基于軟件無線電的數(shù)字偵聽接收機研究

信息社會中，作為信息載體的電磁頻譜成為重要的戰(zhàn)略資源?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中對電磁頻譜控制權(quán)的爭奪將決定戰(zhàn)爭態(tài)勢的發(fā)展，通常稱其為電子戰(zhàn)。偵聽接收機在電子戰(zhàn)中起著關(guān)鍵作用。民用中對電磁頻譜的監(jiān)測與管理也需要電子偵聽接收機。電子偵聽和電磁頻譜監(jiān)測接收對象都具有頻段寬、信號種類多、通信環(huán)境復(fù)雜、先驗知識少等特點?；趥鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的偵聽接收機體積龐大、處理功能有限、智能化程度低、升級困難、設(shè)備間兼容性差，無法滿足現(xiàn)代社會以及現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求。軟件無線電的基本思想[1，2]符合偵聽接收機偵聽信號寬頻段、多種類等特點，由軟件定義的算法具有高度靈活性。目前在研的數(shù)字偵聽接收機大多基于軟件無線電體系，國際市場上已有多種成熟產(chǎn)品，例如澳大利亞萬瑞公司的WR-G3系列接收機。

國內(nèi)的數(shù)字偵聽接收機研究起步較晚，同時受器件水平的限制因而較為落后，接收頻段窄、接收帶寬有限。對于盲信號處理技術(shù)的研究也處于起步階段，現(xiàn)有的偵聽接收機僅能實現(xiàn)信號能量檢測以及AM、FM解調(diào)，無法達到電子戰(zhàn)的要求。

結(jié)合超大規(guī)模集成電路器件水平的提高，以及盲信號處理技術(shù)的進步，本文設(shè)計了一種基于軟件無線電的數(shù)字偵聽接收機。該接收機核心處理器采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320C6416T芯片和Xilinx公司的現(xiàn)場可編程門陣列Virtex－II Pro 30；沒有使用專用芯片，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)靈活性；采用中頻數(shù)字化方案，降低了對AD器件的要求；采用盲信號處理技術(shù)，實現(xiàn)了對當(dāng)前常用的模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制信號的類型區(qū)分、參數(shù)提取、解調(diào)等功能。

1 接收機硬件體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的偵聽接收機硬件體系功能框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)功能框圖

1.1 射頻前端

軟件無線電系統(tǒng)射頻前端信號處理有三種體系結(jié)構(gòu)：射頻低通采樣、射頻帶通采樣、中頻數(shù)字化[1]。理想的軟件無線電體系采用射頻低通采樣結(jié)構(gòu)。受器件水平的限制，目前的軟件無線電系統(tǒng)大多采用中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)：先將射頻信號由本振下變頻到某一固定中頻，例如10.7MHz，然后再進行AD采樣，這樣可以降低對AD器件的要求。本系統(tǒng)也采用這樣的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。射頻前端采用日本ICOM公司的IC-R8500接收機，如圖1左虛線框。該接收機接收范圍為200kHz～2GHz，10.7MHz中頻輸出。

1.2 自動增益控制（AGC）

由于信道的復(fù)雜性、時變性以及信源的不確定性，接收機收到的信號動態(tài)范圍非常大，最大最小值可能會相差100dB甚至更大[3]。固定增益放大電路無法滿足需求，這時需要進行自動增益控制。自動增益控制電路包括放大電路和檢波電路兩部分。

檢波電路根據(jù)信號的幅值輸出一電壓信號，控制放大電路的放大倍數(shù)。傳統(tǒng)接收機大多采用三極管檢波電路。基于軟件無線電的接收機可以采用數(shù)字方式檢波，如圖1所示。在AD采樣之后，數(shù)據(jù)傳給信號處理器件，由程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字檢波。在本系統(tǒng)中數(shù)字檢波工作由FPGA完成。

目前常用的放大電路有兩種：分離器件放大電路和集成放大電路。用于中頻信號放大的集成放大電路有Analog Device公司的AD603、Motorola公司的MC1490等。在信號帶寬較寬時，大多采用分離器件電路。本設(shè)計方案中使用分離器件電路，采用NEC公司的MOSFET管3SK131作為放大器件，該器件增益達23dB。采用ICOM公司的小型變壓器LS476實現(xiàn)每級放大電路信號的提取和隔離，該變壓器還能實現(xiàn)濾波作用，防止電路自激振蕩。整個電路采用五級放大，總放大倍數(shù)超過110dB。放大電路的一級如圖2所示。

1.3 AD采樣電路

AD采樣電路是目前制約軟件無線電系統(tǒng)的瓶頸之一。例如對于2.4GHz的藍牙信號，如果進行射頻低通采樣，則需要4.8Gsps以上的采樣頻率，目前的AD芯片水平離這一要求還有相當(dāng)大的差距[1]。所以當(dāng)前軟件無線電系統(tǒng)大多采用中頻數(shù)字化方案。AD芯片的采樣頻率與有效位數(shù)成反比關(guān)系。當(dāng)前14bit的AD芯片水平達到105Msps的采樣頻率，如AD6645；12bit的AD芯片達到400Msps采樣頻率，如AD12400。本接收機方案中采用Analog公司的AD6645芯片，該芯片有效位14bit，采樣頻率達105Msps，工作頻段達200MHz。
AD芯片決定了偵聽接收機的接收帶寬可以達到52.5MHz。

