基于軟件無線電的數(shù)字化接收機(jī)的研究

吳 丹, 顧學(xué)邁, 吳芝路
(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信研究所, 黑龍江 哈爾濱 150001)
 
　　摘　要：給出了四種基于軟件無線電的數(shù)字化接收機(jī)方案:單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)、單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)、多通道寬帶并行數(shù)字化接收機(jī)和基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)。分析了四種方案的原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法,給出了MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與傳統(tǒng)接收機(jī)方案相比,這些方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大和易于升級(jí)的優(yōu)勢(shì)。
　　關(guān)鍵詞：軟件無線電 數(shù)字化接收機(jī) 欠采樣 正交解調(diào) 信道化接收機(jī)

　　軟件無線電[1～3](Software Defined Radio)技術(shù)是近年來提出的一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu),它是針對(duì)現(xiàn)在無線通信領(lǐng)域存在的一些問題υ碩摹H砑尷叩緄幕舅枷朧且砸桓鐾ㄓ謾⒈曜肌⒛?榛撓布教ㄎ勞?通過軟件編程實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各種功能。本文基于軟件無線電的理論和關(guān)鍵技術(shù),對(duì)四種可行的數(shù)字化接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,用軟件模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收機(jī)中的硬件結(jié)構(gòu),在很大程度上克服了傳統(tǒng)接收機(jī)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不通用及系統(tǒng)不穩(wěn)定的局限性。最后,進(jìn)行MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn),并給出結(jié)果。
1 軟件無線電數(shù)字化接收機(jī)方案
　　目前軟件無線電數(shù)字化接收機(jī)的方案大致可分為以下四種:單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)、單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)、多通道寬帶并行數(shù)字化接收機(jī)和基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)。
1.1 單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)
　　單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)方案的原理見圖1(a)。天線接收到的信號(hào)經(jīng)過濾波放大選取所要的通道,如果信號(hào)的頻率很高還可以加上一級(jí)或者多級(jí)混頻來降頻(以下小節(jié)中的接收機(jī)類似),然后通過A/D采集將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。如果按照奈奎斯特采樣原理,用大于最高頻率2倍的頻率采樣以達(dá)到不混疊的目的,對(duì)于高中頻信號(hào)來說是不實(shí)用的。信號(hào)載頻雖然很高,其攜帶的信號(hào)所占的帶寬卻很窄,欠采樣理論就是利用了這一特性[4],見公式(1)。
　　fs=4f0/(2m+1)　 　 　 　 　 　 (1)
　　其中f0是信號(hào)的載波,fs為采樣頻率,B為信號(hào)的帶寬,m=1,2,3…,且m滿足fs≥2B。欠采樣方式以大于兩倍信號(hào)帶寬的速率對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣,與傳統(tǒng)的采樣方式相比降低了采樣后的數(shù)據(jù)量及后續(xù)電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。例如對(duì)于載波頻率為10.7MHz的信號(hào),可取m=15,則采樣頻率fs=1.38MHz。
　　圖1(a)的虛框部分是軟件處理部分(其他框圖同),信號(hào)的解調(diào)采用基于欠采樣的正交解調(diào)原理完成。經(jīng)過奇偶抽取,兩路輸出信號(hào)在時(shí)域上相差半個(gè)采樣點(diǎn),在頻域相當(dāng)于相差一個(gè)延遲因子ejw/2。這種在時(shí)間上的“對(duì)不齊”需要用數(shù)字濾波器進(jìn)行相位校正。兩個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)滿足公式(2)。

 
　　
　　兩路信號(hào)經(jīng)過濾波校正后進(jìn)行解調(diào)計(jì)算[4],得到基帶信號(hào)。
1.2 單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)
　　單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)通過可調(diào)的濾波器每次接收一個(gè)頻道信號(hào),而單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)要把選定范圍內(nèi)的信號(hào)全部接收采集進(jìn)來,然后通過軟件選擇頻率處理,這種接收機(jī)的原理見圖1(b)。
　　由于接收的信號(hào)是寬帶的,所以不能用欠采樣的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。信號(hào)的采樣率按照奈奎斯特原理進(jìn)行計(jì)算,如需要載波頻率為f1的信號(hào),便使寬帶信號(hào)通過頻率為f1的正交本振對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交分解,然后經(jīng)過低通濾波,降速抽取,最后利用解調(diào)算法獲得基帶信號(hào)。
1.3 多通道寬帶并行數(shù)字化接收機(jī)
　　上述兩種數(shù)字化接收機(jī)方案只能同時(shí)接收一個(gè)信號(hào),不具備多信號(hào)處理的能力,所以稱為單通道接收機(jī)。若同時(shí)對(duì)多個(gè)通道上的信號(hào)進(jìn)行處理,可以將圖1(b)中A/D采樣后的信號(hào)分為多個(gè)并行通道,分別進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波和軟件解調(diào),原理見圖1(c)。這種方法思路簡(jiǎn)單,但系統(tǒng)比較復(fù)雜。
1.4 基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)
　　多通道并行寬帶中波數(shù)字化接收機(jī)的數(shù)字本振是固定的,這在非合作性(或被動(dòng)性)的條件下,無法對(duì)整個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽。軟件無線電的信道化理論可以完成對(duì)整個(gè)選定頻段范圍信號(hào)的全概率獲得,可應(yīng)用于追蹤、查找非法電臺(tái)、干擾電臺(tái)及不法信號(hào)發(fā)射裝置的中波廣播信號(hào),凈化電磁空間,維護(hù)通訊安全,其原理見圖1(d)(接收信號(hào)為實(shí)信號(hào)的情況)。
　　信道化數(shù)字化接收機(jī)是將接收信號(hào)通過一組濾波器(稱為信道化濾波器)均勻分成D個(gè)子頻帶輸出,再將各個(gè)子頻帶的信號(hào)搬移到基帶,進(jìn)行降速抽取,最后解調(diào)處理。將以上信號(hào)處理過程進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化[5],可以大大減少計(jì)算量,得到如圖1(d)的形式。

