（通信与信息系统专业论文）无线电台监测仪的设计与实现.pdf

硕 卜 学位论文 无线电台监测仪的设计与实现 abs tract r a d i os pec t ru mi s o n eo f the b asi c m at e ri alc o n d i t i o n s o f ra d i oconun 画 c a t i o 几 胡dit i sl 云 刀 1 阎 n a n u a 】 茂 s o u rc e s . t h i sth esi s devel o ps ad em and i n gr a d i os 七 ” i o n mo n itor o f th e n ati。 耐 r a d l omaj 胜 唱 e me n t colr 旧 1 1 tt e e . the r a d i o引 旧 t i on m 。 川tor 允 n 闰 from 幻 胃 o p 别 rt s :比 e r f ( r a d l o f re q u e ncy ) fron t -e n d and th e d i g i 回 if ( l n e n 刀 e d i ate f r e q uen 叮) r e c e i v er. the rf fron t 一 ndcon v e rts th e mo ni tor s pec t rum si gna 】 in toth e b and wid ths l gda i o f w 场chth e c e n t e r ft equ e n c y is4 5 5 k h 之 . a cco rd i ng toth e d 曰 旧 o n d i ngr e q u e s t ， th e th e s i s co n t a i nsthe d e s i gno f th e d i gi tal吟 i ver， the 加 盯 d w a 比 ebl o c kdi 御 歹 田 旧 s andsom ep art o f the h ar d 、 ， a l ec i rc u i t . i t 引 汕 d l e s on the soft w ax e d e fi n ed r a d i o te c hno l o g y and s i mu l ates t he wh o l e p r ocess i 吧 w hi c h i s 加m the d i gi tal d o wn con v e rt e r toth ef ft t 烧 旧 s l atio n . thi s th e s i s 目o pts soft w 别 限耐 1 0 techni q uean d co n t r 0 l s the fl o wo f w o r k bym e a n s o f d e s i gn i n g p r o g r aj 旧 s wi thth e c l an gi ja g e .the认 七 o 1 ew 0 r k i n gpr o c e ss i scarn e do u ti nth ed s pb ar d 呼 pl at fo n 刀 . and the re sul tsaxe t u r l l edo uttobecon c t . i nadd i t i o ntomo ni to ri n gthe ra d 1 os p e c t n jj 旧 ， the rad i os 公 ” i o nm o n i t o r sho ul d al so h a v eth esi gna l reco g l i ti o n丘 m c t i o n . the t h e s i s c o m p are s d i ffe比 川伪加so f m odu l atio ns i gl 坦 l reco g n j t i on metho ds， andstud y s the n and 1 m ethodsfor a d e e per rese arc h . the m e th o ds o f t h e th e s i s i s o nth eb asi s o f n andim e th o d s ， 胡di t 叹 s a 面s ed cos in efi lterto i mp ro v ethe s 汕u l at ec o n d i ti on. b ase do nthe m a t l a b s i m ul atio ngr a p hs， we c an concl ude t h atai m in gatth es i gnal s in c l u d i ng: z a s k 、 z p s k 、zfs k 、4 as k 、4 p s kand 4 f s k. th e i m p r o v ed m e tho d o f the the s i s i s bett e r t hi 垃the n and