1.4 數(shù)字下變頻（DDC）

一般數(shù)字信號處理器件很難直接處理AD采樣得到的高速數(shù)據(jù)流。同時數(shù)據(jù)流中的載波頻率信息對信號的解調(diào)沒有任何作用，所以需要去除數(shù)字信號中的載頻，并進行抽樣率變換以降低數(shù)據(jù)速率，該過程稱做數(shù)字下變頻(Digital Down Converter)。專用的數(shù)字下變頻器件有Intersil公司的HSP50214B、Gray－Chip公司的GC1011系列等。Analog Device公司推出了集成AD采樣功能與DDC功能的AD6654。

專用芯片處理帶寬一般很有限，例如HSP50214B處理帶寬最高982kHz，無法滿足很多場合的要求，如3G信號。同時在軟件無線電系統(tǒng)中，專用芯片越多系統(tǒng)靈活性越差。本接收機方案中沒有采用專用集成芯片，而是采用FPGA芯片實現(xiàn)數(shù)字下變頻功能。本接收機采用Xilinx公司的FPGA芯片Virtex－II Pro 30，使用了Xilinx公司的IP Core-Digital Down Converter V1.0，實現(xiàn)數(shù)字下變頻功能。

采用了FPGA芯片后，大大增加了系統(tǒng)的靈活性。FPGA還完成了數(shù)字頻率合成（DDS）功能，以提供AD芯片的采樣時鐘。數(shù)字包絡(luò)檢波也由FPGA芯片實現(xiàn)，同時FPGA芯片還承擔(dān)了部分算法的計算工作，例如FFT變換、FIR濾波等。FPGA在系統(tǒng)中所處的位置及實現(xiàn)的功能如圖1所示。

1.5 數(shù)字信號處理器(DSPs)

本接收機中的數(shù)字信號處理器采用TI公司的TMS320C6416T，該芯片為基于90納米工藝的定點型芯片，采用VLIW體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包括8個處理單元，單指令周期1ns，處理能力達8 000MIPS。芯片內(nèi)部有16KB的程序緩存區(qū)，16KB的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，1 024KB的單周期RAM區(qū)。該芯片有豐富的外設(shè)接口，包括Viterbi譯碼、Turbo譯碼、PCI通信接口等。本接收機系統(tǒng)采用了DSPs的PCI通信接口實現(xiàn)與主機間的數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

DSPs在本接收機系統(tǒng)中承擔(dān)了主要的信號處理計算任務(wù)。

2 處理算法

由于偵聽對象為未知信號，需要判斷接收信號的調(diào)制類型、頻偏、數(shù)字信號的碼元速率等，并對模擬信號進行解調(diào)。本接收機采用盲信號處理算法實現(xiàn)這些功能，并假定偵聽信號集合包括AM、FM、DSB、MFSK、MPAM、MPSK和MQAM。

首先分析信號的功率譜，根據(jù)功率譜中是否存在線譜，分離出AM、MFSK信號。根據(jù)線譜之間的距離可以判斷出MFSK信號的碼元速率。對于功率譜中無線譜的信號，求取信號的包絡(luò)譜。如果信號的包絡(luò)譜中存在線譜，則該信號為二維數(shù)字調(diào)制信號，線譜對應(yīng)位置為碼元速率點。如果不存在線譜，則該信號為模擬調(diào)制信號，包括FM、DSB。對于FM、DSB信號，可根據(jù)信號包絡(luò)的起伏情況區(qū)分出來。對于二維數(shù)字信號，根據(jù)信號n次方譜可以求出信號的載波頻偏。例如對于QPSK信號，信號4次方譜中存在線譜，線譜的位置標(biāo)明了信號的頻偏。在求出碼元速率和載波頻偏的前提下，對二維數(shù)字信號進行盲均衡，本系統(tǒng)采用基于高階累積量的整數(shù)階均衡方法。根據(jù)均衡后的星座圖，采用極大似然法，判斷出二維數(shù)字調(diào)制信號的調(diào)制類型[4]。算法處理流程如圖3所示。

目前，對各種已知參數(shù)信號的數(shù)字解調(diào)算法已經(jīng)比較成熟，見參考文獻[1]。關(guān)于盲信號處理算法的詳細論述，見參考文獻[4]。

3 系統(tǒng)調(diào)試

本接收機系統(tǒng)的用戶界面采用PC機實現(xiàn)，使用VC++語言編程，如圖4所示。系統(tǒng)調(diào)試時，采用Agilent公司的E4438C作為信號源，發(fā)射無線信號。接收天線采用ICOM公司的AH-7 000天線，通信頻率433MHz。信號源發(fā)送信號集合內(nèi)各種調(diào)制類型的信號，以測試系統(tǒng)的性能。圖4為發(fā)送QPSK信號時，本系統(tǒng)的用戶界面顯示。圖中上排左為信號功率譜，以分離AM、MFSK信號；中為包絡(luò)譜，以估計碼元速率，分離FM、DSB信號；右為信號N次方功率譜，以估計載波頻偏。下排四幅圖為盲均衡得到的星座圖。

本文設(shè)計的數(shù)字偵聽接收機系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)簡單，具有很強的靈活性、可擴展性，符合軟件無線電系統(tǒng)要求。接收頻段200kHz～2GHz，接收帶寬52.5MHz。在盲信號處理算法的支持下，實現(xiàn)了調(diào)制類型識別和相關(guān)參數(shù)辨識等功能。通過添加不同的解調(diào)算法可以實現(xiàn)多種信號的解調(diào)、解碼功能。將多個該系統(tǒng)并聯(lián)，可以實現(xiàn)空域信號處理等任務(wù)。