（信号与信息处理专业论文）基于软件无线电的水情遥测信息接收及处理关键技术研究.pdf

摘要 数据接收、解调及解码纠错是水情遥测系统数据处理的关键，传统的水情遥 测系统中，由电台接收射频信号并完成二次下变频及鉴频解调，输出的音频信号 通过专用的调制解调器完成解调，这种方法的最大缺点就是缺乏灵活性，同时解 调可靠性也不高。根据软件无线电技术理论，尽可能早的将接收到的模拟信号数 字化，最大程度地通过软件来实现电台及调制解调器的各种功能可大幅度提高系 统解调性能及可靠性，基于上述想法，本文在软件无线电技术的基础上，采用 l a b v i e w 作为软件开发平台，同时结合相关硬件实现了水情遥测系统中信号的 采集、软件解调等处理过程，以达到提高系统可靠性的目的。 文中首先分析了现行水情信息接收及处理存在的不足。提出了基于软件无线 电的信息接收及处理的思想，比较了基于传统超短波电台、新型中频数字化电台 以及n l 的p x i - - 5 6 0 0 射频信号分析仪的软件无线电实现方法的优劣，最终，出 于成本以及系统要求的考虑选择了传统电台的实现方法。然后分别论述了信号的 采集、解调、解码纠错。信号的采集通过计算机声卡来完成，这样在满足系统采 集要求的情况下还节约了成本。解调部分给出了两种不同的实现法，可以根据具 体系统要求选择钼应程序；此外还分析了不同信噪比条件下的误码率情况。解码 部分包含了信道解码和信源解码两部分，完成了b c h 解码，从而还原了测站实 际水情信息。从实验结果看，这样一个利用软件来完成采集及信号处理的系统是 可行的，有效的。 关键字：软件无线电l a b v i e w 信号采集解调解码 a b s t r a c t r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o na r et h ei m p o r t a n tp a r t si nh y d r o l o g y t e l e m e t r i ct e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt r a d i t i o n a ls y s t e m ，w eu s et h er a d i ot o c o m p l e t et h er e c e i v i n g 、d o w n w a r d sf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n df md e m o d u l a t i o n , t h e nt h eo u t p u ta u d i os i g n a l sd e m o d u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e db ys p e c i a lm o d e m t h e d i s a d v a n t a g e o ft h i sm e t h o di sl a c ko ff l e x i b i l i t y , m e a n w h i l e t h er e l i a b i l i t yo f d e m o d u l a t i o ni sn o tg o o d w 孙t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r er a d i o t h i sc a l lb e f u l f i l l e db ys o r w a r es oa st ou p g r a d ee a s i l ya n ds a v ec o s t s b a s e do nt h es o f t w a r e r a d i ot e c h n o l o g y , t h i sp a p e ra d o p t sl a b v i e wa st h ep l a t f o r mf o rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t , m e a n w h i l e ，i ti n c o r p o r a t e sr e l e v a n th a r d w a r et oc a r r i e do u tt h ep r o c e s s o f c o l l e c t i o n , d e m o d u l a t i o na n do t h e rp r o c e s s e so f t e l e m e t r i cs i g n a l s t h ep a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ei n s u f f i c i e n c yo fd e c o d i n gb yh a r d w a r e , a n dp r o v e s t h ef e a s i b i l i t yo fd e c o d i n gb ys o f t w a r e ，t h e na n a l y s et r a i t so ft h r e em e t h o d si