（电子科学与技术专业论文）数传电台监测系统的设计与实现.pdf

a bs t r a c t w i r e l e s sd a t ar a d i oi sak i n do f u h fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c h p r o f e s s i o n a le q u i p m e n ti nt h ef i e l do fv h f i sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lr e m o t ec o n t r o lo r m e a s u r e m e n ta n dd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m s r a d i om a n a g e m e n td e p a r t m e n t sa l l o c a t e t h ep r i v a t ec o m m u n i c a t i o nb a n df o ri tp a r t i c u l a r l y a sar e s u l to ft h es t r a i no nu s i n g 也er e s o u r c e so ft h ew i r e l e s ss p e c t r u mi nr e c e n ty e a r s ，r a d i om a n a g e m e n td e p a r t m e n t s n e e dt om o n i t o rt h ed i g i t a lr a d i of o ru s i n gm o r ee f f e c t i v e 1 1 1 em a i nt a s ko ft h i sd e s i g ni st oa c h i e v em o n i t o r i n gf r e q u e n c i e so fd a t ar a d i o ， a n a l y z i n gt h el a t i t u d ea n dl o n g i t u d ei n f o r m a t i o n ，c o u n t i n gt h en u m b e r o fr a d i o ，a n d s h o w i n gt h el o c a t i o no ft h er a d i od e t e c t e di ne l e c t r o n i cm a p o nr e a l - t i m e t h ef o c u s 锄：订吐他d i f f i c u l t yo ft h i sd e s i g ni st oa c c o m p l i s h i n g t h e s ep r o c e s s e s ：w i r e l e s ss i g n a l ： d i g i t a ld o w nc o n v e r t i n g ，d e m o d u l a t i n g ，d e c o d i n g a n da n a l y z i n gt oa d d r e s sc o d e t h ea u t h o ra p p l i e st h er e s e a r c hm e t h o d so fs o f t w a r er a d i o ，b u i l d sap l a t f o r mf o r d a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gb yu s i n gv h f u h fr a d i or e c e i v e r ，g p s r e c e i v e r ， d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n di n d u s t r i a lc o m p u t e r ；c o m b i n e st h eg i st e c h n o l o g y , u s e s s o f t w a r e a l g o r i t h m s t o a c c o m p l i s h i fa n db a s e - b a n dp r o c e s s i n g ，a n da c h i e v e s m o n i t o r i n g ，p o s i t i o n i n ga n dc o u n t i n gb ya n a l y z i n g o fr a d i oa d d r e s sc o d e u n d e rt h ep r e m i s eo ft h i sf r a m e w o r k ，b yu s i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n te x i s t e d ，t h e p a p e rr e s e a r c