i m eth od atthe s u cce s s rati o and ant i 一 noi seperfo rmanc e . an d i t i s m o re sui t a b l e for th e p r a c t i cep roje c t n e e d . k e y w o r d s :r a d los tati o n ; m o n it o r ; s o ft w a r edefi n e dra d lo ; rec e i v er ; mo d u l at i on s i gnal 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究 生签 名:乳 全 板 二 脚了年 7 月 ! 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的 部分或全部内容， 可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 :胁 葱沙 叮 年 了月 j 日 硕一卜 学位论文无线电台监侧仪的设计与实现 绪论 11 研究背景 及意义 随着信息社会化发展，人们越来越认识到无线电频率是一种宝贵的自然资 源。 无线电信号作为有效的信息载体， 其传输的优劣直接影响到信息传递的正确 与否。 如何管理无线电波， 避免电磁污染， 保护电磁环境是无线电管理堕待解决 的核心问题。国家无线电管理委员会承担全国无线电监测和无线电频谱管理任 务.面对无线电新技术、新业务的飞速发展，无线电管理工作的任务十分繁重。 无线电监测仪是无线电管理委员会监测频谱的一个重要工具一 般无线电监测仪 的作用如下:1 、监控给定的频率，对一种频率持续监控或对几个频率进行循环 扫频; 2 、在某个频率范围内进行搜索，并可自由选择开始和结束频率:3 、监测 无用的发射，包括脉冲发射;4 、检测未经许可的非法通信发射机，或检测许可 传输的发射机干扰:5 、通过远程控制选项测量所覆盖的范围。本论文主要围绕 无线电台监测仪的研发过程进行研究的。 1 . 2 研究 现状 无线电频谱是无线电通信的基本物质条件之一( 无线电波的波段划分和应用 见附录) ， 是有限的自然资源， 因此高效地利用频率资源是频谱管理的基本任务。 实施频谱管理的重要依据来源于有效的频谱监测。 为了保障频谱监测的数据的有 效性、 可靠性和权威性， 一个有效的途径就是依据统一的标准一工 tu( 国际电信联 盟，i n t e r n a t i o n a 1t e l e c o 咖u n i c a t i o nu n i o n ) 建议。 事实上，一个完整的监测站应包含监测、测向和实时/ 后台数据分析。由于 篇幅所限，这里只讨论信号监测部分。 在 i tu 建议中，一个无线电监测站所要实 现的功能包括: 监测、 解 调和解码; 解调音录制: 技术测量和技术分析， 包括频 率、频偏、电平/ 场强调制参数( 包括 胡 调制深度和 阳 频率偏置) ，带宽及频谱 分析; 频谱占用度等等。 监测站设备的质量直接关系到监测站的性能， 其设备主 要是由天线、 接收机、 测向机、 记录设备及软件和控制系统等基本单元组成。 其 中接收机是监测系统的核心。系统的性能主要是由接收机决定。 选择专业、高性 能的 接收机能有效地保证监测系 统的 各项指标， 实 现各 种功能。 因 此， 在建设 一 个无线电监测系统时，如何选择接收机是至关重要的。 itu 对用于无线电 监测的接收 机性能有明确的要 求. 频 谱仪并不能简单地替 代监 测接收机。 两者虽然在结 构上有相似之处， 但却 有本质上的 区别 。 监测接收 机是在军用或民用应用中典型用于信号探测、 频谱监测和解调， 并对一些信号作 分析( 如中频显示、工 tu 测量) .而频谱仪是典型用于已知信号的测量，比如信号 带内功 率、 带宽占 用度、 相 位噪声 等等。 它们各自 都为 适应特定 的工作环境和克 服各自 遇到的难点，进行了长期的研究和攻关，都体现了各自 领域的科技成果。 硕 上 学位论文 无线电台监侧仪的设计与实现 目 前国内 的无线电 接收机的 设计 普遍采用了软 件无线电( s oft ware d efi ned r a dio)技术。软件无线电技术来自上世纪80 年代末 90 年代初关于无线电( 收发 设备) 的设计技术，即无线电收发信机的中频和低频部件硬件功能由数字化后的 软件编程实现。 90年代初期就有多种采 用软 件无线电技术的数字化接收机出 现. 比 如e b z o o 接收 机就在二中频处对模拟中频 进行数字化， 然后进行数字下 变频器 和数字滤波等处理。90 年代后期，各种中、高档次的监测测向接收机都采用了 软件无线电技术。 1 . 3 论文所做工作及要达到的要求 本论文围绕研制适应无线电管理委员会( 简称无管会) 需求的无线电台监测 仪而展开研究。 无管会需求的无线电台监测仪由射频前端和数字中频接收机两部 分构成。射频前端将所要监测的频谱信号转换为中心频率 4 5 5khz 的带宽信号。 