（信号与信息处理专业论文）短波单边带软件无线电dsp模块的研制(1).pdf

短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 摘要 短波通信是中远距离无线通信的个重要方式，由于通信距离远、抗打击 能力强、设备简单等优点在近年来重新受到重视。然而现在对通信机提出了更 高的要求，要求实现多模式多波段的通信，传统的接收机结构由于在功耗、体 积、可靠性等方面的原因，越来越不适应这个要求，因此必须对通信机的结构 做重大改进，这就需要实现通信机的智能化、数字化、软件化。数字信号处理 理论特别是多速率信号处理理论的完善，数字信号处理芯片、a d 变换器的性能 的提升和价格的相对下降使得软件化、数字化的通信机的实现成为了可能，并 且产生了软件无线电的思想。 本文即是依照软件无线电的思想，对短波接收机中频以后实现数字化改造， 在统一的数字信号处理硬件平台上，利用通用的o s p 器件采用不同的软件算法 来实现l s b 、u s b 、a m 等信号的解调a 这样能够在很大程度上使解调模块体积 缩小、功耗降低，而且便于扩展解调其它类型的信号，例如窄带调频、短波段 数据传输等。而在传统接收机中这部分是用模拟硬件实现的，对每一种信号的 解调都需要单独的硬件来完成，硬件复杂度过高。 本文阐述了一种软件无线电短波接收机的实现方案，它的模拟域到数字域 的转换是采用欠采样技术和中频数字化实现的。在中频数字化以后使用的 t m s 3 2 0 c 5 4 系列d s p 芯片等组成硬件平台，在这个统一的硬件平台上实现对不 同类型调制信号的纯软件解调。文中对软件解调算法儆了详细的公式推导，并 且进行了理论仿真及定点算法仿真，讨论了采样模式、算法实现、硬件选型等 需要解决的重要问题，提出了一种可行的软硬件实现结构，在最后给出了测试 结果，验证了该结构的可行性。 关键词：软件无线电，数字电台，短波电台，欠采样，软件解调 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 a b s t r a c t a sai m p o r t a n tm e t h o df o rm i d d l eo rl o n gd i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， s h o r t - w a v ec o m m u n i c a t i o ng a i n si t sr e c o g n i t i o no v e ra g a i n ，f o ri t sl o n g d i s t a n c ea n d a n t i d e s t r o yc a p a b i l i t y b u tn o wm o r ea d v a n c ep e r f o r m a n c e s a r e e x p e c t e d f o r e x a m p l e ，m u k i m o d ea n dm u l t i b a n dr a d i o ( m b n 偶) i si n t e n s i v e l ye x p e c t e df o r t h er e a s o no fp o w e rc o n s u m i n g ，v o l u m ea n dr e l i a b i l i t y , t r a d i t i o n a lr a d i o sa r e n o t s u i t a b l ef o rm b m m rs og r e a tc h a n g e sm u s tb et a k e n ，s u c ha sm a k i n gr a d i o i n t e l l i g e n t ，d i g i t a l i z e d ，a n dm o r es o f t w a r eb e i n gu s e d n o w , t h ea dc o n v e r tc h i p s a n dd s p c h i p sh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dl o w e rp r i c e a l lt h e s em a k ei tp o s s i b l ef o r s o f t w a r er a d i o sr e a l i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fs o f t w a r er a d i