h e sm e t h o d so nf r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，d d c ，m o d u l a t i o nr e c o g n i t i o n ， r a t ed e c i s i o n ，m s ks i g n a ld e m o d u l a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fp a r a m e t e r su n k n o w n ， b a s e b a n dc o d i n g ，a n da n a l y z i n gr a d i oa d d r e s sc o d eu n d e rp ea g r e e m e n t t h r o u g h r e s e 踟m n ga n de x p e r i m e n t i n g ，t h es y s t e mc a l lc o m p l e t et h et a s kt h a tm o n i t o r i n g t h e r a t e t h ea d d r e s sc o 【ea n dt h ep o s i t i o no fm s ks i g n a l i nt h ec o n d i t i o no f 12 0 0 2 4 0 0 b p s ，m a n c h e s t e r d i f f e r e n t i a lm a n c h e s t e re n c o d i n g k e yw o r d sd a t ar a d i om o n i t o r i n g ；s o f t w a r er a d i o ；d d c ；r a t ed e c i s i o n ；m s k d e m o d u l a t i o n - i i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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了谢意。 签名：型暨垄日期：三翌艺竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 锟班 导师签名： 一期：竺丛 第l 章绪论 _ !mmmmmm 1 1 课题背景 第1 章绪论 数传电台是借助无线电技术实现的高性能专业数据传输设备，可传输包括遥 控遥测数据、数字化语音、动态图像等多种业务，其发展是伴随社会生产对工业 自动化程度的要求提高，需建立遥控遥测系统应运而生的。由于成本低、建设周 期短、组网结构灵活、环境适应性强等特点，数传电台被广泛应用于电力、水利、 自来水、铁路、环保等国民经济重要行业。 无线电数传电台监测系统用于在指定区域内，对v h f u h f ( v e r yh i 曲 f r e q u e n c y u l t r ah i 曲f r e q u e n c y ) 频谱的高密度数传电台进行监测和管理，组织用 户在频率效率最大，抗干扰性能最好原则下，公平实现频率共享。 本设计拟研制的数传电台监测系统。其主要功能是对未登记的不明电台进行 监测，或用于新建数传电台验收。通过监测实现对数传电台频点使用情况的监测， 分析电台经纬度信息、统计电台数量，并在电子地图上实时显示电台位置。本设 计应用软件无线电思想，参考软件无线电技术对于数字信号的处理模型，用软件 算法对数传电台信号作中频处理及基带处理；结合g i s 技术，完成电台的定位显 示；利用数据库实现系统对地理信息与电台信息的管理利用，是一个跨学科的研 究内容。 1 2 课题相关技术现状及发展 1 2 1 无线电监测技术 无线电监测的主要职能【lj 是为无线电管理提供技术支撑和执法依据，是无线 电管理的重要环节。无线电监测包括无线电电波监听、测量、测向和定位、电台 识别和干扰查找等内容。 无线电监测系统一般由中心控制站和若干个分布于各地的远端监测站组成， 系统的核心是监测接收机，通过对信号的接收来判断信号的特性。配置灵活的监 测接收机可以简化监测系统。目前无线电监测系统主要有两种模型：一种是固定 站和移动站相结合的模式。由于固定站投资大，要求条件较高，选址上存在困难。 且固定站数量少，移动站数量多，因此将两者相互结合，优势互补来开展监测工 作；另一种是固定站和遥控站联网的模式。选择一个确定的城市超短波监测网， 北京工业大学工学硕十学位论文 采用固定站、遥控站相结合，并用移动站作为机动补充。 无线电监测技术近年发展很快，技术发展有如下一些特点：加强对数字通信、 宽带通信、卫星通信等新业务的监测技术研究；拓宽无线电监测的频段，如超短 波监测频段己从1 g h z 拓宽到3 g h z ；软件和硬件一体化，许多硬件功能被软件 取代，使得无线电监测设备向小型化、数字化、模块化方向发展：设备具有监测、 监听、测向记录等多种功能，可扩展性大大加强；采用了先进的网络接口，增强 设备的联网能力，提供了自动化高速监测的能力。 