数字接收机主要对该具有一定带宽的中频信号进行采样、 下变频、 滤波、 抽取和 f 盯 分析，将频谱分析结果通过 pci 总线传到计算机，并在 vc 的交互界面上显 示频谱分析结果并完成相应控制功能。 该无线电台数字监测仪的参数及具体要求如下: 1 、监测仪模拟中频输入信号的中心频率为4 5 5 k hz，带宽分别为:士z k hz、 士4 k h z 、 士7 . s k h z 、士1 5 k h z 、士1 2 5 k h z 。 2 、接收机模拟中频输入信号电平为一巧士 zdbm， 输入为5 撇 接头 ( 单通道) 。 3 、采用数字正交下变频。 4 、对 1 、q 通道下变频信号分别作滤波处理。 5 、作 1 0 2 4点复数 f 盯 分析。 6 、采用 pc工 总线接口方式。 7 、 频谱分析结果用 v b / vc 显示，数据更新速度为 10帧/ 秒，1024 点/ 帧。 8 、 在v b / vc界面 上可完成一定的 控制功能。 论文主要 研究 适应无管会需求的无 线电 台监测仪的数字 接收机的 设计与实 现技术，论文工作安排如下: 第一章阐述了 无线电台数字 监测 仪的研究背景 及意义， 介绍本论文的主要 研究工作。 第二章介绍 无线电台监测仪数字 接收机的设计 方案. 在研究软件无线电 技 术基础上， 提出 无线电台 监测仪数字接收机的 设计方案， 并详细分析其工作 流程。 第三章介绍无线电台监测仪数字接收机的硬件设计。文中介绍了部分硬件 相关知识，给出总硬件框图，并详细分析了a /d采样电路、数据存储电路、d s p 电路和 pcl 接口电路. 第四章是无线电台监测仪数字接收机的软件设计. 深入研究了数字下变频、 硕 1 一 学 位 论 文无线电台监侧仪的设计. j 实现 fir 滤波器设计、 数据抽取和f 盯程序设计过程，根据课题要求选择合适参数， 文中给出了matlab 仿真图和 c cs 运行结果.结果表明设计正确，结果可信。 第五章深入研究了无线电台的自动识别技术。介绍了目前常见的几种自动 识别算法，比较其优缺点， 并详细介绍了n andi 算法。 在分析n andi 算法基础上 对仿真条件进行了改进，对信息序列首先进行符号成形处理，然后利用 n andi 算法进行 以t l ab 仿真。文中比较了符号未成形处理与成形处理各判别特征参数 的变化，结果表明采用符号成形处理更符合工程实际， 抗噪性能更好，更利于判 别调制方式，因而调制方式的判断准确率得到提高。 项卜 学位论文 无线电台流测仪的设计与实现 2 无线电台 监测仪方案设计 无线电 台监测仪由 射频前端和数字接 收机两部分组成， 其中 数字接收机的设 计是本论文研究的重点。 2 . 1 射频前端 无线电台监测仪的射频前端采用的是超外差式接收机结构， 其工作原理框图 如图2 . 1 所示。从天线进来的信号经过滤波、低噪声放大，然后进行二次混频。 在 二次混频中， 采用两个本振信号依次进行 混频、 滤波、 放大处理。 最后将所 要 监测的信号转换为固定中心频率( 4 5 5 k h z)的中频信号。 本文的无线电台监测仪设 计主 要从中频开始。 首先进行a /d变换， 数 据缓存， 然后利 用d sp进行数字下 变 频、f ir滤波、抽取和 f 盯 分析，最后将结果送入终端显示。 图2 . 1超外差式接收机框图 2 . 2 软件无线电 技术 射频信号转换为 模拟中 频信号后， 数字接收机就要 对中频 信号 进行处理。 文中采用基于软件无线电技术的数字中频接收机的设计方法， 下面介绍相关的软 件无线电技术。 2 . 2 . 1 软件无线电 技术 简介 软件无线电 ( software d efi n ed r adi o) 技术是近年来提出的一 种实现无 线通信的新的体系结构。 它针对现在无线通信领域存在的多种无线通信标准和体 制无法兼容的弊端应运而生。 软件无线电的基本概念是把硬件作为无线电信号处 理的基本平台， 把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现. 这样，无线电信 号处理系 统， 新产品的开发将主 要是对软 件的开发， 而无线电 信号处理 相关产业 的产值也将越来越多地体现在软件上。其概念性定义的功能框图如2 . 2 所示: 硕 1 : 学 位 论 文无线电台监测仪的设计与实现 图2 . 2软件无线电功能框图 软件无线电系统的工作过程是首先将接收的射频信号经过模拟下变频后 ( 降低处理频率及进行信号选择) ， 对模拟中频信号进行a /d 转换， 然后经过抽取、 滤波等处理将信号变为基带信号， 送入基带处理部分进行处理输出， 最后通过可 编程数字信号处理 ( d s p) 模块实现所需的各种信号处理，并将处理后的数据送 至多功能用户终端;同样， 在发送时， 通过类似接收信号处理的流程将数据通过 天线发射出去。 2 . 2 . 