基于频移键控多编码方案的混合可重构软件无线电收发机设计

制作和主办：Elsevier埃及信息学杂志（2016）17，89开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com全长文章基于频移键控多编码方案的混合可重构软件无线电收发机设计Nikhil Rawalaa，*，O.P.Sahub，Anil Vohraca电子和通信工程部门，印度KurukshetraKurukshetra大学工程技术学院b电子和通信工程系，NIT，Kurukshetra，印度c印度库鲁克舍特拉大学电子科学系接收日期2015年5月31日;修订日期2015年8月1日;接受日期2015年8月16日2015年10月9日在线发布摘要软件无线电（SDR）技术为研究人员提供了将现有网络和未来网络集成和互通的机会和灵活性。无线电频谱是当今现代无线通信世界中移动运营商最重要的资源在分析频谱分配图之后，可以得出结论，落入许可频带下的大部分主要频谱已经被分配给许可用户以供专用。用于未授权用户的未授权频带非常少SDR为无线通信系统中遇到的频谱稀缺问题提供了完美的解决方案。目前，对可靠的高数据速率传输的需求显著增加，这导致采用不同的数字调制技术。本文的目的是分析频移键控（FSK）收发器建立使用实验室虚拟仪器工程师（LabVIEW）和测量数据错误的减少前向纠错（FEC）信道编码算法，即卷积和Turbo码的存在。通过这种设计，给出了信道中引入加性高斯白噪声（AWGN）时，误码率（BER）与Eb/N0的关系图，其中Eb为每比特能量，N0为频谱噪声密度FSK被广泛用于带通信道上的数据传输;因此，我们选择FSK来实现SDR。设计的SDR收发器模块已经完全实现，并且具有在具有可编程信道带宽和调制特性的宽频率范围内导航的能力。我们能够建立一个基于FSK的交互式SDR*通讯作者。电子邮件地址：nikhilmarriwala@gmail.com（N.（wala）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2015.08.0041110-8665© 2015由Elsevier B. V.代表开罗大学计算机与信息学院制作和主办。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词软件无线电;误码率;无线通信;频移键控;信噪比北纬90度Alkanwala等人利用LabVIEW在较短的时间内完成了在存在AWGN噪声的情况下，实现的输出显示出非常高的数据速率的低BER©2015由Elsevier B.V.代表开罗大学计算机与信息学院制作和主办。 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍SDR系统是能够适应未来解决方案的系统，它涵盖了现有和新兴的标准。软件无线电必须具备可重构性、智能和软件可编程硬件的要素。由于功能是用软件来定义的，因此可以通过软件升级在软件无线电中容易地实现新技术。信道均衡是软件无线电（SDR）接收机中的重要子系统[15]。多年来，调制技术已广泛用于各种无线应用，但现代通信系统要求以更高的速率、更大的带宽传输数据[16]。介绍了一种基于LabVIEW的FSK收发器软件无线电系统。SDR为诸如第三代（3G）和第四代（4G）系统之类的系统提供了替代方案。在不久的将来，软件定义无线电可能会在两个频段上运行，即：54- 软件定义无线电包括可编程通信系统，其中仅通过更新软件就可以进行功能更改。SDR可以重新配置，可以同时通话和收听多个信道。SDR系统的发射机将数字信号转换为模拟波形。 然后将生成的模拟波形接收到的模拟波形，然后下变频，采样，并使用可重新配置的基带处理器上的软件解调。通常，高性能数字信号处理器被用作基带处理器。