1 2 2 地理信息系统 地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是利用电子计算机及其 外部设备，采集、存储、分析和描述整个或部分地球表面与空间的信息系统。简 单讲，它是在一定的地域内，将地理空间信息和一些与该地域地理信息相关的属 性信息结合起来，达到对地理和属性信息的综合管理。g i s 的研究对象是整个地 理空间。 g i s 作为一种新兴的信息处理技术，在对地理数据进行可视化处理方面具有 独到的特点，因此广泛应用于各个领域。以管理空间数据见长的g i s 在资源管理、 监测、军事、及政府部门等多领域发挥着重要的作用。 1 2 3 软件无线电技术 以现代通信为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的软件无 线叫2 jp 1 ( s o f t w a r er a d i o ) 自1 9 9 2 年由j o em i t o l a 提出以来，在近几年取得很大 进展。软件无线电是指用软件定义的、能实现多种功能的无线电通信系统，主要 是为了解决不同通信系统的互通性。 软件无线电的中心思想【5 】是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用 硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通 信协议等用软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制 出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。软件无线电的最终目的是使 通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过 软件来实现各种功能，使得系统的改进和升级都非常方便、代价小，且不同系统 间很容易互连与兼容。 软件无线电的灵活性与开放性使其具有广泛的应用前景，世界各国都在进行 深入的研究【6 儿。1 9 9 9 年，美国国防部已完成“s p e a k e a s y ”( 易通话) 计划”三期 第1 章绪论 工程的开发，并在电子战领域得到应用。易通话系统是使一个波形可编程的多频 段多模式电台能同时处理不同频段的信号波形，能与1 5 种以上在役或在研电台 兼容。近年来软件无线电在民用及商用等方面也取得很大进展。 我国对软件无线电技术也相当重视，例如我国提出的t d s c d m a 是一种同 步的直接扩频c d m a 技术，它结合智能天线、软件无线电及全质量话音压缩编 码技术等通信新技术。另外，在“九五”、“十五”“、8 6 3 ”等计划中都将软件无线 电技术列为重点研究项目。 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 数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的射频前端在发射时主要完成上 变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频等功能。对于 a d 转换器要求有足够宽的工作频带，较高的采样率，而且要有较高的a d 转 换位数，以提高动态范围。利用d s p 完成各种基带信号处理，例如信号的调制 解调，各种抗干扰、抗衰落、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、比特填充等算法，即尽可能多的利用软件完成硬件功能。 1 3 本文的主要研究内容及结构 本文主要讨论对模拟数传电台监测定位的数字信号处理实现，即在扫描接收 信号后，实现： 信号频率的测量 调制方式的识别( m s k ) 二进制m s k 解调 波特率判别 基带解码 地址码的解析( 3 z 从站) 统计电台数量 电台定位 本设计采用移动监测车实时监测数传电台信号。监测系统分为数据接收、信 号处理及终端显示三部分。数据接收部分的硬件组成为：工控计算机，无线电接 收机，数据采集卡及g p s 接收机。无线接收机负责扫描接收电台信号，g p s 接 收机接收当前监测车的空间位置信息，数据采集卡可将无线接收机输出的中频信 号采集存储下来；信号处理部分主要包括：中频信号处理模块、调制识别模块、 基带解调模块、解码模块以及电台定位模块；终端显示部分可在电子地图上实时 显示监测车行进轨迹及已定位的电台位置。 北京工业大学工学硕士学位论文 本文第二章主要讨论数传电台监测系统的方案设计。通过分析数传电台工作 方式，给出本文所研究的监测系统的硬件及软件设计方案，并对监测系统工作原 理进行详细介绍。 第三章介绍了对中频数字信号的处理设计。从无线接收机输出端口得到 1 0 7 m h z 中频信号，通过带通采样技术，一方面实现了对信号的采样存储，另一 方完成了数字下变频处理。对下变频后的信号还要进行低通滤波，以达到滤除噪 声的目的。 第四章首先介绍了调制识别的方法，然后给出m s k 信号的调制识别算法， 并对算法的调制识别率及影响识别率的因素进行了分析。 第五章是本设计的关键部分，对于数传电台的区分判断主要依靠地址码的差 别。本设计采用改进的过零检测法实现对二进制m s k 信号的解调，并给出一种 计算正弦波长度方差来确定波特率的方法。 