o ，t h et h e s i sr e a l i z e dd i g i t a l i z e d d e m o d u l a t i o nb ys o f t w a r ea f t e rt h emb a s e do nau n i f o r mh a r d w a r ep l a t f o r m ，d i v e r s e a r i t h m e t i ci su s e dt od e m o d u l a t el s b ，u s b ，a m , c ws i g n a l s oi tc a nd e c r e a s et h e m o d u l e sv o l u m e ，l o w e ri t sp o w e rc o n s u m e ，w h a t sm o r e ，i tm a k ei t p o s s i b l ef o r d e m o d u l a t i o no fo t h e rt y p e ss i g n a ls u c hn b f mo nt h es a m ep l a t f o r mb yc o n t r a r i e s ， t r a d i t i o n a lr a d i ou s ed i v e r s eh a r d w a r es e tf o re a c ht y p e so fs i g n a l sd e m o d u l a t i o n ， w h i c hi st o oc o m p l i c a t e d t h et h e s i sd e s c r i b e sas o l u t i o nf o rs o f t w a r es h o r t - w a v er e c e i v e ra n a l o gi s c o n v e n e dt od i g i t a ls i g n a lb yu s i n gi fu n d e r - s a m p l i n gt e c h n o l o g y t h e nau n i f o r m h a r d w a r ep l a t f o r mi sc o n s i s t e df r o mt m s 3 2 0 c 5 4f a m i l yd s p , i nw h i c h ，d i v e r s e m o d u l a t e ds i g n a l sa r ed e m o d u l a t e du s i n gp u r es o f l 2 w a r e i nt h et h e s i s ，d i s c u s s i o ni s p r o c e s s e do nt h em o d e so fs a m p l i n g ，r e a l i z a t i o no fa r i t h m e t i ca n dt h es e l e c t i o no f h a r d w a r ea r c h k e c t u r e t h ed e t a i l p r i n c i p l eo fd e m o d u l a t i o na r i t h m e t i ca n di t s r e a l i z a t i o ni nd s pa r ea l s od e p i c t e d i nt h ee n d ，t h et h e s i sg i v e st h er e s u l tf o rt h e p r o o f o f t h es o l u t i o n k e yw o r d s ：s o f t w a r er a d i o ，d i g i t a lr a d i o ，s h o r t - w a v er a d i o ，u n d e r s a m l i n g ， s o f t w a r ed e m o d u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ) 签名：压至日期：弼年6 月聒臼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘簦导师签名：2 塑垩! 圭 日期：；叼j 年名月，苫日 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 第一章引言 1 1 短波通信概述 短波( s h o r t - w a v e ) 通信主要使用国际无线电咨询委员会( c c i r ) 划分的 九个无线电通信频段中的第7 频段高频频段( 包括3 3 0m h z ) ，因此， 短波通信又常称为高频( 职) 通信。