由于SDR系统与传输中的模拟信号相比，数字信号的使用减少了硬件、噪声和干扰问题，这是数字传输的主要优点之在本文中，FSK收发器的软件仿真器已经使用LabVIEW设计[7，14，13]。FSK被选择作为所设计的软件定义无线电系统的调制方案，这是由于其易于实现并且广泛使用传统通信设备，并且FSK调制技术被认为是当前和未来无线通信中用于发送和接收的非常常见的技术，特别是在VHF和UHF频带中，其在高数据速率下提供优异的BER与SNR比一个完全实现的SDR具有在具有可编程信道带宽和调制特性的宽频率范围内导航的能力[5，20，9]。调制技术在SDR中的作用它们可以重新配置，可以同时通话和收听多个频道调制技术在SDR中的作用是非常关键的，因为调制技术定义了任何通信系统的核心部分。无线技术。然而，SDRSDR的基本概念是无线电可以完全由软件配置或定义，使得可以跨多个区域使用公共平台，并且软件用于改变无线电的配置以实现给定时间所需的功能还有一种存在性，它可以随着标准的升级而重新配置，或者如果需要管理其他角色，或者如果其过程的范围变性。SDR可以重新配置，并可以在同一时间收听和收听双工信道。SDR中调制技术的个性化非常重要，因为调制技术定义了任何无线系统的核心[11，8，3]。在任何通信群中，主要的兴趣是从发射机向接收机发送信息信号。这些信号是通过一个破坏信号的向导来传递的。需要使信道和噪声的失真效应最小化，并且使在任何给定时间通过信道传输的信息最大化。通道会受到各种类型的不和谐音、扭曲和干扰的影响[2]。此外，一些通信系统对发射机功率有所有这些都可能导致各种类型的错误。因此，我们可能需要某种形式的错误控制为了可靠地恢复信息，进行编码[22]。2. 相关工作前向纠错（FEC）码是通信系统的重要组成部分，保证了通信的可靠性。FEC是一种在传输数据中添加冗余比特以帮助接收器纠正错误的技术有两种类型的FEC码：卷积码和分组码。当我们使用分组码时，它们由n和k定义，其中n描述编码比特的总数，k给出输入比特的数量在卷积码中，编码作为一个码字应用于整个数据流[4]。在1948年，香农指出，任意可靠的通信是可能的，直到信号传输速率不超过一定的限制，这被称为信道容量。在此之后，不同的代数码，如Golay码，给出了下一系列的码，最初称为递归码或卷积码，这有助于进一步改进差错控制编码。卷积码具有高效的编译码算法和在AWGN信道下的高性能后来也给出了级联编码方案此外，在突发传输期间，卷积码也存在一些弱点，这些弱点后来通过使用RS码（RS码）[17]将卷积码与RS码串行关联来减少发展RXRF前端TXDDCADC--不软件无线电收发机Turbo码是编码理论中的最新发现Turbo码采用迭代译码算法，译码性能接近香农限许多迭代解码算法应运而生，例如Gallagher 这些Turbo码虽然具有优良的误码性能，但也存在一些问题，如产生一定数量的低重量码字，导致在高信噪比时误码率曲线上出现“平层”。此外，复杂的软输入，软输出（SISO）解码器是这样的低成本解码器是不可用的许多商业应用。由于这些原因，许多应用仍然部署RS码，因为它具有高效的解码器实现[17]和出色的纠错能力。本文的结构如下：第一节介绍了软件无线电的相关工作，第二节介绍了相关的工作，第三节介绍了FSK收发器的设计，第四节介绍了FSK收发器的参数，第五节介绍了FSK收发器的仿真，第六节详细讨论了所取得的结果，最后第七节解释了得出的结论。3. 频移键控收发机本文研究了数字调制方案频移键控（FSK）具有载波信号随时间的动态特性，这种变化导致相位、幅度或频率的正弦变化。这导致正弦曲线的对比一般的数字收发器的一般框图如图所示。1 .一、该FSK收发器系统的构建块stated-ted在本节中。该系统由发射机和接收机两部分组成。具有多种编码和解码技术的FSK收发器的VI层次结构如图所示。 二、3.1. 消息源在传输过程中，伪噪声（PN）比特序列作为消息信号产生。重复所选模式，直到生成用户指定的总位数。PN序列顺序指定PN比特序列的顺序，生成。