第六章给出本系统的电台定位算法，对解调后的信号根据对照数传电台传输 协议进行解析，得到地址码。系统结合g i s 技术，利用m a p x 4 0 电子地图工具 完成监测系统显示采集车轨迹与电台位置的功能。 第2 章数传电台监测系统总体方案设计 曼曼! 皇曼曼! 曼! 曼! ! 曼曼! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼曼曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! io ! 皇! 苎曼曼! 曼! ! ! 曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼 第2 章数传电台监测系统总体方案设计 2 1 数传电台简介 数传电台( d a t ar a d i o ) 是指借助d s p 技术和无线电技术实现的高性能专业数 据传输电台。数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台，发展到目前 的数字电台、软件无线电，传输信号也从代码、低速数据到高速数据。数传电台 可以传输遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等多种业务。目前使用的数据传 输电台主要有模拟电台、数字电台、网络图像电台等。本设计所要监测的对象是 模拟数传电台，本文中所提到的电台、数传电台均指模拟数传电台。 数传电台常见组网形式有：点对点、点对多点、需要差转的组网形式、小区 组网形式及线形组网形式。其中点对多点的组网形式是最常用的组网形式，也是 差转组网方式和小区组网方式的基本组成单元。在实际应用中，主站与分站之间 采用定时轮询寻址方式进行通讯，分站将根据主站发送指令中的工作模式及地址 码信息判断是否回应，分站也可采取主动上报的方式对主站发出信息。点对多点 的组网形式如图2 1 所示。 甬甬。卣 数传电台的调制方式主要有f s k 、m s k 及g m s k 等方式，占用带宽为2 5 k h z 或1 2 5 k h z 。其传输速率在3 0 0 b p s 1 9 2 0 0 b p s 之间，多数产品采用1 2 0 0 b p s 及 2 4 0 0 b p s 作为波特率。 数传电台的传输协议可以分为两种：一种为p 型传输协议，另一种为e 型 传输协议 本系统主要实现对无线数据传输及控制系统的监测。电台传输协议为p e 协 议，电台组网方式点对多点，信号调制方式为f s k 、m s k 及g m s k 。 北京工业大学工学硕十学位论文 2 2 硬件方案设计 本设计硬件系统由无线信号采集模块和g p s 信号收集模块组成。无线信号 采集模块包括，高频无线接收机、p c i 高速数据采集卡、工控计算机：g p s 信号 收集模块为带u s b 口的g p s 接收机一台，与工控计算机通过u 口数据线相连接。 硬件组成如图2 2 所示。 高频无线 p c t 口 接收机 l r ，ri l 工 g p s 上 控 u s b 口 接 信号调理模块 制 收 ( 放大滤波) 计 机 算 上 机 数据采集卡p c i p g p s 信号收集模块 r i无线信号采集模块； 电缆叫 l 一， u s b 数据线。啼 p c i 接口_ _ 图2 - 2 系统硬件结构 系统工作流程：由高频无线接收机扫描接收数传电台信号，信号调理模块对 接收到的信号进行放大滤波，数据采集卡对调理后的信号进行采集将模拟量变为 数字量；应用程序从采集卡缓存中读取数据，进行中频信号和基带信号处理：同 时g p s 接收机收集车载终端位置信息，并以中断方式传送给应用程序。 考虑到无线数传电台工作在v h f u h f 频段，接收机采用扫频方式监测频点， 因此要求接收机带宽能覆盖v h f u h f 频段，且要求较高调谐分辨率。设计选用 万瑞公司的w r g 315 宽频段软件接收模块接收无线信号。g 31 5 主要技术指标 为： 外部基准晶振输入、基准晶振输出、1 0 7 m h z 中频输出 频率范围：9 k h z 1 8 0 0 m h z 调谐分辨力：1 h z 工作方式：a m ，a m s ，l s b ，u s b ，d s b ，i s b ，c w ，n f m 中频带宽：1 1 5 0 0 h z ( 步进1 h z ，连续可调) 第2 章数传电台崎测系统总体方案设计 接口：兼容p c i 2 2 ，兼容u s b l 0 和2 0 可以看出，g 3 1 5 接收机的技术指标可以满足对电台信号的接收，且其 1 0 7 m h z 中频输出简化了后续对信号的处理分析，而p c i 接口使计算机可通过软 件指令调用动态链接库函数直接控制接收机的工作。 数据采集模块通过p c i 与计算机相连，要求有高的分辨率和采样率，以保证 对信号的准确采集。本系统选用阿尔泰公司的p c i 8 0 0 1 数据采集卡，这是一款基 于p c i 总线结构的高性能数据采集卡，其主要技术指标为： 3 2 位p c i 总线接口，即插即用 最高4 0 m h z 采样速率 1 2 位a d 分辨率( 带超量程指示) 4 个单端同步输入通道，每个通道的缓存为5 1 2 k 字 双极性模拟量输入范围：+ 5 v 、士2 5 v 、+ i v 、士0 5 v 采样频率可编程设定( 8 0 m h z j n ，n = 2 、4 、6 、8 2 5 4 ) 同样，该采集卡的p c i 接口使计算机通过软件命令就可直接对其工作方式进 行操作。