实际上，为了充分利用近距离地波较强 的优点，短波通信还占用了第6 频段( 中频) 高端的一部分频段，故短波通信 实际使用的频率为1 6 到3 0 m l z 。 短波通信可以利用地波，但主要是利用天波。 无线电波沿地球表面传播的部分称为地波( 或地表波) 。短波地波受地面 吸收而衰减的程度，比长波和中波大，而且受地面电气特性的影响也较大， 故短波地波只适用于近距离通信。地波衰减随工作频率递增，在同样的地面 条件下，频率越高，衰减越大；利用地波进行通信时，工作频率- 般选在5 m h z 以下。地波传播受天气影响较小，比较稳定，信道参数基本上不随时间而变 化，故地波传播信道可以看作恒参信道。 一 无线电波射向天空又折回地面的部分称为天波。倾斜投射的天波经电离 层反射后，可以传播到几千公里外的地面。天波的传播损耗比地被小得多。 由电离层反射回的电波本来传播就要远些，尤其是在地面和电离层之间多次 反射( 多跳传播) 之后，可以达到极远的地方。因此，利用天波可以进行环球 通信。天波传播受电离层变化和多径传输的严重影响而极不稳定，其信道参 数随时间而急剧变化；因此常称为时变信道或变参信道。尽管天波传播不稳 定，但由于可以实现远距离通信，因此仍然远比地波重要。天波不仅可用于 远距离通信，而且还可以用于近距离通信。在地形复杂、短波地波或视距微 波受阻挡而无法到达的地区利用高仰角投射的天波可以实现通信。 1 2 短波通信新技术与瓤体制 随着微型计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展，促进了短波通 信技术的更新，八十年代以来，人们利用微处理器、数字信号处理器、自适 应技术、跳频技术，不断提高短波通信的质量和数据传输速率，增强自动化、 l 短波单边带软件无线电i ) s p 模块的研制 新业务功能，提高自适应与抗干扰能力，使现代短波通信重新焕发青春。 1 实时选频与自适应技术 实时选频采用实时信道评估技术，探测电离层传输和噪声干扰情况，即 实时发射探测信号，根据收端对收到的探测信号处理结果进行信道评估，实 现自动选择最佳工作频率。实时选频系统目前有两类：( 1 ) 自适应频率管理 系统一在短时间内，对全频段快速扫描和探测，不断预报各频率可用情况。 ( 2 ) 频率自适应系统一融探测与通信为体，采用收发双方可靠呼应技术、 线路质量分析( l q a ) 技术和自动线路建立( a l e ) 技术，使短波通信频率随 信道条件变化而自适应地改变，确保通信始终在质量最佳信道上进行。自适 应选频能充分利用频率资源、降低传输损耗、减少多径影响，避开强噪声与 电台干扰，提高通信链路的可靠性。短波模拟通信已普遍采用自适应实时选 频。 一 自适应技术指实时或频繁地利用各种探测技术，根据探测结果自动调整 设备参数，达到最佳通信效果。短波自适应通信的核心是自动选择最佳的工 作频率，自动选用无线电信道和自适应数据传输。运用自适应选频、收发、 调制解调、编码、均衡以及天线等多种自适应技术，在严重干扰条件下，短 波通信自动改变工作频率、数传速率、调制方式、编码和纠错编码方式、最 大限度地降低误码率。 2 窄带高性能调制解调 短波窄带高速数传，按调制方式分为多音并行和单音串行两种体制。 多音并行体制：在话音通带内，把高速串行信道分裂成多个低速并行信道， 以若干个副载波在基带有效带宽内并行传输信息，接收机输出的多路数据信 息，分路后分别进行数据解调，得到多路低速数据信号，经过重新组合恢复 成高速数据流。每个副载波承载的数据率相当低，码元长度相对于多径时延 己足够大，能抗多径衰落影响。常用的多音有1 6 、3 9 、5 2 音，每个单音受 q p s k 8 p s k 调制。目前最高数据速率为2 4 k b s 。新型多音并行调制解调器 采用f e c 、分集、多普勒频移校正和d s p 技术。 单音串行体制：在一个话路带宽内，串行发送高速数据信号。发送端采 用8 p s k 调制，接收端采用高效自适应均衡、序列检测和信道估值综合技术， 消除了多径传播和信道畸变引起的码间制串扰，串行制不存在功率分散问 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 题，在相同传输速率下，误码率比并行制改善1 - 2 数量级，大大提高了传输 质量，数传速率高达9 6 k b s 。 3 宽带抗干扰调制解调 短波信道时变特性，频率存在“窗口效应”，天波传播的每条路径有自 由空间损耗、电离层吸收损耗、地面反射损耗，三者均与频率有关，在一段 时间内，单跳传播2 m h z 带宽内幅度起伏约l 2 d b 。 ( 1 ) 直接序列扩频( d s ) ：通过伪噪声序列对发送信息数据进行调制，接收 端本地p n 序列和所接收信号互相关运算，将d s 信号解扩，恢复原始信息数 据，系统带宽延伸至l5 m h z ，如美国s i c o m 公司研制的直扩短波电台，信息 速率达5 8 k b s ，具有低截获率、抗多径效应、抗窄带干扰能力。 ( 2 )快速跳频( f f h ) ：采用差分跳频( d f h ) 编码技术、产生控制码驱动d d s 芯片，f h 图案本身在频率和时间上插入冗余度，在不增加额外比特的情况下， 仍具备为解调解跳后的输出提供定的纠错能力，即使在恶劣的信道上也能 有效地降低误码率，如美国l o c k h e e ds a r a d e r s 公司开发的c h e s s 系统，跳 速为5 0 0 0 h s ，其中2 0 0 跳用于信道探测，4 8 0 0 跳用于传输数据，若每跳发 送2 b s 数据，则可获得9 6 k b s 数传速率。改变每跳发送比特数，可获得 4 8 1 9 2 k b s 标准系列数据率，跳频带宽为2 5 6 m h z ，划分为5 1 2 介5 k h z 带宽的子信道，收发双方约定其中6 4 个质量较好的子信道，构成当前f h 频 率集。射频信号带宽窄，可兼容传统的窄带传输高频信号，频谱复用效率高， 抗多径衰落和跟踪干扰能力强。 ( 3 ) 多载波正交频分复用( o f 删) 调制：o f d m 是一种并行数据传输系统，采用 频率上等间隔的n 个子载波分别调制一路独立的数据信息，调制后的n 个子 载波信号相加同时发送。通过选择载波间隔，使这些子载波在整个符号周期 上保存频谱的正交特性，各子载波上的信号在频谱上相互重叠。收端利用载 波之间的正交特性，可无失真地恢复发送信息。o f d m 技术在短波信道可实现 1 6 6 4 k b s 的数据传输速率。即利用1 0 2 4 个正交副载波，每载波的波形速率 为1 2 5 波特，信道带宽为1 2 5 k h z ，纠错码用大冗余度的r s 码或t u r b o 码。 与单载波相比，在相同速率时，符号周期延长n 倍，远大于信道时延扩展， 能有效消除码间串扰。副载频之间正交特性，使信号频谱可重叠，提高频谱 利用率，并有良好的频率分集效果，能抗严重多径和强窄带干扰。 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 4 突发数据通信 将数据信息分组后在瞬间突然发出，每次发送信息时间短，频率更换频 繁，具有随机性和短暂性。短波自适应瞬间通信系统( a b c s ) 基于o w f ( 最 佳工作频率) 的自适应选频技术。a b c s 以m u f x 0 8 5 的o w f 为基础，在其上、 下一段频率范围内进行实时选频，时刻跟踪o w f 附近的最佳频率，每6 分钟 更新一次，充分利用最好的频率资源。 在短波衰落信道，当通信时间小于衰落周期时，属赖斯( r i c e ) 分布， 当通信时间远小于衰落周期时，更接近高斯分布。实验证明，采用远小于衰 落周期的瞬间通信较传统的低速率通信有l o d b 以上的体制增益。短波频谱 本身存在“多孔性”( 空间长度小于1 分钟的频率、时间空隙) ，持续时间以 分钟为单位，尽管干扰十分严重，仍然可以寻找安静频率点作为工作频率， 据干扰测量统计，2 2 5 1 3 m 1 4 z 频段中能选出3 8 2 8 小于luv 的安静频 率点。甲、乙双方进行远距离通信的必要条件是( 1 ) 双方都工作在各自的 安静频率点上。( 2 ) 工作频率保证良好的电离层传播特性。a b c s 使用双方各 自选好安静频率，建立信箱，利用跳频和突发通信方式发送选频报文和通信 报文。 a b c s 以分组高速数据为主，用时间划分组网，加上计算机存储、转发功 能，实现了多用户( 高速串行方式) 、大容量的可靠通信。，采用人工神经网 络预测“最佳工作频率”，并依托它实现自适应选频，双向建立安静信箱， 利用选频探测信号传送安静信箱地址，保证信道畅通。运用新型纠错编码、 调制解调、分组和跳频等技术，并发挥突发通信电波在空间时间短( 1 g h z ) 实现s d r 还很困难，而这才是s d r 的主要频段。因此还有待于进一步研究和 开发。 ( 2 ) 多载波功率放大器( m c p a ) 理想的软件无线电在发送方向上把多个载波合成一路信号，经过上变频 后，用心c a 对宽带的模拟混合信号进行放大。因为混合信号中信号与信号 包络幅度相关很大，所以对放大器的非线性特性特别敏感，m c p a 采用前向反 馈技术抑制不需要的互调载波，得到有效的功率利用率。 ( 3 ) 高速宽带a d 、d a 变换 数字化是软件无线电的基础，模拟信号必须经过采样转化成数字信号才 能用软件进行处理：反之亦然。这些功能由a 7d 转换器( a d c ) 和d a 转换 器( d a c ) 实现。 d 和d a 器件在软件无线电中所处的位置是非常关键的， 它直接反映了软件无线电台的软件化程度。 ( 4 ) 并行d s p 处理器 7 短波单边带软件无线电i ) s p 模块的研制 d s p 是软件无线电所必需的最基本器件，d s p 主要完成软件对数字信号的 处理。中频以下主要包括：基带处理、比特流处理和信源编码。基带部分主 要完成各种波形的调制解调、扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的 数字处理，每路需要几十到几百个m i p s ( 每秒百万条指令) 处理能力。比特流 处理主要完成信道编解码( 软判决译码) 、复接分接、交换、信令、控制、 管理以及加解密等功能。信源编码部分主要完成话音和图像的编码算法，每 信道需要十几个m i p s 的处理能力。要完成如此巨大的信号处理运算，必须 采用多d s p 并行处理结构才有可能实现。 1 6 软件无线电的应用 美国和日本于2 0 0 2 年2 月签署了一份谅解备忘录以进行软件无线电系 统的联合开发。美国防部从1 9 9 8 年开始投资一个8 年期的计划，希望将美 军使用的2 5 种不同的无线电系统替换成为一个系列的无线电系统，该系列 无线电系统是手持式、高容量、可进行语音、视频和数据通信的无线电系统。 目前美军使用的许多无线电系统都无法互相通信。联合战术无线电系统的总 费用约4 0 亿美元6 0 亿美元，将要取代所有美军的无线电系统。该计划的第 一份合同最早将在3 月或4 月授予，将设计用于地面车辆和直升机的战术无 线电系统和设计用于空军的战术空中控制设备。目前波音公司和雷声公司正 在竞争该系统。美军正在与英国进行签署谅解备忘录的谈判工作，将与英国 合作研究新型无线电系统，此外还将与法国、德国、瑞典、意大利、新西兰 和加拿大进行合作。 日本目前正在开发的自卫队机动网络化技术将允许个分队的无线电 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 系统在各自的范围之内自动与友邻分队无线电系统的频率进行同步。而目前 无线电频率必须手动进行同步。而美国对此十分感兴趣。 目前软件无线电技术在商用移动通信、卫星通信等领域都得到了应用。 1 9 9 5 年，美国在d a m p s 系统上进行了一项实验，成功了应用了软件无线电技 术。在该实验中，基站采用软件无线电结构，大部分通信与控制功能由软件 在通用平台上完成，中频处理由专用的硬件实现。该实验的核心是使用软件 完成的“智能天线”技术，达到了业务增强的目的。实验结构表明，可以使 d a m p s 系统频率的利用率由i 7 提高到1 3 ，从而达到增强容量的效果。 特别值得一提的是软件无线电在第三代移动通信中的不可缺少的作用。 因为第三代移动通信制式繁多，存在着多模操作，在这种情况下，如果仍象 以前完全用硬件来构造移动通信系统，、就会给用户和运营商带来了许多问 题。一方面用户和运营商不能灵活地利用各具优点的多种通信标准制式，而 另方面，通信技术迅速的升级换代也对运营商和用户的投资带来很大的损 失。例如希望采用c d m a 2 0 0 0 移动通信服务的用户就不得不放弃他们的g s m 或i s 一9 5 c d m a 手机。如果引入软件无线电技术，充分利用软件无线电技术带 来的系统灵活性和通用性，就可以实现第三代移动通信中多种空中接口并存 以及第三代与g s m 系统的兼容，并对将来新的通信标准的引入和升级带来非 常大的便利，同时也保护运营商和用户的利益。正是因为上述原因，软件无 线电正在3 g 得到越来越广泛的应用。 另外需要指出的是所说的软件无线电概念不仅应用于无线通信领域，对 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 涉及信道调制解调的有线通信领域同样使用，例如，高速电缆调制解调器、 a d s l 等网络通信设备。 1 7 课题所要研究的内容 本课题的名称是“短波单边带软件无线电d s p 模块的研制”，目的是体 现软件无线电的概念，实现传统短波通信单边带接收机中频以下数字化、软 件化的解调。从而省去传统单边带电台的边带滤波器等一系列模块解调环 节，构筑一个统一的硬件平台实现单边带信号、调幅、抑制载波调幅、等幅 波莫尔斯电报的软件解调。在这个平台上构建开发架构，可进一步可以实现 窄带语音调频、短波段数据链路的解调。 