2中 频信号的 采样 软件无线电的核心思想是对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行 数字化，将其变换为适合于数字信号处理器( d sp) 或计算机处理的数据流，然后 通过软件( 算法) 来完成各种功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。 所以软件无线电首先面临的问题就是如何对工作频带内的信号进行数字化， 也就 是 如何对所感兴趣的模拟 信号 进行采样.下面 介绍两种常用的采样理论。 1 、 n y q u i s t 采样定理 nyqui st采样定理的定义为:设 有一个频率带限 信号x(t)，其频带限制在 (0 ， 几) ， 如 果以 不 小 于 寿= 2 寿的 采 样 速 率 对x (t) 进 行 等 间 隔 采 样， 得 到 时 间 离 散 的 采 样 信号 x( 心= x( n 兀 ) ( 其中 几= 1 / 人 称为 采 样 间 隔 ) ， 则原 始 信 号 x ( t) 将 被所得到的采样值 x(n)完全地确定。 n yquist 采样定理告诉 我们， 如果以 不低于 信号 最高 频率两倍的 采样速率 对带限信号进行采样， 那么 所得到 的离散采样 值就能准确地确定原信号。 下面从 数学上来进一步证明n y q uist 采样定理，即 推导用离 散采样值 x ( n)表示带限信 号 x ( t)的数学表达式。 引入单位冲激函数a (t ) ，构成 周期 冲激函数p(t)， 如图2 . 3 ( a)所示: 尸 ( ，) = 艺， (卜n 兀 ) ( 2 . 1 ) 硕 卜 学位论文 无线电台监洲仪的设计， 实现 沁 ) 从 ( t ) ( a)周期冲激函数 图2 . 3 信号采样 根据口函数的性质: (b ) 采样后的信号 c 。 ( ，) ， ( ，) d ( ) ， ( 0 )( 2 . 2 ) 式中，帆0为 在原点 连续的 任意信号，并把 p ( t)( 周期函数) 用傅立叶级数 展 开可得: 砷 ) 一 戈 今 夺 ( 2 . 3 ; 一 会 馆 p(t )，一j誓 ， = 砷) ， 一 乍 di = 上 兀 ( 2 . 4 ) 馆2 1-几 代入式(2. 3)可得: ( 2 . 5 ) 2双 .艺一 1-几 一一 p 所以 对x ( t)用采样频率人进行 抽样后得到抽样信号可 表示为: 、 (r卜 ;(犷)二 (r卜 :资 足 誉 ，二 (了卜 e ，俨 x ( t) ( 2 . 6 ) 如图2 . 3 ( b)所示. 设x(t)的傅立叶 变换为x 佃) ， 则根据傅立叶变换的 性质: e j 叫 x ( t ) +x ( 口 一 残)( 2 . 7 ) xs (t)的傅 立叶 变换从恤) 可表示为: x 。 。 卜工子x ( 。 一 竺， ) _ 止 几孟 二 : 兀 兀 艺x ( 。 一 n 叭 ) ( 2 . 8 ) 、二2 万 八甲，叭 =二 厂=2 汀 js 1 s 硕 1: 学位论文 无 缺.匕 台监 测仪的设计， j 实现 由此可见，抽样信号的频谱为原信号频谱频移后的多个叠加。图 2 . 4为原 始信号频谱及按n y q uis t 采样得到的频谱图. 如果原信号 x(t)的频谱如图2 . 4(a) 所示，则抽样信号的频谱如图2 . 4 ( b)所示。 弋 山 ) 一 叭 0巧口一 叭一 巧 0巧叭 (a ) 原始信号频谱( b)采样后信号频谱 图2 . 4抽样前后的信号频谱 由 图2 . 4 ( b) 可 见 ， x 、 (劝中 含 有x ( 动的 频 谱 成 分 ， 如图 中 阴 影 部 分 所 示。 而且 只要满足条件:叭之 2 巧 或人之 2 几， 则阴 影部分不会与其它频率成分相混 叠 。 这 时 只 需 用 一 个 带 宽 不 小 于吓的 滤波 器， 就 能 滤出 原 来的 信 号x ( t)。 2 、带通信号采样定理 n y q u i st采 样 定 理 只 讨 论了 其 频 谱 分 布 在(0 ， 几) 上 的 基 带 信号 的 采 样问 题， 如 果 信号 的 频 率分 布 在 某 一 有 限 的 频 带( 人 ， 几) 上 时， 若 根 据n y q u i s t 采 样 定 理， 仍然可以 按人之 2 几 的 采样速率来进行采样。 但如果几b = 八 一 人时， 也 就 是 当 信号 的 最高 频 率几远远 大 于 其 信号 带 宽b 时 ， 如 果 仍 按n y q u i s t 采 样 率 来采样的话，则其采样速率会很高，以致很难实现， 或者后续处理的速度也满足 不了要 求. 由于带通 信号本 身的 带宽 不一定很宽， 所以 可以 采用比n y q uis t 采样 率更低的速率来采样，也就是利用带通采样定理。 带 通采 样定 理 的 定 义 为: 设 一 个 频 率 带 限 信 号x (t ) ， 其频 带 限 制 在( 人. 八) 内 ，如果其 采样速率人满足: 人 =2 ( 人+ 几) zn+1 ( 2 . 9 ) 式 中， n 取 能 满 足人之 2( 八一 人 ) 的 最 大 正 整 数(0 ， 1 ， 2 ， ) ， 则 用人 进 行等 间 隔 采样所得到的信号采 样值x( n 兀 ) 能准确地确定原 信号x(t). 