从采集卡得到的数据需进行转换，才可供程序使用。 通测量发现：w r g 3 1 5 输出的中频信号比较微弱，幅值范围为4 0 4 0 m v ， 带宽2 m h z ，这样微弱的信号很容易与噪声混淆在一起，而其带宽远大于数传电 台工作带宽，基于这样的考虑，在无线接收机中频输出端与数据采集卡采集通道 之间须添加一个信号调理模块，对中频信号进行放大、滤波。调理电路图见附录 1 。经调理后输出的信号幅值范围为1 2 1 2 v ，而其带宽降至5 0 0 k h z 。 系统选用h o l u xg r 2 1 3 智慧卫星接收机接收采集车经纬度信息，这款g p s 通过u s b 口与工控计算机连接，基本参数如下： 内建卫星接收天线 快速定位，可追踪2 0 颗卫星 内建w a s s e g n o s 解调器，提高定位精准度 低耗电量，小体积 支持n m e a 0 1 8 32 2 版本规格输出 2 3 软件方案设计 设计利用v i s u a lc + + 6 0 工具包进行程序开发，通过对m a p x 4 0 工具的二次 开发实现电台的定位和显示功能。 数传电台监测系统软件由七个功能模块组成：数据接收模块、中频信号处理 模块、调制识别模块、解调解码模块、电台定位模块、界面管理模块及数据库管 北京工业大学工学硕士学位论文 理模块。数传电台监测系统的软件组成如图2 3 所示。 经纬度 经纬度 图2 3 软件模块组 数据接收模块：一、通过计算机指令控制无线接收机在专用频段进行扫描， 若发现强度较大的信号，停止扫频，用采集卡将该信号采集存入缓存，以进行下 一步分析，并将信号强度信息存入数据库：二、通过m s c o m m 控件控制g p s 接 收机，每隔3 0 s ( 中断) 接收一次监测车经纬度信息，将信息存入数据库中。 中频处理模块：对中频信号进行数字下变频处理、数据转换、及低通滤波处 理，得到零中频信号。 调制识别模块：利用决策论方法识别m s k 信号，将识别结果存入数据库。 解调解码模块：判决信号波特率，对信号进行m s k 解调及基带解码，并分 析电台地址码，将波特率信息及地址码信息存入数据库。 电台定位模块：结合监测车位置信息与信号强度，分析定位电台位置，将电 台经纬度信息存入数据库。 界面管理模块：一、控制数据采集、处理的开始及结束；二、显示已定位电 台数量信息；三、从数据库中取出监测车以及已定位电台经纬度信息，在电子地 图上描绘行车轨迹和电台位置。 数据库管理模块：协调各模块对数据库数据的读写过程。 2 4 监测系统工作原理 系统采用多线程技术来协调各模块的正常工作。启动系统程序，首先对硬件 第2 章数传电台监测系统总体方案设计 _mmum n ! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 ( 无线接收机、数据采集卡、g p s 接收机) 进行初始化，并调用m a p x 4 0 工具 配置软件界面，主程序流程如图2 5 所示。 图2 5 主程序流程图 启动监测后，程序将启动三条线程相互配合工作：数据处理、电台定位及描 点绘图线程，下面分别给出具体工作原理。 2 4 1 数据处理线程 线程1 执行本监测系统主要的数据处理工作：首先由软件指令调用a p i 函数 控制无线接收机在2 2 3 0 0 0 m h z 2 3 5 0 2 5 m h z 频段连续扫描信号，步长2 5 k h z ， 若发现信号强度大于强度值s ，认为该信号是有效信号，则停止扫描，并锁定该 频点，同时调用a p i 函数控制数据采集卡对该频点的信号进行采样，并储存到缓 存中。对该信号进行数字下变频及低通滤波处理后，信号已为基带信号，通过调 制识别、速率判别及解调解码后，得到数传电台无线信号的数据信息帧，对照数 传电台数据传输协议，经过判别计算，可得到该电台的地址码。由于点对多点的 组网形式中，数传电台主站与分站之间是采用定时轮询寻址的方式通讯，因此该 区域网中的每个电台都有唯一的地址码，由电台地址码可区分电台身份，完成对 电台的数量统计。电台定位线程将根据各电台的地址码及强度对数传电台进行分 析定位。线程1 流程图如图2 6 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 线程1 扫描信号 数字下变频 低通滤波 调制识别 2 4 2 电台定位线程 i s k 解调 工 基带解码 图2 - 6 线程l 地址码解析 将有用信息 存入数据库 a 图2 7 电台定位原理 数传电台工作时，由于距离原因，监测车每次接收到的信号强度是不相同的， 当某两次接收到该电台信号的强度相同时，可以认为这两次监测车的位置是在以 该电台为圆心的同一个圆周上的，因此，两点的中垂线一定通过电台所在位置点， 若找到这样的两条相交的中垂线，则其交点处一定是电台位置。电台定位原理图 如图2 7 所示。线程2 的工作流程如下图2 8 所示。 第2 章数传电台监测系统总体方案设计 曼! 曼曼! 