要完成的主要技术指标如下： 功耗：小于1 w 输入信号调制方式：u s b 、l s b 、a m 、c w 输入中频信号载波频率( 即中频中心频率) ：4 5 6 k h z 音频响应：3 0 0 h z 3 0 0 0 h z ，变化小于l d b 群延迟差：1 5 0 f ls 阻带衰减：大于等于6 0 d b 边带抑制：大于等于5 5 d b 中频带宽可编程 a g c 时间常数可编程 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 第二章短波单边带通信的软件无线电设计方案 2 1 传统短波单边带接收机的结构 为提高短波通信的效率，改进通信质量，发展了单边带通信技术，将发 射信号中的载波和左右两个边带经过滤波，只发出单个边带，然后在接收端 再予以补充还原，这种单边带无线电通信可以大大节约发射功率，减少占用 的频带宽度，也相应地可以减少电波间干扰，并可以进而做到在一套收发系 统中同时传送四个电话话路。因此自7 0 年代以来全世界的短波通信逐渐都 改用单边带通信。近年来，随着计算机与通信的结合，在短波通信中，开发 成功了自适应短波通信技术，可以凭借计算机存储的程序做到自动搜索、自 动探测信道质量、自动更换优质频道从而使短波通信的质量又有了进一步的 提高，使用更为方便。 一般传统的短波单边带接收机采用超外差结构，天线接收的射频信号经 过二次变频或者三次变频到较低的中频，在这个统一的中频上实现大部分选 择性和增益，然后再由解调模块实现信号的恢复。 虽然，数字技术的发展使的短波接收机越来越多地采用了数字技术，比 如数字面板，频率记忆等，然而，即使是现代的短波接收机其信号处理部分 实质上仍是采用的模拟技术，传统s s b 接收机采用模拟边带滤波器来实现边 带滤波的。 下页图即为某短波接收机的原理框图： 接收前端： 这种接收机为二次变频式超外差结构，第一中频为高中频1 0 0 m i t z ，实现 对中频和镜像响应抑制8 0 d b 以上，第一混频器将接收到的2 3 0 m h z 信号上 变频到第中频，第一中频滤波器滤掉第一混频器产生的无用信号，并将模 拟接收前端的带宽限制在1 6 k h z ，第一中频信号经过放大后与固定中频信号 9 9 5 4 4 m h z 混频，产生第二中频信号4 5 6 k _ h z ，再经过第二中频放大器后，进 入中频后处理单元。 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 圃 掣 别 隧 嚣 擎 鲻 蜊 鼎 垛 h 由 回 后中频处理单元： i e 女h a 面所说，在框图四种类型的解调环节都是由模拟电路来实现的。 憾斟刚剞嶝臻导 冀一鞲 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 可选的中频滤波器组用于不同信号的解调，不同信号对应的滤波器选择如下 表： 信号类型应选择的滤波器带宽各注 上边带( u s b )+ 3 k h zf i - f i 十3 k h z 下边带( l s b )- 3 k h zf i 3 k h z - f i 调幅( 蛳) 6 k h z 等幅波电报( c w )3 0 0 h z 窄带调频( n 所w )1 6 k h z 注：f i 为中频频鍪 表2 - i中频滤波器带宽选择 每一种类型的信号都要用相应的解调电路来实现，比如对于s s b 信号用 乘积检波器、a m 信号用包络检波器或者同步检波器、f m 信号用鉴频器等。 不难看出一台接收机对于这些不同类型的信号都要配备相应的滤波器和对 应的解调电路，这样必然造成接收机设备复杂、可靠性差而且会造成设备的 体积增大。如果考虑将不同信号的中频后处理用软件无线电来实现，那么上 述这些缺点都会被克服，因为这样是在统一的硬件平台f 二用不同的软件来实 现不同信号解调的，必将会极大地精简后中频处理电路。 2 2 软件无线电短波电台设计时的考虑 传统短波电台越来越不适应当前对短波电台的小型化、低功耗、多模式 等要求，因此，将软件无线电的概念应用于短波电台成为一种现实的解决办 法，这其中最关键的是如何规划软件无线电短波电台的实现。这其中有几个 重要的问题： 2 2 1 中频采样的结构问题 本文采用的是在中频( ) 采样，同样，对于在中频的采样结构仍有几 种方案可以选择。 首先，对于中频采样有宽带中频采样和窄带中频采样两种，所谓宽带中 频采样是指中频的带宽可以容许多个信道，由于和使用窄带电调谐滤波器同 样的抗带外干扰的原因，不采用宽带中频采样，而采用窄带中频采样。 