有效值为5-31（包括5和31）。如果PN序列阶数为N，则输出数据是周期性的，周期为T=2N-1。伪随机或伪噪声（PN）序列虽然本质上是确定的，但满足随机数的许多性质（自相关、互相关等）。一个m序列产生一个长度为L = 2 m1位，由线性反馈移位寄存器（LFSR）生成，如等式（1）所示。㈠：hK1K2K5其中K表示延迟，并且求和表示模2加法。 帧标记位被插入到产生的PN序列的前面，如图1所示。3.第三章。3.2. 源编码器该实例将比特映射到用于FSK调制方案的复值符号和用于FSK的频率偏差。输入字节流指定要映射到FSK符号的传入位流。符号映射指定将每个符号值映射到其所需偏差频率的有序数组。数组中的FSK电平数必须为2N，其中N是每个符号的位数。要指定预构建的映射，请从FSK（M）或FSK（Map）实例生成的系统参数集群中解包符号映射元素当输入比特流不是由整数个符号组成时，缓冲携带比特何时重置？设置为TRUE（默认值），则在每次调用时清除此缓冲区何时重置？设置为NULL，则在下一次调用此VI时，将结转位添加到输入位流的开头。当当前数据块与前一数据块相邻时，此选项非常有用3.3. 脉冲成形滤波器多态实例使用每个符号的脉冲整形样本，其指定用于脉冲整形滤波器的每个符号的期望样本的数量如果脉冲整形滤波器用于解调，则该参数值必须与传递到解调VI的系统参数簇的每个符号元素的样本相匹配。指定一个大于2的偶数。每符号匹配样本，指定解调匹配滤波器每符号所需样本的数量。该参数值必须与传递到数字解调VI的系统参数簇的每个符号元素的样本相匹配。指定一个大于2的偶数。脉冲整形滤波器系数返回与调制中使用的脉冲整形滤波器的期望滤波器响应相对应的滤波器系数的有序阵列在调制期间使用所计算的滤波器系数以减小所发射信号的带宽，并且在解调期间使用所计算的滤波器系数以减小符号间干扰。脉冲成形滤波器既可用于FSK调制信号的传输，也可用于FSK调制信号的解调.匹配滤波器仅用于解调。VI使用以下公式计算滤波器的脉冲升余弦滤波器由下式给出：RF部分基带IF部分htsinc. 谢谢。pbt1-ðiiÞ部分t4b2t2T2DAC德图1通用数字收发器框图3.4. 通道编码器（线路）该多态实例基于指定的生成器矩阵生成编码比特流。输入字节流规范，ifies位序列表示数据字编码。基带处理-×--图2 FSK收发器的VI层次结构。北纬92度Alkanwala等人图3消息源VI.生成器矩阵（n，k）指定用于以八进制格式设置卷积前馈编码器连接卷积编码器被建模为线性前馈移位寄存器由k行组成的排列，每行具有K1个移位寄存器，其中k表示数据字长度，K表示约束长度。如果ij{06i6n 1，06j6k 1}表示生成矩阵中的特定元素，则行我-I¼K软件无线电收发机索引i对应于受该元素影响的卷积编码器输出yi，而列索引j对应于k行移位寄存器布置中的第j行在相应的代码生成器序列的末尾填充零，使得它们的总长度是三位数的倍数 图图4描绘了对应于先前提到的生成器矩阵的速率2/3卷积编码器，其中约束长度等于4。 图在图4中，D表示移位寄存器或存储器元件。这里，表示在第i个编码实例中卷积编码器的第j调制，并在输出复波形参数中返回调制后的复基带波形。对于每个符号超过1位的FSK系统，如4-FSK，符号将首先转换为最低有效位（LSB）。一个频率被指定为(1) 频率，另一个作为“空间“（0）频率。3.6. 时变信道我们加入时变通道来观察系统的适应性。用于此目的的VI返回1个具有用户指定E/N的噪声波形，其中Erepre-y jXh jxk¼0IIIB0 b其中x是输入序列，yj是来自输出j的序列，hj是输出j的脉冲响应。 卷积编码器VI如图所示。 五、在这个设计中，我们使用了Turbo编码器作为第二编码技术，如图6所示，它通过使用两个卷积编码器工作。一个编码器接收要发送的数据，另一个接收要发送的数据卷积编码器是相同的，额定值为1。每个都有3个线性移位寄存器与反馈回路.