n c a r r , a n go a ts o f t w a r er a d i o ：t r a d i t i o n a lt r a n s m i t t e r - r e c e i v e r , n e wt r a n s m i t t e r - r e c e i v e r b a s eo ni n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n dn ip x i - - 5 6 0 0 a f t e r w a r d s ，i tr e s p e c t i v e l yt e l l s s i g n a lc o l l e c t i o n , d e m o d u l a t i o n ，a s y n c h r o n o u sa n ds e r i a ld a t ar e c e i v ea n dd e c o d e s e p a r a t e l y , c o n c e r n i n gd e m o d u l a t i o n s i g n a lc o l l e c t i o ni si m p l e m e n t e db ys o u n dc a r d s oa st os a v ec o s t t w od i f f e r e n tw a y sa r ea v a i l a b l ea n da d o p t e di na c c o r d a n c ew i t h s p e c i f i cr e q u i r e m e n t s ，t h e na n a l y s et h ed i f f e r e n tb e r a tt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o no ft h e s n r d e c o d i n gi n c l u d e s s o u r c e d e c o d i n ga n d c h a n n e ld e c o d i n g ，t h i sp a p e r a c c o m p l i s h e sb c hd e c o d i n g 。s e e nf r o mr e s u l t s , t h i sw a yc a nb a s i c a l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t sr e g a r d i n gs i g n a l sh a n d l i n gi nh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m k e y w o r d s ：s o f t w a r er a d i o , l a b v i e w , s i g n a lc o l l e c t i o n ，d e m o d u l a t i o n ，d e c o d e 插图索引 图1 1 水情遥测系统基本功能框图2 图1 2 传统仪器与虚拟仪器对比4 图2 1 软件无线电结构框图一8 图2 2 射频低通采样数字化结构一9 图2 3 射频带通采样数字化结构9 图2 4 宽带中频带通采样数字化结构1 0 图2 5 超短波电台结构l o 巨2 6 中频数字化电台结 图2 7p x i - - 5 6 0 0 信号流向1 2 图2 8 程序主界面1 4 图3 1 基于l a b v i e w 的数据采集结构1 6 图3 2 软件功能框图1 9 图3 3 数据采集模块流程图2 0 图3 4 数据保存模块流程图2 l 图3 5 滤波器 图3 6 频谱分析模块流程图2 2 图3 7 数据采集总体程序前面板2 4 图3 8 数据采集总程序流程图2 4 图3 9 文件保存对话框2 5 图3 1 0 程序运行结果a 2 6 图3 1 1 信号波形局部放大图2 6 图3 1 2 程序运行结果b 图3 1 3 信号波形局部放大图2 7 图4 12 a s k 调制波形。 图4 22 f s k 调制波形3 0 图4 32 p s k 调制波形一3 0 图4 4f s k 信号同步解调原理图3 2 图4 5f s k 信号包络检波原理图3 2 图4 6f s k 信号过零解调法原理图3 3 图4 7f s k 信号差分检波法原理图3 3 图4 8 基于n i 调制工具包的解调法的程序流程图3 6 图4 9 解调结果( e b n o = 2 0 d b ) 3 8 图4 1 0 眼图( e b n o = $ d b ) 3 8 图4 1 l 基于基本v i 的解调程序流程图4 0 图4 1 2 基于基本v i 的解调程序运行结果 图4 1 3 解调信号局部放大图 图4 1 4 滤波信号局部放大图 图4 15c a l c u l a t eb e rv i 。 图4 1 6e 6 o 与误码率关系 图5 1 异步串行通信帧格式 4 1 4 l 。4 2 4 2 4 3 4 5 图5 2 数据接收程序框图4 6 图5 3 信号提取程序框图。 图5 4 出错报警。 图5 5 程序运行结果。 。