其次，对于中频采样，有复信号采样( 如图2 - 2 ) 和实信号采样( 如图 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 2 - 3 ) 两种。 图2 - 2复信号采样结构 上图即为复信号采样的结构，复信号采样又叫正交信号采样，它是先将 中频信号模拟下变频成正交信号，然后经过两路a d 变为数字化正交信号后 送入d s p 处理。与下面的实信号采样相比，复信号采样的采样率较低，而且， 需要a d 变换器的模拟带宽指标也可以很低。因此需要的d s p 处理速度也较 低。当前某些商品短波接收机有使用这种结构的。这种结构在数年前通用d s p 处理器运算速度普遍不高的情况下比较适用。但是，这种结构的缺点也不容 忽视：它使用两个正交模拟本振，两套混频器和a d 变换器，明显增加了系 统的复杂性；更为重要的是，它的两个通路是模拟电路，难以做到参数的精 确的一致，比如混频器的性能，正交本振的幅度和相位特性。而经过分析， 现在的高速d s p 的运算能力已经使实信号采样成为可能，克服了上述缺点。 下图为实信号采样结构，它只用一个a d 变换器对信号进行采样，然后 在数字域执行下变频，这样硬件上比较简单，包括数字下变频和低通滤波器 都是在数字域实现的，两个通道特性可以精确的一致。这种结构对a d 变换 器的速度、模拟带宽和d s p 的处理速度要求较高，但是对于本文选择的“中 频欠采样”方式来说( 后文中有说明) ，条件是具备的。由于实信号采样的 一系列优点，因此本文即采用这种结构。 2 2 2 中频频率的选择问题 在何处采样的问题解决了，下一步就是具体采用多大的中频问题。对采 1 4 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 图2 - 3实信号采样结构 样方式的选用要基于一个基本的原则：尽可能地降低中频频率以降低对a d 变换器的性能要求，保持尽可能低的采样率以减轻后续d s p 的运算负担。对 于后者，实际上是与接收机的性能要求相矛盾的，因为模拟接收前端希望采 用较高的中频以利于控制镜像频率响应和a d 变换器的混叠。 早期的些部分数字化电台中有采用很低的例如1 2 k h z 的中频然后数字 化的，它们的思想是在后面在加入一级模拟下变频使最末一级的中频频率达 到1 2 k h z ，这样对h d 变换器的要求已经降的很低，甚至于采用普通的廉价 音频a d 变换器即可以完成这项任务。然而目前a d 变换器的工艺水平和价 格已经使采用较高中频的数字化成为可能，与“欠采样技术”配合并不会对 采样率带来很大的增加。 因此为了不影响接收性能，本课题采用与大多数传统电台一致的中频频 率4 5 6 k h z ，这样对模拟接收前端的性能指标不会造成影响，这样也便于 应用现成的模拟接收前端而不对模拟电路的结构做大的改动。 2 23 欠采样方式和采样率的选用 在软件化解调时，希望进入d s p 的采样率尽可能的低，而本课题选用的 中频频率又相对比较高，如果用普通的采样方式对6 k h z 带宽中频频率为 4 5 6 k h z 的中频信号进行采样的话，采样率至少要4 5 6 2 = 9 1 2 k h z ，相对于 1 6 k h z 的信号带宽这个采样率不免有点高。解决这个问题，就要使用“欠采 样技术”根据带通信号采样定理，使用适合于欠采样的a d 变换器，这种a d 短波单边带软件无线电b s p 模块的研制 变换器在比奈奎斯特采样频率更高的频率上可以保持良好的采样特性。这个 特性般是由模拟带宽来描述的。比如本课题选用的a d 变换器a d 9 2 4 3 其 模拟带宽达4 0 w i z ，采样率最高达弧。 欠采样是理论基础是的带通信号采样定理，其结论是： 对于理想的带通信号，在其频谱上低于某一频率础或者高于某一频率 厶时幅度为0 。取n 为，砸的整数部分，k 为缸凡的小数部分，b 为厶。一厶。，欲保证采样后无混叠，则可以得出下面结论： 1 当丘。= n b 时，采样率为工2 b ； 2 当厶。= n b + k 时，采样率限制为2 丑( 1 + 专) z 2 b ( 1 + 方；) 3 z 2 纛时无论什么情况都不会混叠 4 当n 很大时，最低采样率近似取为2 b 即可满足要求。 在实际采样中，应尽量保证兀。，= n b ，如果不是这样，则可以适当扩展一 点带通信号的保护带，使得满足这个要求。本课题中，中频信号的指标为， 带宽6 k b z ，中心频率4 5 6 k h z ，因此厶。= 4 5 6 + 3 = 4 5 9 k l z = 7 6 5 b ，因此只 要采样率f 2 b = 1 2 k h z ，即可以满足无混叠要求。为了留有裕量，本课题 选择的采样率1 2 k h z 的8 倍，即9 6 k h z 。