然后，原始数据、编码器1的输出和编码器2的输出在发送之前交织在一起3.5. FSK调制器FSK调制器接受一个M进制值，该值指定一个预定义的符号映射，该符号映射具有用作符号的不同符号映射值FSK实例计算调制器内使用的参数。系统参数从该VI线群集到适当调制VI的对应参数。M-FSK指定M进制数，这是用作符号的不同频率偏差的数量此值必须是2的正幂。FSK偏差指定最大FSK频率偏差，灰。在基带频率处，各个符号的偏差在间隔[-fd，fd]中均匀分布，其中fd表示频率偏差。对于不连续相位FSK，调制包括根据输入数据选择适当的正弦波。因此，当在符号之间切换时，FSK信号相位中存在不连续性。该VI保持每个独立正弦体相对于时间的相位这样，FSK调制器就像一个基于硬件的（多个开关音发生器）FSK调制器，如图所示。第七章每个符号的位数返回每个符号表示的位数。该值等于Log2（M），其中M是调制的阶数。FSK调制器接收数据位序列，执行FSK图4卷积编码器。高斯噪声（AWGN）具有均匀的功率谱密度，并将其添加到复基带调制波形中。输入复合波形指定调制的复合基带波形数据。每个符号的输入比特指定作为输入复波形基础的调制格式中每个符号的比特数。Eb/N0以dB为单位指定输出复合波形的所需Eb/N0 输出，复波形返回信号加噪声复基带波形数据。信道本质上是高斯的，因为其概率密度函数可以被精确地建模为表现得像高斯分布，并且它被称为白色，因为它具有恒定的功率谱密度。该通道的特性随时间变化，滤波器通带从100到900 Hz摆动。 图 8示出了具有AWGN噪声源的时变信道。对于真正的AWGN，加性噪声的I和Q分量必须相互关联。3.7. FSK解调器从调制波形中恢复原始信息的过程是由FSK解调器完成的。用于解调的VI对FSK调制的复基带波形进行解调，并返回时间对齐的解调波形、解调信息比特流以及解调期间获得的测量结果。该VI试图通过锁定到载波信号来消除载波和相位偏移。每个符号的样本数指定每个符号专用的偶数、正数样本数。将此值乘以符号速率，以确定采样速率。匹配滤波器系数指定包含所需匹配滤波器系数的有序数组。频率偏移返回测量的载波频率偏移，单位为赫兹（Hz）。频率漂移返回测量的载波频率漂移，单位为赫兹（Hz）。维特比解码是用于卷积码解码的优化（在最大似然意义上）算法，因为这简化了解码操作[5，7]。解码器是维特比解码器，然后求解全局最优比特序列。该算法更新的路径成本，因为它通过可能的输出序列的每个阶段的步骤。在每个状态下，它还根据先前状态的成本计算进入每个可能的新状态的可能性。然后，该算法需要两个额外的零比特后，每个序列，以迫使编码器，der回到零状态，并假设编码器结束在所有零状态。这两个尾部比特表示编码比特序列和未编码比特序列之间的分数损失率。维特比解码器VI如图所示。第九章 图 10示出了i-k矩阵Þ发送每比特的能量，N0表示频谱噪声密度的此VI生成零均值复加法白北纬94度Alkanwala等人图5卷积编码器VI.图6 Turbo编码器VI.本设计中使用的是Turbo码译码器VI。它的工作原理是使用一组最大后验概率（MAP）解码器。当接收到数据时，将其解交织回从发射机发送的三个流：1. 原始数据。2. 卷积编码器1的输出。3. 卷积编码器2的输出。第一个MAP解码器将流1和流2以及MAP解码器2的输出（对于第一次迭代初始化为零）作为输入[12，8]。第二MAP解码器接收流2的交织自适应（前述交织器用于在原始数据被发送到卷积编码器之前交织原始数据）和来自原始MAP解码器的输出然后，两个MAP解码器一起工作以收敛于解决方案：最可能的原始比特序列。软件无线电收发机图7FSK调制器VI.由调制器输出在这种设计中，用户可以选择从给定的滤波器升余弦（奈奎斯特），平方根升余弦，高斯滤波器中选择任何种类的滤波器，如表1所示。因此，这种设计使其成为一种独特的SDR，用户可以选择所需的滤波器，并查看哪个滤波器提供最小BER。