4 8 4 9 图5 6b c h 解码流程图5 2 图5 7b c d 码转换为十进制流程图。 图5 8 解码纠错后所得数据 图5 9 程序流程图5 4 附表索引 表4 1 相同误码率条件下与r 关系 表4 2 调制类型与脉冲成形滤波器对照表3 7 表5 1 数据格式4 7 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 年月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 年月 日 河海大学硕上论文 第1 章绪论 水情遥测系统是一种采集某一流域或区域内雨量，水位等水文气象信息的实 时系统。它能将某一流域或区域内的水文气象参数在短时间内传递至决策机构， 以便进行洪水预报和优化调度，减少水害损失，提高水资源的利用率。水情遥测 系统一般由中心站、中继站( 根据通信件设置) 和遥测站组成。 遥测站主要完成对水文气象参数传感器数据的采集、存储并通过超短波电 台、卫星发射平台、有线或无线电话等通信设备向中心站( 或中继站) 传送数据。 它一般由遥测终端机( r t u ) 、天线、馈线、避雷器、无线电发射机( 电台或卫星终 端) 、太阳能电源板、蓄电池、流量传感器、水位传感器、外筒等组成。遥测站 采用定时和增量自报方式向中心发送数据。 中继站是系统采用无线通信方式下遥测站与中心站通信条件不好时用来中 继无线信号的，一般安装在野外和高山上，接收从遥测站发送来的无线信号并进 行解调，还原成基带信号后，再调制成射频信号向中心发送。中继站一般由中继 机、接收天线、发射天线、馈线、避雷器、无线收发信机( 电台) 、太阳能电源 板、蓄电池、充电保护器、外筒等组成，实时接收来自遥测站的信号，采用数字 再生方式向中心站转发数据。 中心站一般设在防汛调度中心，用来接收遥测站( 或经中继站转发) 传送来 的数据并进行解调、存储和处理，通过数据库和应用软件实现防汛调度需求。中 心站由接收天线、馈线、避雷器、无线接收机( 电台) 、解码器、工业控制计算 机( 或p c ) 组成1 2 1 。 水情遥测系统基本功能框图如图1 1 所示。这是一个典型的数字通信系统。 其中调制的作用是把数字信号变成适合信道传输的已调载波信号，解调则是 把接收到的已调载波信号恢复成数字信号。由于在数字通信系统中，从消息变换 过来的原始信号所占的有效频带往往具有频率较低的频谱分量，这种信号直接在 信道中进行传输会严重影响信息传送的有效性和可靠性，所以在通信系统的发射 端通常需要有调制过程，而在接收端则需要有解调过程。通过调制，不仅可以进 行频谱搬移，将调制信号转换为适合于信道传输或者便于多路复用的已调信号， 而且它对于系统的传输有效性和可靠性有着很大的影响。调制解调方式往往决定 了一个通信系统的性能i l j 。调制一般分为数字调制和模拟调制两种。数字调制是 用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在接收端只要对载波信号的离 散调制参量进行检测即可恢复出原始信号。和模拟调制一样，数字调制有调幅、 调相、调频三种基本形式，并派生出了许多其他形式，如m s k 、d p s k 等。 河海大学硕士论文 图 圈 信 堪 图1 1 水情遥测系统基本功能框图 传输控制用于对数据的发送和接收全过程进行时序和路径控制。 差错控制主要作用是检查和纠乖数据在传输过程中可能产生的差错。因为在 数字信号传输时，信道中不可避免会存在有噪声或干扰，这会给系统造成一定的 传输差错，这些差错原则上是可以控制的，可以通过差错控制编码的等手段来实 现，因此在发送端需要加一个编码器，而在接收端相应的加一个解码器。当需要 保密时，可以根据一定规则对基带信号进行人为“扰乱”，即在发送端加上密码， 这就是加密，此时在接收端就需要进行解密【l 】。 编码包括信源编码和信道编码。其中，信源编码的功能是在一定的保真度条 件下，将测得的参数值变换成数字信号；信道编码的功能是将信源编码器输出的 数字信号转换成符合一定规则的数码，以达到适合于信道传输，便于纠、检错等 要求。解码过程是编码过程的逆变换。 数据处理包括对接收到的数据进行合理性检查、整理，并存入数掘库，生成 各种数据文件等。数据输出包括了数据显示、打印、报警和数据转发等【“。 2 河海大学硕士论文 1 1 研究背景及意义 在传统的采用短波、超短波等无线通信组网方式的水情遥测系统中，遥测站 信号以电磁波的形式经信道传输，在中心站由天线完成信号与电磁波的转换，然 后通过电台、调制解调器及相关数据交换设备将所接收信号经串口传至中心站计 算机，通过相应软件处理系统进行信号处理还原测站水文信息。简单的说就是利 用硬件来完成信号的接收及解调。这种方法存在以下缺点：其一，模拟信号的处 理环节过多影响系统可靠性。其二，缺乏灵活性，调制或者解调一种信号就需要 一个硬件电路，甚至一个模块。对于不同方式的调制和解调及不同频率的滤波要 用不同的硬件电路来实现，这样要实现上述各种调制和解调，所需硬件电路繁多。 例如，专用的短波调制解调器，它能具有较强的抗干扰能力，在信噪比较小的情 况下也能得到可靠数据，但是往往需要在各测站也配有专用短波调制解调器。这 样一来不仅增加了成本，而且这种专用调制解调器使用范围具有很大的局限性。 当通信方式改变或者数据传输速率、调制频率改变时这种专用调制解调器就不能 使用了。