基于軟件無線電的數(shù)字化接收機的研究

吳 丹, 顧學邁, 吳芝路
(哈爾濱工業(yè)大學 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)字化接收機方案:單通道窄帶數(shù)字化接收機、單通道寬帶數(shù)字化接收機、多通道寬帶并行數(shù)字化接收機和基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機。分析了四種方案的原理、結(jié)構和實現(xiàn)方法,給出了MATLAB仿真和實驗結(jié)果。與傳統(tǒng)接收機方案相比,這些方案具有結(jié)構簡單、功能強大和易于升級的優(yōu)勢。
　　關鍵詞：軟件無線電 數(shù)字化接收機 欠采樣 正交解調(diào) 信道化接收機

　　軟件無線電[1～3](Software Defined Radio)技術是近年來提出的一種實現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構,它是針對現(xiàn)在無線通信領域存在的一些問題υ碩摹H砑尷叩緄幕舅枷朧且砸桓鐾ㄓ謾⒈曜?、?榛撓布教ㄎ勞?通過軟件編程實現(xiàn)無線電臺的各種功能。本文基于軟件無線電的理論和關鍵技術,對四種可行的數(shù)字化接收機結(jié)構進行分析,用軟件模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收機中的硬件結(jié)構,在很大程度上克服了傳統(tǒng)接收機硬件結(jié)構復雜、不通用及系統(tǒng)不穩(wěn)定的局限性。最后,進行MATLAB仿真和實驗,并給出結(jié)果。
1 軟件無線電數(shù)字化接收機方案
　　目前軟件無線電數(shù)字化接收機的方案大致可分為以下四種:單通道窄帶數(shù)字化接收機、單通道寬帶數(shù)字化接收機、多通道寬帶并行數(shù)字化接收機和基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機。
1.1 單通道窄帶數(shù)字化接收機
　　單通道窄帶數(shù)字化接收機方案的原理見圖1(a)。天線接收到的信號經(jīng)過濾波放大選取所要的通道,如果信號的頻率很高還可以加上一級或者多級混頻來降頻(以下小節(jié)中的接收機類似),然后通過A/D采集將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。如果按照奈奎斯特采樣原理,用大于最高頻率2倍的頻率采樣以達到不混疊的目的,對于高中頻信號來說是不實用的。信號載頻雖然很高,其攜帶的信號所占的帶寬卻很窄,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是信號的載波,fs為采樣頻率,B為信號的帶寬,m=1,2,3…,且m滿足fs≥2B。欠采樣方式以大于兩倍信號帶寬的速率對帶通信號進行采樣,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)電路設計的復雜度。例如對于載波頻率為10.7MHz的信號,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,兩路輸出信號在時域上相差半個采樣點,在頻域相當于相差一個延遲因子ejw/2。這種在時間上的“對不齊”需要用數(shù)字濾波器進行相位校正。兩個濾波器的頻率響應滿足公式(2)。

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

(a) 單通道窄帶數(shù)字化接收機原理框圖

(b) 單通道寬帶數(shù)字化接收機原理框圖

(c) 多通道寬帶并行數(shù)字化接收機原理框圖

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

2 仿真及實驗結(jié)果
　　根據(jù)現(xiàn)有條件對1.4節(jié)和1.1節(jié)的接收機分別進行仿真和實驗。
2.1基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機的MATLAB仿真
　　基于多相濾波結(jié)構的信道化處理結(jié)構中,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來計算,以提高計算率。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)構的信道化處理,可以獲得整個3MHz帶寬內(nèi)全部信號情況。為便于說明,假設整個信道有6個調(diào)幅信號,其分布及信號的參數(shù)見表1。
　　仿真是在信噪比為10dB的條件下進行的,圖2給出了仿真信號的時域、頻域波形和相應通道的基帶信號波形。由仿真圖的結(jié)果可以看出,信號經(jīng)過基于多相濾波結(jié)構信道化的接收機處理后,能夠正確獲得每個信道上的基帶信號,從而可以實現(xiàn)整個中波帶寬內(nèi)信號的全概率接收。
表1 6個通道的信號參數(shù)

(a) 3MHz 帶寬內(nèi)的信號波形

(b) 3MHz帶寬內(nèi)的信號頻譜情況

(c) 通道3的信號基帶波形

(d) 通道7的信號基帶波形

(e) 通道10的信號基帶波形

(f) 通道15的信號基帶波形

(g) 通道19的信號基帶波形

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

2.2 單通道窄帶數(shù)字化接收機實驗
　　以簡單的中波信號為接收對象,用這種接收機模型對信號進行解調(diào)并且實時收聽。信號的數(shù)字化處理和實時播放是在PC機上完成的。對于中波信號無需混頻,可以用天線直接進行射頻接收,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,采集后的信號進入PC機中,用VC進行處理以實現(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為信號的波形顯示圖。

圖3 程序流程圖

(a) 接收信號波形

(b) 解調(diào)后的波形
圖4 波形顯示圖

　　該接收機除了可以接收調(diào)幅信號,還可以通過增加軟件模塊來增加新的功能,達到接收多種調(diào)制信號的功能,從而大大節(jié)省了資源。普通中波收音機的音質(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信號產(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)字化接收機方案,從仿真和實驗結(jié)果可以看出,這些方案不僅節(jié)省了大量的硬件結(jié)構,還擴展了接收機的功能,適應了當今無線電的發(fā)展方向,隨著硬件技術的快速發(fā)展,這些方案會在軍用和民用上得到廣泛發(fā)展。
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