曼曼曼苎曼曼曼曼曼蔓鼍曼苎- - 一。 i ii i 。鼍曼! 曼曼! 曼曼! 毫! 曼! ! ! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼! 曼 2 4 3 描点绘图线程 图2 8 线程2 该线程通过m s c o m m 控件控制g p s 接收机的工作，每隔3 0 s 读取一次经纬 度信息，并控制m a p x 4 0 工具，将 g i n 车行车轨迹以及已定位电台在电子地图 上描绘出来。 图2 - 8 线程3 三条线程之间利用线程同步函数以及时钟函数协调工作，并通过对数据库的 读取控制，满足各线程对于经纬度及其它信息的共享。 2 5 本章小结 本章首先对数传电台作了简要介绍，作者结合软件无线电思想提出监测系统 的硬件及软件设计方案，并对系统的工作流程及各功能模块详细流程及原理做了 详细介绍。 第3 章中频信号处理 对无线接收机扫描接收到的信号进行带通采样、数字下变频及低通滤波处 理，得到低载频数字信号。完成数字下变频是实现监测功能的重要前提，也是软 件无线电的基础理论之一【引。 3 1 带通采样与数字下变频( d d c ) 过程 目前通信信号所使用的多为带通信号【9 】，本系统监测的信号其带宽不大于 2 5 k h z 。软件无线电中采用带通采样技术可以利用较低的采样速率准确反映信号 特性，既减少了采样点的个数，同时又达到了下变频的目的，很大程度上减少了 软件处理程序的压力，使监测的实时性得到保证，同时降低成本。 软件无线电中实现数字下变频一般采用正交数字下变频的方法【l o 】。鉴于带通 采样也能完成数字下变频的功能，本设计采用后者，通过合理选择采样频率，在 完成带通采样的同时实现数字下变频。 3 1 1 带通采样定理 由带通采样定理【1 1 可知。对于频带限制在阮捌内的带通信号x ，如果采样 速率满足： 乒= 篙等 ( 3 - 1 ) m 取能满足多2 ( 力一乒) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ，则用乒进行等间隔 采样所得到的信号采样值x 伽功能准确地确定原信号x ( o 。 由带通信号的中心频率力：丝堕，石也可表示为： 乒= 丽4 f o ( 3 - 2 )z ，竹1 - l 由图3 - 1 中可以看出，对带通信号进行带通采样，只要采样频率大于信号带 宽两倍就可从采样信号中正确恢复原信号的特性。对带通信号进行欠采样处理， 不仅降低了采样点数，同时完成了频谱下搬移过程，起到下变频的作用。 北京工业大学工学硕士学位论文 一2 石- j ；0 一f 。 l 图3 l 带通信号抽样的频谱不慈图 本设计中无线接收机接收输出1 0 7 m h z 中频信号，若按照n y q u i s t 采样定理 对其进行采样，采样率至少为1 0 7 m h z * 2 = 2 1 4m h z ，这不仅对采样器件的要求 较高，而且对于如此大量的采样数据，后续的数字信号处理运算量将非常巨大。 数传电台携带的信号所占带宽其实很窄，根据带通采样定理，抽样频率并不需要 一定大于信号最高频率的两倍以上，用较低的抽样频率也可以正确地反映带通信 号的特性，从而减少了采样样点数，很大程度上减轻了后续对数字信号的处理运 算负担。 3 1 2 基于带通采样的数字下变频的实现 利用无混叠的带通采样和正弦波信号的周期性司有效降低采样速率，并将带 通信号搬移到基带。 设带通信号x ( f ) 的表达式为： x ( r ) = 彳c o s ( 2 万乒+ ) ( 3 - 3 ) 用乒对其进行带通采样，采样后得到离散信号x ( 玎) 为： x ( 玎= a c o s ( 2 万景刀+ 矽) c 3 - 4 ， 由于采样率乒 力，因此载频一定可以表示为： 乒5k f i + f ( 3 - 5 ) 式中，k 为正整数，f 为乒被乒整除后得到的余数，因此厂 ，n ( 3 5 ) 式代入 ( 3 4 ) 式得： 第3 章中频信号处理 曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼! 皇! 曼! ! 蔓曼! 曼i i i = o ；| 鼍! 皇! 曼! ! 曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼! 曼曼皇曼曼曼舅曼! 曼曼蔓! ! 曼! 曼! ! 曼曼曼 x ( n ) = a c o s 卜等埘 由正弦波信号的周期性得： x ( n ) = d c o s ( 2 刀石要+ ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) 由以上分析可知，利用带通采样原理可以实现数字下变频过程，且下变频处 理后的频率小于采样频率，因此，带通信号的采样频率及采样后信号的频率 可根据需要进行精确的计算选择。 3 1 3 采样率的选择 选取合适的采样频率是正确解调的前提。一般应将信号降到几k h z 或十几 k h z 附近的载频频率上，这是因为在这个频率附近处，“0 ”、“1 ”两种码元对应的 频率差别较大，解调容易实现。 