图8 AWGN和IQ损伤。3.8. 获取符号定时下一步是在匹配滤波器输入复波形中定位理想符号定时时刻的第一次出现。然后，它应用相位连续重采样以将输入复波形的第一样本对准到理想的符号定时时刻。返回的波形是符号时间对齐的，使得其第一样本对应于最佳（理想）符号时刻。在图11所示的VI中，输入样本通过复数队列PtByPt VI，其创建复数的数据队列以获得帧的开始。这个VI抽取输入的复波形并返回抽取后的输出复波形.该VI用于在输出端抽取匹配的滤波波形，以恢复与理想符号定时位置对应的符号。4. FSK收发器参数4.1. 变送器滤波器发射机滤波器定义了在发射机处用于对符号进行脉冲整形的i. 升余弦滤波器：升余弦滤波器是通信系统中最常见的脉冲整形滤波器之一升余弦滤波器用于最小化符号间干扰（ISI）。ii. 根升余弦滤波器：根升余弦滤波器用于在低频处产生具有单位增益的频率响应。5. FSK收发器在这一节中，我们描述了M-FSK FSK收发器系统的仿真结果图11和图12给出了2、4、8、16、32、64、128、256位FSK的BER与Eb/ N 0（dB）的关系。 12和13卷积编码和Turbo编码的输出结果已经用FSK参数进行了说明，如表1所示。通过查看输出结果，我们可以非常清楚地说，Turbo编码比卷积编码提供了更好的改进和更好的数据错误最小化在此设计的帮助下，我们还可以展示如何快速有效地为SDR构建FSK收发器5.1. 误码率比特错误率（BER）是在所考虑的传输期间比特错误的数量除以传输比特的总数。北纬96度Alkanwala等人图9维特比解码器VI.图10 Turbo解码器VI.软件无线电收发机图11符号时序VI.从BEREb/N0输出图中可以清楚地看到。我们还可以非常清楚地看到，通过这些结果，可以使用编码技术来最小化数据错误，这反过来又提高了信噪比（SNR）;此外，我们还可以说，通过查看结果，Turbo编码比卷积和维特比码提供了在Lab-VIEW仿真的基础上，对M电平FSK系统（2，4，8，16，32，64，128，256）在加性高斯白噪声信道中的性能进行了评估和比较。 12和13在本文中，我们展示了如何快速有效地构建软件定义无线电的FSK收发器我们用图形化编程语言Lab-VIEW建立了一个FSK收发系统，该系统由信源、脉冲整形滤波器、发送端调制器和接收端解调器、帧同步器、相位连续和频偏控制器组成。我们能看到的设计的唯一限制是时间间隔BER是一种无单位的性能测量，通常用百分比（%）表示。伪随机数据序列（15）用于该设计中的分析。BER参数表示特定调制类型的当前操作BER，并且在本设计中选择的调制方案是M-FSK。此值取决于各种信道特性，包括发射功率和噪声电平。6. 讨论和模拟在本节中，我们将讨论FSK收发器VI在噪声信道下的仿真结果。结果表明，基于FSK技术设计的无线系统具有较高的数据速率和信噪比。这可能是非常图12 BER与Eb/N0（dB）的关系（2、4、8、16、32、64、128、256位卷积编码的输出结果。表1模拟参数。SL.号123456可重构参数为用户PN序列顺序Eb/N0信息符号传输B.W（BT）符号相位连续性FSK频率偏差（Hz）滤波器用户采用的值15或任何值80 dB或任何值1000或任何值0.5或任何值连续25KHz或任何值789101112符号率Eb/N0sample每符号采样BER vsEb/N0（无滤波器）余弦滤波器，根提升余弦滤波器100.00 kHz或任何值5或任何值16或任何值0.5或任何值无北纬98度Alkanwala等人图13BER与Eb/N0（dB）（2、4、8、16、32、64、128、256位Turbo编码的输出结果。我们需要一台处理速度快的机器来传输和分析较大的数据，因为我们可以在同一设计中加入更多的编码和编码技术，以提高传输数据的安全性，但如果我们试图使用现有的计算机来处理数据，则需要大量时间来分析数据位。因此，必须增强处理机的计算能力。