其三，利用硬件电路，一般只能对简单的单频信号进行处理，对诸如声 音信号这样的多频信号，所需实验电路相当复杂。同时利用硬件电路仅仅能对各 种调制、解调、滤波的时域波形进行观察，要想观察到相应的频谱图，则需要利 用频谱分析仪，而频谱分析仪的价格比较昂剐那1 6 1 。 现在随着软件无线电技术的发展，这部分工作可以通过软件来实现，这样能 够突破传统模式的不灵活性和功能局限性，达到多模式、多功能、易升级的目的， 而且可以节约成本。软件无线电概念是1 9 9 2 年5 月由m i l t r 公司的j o em i t o l a 在美国电信会议上提出的，当时引起了各方特别是军方的注意。其基本思想是以 一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各 种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解脱出来。软件无线电中的各 种调制解调信号是以通用的数字信号处理平台为支撑，利用各种软件来实现。每 一种调制解调算法都做成软件模块，要实现某种调制解调功能只需调用相应模块 即可。由于各种调制解调用软件来实现，因此在软件无线电中，可以不断地更新 调制解调模块的软件来适应不断发展的调制解调体制，具有相当大的灵活性和开 放性【7 】嘲。 软件无线电的核心是软件，因此，选择合适的软件刀：发环境是关键。在本论 文中选用了美国n i 公司的l a b v i e w 软件作为平台，l a b v i e w 具有革命性的图 形化虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。用 l a b v i e w 来实现调制解调主要是运用l a b v i e w 图形化的编程特点和程序的嵌 套性，来简化我们的工作 9 1 。同时，它内置了测量分析与数据显示功能，集开发、 调试、运行于一体，提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号 分析工具，可极大地方便我们作进一步的信号处理与分析。 河海大学硕士论文 1 2 虚拟仪器及l a b e w 概述 1 2 1 虚拟仪器 虚拟仪器( v i r t u a li n s t n a n e n t a t i o n ) ，这个概念最早是由美国国家仪器公司提 出的，它是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种新型的仪器种类( 也 称之为第四代仪器) ，是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程 通信及图形用户界面的软件之间的有效结合l l 们。 简而言之虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定 义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。这里的“虚 拟”有两层含义：一是虚拟的仪器面板，二是由软件实现仪器的测量功能( 软件 就是仪器) 。两者区别如图1 2 所示： 硬件( 电子线路)硬件( 电子线路) 硬件( 显爪器与按钮) 区三卜匝叵卜翌 虚拟仪器硬件( 电子线路) 图1 2 传统仪器与虚拟仪器对比 传统仪器由信号采集、信号处理和结果表达与仪器控制三部分组成。在传统 仪器罩，这三部分都是用电子线路来实现的，即：都是采用硬件来实现的【i ”。随 着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能 的软件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的信号处理部分，用软件代替 硬件成为可能，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。 同时，结果表达与仪器控制原本就是计算机的“长项”。这样，把传统仪器的后 两部分( 信号处理、结果表达与仪器控制) 用计算机软件来实现，而不再采用硬 件( 电子线路) 来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器l l ”。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比 高、可操作性好等明显优点，具体表现为： ( 1 ) 智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要 取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、 人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一 个新的层次。 4 河海大学硕士论文 ( 2 ) 复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构 造多种不同功能的测试分析仪器，这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、 更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式 共享，更好地发挥仪器的使用价值。 ( 3 ) 可操作性强，易用灵活。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用 可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变 得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发 送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性 大大提高而且易用、灵活。 虚拟仪器的起源可以追朔到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、 航天等领域已经有了相当的发展。p c 机出现以后更是加快了这方面研究的进展。 虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前 在这一领域内使用的计算机语言是n i 公司的l a b v i e w 、l a b w t m d o w s ，c v i 、i o t e c h 公司的d a s l 曲，k e i t h l e y 公司的v i e w d a c 以及h p 公司的v e e 。由于n i 公司对虚拟仪器和l a b v i e w 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界 公认的权威1 u l ，使得l a b v i e w 成为虚拟仪器领域中应用最广泛的语言。 1 2 2l a b v i e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li m m a n e n te n g i n e e d n g ) 是n i 公司具有革命性 的图形化虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。 “软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本质特征【1 4 1 。 l a b v i e w 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的 数据采集和仪器控制软件。它集成了满足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议 的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它 可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有 趣【”i 。 l a b v i e w 与c 、p a s c a l 等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据 类型、数据流控制结构、程序调试工具等。与传统编程语言最大的区别是 l a b v i e w 使用图形语言( 即各种图标、图形符号、连线等) ，以框图的形式编写 程序。图形化的程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不 写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、 工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，l a b v i e w 是一个面向最终用户的工 具。它可以增强构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据 采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可 以大大提高工作效率。 利用l a b v i e w ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2 位编 河海大学硕士论文 译器。像许多重要的软件一样，l a b v l e w 提供了w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、 m a c i n t o s h 的多种版本。 所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器( v i ) ，它包括前面板( f r o n tp a n e l ) 、 流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标连结器( i c o n c o n n e c t o r ) 三部分。前面板是图形 用户界面，也就是v i 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类 对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控$ l j ( c o n t r 0 1 ) 和显示对象( i n d i c a t o r ) 。 流程图提供v i 的图形化源程序。