对于f o = 1 0 7 m h z ，设波特率为m ( b s ) ，数传电台带宽2 5 k h z ，则当 r b = 3 0 0 b s 一4 8 0 0 b s 时，取厂= 5k h z ， ，届厂 10 7 m h z 0 0 0 5 m h z 10 6 9 5 m h z ，j o 二_ = 一= 一 。 kkk k = 3 1 时，乒= 0 3 4 5 m h z ； k = 6 2 时，石= 0 1 7 2 5 m h z 。 当r b = 9 6 0 0 b s 1 9 2 0 0 b s 时，取f = 2 0 k h z ， ，尼厂 1 0 7 m h z 0 0 2 m h z10 6 8 m h z 少2 了2 r 一2 f k = 3 0 时，= 0 3 5 6 m h z ； k = 6 0 时，；= 0 1 7 8 m h z 。 也可取更大的k 值以降低采样率，但由于本设计采用时域方法解调信号，若 减小采样率会造成误码率的增加。在实际应用中，数传电台产品多采用1 2 0 0 b s 及2 4 0 0 b s 作为波特率，因此，本设计最终选择采样率为乒= 0 3 4 5 m h z 。 3 2 低通滤波器的设计与实现 对无线接收机输出的1 0 7 m h z 中频信号进行采样后，为保证解调的正确性 还应对信号作低通滤波处理，滤除噪声。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 1 低通滤波器设计 数字滤波器总的来说可分两大类：经典滤波器和现代滤波器1 1 1 】【1 2 】。经典滤 波器的设计包括i i r 和f i r 滤波器。i i r 主要根据模拟滤波器的设计而来，主要 针对幅频特性进行逼近，有较好的通带与阻带的衰减特性，但同时相频特性会存 在不同程度的非线性，容易产生信号相位失真。f i r 主要用窗函数设计方法，系 统稳定，有严格的线性相位特性，且允许设计多通带( 或多阻带) 滤波器，后两 项是i i r 不易实现的，而且f i r 可以利用d f t 来实现，因此选择f i r 滤波器， 可通过增加滤波器阶数来提高通带与阻带的衰减性能。 本设计使用m a t l a b 7 1 工具采用窗函数法设计f i r 低通滤波器【1 3 】【1 4 】。f i r 滤波器的典型的指标为通带波动和阻带衰减。 首先要选择窗函数的类型并估计窗口长度。窗函数类型可根据最小阻带衰 减独立选择，因窗口长度n 对最小阻带衰减没有影响，在确定窗函数类型以后， 可根据过渡带宽小于给定指标，来确定所拟用的窗函数的窗口长度n 。 实际中常用的窗函数有：矩形窗、恺撒窗、巴特利特窗、海明窗、布莱克曼 窗及切比雪夫窗，当n 取6 4 时，经比较，矩形窗和恺撒窗在通带的波动较大， 巴特利特窗和切比雪夫窗的衰减不够，海明窗和布莱克曼窗性能较好。最后选用 海明窗。 图3 - 2 低通滤波器的设计比较( 6 4 阶) 乒= 0 3 4 5 m h z ，降频后信号中心频率乒= 0 0 0 5 m h z ，考虑到数传电台带宽 1 6 第3 章中频信号处理 为2 5 k h z ，因此取通带截止频率五= 3 0 k h z ，则通带截止角频率为 彩c = q 移= 2 刀硝= 2 n x 3 0 3 4 5 = o 1 8 z r 取过渡带宽b = 0 0 9 z r ，取通带最大衰减口，= 3 d b ，阻带最小衰减口，= 5 0 d b 。 表3 - 1 窗函数法设计滤波器阶数选择表 名称近似过渡带宽精确过渡带宽最小阻带衰减 矩形 4 万m1 8 n m2 1 d b 巴特利特 8 万m6 1 万m2 5 d b 汉宁窗 8 万m6 2 万m4 4 d b 海明窗 8 刀m6 6 7 r m 5 1 d b 布莱克曼 1 2 n m1 17 r m7 4 d b 查表3 1 可知海明窗近似过渡带宽为8 万m ，精确过渡带宽为6 6 万m ，取 m 为6 4 ，所以滤波器阶数n = m 1 = 6 3 。参数设计完成后，将窗函数w ( 玎) 与理想 滤波器单位冲击响应h 4 n ) 相乘，最后得到滤波器的单位脉冲响应 办( 玎) = 加( 力砂( 刀) 。 将数字下变频后的数据x ( ，z ) 与滤波器的频响h ( n ) 卷积，实现滤波，即 n + l - i y ( n ) = x ( 门) 木j l z ( 刀) = 芝：x ( 刀- m ) h ( m ) ( 3 - 8 ) m 。= 0 为了方便实现卷积，必须对滤波器序列进行补零，但考虑到采集到的数据有 1 2 8 k ，而滤波器的序列长度仅为6 4 ，这样办例就必须补很多个零值点，因此将 x 例分成点数为6 4 的2 0 4 8 段数据，分别与 俐进行卷积，然后对结果进行重叠 相加【1 4 】。具体实现流程如下： ( 1 ) 将滤波器补零后作1 2 8 点f f t 变换，h ( k ) = d f t h ( n ) 】； ( 2 ) 将x 例分成2 0 4 8 段数据，每段6 4 个点，对每个船补零后作1 2 8 点f f t 变换，x 内= d f t i x , 例 ； ( 3 ) 将每个数据段的石倒与目何相乘，m 何= x f k ) h ( k ) ： ( 4 ) 对x 内进行1 2 8 点i f f t 变换，少俐= m 何； 2 0 4 8 ( 5 ) 将名r s t y , ( n ) ( 包括重叠部分) 相加，y 似= 弘俐。 