7. 结论在LabVIEW的帮助下，与其他基于文本的编程语言相比，在更短的时间内构建了交互式软件定义无线电系统。在此设计的帮助下，我们能够看到并证明，数据错误可以使用编码技术，从而提高信噪比（SNR）最小化我们也可以说，通过查看结果，Turbo编码给出了一个更好的改进和更好的最小化的数据错误比卷积编码。最后，我们可以说，在Turbo编码中，随着目的地的M（级数）的增加，信号可以以比卷积编码更小的错误概率被引用[1] Adachi F，Ohno K.移动无线信道中QDPSK后检测分集接收的误码性能。IEEE Trans Veh Technol 1991;40（1 pt2）：237http://dx.doi.org/10.1109/25.69994.[2] Adrat M，Ascheid G.关于无线软件定义无线电系统最新创新 的 特 刊 。 J Signal Process Syst 2015;78 （ 3 ） ： 239-41.http://dx.doi.org/10.1007/s11265-014-0968-网站。[3] Bonior J，Hu Z，Guo TN，Qiu RC，Browning JP，Wicks MC.基于软件无线电的无线断层扫描：实验演示和验证。IEEEGeosci Remote Sens Lett2015;12（1）：175-9.[4] Shannon CE.沟通的数学理论。Bell SystTech J 1948;27：379-423.[5] Forney GD。卷积码。II-最大似然解码。III-顺序解码。通知控制1974;266：222-66. http：//dx.doi.org/10.1016/S0019-9958（74）90870-5.[6] Haykin S.认知无线电：大脑授权的无线通信。IEEE J SelAreas Commun2005;23（2）：201-20.[7] 乔纳森足球会软件定义无线电：认知无线电的基础与演进 。 EURASIP J 无 线 通 信 网 2005;2005 （ 3 ） ： 652784.http://dx.doi.org/10.1155/WCN.2005.275网站。[8] 维格·康在二进制对称无线衰落信道下FBMC认知无线电物理层误码性能的计算机辅助分析。Wireless Pers Commun2015;82（3）：1263-78. http://dx.doi.org/10.1007/s11277-015-2281-x网站。[9] 放大图片作者：Kim N，Kehtarnavaz N，Torlak M.基于LabVIEW的软件定义无线电：4-QAM调制解调器4（3）：54[10] 克诺斯湾IEEE 802.15.4收发器与软件定义无线电设置的实 现 卢 塞 恩 应 用 科 学 大 学 ; 2008 年 ， http://www.i-o-t.ch/fileadmin/Dateien/PDF/NewsEvents/emw2008_paper_Knauth.pdf>。[11] 拉瓜拉湾基于LabVIEW的M-PSK收发器的设计实现，采用多个前向纠错编码技术，用于软件定义无线电应用。JElectrElectrEng2014;2（4）：55.http://dx.doi.org/10.11648/j.jeee.20140204.11网站。[12] 1998年，陈文辉，Wireless Pers Commun 2013;72（4）：2957http：//dx. doi.org/10.1007/s11277-013-1191-z。[13] 1999年10月20日，Sahu OP，Kapoor S，Vohra A.软件无线电信道均衡技术综述。无线通信2011;3（3）.[14] [10] J.J. 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