这样，所选的a d 变换器的模拟带 宽必须大于4 5 6 + b k h z ，标称采样率大于9 6 k h z ，再留有足够裕量即可。因为 实际的滤波器只能提供有限的阻带衰减，因此中频信号做为带通信号并不是 完全理想的带通信号，采样过程不可避免地要产生频谱混叠。指标要求必须 有6 0 d b 以上的抗混叠保护。即要求进入a d 变换器之前的抗混叠滤波器在 偏离中频4 8 k h z 处必须至少有6 0 d b 的衰减。 厂 ， 6 0 d 包 o1 6 k2 4 k3 2 k 4 5 k 图2 - 4抗混叠保护示意图 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 2 3 软件无线电短波电台的结构与设计原理 在2 2 节中，已经解决中频数字化的几个关键问题，在这个基础上，实 现软件无线电短波电台的结构如下图。 由框图可以看出，该框图沿用传统接收机的模拟前端，但在中频后处理模块 中有较大的不同。无论是s s b 解调还是a m 解调等都是由d s p 的算法实现。 1 7 洄龇莲潮豁罄鞑蓉辩嘏啦蕊|篙蹬 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 关于模拟接收前端不再赘述，图2 - 6 是信号解调部分详细的框图。 2 31s s b 信号解调原理 图2 - 6 中1 处信号为中频模拟信号，在4 5 6 k h z 中频两侧各有一个边带 的信号，如图2 7 ： 团掣g辎噻鞋垃gf、龟，器口h圈 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 图2 7中频信号的频谱结构 采样信号为9 6 k h z 时钟，a d 变换器模拟输入带宽包括中频范围，因此 采样冲激串的频谱如图2 - 8 ： 图2 - 8 2 处信号的频谱 1 处的中频信号经过欠采样后，其频谱图为图2 9 ： k 一 图2 - 93 处信号的频谱 这里可以看出，欠采样技术不仅将中频信号无混叠的采样，而且还实现 了下变频的功能：信号中频变为2 4 k h z 。 仅画出该信号频谱的一个周期以便观察，如图2 1 0 ： 图2 - 1 03 处信号频谱的一个周期 该信号与2 c o s ( 2 4 k x 2 x x n ) 2c 。s 芒2 ”) 的数字信号相乘，结果信9 6 世7 、。”。 一。 号的频谱为( 只画出一个周期) ： 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 i b ：臼峙 臼i o 一8一“勰 4 搴 图2 1 l4 处信号频谱为上面两个频谱成分相加 该信号通过低通抗混叠滤波成为5 处的信号，频谱为： li 臼i b 一一。 一4 8 o j 一斗一一+ 一创吐一卜旦 。表示频谱为唧者相加 图2 - 1 25 处信号频谱为上面两个频谱成分相加 经过8 倍抽取降速后成为6 处的信号，频谱为下图： 镭 图2 1 3 6 处信号频谱为上面两个频谱成分相加 6 处信号经过信道滤波得到7 处的信号，滤除不必要的成分，抑制了带 外干扰，本例中无带外干扰信号，因此7 处信号的频谱与6 处信号频谱相同。 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 接下来7 处信号经过延迟器以便与希尔伯特变换f i r 滤波器的时延一致，得 到1 2 处的信号，其频谱为7 处频谱乘以相移因子。 在另一信道，经采样后的中频信号乘以s i n ( 2 ，力，得到8 处的信号，频 谱为下图： 凸王：出! i 知 驾 o 4 8 i 区： ：翻1 喳：1 ：1 口 ! 磐 i 一8一) 2 4 4 8 图2 1 48 处信号频谱为上面两个频谱成分相加 再经过低通抗混叠滤波，所得信号9 的频谱为下图所示： i ! 盐i 驾 o 8 o 表示频谱为上下两者锄口 图2 1 59 处信号频谱为上面两个频谱成分相加 9 处的信号再经过8 倍抽取降速，得到1 0 处信号，其频谱如下 一 短波单边带软件无线电d s p 模块的研制 i 舀l 舀i 骂i 臼l 曲i 骂 o 6 i 一备l 舀j 骂i 一崮ll j 骂 。表示 ”潞为e 下两奄捕自 图2 - 1 61 0 处信号频谱为上面两个频谱成分相加 该信号再经过信道滤波，滤除带外干扰信号，得到1 1 处信号。本例中 无带外干扰信号，因此“处的信号与1 0 处信号频谱相同。 1 l 处信号再经过希尔伯特变换得到1 3 处的信号，其频谱如下： 一6 3 o l 备 吟l 丝1 臼l 吟l 丝 o 表示频谱为t - c 两者相加 图2 一1 7 11 处信号频谱为上面两个频谱成分相加 实