在流程图中对v i 编程，以控制和操纵定义在 前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一 些前面板上没有但是编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将 与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的 东西相当于仪器箱内的东西。在许多情况下，使用v i 可以仿真标准仪器，不仅 在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无 几。图标和连接器相当于图形化的参数。一个v i 可以作为子程序，称为子v i ( s u b v l ) ，可以被其他v i 调用 1 3 】。 总之，l a b v i e w 的出现打破了人们对于编程的传统概念，用图形化的编程 语言代替了原先复杂枯燥的编程工作，并且大大提高了编程效率，例如，与传统 的c 语言相比，使用的效率可以提高5 到1 5 倍。并且与其他通用的编程语言不 同的是，l a b v i e w 针对一些应用提供了专门的功能，如仿真、测量、控制和自 动化应用等，这将大大提高系统的开发进程【l l 】。 1 3 论文主要目标及工作 论文主要是在水情遥测系统的应用背景之下，研究如何利用软件无线电技术 实现水情遥测信息的接收及软件解调、解码纠错等关键技术。具体来说，论文研 究主要有以下几个部分的工作： l 、如何实现软件无线电结构，这是进行信号解调、解码等后续分析的基础。 传统的水情遥测系统中，射频信号通过电台的二次下变频及f m 鉴频解调之后转 换为基带音频信号送给m o d e m 处理，处理所得数据由u a r t 电路通过r s 2 3 2 接口送入计算机。根据软件无线电理论，将宽带a d 变化尽可能靠近射频天线， 即尽可能早的将接收到的模拟信号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各 种功能可大幅度提高系统解调性能及可靠性，因此在课题研究过程中，首先要解 决的是在何处数字化。 2 、水情遥测系统大多采用f s k 调制方式，有多种解调方法，通过分析比较 不同解调方式的性能，选择一个相对性能较好的解调方式用l a b v i e w 来实现信 号解调。而难点在于如何用l a b v i e w 图形化编程的特点来完成对信号的调制解 调功能模块的设计。因为是用软件来实现电路，就必须根据实际电路的功能，把 它抽象为相应的逻辑来实现，另外l a b v i e w 的程序可以嵌套，所以在实现比较 6 河海大学硕士论文 复杂的电路功能时可以将各个子功能分别实现，然后以调用子函数的方式将他们 组合在一起。 3 、在还原为遥测站实际水情信息前还必须进行解码。解码包括了信道解码 和信源解码两个部分，信道解码是根据信道编码规则，将收到的信道码变换为信 源码，并检查和纠正数据传输中的差错；信源解码是将信源码复原成测量的参数 值。同时由于遥测数据采用的是异步串行的数据通信方式，在传统的遥测系统中， 数据通过串口送入p c 机内，在此过程中通过串口硬件自动完成每帧数据的起始 位及终止位的判断，并将接收数据放入接收缓冲区，而本文中数据通过声卡送入 p c 机，声卡并不具备上述的串口功能，因此必须用软件来代替硬件实现数据的 异步串行接收。因此这部分主要任务是实现信号的提取、解码及纠错，以恢复原 始遥测数据信息。 1 4 本章小结 本章主要介绍了水情遥测系统基本组成及各部分的主要功能，鉴于传统硬件 接收及处理信息存在的诸多不足，根据软件无线电理论，提出了基于软件无线电 的水情遥测信息接收及处理思想，然后介绍了所选用的软件l a b v i e w 相关的知 识，最后介绍了论文的目标及主要工作。 7 河海大学硕士论文 第2 章软件无线电及其实现 2 1 软件无线电 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ，s w r ) 是一种开放的模块化结构，物理实现上基 于一个采用数字无线电技术的通用硬件平台，通过实时的软件控制，用户能定义 该平台的工作模式，包括工作频带、信号速率、调制方法、多址方式、接口协议、 业务种类等，从而使一个硬件平台能实时的转化为不同技术标准的通信系统。软 件无线电技术的重要价值在于：传统的硬件通信设备只是作为基本平台，而许多 的通信功能则是由软件来实现，打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖 于硬件发展的格局。通过软件的升级，在硬件平台不变的情况下，软件无线电能 及时适应技术标准的进展，可以灵活的支持多种业务。它是继模拟通信技术、数 字通信技术之后发展起来的第三代通信技术。其核心思想是将宽带的a d 、d a 尽可能的靠近天线，用软件实现尽可能多的无线电功能。即在一个可编程的硬件 平台上通过注入不同的软件，实现对工作频段、调制解调方式、信道多址方式等 无线功能的改变1 7 j1 8 1 。 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法 中解脱出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路， 尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠近天线。 