式( 2 . 9)用带通信号的中 心频率fo和频带宽度b 也可 表示为: ，_ 4 f0 j o妥 丁 一下 名n + 1 ( 2 . 1 0 ) ，*1_ 人十 fh_ ， ， ， 二。1、 。 ， 。 、 。二， 、 ，、甲。 弄 、t ，j o 一-二 ， -， ， ” j l 入 日 匕 了 附 人 二j 咒 l， 、 u j/ ， ， ， 之 巾 纳 s j j 之 j口 u 月 又尹 、 1 生 巨义 比 。 艺 显 然 ， 当 fo= 几12， b 二 几时 ， 取n = 0 ， 式(2 . 10 ) 就 是n y q u i st采 样 定 理， 即 满 足 : 人= 2 九。 由 式(2 . 1 0) 可 见 ， 当 频 带 宽 度b 一定 时， 为了 能 用 最 低 采 样 速率即 两倍频带宽度速率( 人= z b ) 对带通信号进 行采样， 带通信号的中心频率 必须满足: 硕 十 学位论文 无线电台监侧仪的设计与实现 几= ( z n业b 2 ( 2 . 1 1 ( a ) ) 人+ 九二 ( z n + 1 ) b ( 2 . 1 1 工 b ) ) 也即信号的最高( 或最低) 频率是带宽的整数倍，如图2 . 5 ( b)所示( 图中只画出了 正频率部分，负频率部分是对称的) 。也就是说位于图 2 . 5 ( b)任何一个中心频率 为 几 ， (n 二 0 ， 1 ， 2 ， ， .) 带 宽 为b 的 带 通 信 号 均 可以 用 同 样 的 采 样 频 率寿= z b 对 信号进行采样， 这些 采样均能 准确 地表示位于不同频带( 中心频率不同) 的原信号 xo( t ) ，x . ( t ) ，x z ( t ) ， 书 x (t)x0(t 气、 戏1 ) 一 吞一 fo 一 人 。 人儿几 f。 几b fo .z b 几3 bf ( a )( b ) 图2 . 5带通信号的频谱 需 要指出的 是， 上述带通采 样定 理适用的前提条件是: 只允许在其中的一个 频带上存在信号， 而不允许在不同的频带上同时存在信号， 否则会引起信号混叠。 例 如当 在( z b ， 3 b)频带上 存在信号 时( 如图2 ， 5 ( b)阴影部分 所示 ) ， 那么在其它任 何频带上 就不能同时 存在信号。 满足这样一个前提条 件可以 采用跟踪滤波器的方 法解决， 即 在采样前先 进行滤波。 另外一个 值得注意的是: 上 述频带宽度b 不仅 只限于某一 信号的带宽， 单从对模 拟信号的采样数字化来讲， 这里 的b 应理解为 处理带宽， 也就是说在这一处理带宽内可以同时存在多个信号， 而不只限于一个 信号。 由 于本论文中无线电台监测仪 数字接收机的中 心信号频率固定为 4 5 5 k h z， 模 拟 输 入 信号 带宽 最 宽 为士 12 5k hz ， 所以 其 最高 频率 几二 45 5 +12 5 = 58 0k 比 ， 根 据n y q u i s t 采 样 定 理， 采 样率 人) 2 九=l . 16 m h ; 。 考 虑 到 后 续d sp芯 片的 处 理 速 度，要达到这样的速率是绰绰有余的，无需利用带通采样.所以本论文采用 n y q uist采样定理， 采样率取为2 . 5 翩: ， 对无线电台 监测仪数 字接收机的模拟输 入信号进行采样。 2 . 2 . 3数字下变频 所谓数字下变频( 数字混频正 交变换) 实际上就是先对模拟信号 x(t)通过 a/ d 采 样 数 字 化 后 形 成 数 字 序 列x( n ) ， 然 后 通 过 与 两 个 正 交 本 振 序 列 c 叫% 月 ) 和 s in(残 n)相乘，再通过数字 低通滤 波器来实现， 如图2 . 6 所示。 下面 将以 输入的 硕 1 : 学位 论 文无线电台监测仪的设计与实现 窄带模拟信号 x(t)为例，说明下变频( 即正交混频变换) 在无线电台监测仪数字 接收机设计中的意义。 2 ， ( n ) x ( t ) 骊( n ) s i n ( 山. n ) 图2 . 6实信号的正 交基带变 换 自然界的物理可实现信号都是实信号， 而实信号的频谱具有共扼对称性， 即 满足: x ( f ) = x ( 一 f )( 2 . 1 2 ) 也就是说实信号的正负频率幅度分量是对称的， 而其相位分量正好相反。 所以对 于一个实信号， 只需由其正频部分或其负频部分就能完全加以描述， 不会丢失任 何信息，也不会产生虚假信号. 可以 证明川 : 一个实信号x ( t)的正频分 量所对 应的 信号z(t)是一个复信号， 其实部为原信号x(t)，而其虚部为原信号的 h i l b ert 变换。把 z(t)称为实信号 x ( t)的解析表示。同时把 z(t)的实部叫做 x(t)的同相分量，而把 z(t)的虚部叫 做 x(t)的正交分量。之所以把 以t)的实部与虚部称之为是正交的，是因为 z(t) 的 实部x ( t)与 其虚部h x (t ) 是正交的阔 .下 面以 实例来说明. 一个实的窄带信号可表示为: x ( 1 ) = a ( t ) c o s 甄亡 + 0 ( t ) 1( 2 . 