(a) 單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)原理框圖

(b) 單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)原理框圖

(c) 多通道寬帶并行數(shù)字化接收機(jī)原理框圖

(d) 實(shí)信號(hào)多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)原理框圖
圖1 四種基于軟件無線電數(shù)字化接收機(jī)方案原理

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　根據(jù)現(xiàn)有條件對(duì)1.4節(jié)和1.1節(jié)的接收機(jī)分別進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。
2.1基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)的MATLAB仿真
　　基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化處理結(jié)構(gòu)中,其中D通常取2的冪次方,這樣DFT可以用快速傅立葉變換FFT來計(jì)算,以提高計(jì)算率。取采樣率fs=6MHz,其無混疊帶寬為3MHz,把3MHz帶寬D=32路信道化輸出,則32路信道中每一個(gè)通道所占的信道寬度為3MHz/32=93.75kHz。通過基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化處理,可以獲得整個(gè)3MHz帶寬內(nèi)全部信號(hào)情況。為便于說明,假設(shè)整個(gè)信道有6個(gè)調(diào)幅信號(hào),其分布及信號(hào)的參數(shù)見表1。
　　仿真是在信噪比為10dB的條件下進(jìn)行的,圖2給出了仿真信號(hào)的時(shí)域、頻域波形和相應(yīng)通道的基帶信號(hào)波形。由仿真圖的結(jié)果可以看出,信號(hào)經(jīng)過基于多相濾波結(jié)構(gòu)信道化的接收機(jī)處理后,能夠正確獲得每個(gè)信道上的基帶信號(hào),從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)中波帶寬內(nèi)信號(hào)的全概率接收。
表1 6個(gè)通道的信號(hào)參數(shù)

(a) 3MHz 帶寬內(nèi)的信號(hào)波形

(b) 3MHz帶寬內(nèi)的信號(hào)頻譜情況

(c) 通道3的信號(hào)基帶波形

(d) 通道7的信號(hào)基帶波形

(e) 通道10的信號(hào)基帶波形

(f) 通道15的信號(hào)基帶波形

(g) 通道19的信號(hào)基帶波形

(h) 通道22的信號(hào)基帶波形
圖2 基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化
接收機(jī)的MATLAB仿真圖

2.2 單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)實(shí)驗(yàn)
　　以簡(jiǎn)單的中波信號(hào)為接收對(duì)象,用這種接收機(jī)模型對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并且實(shí)時(shí)收聽。信號(hào)的數(shù)字化處理和實(shí)時(shí)播放是在PC機(jī)上完成的。對(duì)于中波信號(hào)無需混頻,可以用天線直接進(jìn)行射頻接收,然后濾波放大。數(shù)據(jù)的采集借助ADLink公司的PCI-9812連續(xù)采樣模擬輸入采集卡完成,采集后的信號(hào)進(jìn)入PC機(jī)中,用VC進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)正交解調(diào)、界面功能和波形顯示,由聲卡完成播放。程序流程見圖3。圖4為信號(hào)的波形顯示圖。

圖3 程序流程圖

(a) 接收信號(hào)波形

(b) 解調(diào)后的波形
圖4 波形顯示圖

　　該接收機(jī)除了可以接收調(diào)幅信號(hào),還可以通過增加軟件模塊來增加新的功能,達(dá)到接收多種調(diào)制信號(hào)的功能,從而大大節(jié)省了資源。普通中波收音機(jī)的音質(zhì),除了受外部噪聲影響外,還受自身元件無法克服的內(nèi)部噪聲的影響。本方案借助于軟件,節(jié)省了很多硬件,也就大量消除了由硬件自身對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響,因此接收效果有很大的提高。
　　本文介紹了四種基于軟件無線電的數(shù)字化接收機(jī)方案,從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,這些方案不僅節(jié)省了大量的硬件結(jié)構(gòu),還擴(kuò)展了接收機(jī)的功能,適應(yīng)了當(dāng)今無線電的發(fā)展方向,隨著硬件技術(shù)的快速發(fā)展,這些方案會(huì)在軍用和民用上得到廣泛發(fā)展。
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