理想软件无线电的组成结构如图2 1 所示： 语音， 语音、 图2 1 软件无线电结构框图 软件无线电主要由天线、射频前端、宽带a d 和d a 转换器、通用和专用 数字处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段，例 如1m h z 至2 g h z ，要求频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。 射频i j i f 端在发射时要完成上变频、滤波和功率放大等任务，接收时实现滤波、 放大和下变频等功能。在射频变换部分，宽带、线性和高效射频放大器的设计和 电磁兼容问题的处理是比较困难的。如果采用射频直接数字化方式，射频前端的 功能可以进一步简化，但对数字处理的要求提高。要实现射频直接带通采样，要 求a d 转换器有足够的工作带宽( 2 g h z 以上) ，较高的采样率( 一般在6 0 m h z 以上1 ，而且要有较高的a d 转换位数，以提高动态范围。 8 河海大学硕士论文 模拟信号进行数字化后的处理任务全部由d s p 软件承担，通常把a d 转换 来的信号，经过专用数字信号处理器件( 如数字下变频d d c ) 处理，降低数据流速 率，并把信号变至基带后，再把数据送给通用d s p 进行处理。通用d s p 主要完 成各种数据率相对较低的基带信号的处理，例如信号的调制解调，各种抗干扰、 抗衰落和自适应均衡算法的实现等，还要完成经信源编码后的前向纠错帧调整、 比特填充和链路加密等算法【1 6 1l m 。 具体的实现过程中，软件无线电的结构可以分为三种：射频低通采样数字化 结构、射频带通采样数字化结构和中频带通采样数字化结构。 图2 2 射频低通采样数字化结构 射频低通采样数字化结构最为简洁，也最符合软件无线电的理想要求，如图 2 2 所示。从天线进来的信号经滤波放大后就由a d 进行采样数字化。但该结构 对a d 转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等都提出了较高的要求， 同时对后续d s p 的处理速度要求也非常高，因为射频低通采样所需的采样率至 少是射频工作带宽的两倍。例如工作在1 m h z 1 g h z 的软件无线电接收机，其 采样速率至少需要2 g h z ，一般的a d 不可能达到这样高的采样率，后续的数字 信号处理器也难以满足要求，因此这种结构实现起来困难非常大。 图2 3 射频带通采样数字化结构 射频带通采样数字化结构主要特点是在a d 前采用了带宽相对较窄的电调 滤波器，再根据所需的处理带宽进行带通采样，如图2 - 3 所示。这样对a d 转换 器的性能和后续数字信一号处理器的处理能力要求大大降低，但该结构对a d 工作带宽要求仍然比较高，而且需要多个采样频率，增加了系统复杂度。但是从 9 河海大学硕士论文 硬件结构看比较接近于软件无线电结构，随着技术进步，这种结构可能会成为将 来软件无线电发展的主流。 图2 4 宽带中频带通采样数字化结构 宽带中频带通采样数字化结构采用了超外差体制，如图2 4 所示。其特点是 在中频对信号进行采样，所有调制解调功能都由软件实现。该结构是最容易实现 的，但离理想软件无线电的要求也最远。中频带通采样数字化结构又分为宽带中 频采样和窄带中频采样，宽带中频采样数字化与窄带中频采样数字化相比，其中 频的带宽可以容纳多个信道【嘲。目前，基于软件无线电技术的研究大都集中于 这种中频带通采样数字化结构。 2 2 软件无线电实现方法比较 典型的水情遥测系统包含以下几个功能：采集水情数据，处理数据，传输数 据，接收必要的控制信息。由传感器完成对水位、雨量等的采集，采集后的数据 按照一定的格式( 通过编码器) 经信道及时准确地传送至处理终端恢复出实际信 息，控制中心远程监控各测点的数据，并进行汇总分析，为水情调度提供基本数 据和决策依据。本文中我们主要研究的就是如何利用软件无线电技术来实现信号 的接收与后续处理。 传统的水情遥测系统常采用超短波电台来接收处理射频信号，如图2 5 所示。 图2 5 超短波电台结构 其基本思想是采用超外差接收体制，先用本振信号与输入信号进行混频得到 第一中频1 0 7 m h z ，第一中频信号再在第二混频器与第二本振混频得到第二中频 4 5 5 k h z 信号，经滤波方法之后鉴频解调出音频信号，再由相关硬件完成信号的 解调过程。 这种通过硬件接收及解调信号的方法具有极大的局限性，而且解调可靠性也 不高。随着软件无线电技术的发展，出现了许多基于中频采样数字化结构的射频 1 0 河海大学硕士论文 信号接收设备，例如n i 的p x i - - 5 6 0 0 射频信号分析仪，基于中频数字化的新型 电台等等，这些设备的主要特点就是减少了一些模拟信号的处理环节，将更多的 功能交由软件实现，这样可以提高系统性能。 2 2 1 基于中频数字化电台的软件无线电实现方法 这种电台是基于带通中频采样技术产生的，如图2 6 ，其原理是通过下变频 得到第一中频( 1 0 7 m h z ) ，在第一中频处采集信号由软件实现其二次变频及音 频解调，或者通过二次变频从第二中频( 4 5 5 k h z ) 采集信号交由软件完成音频 解调。 