3 2 2 仿真实验结果 图3 - 3 、3 - 4 为低通滤波器设计结果。 北京工业大学工学硕十学位论文 n - i 已 a ， 卫 丁 = c a 乏 图3 3 低通滤波器( 6 4 阶) 单位冲击响应 0 n o r m a l i z e df r e q u e n c y ( x r a d s a m p l e ) ii ii；ili ；i； ： ： ；i； ； ； ； ； ；： ： ： ；| 八卜f 卜卜卜卜卜卜卜卜 卜卜卜卜卜卜卜卜卜j 、j 、小 00 10 20 30 40 5 0 6 0 7 0 80 9 n o r m a l i z e df r e q u e n c y ( at a d s a m p l e ) 图3 - 4 低通滤波器( 6 4 阶) 幅度特性及相位特性曲线 一1 8 一ia可一仃c也 第3 章中频信号处理 曼曼曼曼曼曼毫曼曼蔓皇皇曼曼皇皇曼蔓毫曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼! 鼍曼! 曼! 曼! ! ! ! ii i ! 曼曼鼍曼曼曼! 曼! 曼曼鼍曼! 曼! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 苎 3 3 中频信号处理流程 1 0 7 m h z 中型犯垂匠l 压亟口玉亟掣警髑 图3 5 中频信号处理流程 中频信号处理流程如图3 5 所示。首先对中频信号进行带通采样，设置数据 采集卡采样频率为0 3 4 5 m h z ，每次采集1 2 8 k 数据存入缓存，采样得到数据是 计算机原始数据，并不能直接使用，必须将a d 原始数据转换电压值。换算公式 为： l s b = p a d b u f f e r n & 0 x 0 f f f ( 3 9 ) v o t ：三j b 10 0 0 0 0 一r 口n g e ( 3 - 1 0 ) 4 0 9 6 其中，l s b 为原始数据经高位求补后的变量，读入的原始数据存入 p a d b u f f e r n 】，场f ，( 单位m v ) 为电压变量，l 程_ r a n g e ( 单位m v ) 。 最后对信号作低通滤波后，完成了对中频信号的处理( 详细程序见附录2 ) 。 3 4 结论和分析 对实验中采集的数据进行分析。接收机输出中频为1 0 7 m h z 的m s k 信号， 波特率为2 4 0 0 b s ，信号采样率为0 3 4 5 m h z 。对采集到的一段有用信号作2 0 4 8 点f f t ，信号的时域波形及其频谱波形如图3 - 6 、3 - 7 所示： 图3 - 6 ( a ) 采样后信号的波形图 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 5 2 1 5 1 0 5 0 x1 口5 图3 - 6 ( b ) 采样后信号波形的局部放大图 - - - | l - lj 图3 7 ( a ) 采样后信号的频谱图 图3 7 ( b ) 采样后信号的频谱图的局部放大图 m s k 调制信号理论上应包括上边频和下边频，但从图3 7 ( a ) 中并未看出 有明显的两个边频，可能的原因有两个：其一，由于谱分辨率大于两边频之间的 2 0 第3 章中频信号处理 载频间隔：其二、是由于噪声干扰。为保证下一步信号解调的正确性，对接收到 的信号作低通滤波。滤波后信号的时域波形及其频谱波形如图3 8 、3 - 9 所示。 图3 8 ( a ) 滤波后信号的波形图 3 2 5 2 1 5 1 d 5 0 x1 0 5 图3 8 ( b ) 滤波后信号波形的局部放大图 - _ - lj1 05 0 0 图3 9 ( a ) 滤波后信号的频谱图 2 1 北京工业大学工学硕士学位论文 图3 - 9 ( b ) 滤波后信号频谱的局部放大图 比较图3 6 ( b ) 与图3 8 ( b ) 发现：滤波后的信号波形相比滤波前信号更 加平滑，信号更易于解调，实验证实该滤波能减少误码率。 3 5 本章小结 本章对中频信号的处理作了详细介绍。首先介绍了利用带通采样技术对中频 信号实现数字下变频处理的原理，并讨论了中频信号进行下变频变换的优点。 本设计中下变频是通过带通采样实现的。考虑到噪声影响，对下变频后的数 据作了低通滤波处理，作者用m a t l a b 软件利用窗函数法设计低通滤波器，得 到其单位冲击响应，并利用重叠相加法实现滤波过程。 最后，在结论部分给出带通信号通过下变频和低通滤波的仿真图形，将处理 前后的图形进行比较。 第4 章调制识别 第4 章调制识别 调制识别技术对于无线电管理工作具有很高的实用价值，如信号确认、干 扰识别和频谱监测等，只有正确地估计调制方式和参数，才能采取相应的解调方 法。本章重点研究实现对m s k 信号的调制识别。 4 1 调制识别原理 目前国内外已发表的有关调制识别的文献中，调制识别方法大致分为两类 【16 】【1 7 】：基于特征提取的统计模式识别方法；基于决策理论的最大似然假设检验 方法。模式识别方法首先通过特征提取从接收的信号中提取出特征参数，然后通 过模式识别系统来确定信号的调制模型；最大似然假设检验方法是一种似然多假 说的测试问题，是通过观察待识别的信号的波形，假设为某一种侯选的调制方式， 然后通过相似性来判决