1 3 ) 所 谓 窄 带 信 号 应 满 足 : 会 ， 。 可 以 证 明 这 时 “ t) 的 h be r 变 换 为 : h x ( t ) 二 a ( t ) s i n l 肠 t + 0 ( t ) ( 2 . 1 4 ) 所以窄带信号的解析表示为: 2 ( t ) ， a ( t ) cox 呷 + 夕 ( t ) + ja( t ) s i n 【 气 t + 6 ( t ) ( 21 5 ) 用极坐标形式可表示为: 2 ( t ) = a ( 1 ) e j l 州 + 口 “ )( 2 . 1 6 ) 从窄带信号的极坐标解析式更清楚地看出，a(t)表示信号的瞬时包络， 硕 1: 学位论文无线电台监侧仪的设计与实现 ， ， _ 、 ，二，。“、 二 _ _ 八_ d 州t)_ _ _. 汀 ， 八，=，二，、 尹 l i ) =气j十口气 ， ) 双 /j 1 西万 口 ，j 娇 目 ，叮 目 仪 ，口l u口飞 勺二一气 万一=听 宁口、 少 钱 .j、 1 画，口 ， 研 “ ， “ 正 角频率，这三个特征量包含了窄带信号的全部信息.式(2 . 1 6)可以重新写为: 2 ( t ) = a ( t ) e j 口 ( ， e 洲( 2 . 1 7 ) 式中，e 周称为信号的载波分量。将式(2 . 17) 乘以e 一 四 ，把载频下移%， 变成 零载频，其结果称为基带信号( 或称为零中频信号) ，即有: z a ( t) = a ( t) e ja( ) = a ( t) coso ( t ) + ja (t ) 血0 (t ) = z a ( t ) + jz 即 ( ， )(2 1 8 ) 式中 281( t ) = a ( t ) cos 口 ( t ) ( 2 . 1 9 ( a ) ) 2 和 ( t) = a ( t) s in 夕 (t )( 2 . 1 9 ( b ) ) 分别称为基带信号的同相分量和正交分量。 从以上分析可以看出，一个实的窄带信号既可以用解析信号 z(t)表示，也 可以 用其基带信号( 零中频信号) 几 (t ) 来表示。 但是准确的 解析 表示主要用于数 学分析， 实际中要得到它是非常困难的， 这是因为实现理想 h i lbert 变换的阶跃 滤波器是难以真正实现的， 而相比之下， 得到基带信号( 零中频信号) 就要容易的 多。另外，由式( 2 . 1 6)可以很容易得到瞬时幅度，瞬时相位， 瞬时频率三个瞬时 特征值， 这为输入信号经处理后进行数字调制识别提供了方便。 所以在无线电台 监测仪数字接收机的设计中进行数字下变频( 即数字混频正交变换) 是很有必要 的。 2 . 2 . 4滤波与抽取技术 a / d采样 后的输入信号经过数字下变 频后 将产生高 频与低频分量。 其中 低 频分量即为基带信号( 零中频信号) 是我们所需要的， 而高频分量则需要用数字滤 波器 滤除。 滤除了 高频分量就可以 通过抽取 将数 据速率降下来， 便于后续信号 处 理。 数字滤波器根据其冲激响 应的时域特性分为两种，即 无限 冲激响应仃i r) 滤波器和有限冲激响应( f 工 r)滤波器。i ir 滤波器采用递归结构，结构简单，乘 法操 作少， 效率高。 但工 ir滤波器 存在极点， 设计时需 注意滤波器的稳定性。 f ir 滤波器采用分节延时线的滤波结构， 每一节的输出加权累加， 得到滤波器的输出。 由于它主要采用非递归结构， 因而总是稳定的。 它可在幅度特性随意设计的同时， 保证 严格的 线性相位特性。 文中采 用的是f ir滤波器的设 计。 数字滤波器设计将 在第4 章中重点介绍，这里介绍抽取技术。 所谓整数倍抽取是指 把原始 采样序列x( n)每隔( d-1) 个数据 抽取一 个，以 形 成一 个新序列xl，( m ) ， 即: 硕 士 学 位 论 文 无线电台监测仪的设计与实现 x 。 ( m ) = x ( m d ) ( 2 . 2 0 ) 式中 ， d 为正整数， 抽取过程 如图2 . 7 所示。 很显然，如果 序列x(n)的 采样率为 人，则 其无模糊带宽为人 /2。当以 d 倍抽取率对x( n)进行抽取后得到的抽取序 列 x 从 ， ) 的 采 样率 为 关 /d， 其 无 模 糊带 宽 为 关 / (z d) 当x( n)含 有 大 于关 / ( 2 助 的 频 率 分 量 时 ， xl， ( m ) 必然 产生 频 谱 混 叠 ， 导 致 从xl) ( m ) 中 无 法恢 复 x( n) 中 小 于 关/ (2 d)的 频率分量信号。 凡(m) 0 12 3 4 5 6 图2 . 7整数倍抽取 定义一个新信号: x ( 凡 ) =x ( n ) ， n =0 ， 士 d ， 公d， ( 2 . 2 1 ) 万 (n ) = 。 ， 其它 根据恒等式: z t 肠 d = l， n= 0， 土 d ， 月d ， ( 2 . 2 2 ) 则丫 ( 的可表示为: x( n ) =x ( n ( 2 . 2 3 ) 由 于x 。 ( m ) = x ( 脚 。 ) = x ( m d ) ， 则x ( m d ) 的2 变换为: 凡(z)= 艺x，(m )z 一 = 艺x( 伽)z 一 ( 2 . 2 4 ) 由 于万 ( ， ) 除了m为d 的 整数 倍不为 零外， 其 余均为零， 故式( 2 . 2 0)可重新写为: x 。 ( 2 ) = 艺x (m ) 2 下 ( 2 . 2 5 ) 把丫 ( 二 ) 表达式代入可得: 硕七 学位论文 无 线 电台 监 侧 仪 的 设 计 . j 实 现 黑1 拟， 2 竺 竺里 x 。 ( 2 ) = 乞 x ( m ) 下 乙“” 2 ” 门 = 洲 旧j 砂 1 州 j 至 lx (m )。 ，竿 ， 等 xle 一 j下 尹 ij-i艺问 1一d 一 畏 全 上产 1 . 0 ( 2 . 2 6 ) 把: = 目 . 代入式(2 . 26) 可得抽取序列( n)的离散 傅立叶变换为: d-l艺1-0 1一d x d ( e ， . ) =x e j (十 ， ，i )d ( 2 . 2 7 ) 由 式 (2 . 2 7) 可 见， 抽 取序 列 的 频 谱( 离 散 傅氏 变 换 ) 戈 ， (e 严 ) 为 抽 取前 原 始 序列 的 频 谱x (e j 。 ) 经频移 和 d 倍展宽后的d 个频谱的叠加 和。图2 . 8 给出了 抽取前 后 频谱结构变化图。 x( e ， . ) 伽 一扮 伽 一分 军一峥 2 扣山 率 一一 一 今 2 扣山 福玩2汀公 图2 . 8 抽取前后(d二 2)的频谱结构( 混叠) 图2 . 8 中 ， d= 2 . 可 见 ， 抽 取 后 的 频 谱丸( e ， ， ) 产生 了 严 重 的 混 叠 ， 使 得 从x 从 护 口 ) 中已 无法恢复出x ( e . ) 中所感兴 趣的频谱分量。 但如果先用 一数字滤波器( 其 带 宽为才 / d ) 对x (e 户 ) 进行 滤波， 使x (e 少 . ) 中 只含有小于耐d的 频谱分量( 对应 模 拟 频 率 为 粤 关 ) ， 再 进 行d 倍 抽 取 ， 则 抽 取 后 的 频 谱 不 会 发 生 混 叠 ， 如 图2 . 9 . d 哥一- 一- 一 硕上学位论文 无线电台监测仪的设计 ， 实现 x ( e j . ) 洲 一扮 夕 二 一洲 小 “ 几( 产) 丫丫一v 弓玩一 厂0刃2 汀 图 2 . 9 抽取( d 二 2)前后的频谱结构( 无混叠) 这样， x 。 (e 户 ) 中的 频谱成分与厂(e ， 口 ) 中 的频谱成分是一一对应的。 或者说 x 。 (e “ ) 可 以 正 确 地 表 示x(e 理 ) ， 更 进一 步 说x 。 (e 加 ) 可 以 准 确 地 表 示x ，( e， ) 中 小 于 粤或粤 关的 频 率 分 量 信 号 . 所 以 这 时 对x n (e ， ) 进 行 处 理 等 同 于 对 ddl，、， 一 x (e 户 ) 的处理， 但前者的数 据流速 率只有 后者的 d分 之一， 大大降 低了对后续 处理( 解调分析等) 速度的要求。 本设 计最后作1 0 2 4 点复数f ff， 双端口r 胡为3 2 k x l 6 b i t ， 输入信号为4 5 5 k h z 士 z k h z 、 士 4 k h z 、 士 7 . s k h z 、 土1 5 k h z 时， 人= 2 . s m h z ， 经数字下 变频、 滤波后， 抽取因子 d 二 32，此时滤波器截止频率为 2 . s m / 3 2 / 2 二 39. o 6 2 5khz;输入信号为 455khz士12 5 khz 时，关= 2 . 5 湘2 ， 经数字下 变频、 滤波后， 抽取因子d :8， 滤波 器截止频率为 2 . s m / 8 / 2 二 1 5 6 . 2 5 k h z 。 2 . 3数字 接收 机方案设 计 本 论文所设计的无 线电台 监测仪的 数字 接收机 框图如图2 . 10所示: 硕 七 学位论文无线电台监侧仪的设计与实现 图2 . 10 无线电台 监测仪数字接收 机框图 该无线电 台监测仪数字接收机的工作流程为: 射 频前端将所要 监测的 外部电 台信号转换为中心频率为 4 55k hz 的带通信号，高速 a/d 转换器将带通信号转化 为 数字信号，采 样的数 据存到 双端口ram 中。 d sp读 取双端口ra m 数 据， 进行数 字下变频处理， 将带通数字信号转换为 1 和 q 正交通道的低通信号， 分别对两路 低通信号进行参数相同的 f 工 r滤波和抽取降速处理， 得到两路正交的低速率信 号， 进行1 0 24点复数f 盯变换， 最后将计算结果经过陀1 总线送至计算机终端 显示并进行数字调制信号识别处理。图2 . 10中c p ld提供a /d 采样、 双端口ram 中的数据存取和o sp 与外设交互的控制信号。 无线电台监 测仪数 字接收机的主要工作 都是在d sp中 进行的， d sp软件设计 是本文研究的重点。 硕 卜 学位论文无 线 电 台 胶 测 仅 的 设 计 j 实 现 3无线电台监测仪数字接收 机的硬件设计 3 . 