软件处理 图2 6 中频数字化电台结构 采用这种中频采样数字化方案的超短波电台具有很强的灵活性、可靠性和通 过性。与传统电台相比，采样这种电台需要额外配置一个具有较高采样速率的 a d 变换器。为了保证抽样后的信号保持原信号的信息，a d 转换器要满足 n y q u i s t 抽样定理，而在实际应用中，为了保证系统更好的性能，通常抽样率为 带宽的2 5 倍，而目前的a d 转换器大都还达不到这样的要求。同时，采用这样 方法对计算机的数据处理能力要求较高，造成总体成本较高，一般用户不能承受。 2 2 2 基于n ip x l 一5 6 0 0 的软件无线电实现方法 n i 公司推出的p x i - - 5 6 0 0 射频信号分析仪是虚拟仪器和软件无线电技术的 综合体现，属于中频带通采样数字化结构。它负责从天线上接收射频能量，然后 把信号频率降到数字化仪可接收的范围内进行采集，随后就可以利用软件对信号 进行诸如扫频、频谱分析、功率计算、调制和解调参数分析的操作。它由p x i 一5 6 0 0 射频信号下变频器和p x i - - 5 6 2 0 数字化仪组合而成，这两者属于通用硬 件，可以对9 k h z 至2 7 g h z 的各种r f 信号进行测量。如图2 7 所示：射频信号 接入下变频器转换为5 m h z 至1 5 m h z 的中频信号后输出至数字化仪，数字信号 经p x i 总线传入计算机，之后的信号解调和射频参数分析全部转为数字信号处 理范畴的工作，即由软件完成。 河海大学硕士论文 p x ! 总线 中频输入，输出 砌瀚入 图2 7p 一5 6 0 0 信号流向 具体来说，下交频模块p x i5 6 0 0 拥有2 0 m h z 的实时带宽，可以把信号频率 下变频到以1 5 m h z 为中心频率、范围在5 2 5 m h z 之间。 数字化仪模块p x i5 6 2 0 拥有一个高速的a d c 和板上的硬件处理能力。它由 一个1 4 位的6 4m s p s 的a d c 和一个数字下变频集成电路组成。这个数字下变 频芯片可以进行实时批处理，并将任何2 0 m h z 带宽的信号降频到基带信号，这 对于捕捉无线通信的信号来说是非常理想的。同时，下变频集成电路也可以从频 谱中产生复杂的i q 数据。数字化仪模块包括了专为数据传输设计的具有n i 专 利的高速m i n i m i t e 集成电路。m i n i m i t e 通过d m a 方式将数据直接传输到主 机的内存上，从而释放主机c p u 以进行数据的分析、显示和通信任务。 下变频模块首先对任何一个3 g h z 范围内的信号进行用户可选择的衰减，然 后进入升频阶段。得到的信号再经过一个谐振滤波器，这是为了在信号进入多级 的降频模块前滤去镜像抑制。经过降频的信号以5 2 5m h z 的中频信号输出【坶i 。 n i 基于p x i 的射频系统是一个高性能的软件无线电平台，具有较好的可扩 展性和灵活性，它能在高性能硬件保证信号低失真数字化的前提下，充分发挥软 件平台和计算机处理器的强大优势。以它作为软件无线电平台并结合l a b v i e w 图形化的编程环境和调制解调工具等附加工具包可以很好地实现系统要求。 2 3 具体实现方案 在水情遥测系统中，若采用上述所说的n l 射频仪或者是中频数字化电台作 为的射频信号接收与处理设备，完全符合系统要求，而且较之传统的超短波电台 来说，具有更高的可靠性。但是所需的成本大幅度增加，p x i - - 5 6 0 0 射频信号分 析仪售价高达数十万，因此，在本文中仍采用了传统超短波电台接收射频信号的 方式，由电台将信号下变频至基带并完成鉴频解调得到音频信号，再通过 1 2 河海大学硕士论文 l a b v i e w 软件来完成音频信号的解调等处理过程。各部分具体实现思想如下： 1 ) 数据采集 在电台完成射频信号到基带信号的变换之后，需要将所得信号送入p c 机进 行解调及后续处理。n i 公司推出了许多具有高精度、高采样率的数据采集卡， 可以高效地完成上述数据采集要求。由于水情遥测系统中的数据传输速率并不 高，对应所需要的采样速率也不高，因此如果利用n i 的配套采集卡来实现的话 代价过大。考虑到声卡的采样频率、采样位数( 即量化精度) 、声道数、信噪比( s u r ) 等等都满足了普通数据采集的要求，因此，本文中利用了普通p c 机声卡，同时 结合l a b v i e w 软件的强大功能来完成数据采集要求。 2 ) 解调 由于硬件解调存在许多的不足，本文中通过软件来实现f s k 解调。通过分 析比较，f s k 的包络检波方式与相干解调、过零检测等解调方式相比，不仅设备 简单，易于实现，而且在保证同样误码率的条件下所需要的信噪比差别也不大， 因此，本文中采用了包络检波的解调方式。n i 的调制解调工具包包含了许多强 大的功能，涉及到了信号的生成、分析、自定义的调制解调方式、调制误差率 ( m e r ) 等关键的调制测量工具。利用该工具包可以建立一个完整的f s k 解调系 统，并由b e r 、m e r 、e y ed i a g r a m 等来分析系统性能是否满足要求。另外，考 虑到调制解调包的额外开支，可以通过l a b v i e w 的基本v l 来实现f s k 的解调 程序。 3 ) 解码 由于数传仪采用的是异步串行的通信方式，由串口硬件自动实现每帧数据的 起始位判定及数据位