. So, its necessary to research a HF Channel Simulator, which can test in internal field repeatable, and simulate within varied chan
5、nel condition repeatable. This article researches the characteristic of HF channel firstly, then chooses Watterson Mode as the mathematic mode, and designs system base on this mode. It divides modules according to the function, designs the hardware and software blueprint of the module. TIs TMS320C64
6、16t DSP is chosen as the processor, which is the core of the system. The function modules are controlling module, the processing module which simulating the multi-path and the addition module. This article designs the application platform base on the TMS320C6416t DSP. It includes the design of EMIF
7、interface and the communication with FIFO, the design of EDMA transmission, the design of BOOTLOADER base on the flash burning. Then we test the system with oscillograph and logic analyzer, to prove it successful. Then, the article discusses the main algorithms of HF Channel Simulator base on Watter
8、son mode. It includes the generation of )(tGi factor with gauss power spectrum, the delay of high precision, and the quadrature demodulator. Especially, the generation of )(tGi is the core of the Watterson module. So, we introduce and discuss the design in detail. At last, the article summarizes the
9、 step of HF Channel Simulator as yet, and brings forward the crucial and difficult points for the future. Keywords: Watterson mode, DSP, Gaussian power spectrum, Interpolated filter 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中
10、以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学
11、 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课题来源与背景课题来源与背景 按照国际无线电咨询委员会(CCIR)的划分，短波是指波长为 100m10m、频率为 3MHz30MHz 的电磁波。利用短波进行的无线电通信称为短波通信，又称高频(HF) 通信。实际上，为了充分利用短波近距离通信的优点，短波通信实际使用的频率范围 为 1.5MHz30MHz1 。 作为短波通信系统的一部分，对短波信道特性的研究是人们十分关注的问题。短 波信道属于时变色散信道，它具有时间、频率和空间三种选择性衰落，它直接影响着 通信系统的性能。现在对短波通信系
12、统设计及短波通信对抗装备的鉴定、验收试验工 作主要靠外场试验完成。外场试验系统的最大优点在于试验信道环境的真实性。但外 场试验系统的局限性也非常明显。它的真实信道环境受限于试验场区的环境，而在试 验场区人为地改变信道参数，营造各种不同的无线信道环境几乎是不可能的。因此它 存在受气候条件限制、机动性差、试验成本高、不可重复试验等一系列缺点。与之相 比，信道模拟系统具有可以根据试验需要制造各种典型信道特性环境和电磁环境；能 够模拟的地域跨度大，不受气候条件限制，可以随时重复相同环境下的试验；试验成 本很低；试验周期较短等一系列优点。 要建立仿真试验系统，仿真模型的选择是需要解决的首要问题。我们选择
13、了 Watterson 模型作为信道仿真的模型，然后经过大量的数字信号处理过程，用来实现 信号在短波信道传输中多径传输、时延、多普勒频移和频展等重要特性的模拟。对于 整个系统的开发，需要以先进的软件无线电技术和数字信号处理技术为前提。 软件无线电2的概念是由 MILTRE 公司的 Joe Mitola 在 1992 年首次提出来的。 其 中心思想是：构成一个具有开放式、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能用 软件来实现完成，并使宽带 A/D 和 D/A 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度 灵活性，开放式的新一代无线电通信系统。其组成结构由图 1-1 所示： 华 中 科 技 大 学 硕
14、士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 窄带 A/D-D/A 转换器 电话电话 图像图像 数据数据 传真传真 实时、实时 处理软件 DSP 窄带 A/D-D/A 转换器 射频前端 模块 天线天线 图 1-1 软件无线电组成结构 其主要由天线，射频前端，宽带 A/D-D/A 转换器，通用和专用数字信号处理器以 及各种软件组成。其信号数字化后的的处理任务主要由 DSP 来承担。 1.2 课题研究现状课题研究现状 长期以来，国内外许多研究机构对短波电离层反射信道的特性和实际使用情况进 行了大量的测量、统计和研究工作。初期通常采用的模型是没有衰落(或慢速衰落)的 单一路
15、径，缺点是不能很好的反映实际信道所包含的时间扩散和频率展宽带来的效 应。1970 年美国科学家 Watterson 等人提出了高斯型散射短波电离层信道模型 (Watterson 模型)。此后出现了一批改进型的模型，有代表性的是 Hofneve 等人提出的 采用电离层参数的信道模型和 Giles 等人提出的短波信道冲激响应直接测量法模型。 目前，国内外已出现一些研究单位和公司研究开发的信道模拟器。例如在 1994 年国内浙江大学的信息与电子工程系用 4 片 TMS32010 数字信号处理芯片基于 Watterson 模型实现信道部分，用 PC 机作为控制部分和用户接口，实现了一种 4kHz 带宽
16、的基带高频实时信道模拟器。解放军电子工程学院 1999 年也进行了半实物话音 信道的模拟设计。这些模拟器的主要不足是功耗过高、体积庞大、可控性不高，模拟 带宽较窄。国外已经有成型短波信道模拟产品，如 Rockwell 公司的 MDM-3001 等， 虽然模拟效果较好，但是售价昂贵，一般用户不能承受。所以有必要独立开发一种能 够实现宽带信道模拟，速度快，可控性强，功耗低的信道模拟器。 1.3 主要研究内容主要研究内容 本论文研究来源于短波信道模拟系统的总体方案设计以及系统应用平台和主要 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 算法的设计实现。研究采用 Watterson 多径信道模型，基于 PXI 机箱的高速硬件电路， 完成了 DSP 的