1 硬件框图 根据图2 . 10无线电台监测仪的数字接收机框图， 我们采用t m s 3 20c 6 416高 速数字信号处理器实现数字下变频、低通涟波、 抽取、f 盯 变换等功能，具体硬 件设计框架如图 3 . 1 所示: 图3 . 1 无线电台数字监测仪硬件结构框图 图3 . 1 中， 翎5 3 2 0c6 4 1 6 d s p 是 核心处理器， 工作主频6 0 0 m h z ， 其他的 外围 电 路紧 密配合d s p 实现高 速数据传输 和采样、 滤波等算 法的 数据处理; 总线采用 的是33mhz ， 32bit 工 作模式。整 个处理板以pci 插卡的形式插 在计算机主板的 pci 槽中工作，工作在 w i n z o 00 的操作系统下。各模块的具体功能见表 3 . 1 。 表 3 . 1 无线电数字监测仪电路板各模块功能表 模块 功能 d s p 电路板的核心，控制高速数据的读写，处理，控制各部 分外设协调 工作 a / d a / d 采样处 理模块， 得到1 、 q 两路数据 a s r a m 用于存放a / 0 采样的 1 、q 通道的数据，等待送至 o s p 的 内部进行处理 硕卜 学位论文无线电台监测仪的设计与实现 f l as h f lash 中固化了 d sp 的初始 化和处 理程序，系统上电 或 r e s e t 时， d s p 将程序从 f l a s h向 d s p 内部的 r a m区载入 cp l d 可编程逻辑器件模块主要用于实现 d s p和 a sr胡 之间的 逻辑设计 j t a gi eeell49 . 1 标准边界扫描仿真器，用于d sp 芯片的自 检 和开发 pc i b u s 该模块用于实现 d s p 与总控计算机的通信 r s 一 2 3 2 i n t e r f ac e d s p 通过m cbsp 口 与计算 机的串口 之间 进行通 信， 该模块 主要用于目标信息的输出 p l l c i r c u i t 控制 d s p内部的c p u 时钟的外部锁相环电路 m o d es e t设置输出时钟模式和 d sp 工模式的初始化 s y s t 阴p o w e r 系统的供电和电源保护模块 3 . 2灯d采样电路 3 . 2 . 1 盯d 转换器的 性能指标及选 用芯片 与接收机性能有关的 a dc ( 模数转换器) 的重要参数包括: 位数、 有效位数、 最大采样频率、 输入带宽、信噪比 ( s n r ) 、 无寄生动态范围 ( s f d r) 等. 而a oc 对接收机最显著的影响是动态范围，因为动态范围与接收机的灵敏度密切相关， 灵敏度是接收机动态范围的下限。s nr 和 s f dr 是能够比较准确衡量 a oc 动态特 性的一些参数，而且它们也是被广泛认可的特性指标。 本设计的a dc 选用了ad 公司的a d 6 6 40。 a d 6 6 40 是一款单片式的 12位 a dc， 内 含采样保持 (t / h) 电 路和基准源， 其 采样频 率可达6 5 m s ps。 a d 6 6 40在工作带 宽乃阳2 内的无寄生动态范围 ( s f d r) 保持在 s o db， 信噪比的典型值为 68d 氏 ad6640 的工作电源可以是单电源+sv 供电，也可以在输出数字部分用 3 . 3v 供电，这方便与后面数字处理部分的芯片接口。单电源供电时功耗为 710 扣 w ， 双 电 源供电 时功耗为7 o 8 m w 。 a d 6 6 4 o 的模拟输入 信号的 峰一 峰值 ( v p 一 p ) 为 zv， 工作温度可以从一40到+8 5 。 硕一 1: 学位论文尤线电台监测仪的设计与实现 3 . 2 . 2编码时钟输入电路 本设计采用了2 . 5 初 h z 的采样 频率， 即使用2 . s mhz 的晶 振作为 模数转换器的 时钟。a d664o的编码时钟输入有两种方式:单端 竹l / c m os 驱动输入方式 ( 见图 3 . 2 )和差分输入方式 ( 见图 3 . 3 ) 。 t tlor cmo s s our ce e nc od e e nc ode ” ” 事 图 3 . 2 单端 trl / c 明5 驱动输入方式 图 3 . 3t t l 差分输入方式 与单端方式相比， 差分输入方式可以获得更高的性能。 根据电路布局和系统 噪声的不同，差分输入方式能够使 s nr 改善 l db 到3 db。因此采用了t tl 差分输 入方式 ( 见图 3 . 3 ) 。在变压器的初级串连一个有限值的电阻，一般为 100 欧姆， 次级则直接与a d 6 6 40 的编码时钟输入端 enc o de 和 e ncooe # 管脚相连。 变压器无 特殊要求，一个便宜常用的即可。 3 . 2 . 3 模拟信号 输入电路 ad6640 的 模拟输入方式为差分输 入， 输入信号电 压范围 以2 . 4v 为中 心， 抖 动在士0 . s v以内， 但由于差分输入的两路信号相位相差 1 80。， 因此输入信号的 最大 值为 峰一 峰值