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软件无线电中的正交解调新算法本文由fzw052贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2008 年第 01 期， 41 卷 第 总第 193 期 通 信 技 术 Vol.41， No.01,2008 No.193,Totally Communications Technology 软件无线电中的正交解调新算法 黄红兵， 吴志敏， 曹 敦 （长沙理工大学 计算机与通信工程学院，湖南 长沙 410076） 【摘 要】软件无线电作为无线通信技术的又一次革命，是目前通信领域中最为重要的研究方向之一。文章基于多相滤 波的数字正交变换技术，通过数学推导，提出了一种软件无线电中的数字化正交解调新算法。理论分析和仿真结果显示该解 调方案的抗干扰性能有明显改善，与传统解调方法相比，省去了本地载波恢复，通用性强、简单易实现、计算量小且易于用 DSP 实现，适合在软件无线电接收机中使用。 【关键词】软件无线电；正交解调；多相滤波 【中图分类号】TN911 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2008)01-0039-02 A New Algorithm for Quadrature Demodulation in Software Radio HUANG Hong-bing， WU Zhi-min， CAO Dun (Computer & Communication Engineering Institute, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410076, China) 【Abstract】As another revolution in wireless communication, software radio (SR) has become one of the most important research fields. Based on polyphase filtering technology for digital quadrature transform, this paper presents a new algorithm for digital quadrature demodulation in SR through mathematical derivation. Theoretical analysis and simulation results indicate that the noise-resisting property of the demodulation scheme has been improved obviously. Comparing with traditional methods, it omits the resuming of local carrier, and is all-purpose, simple, with low calculation requirement and easier to be realized on DSP. The algorithm is fit to be implemented in SR receivers. 【Key words】software radio; quadrature demodulation; polyphase filtering 0 引言 随着通信技术的飞速发展，通信方式也日新月异，为适 应这种发展趋势，通信设备应具有广泛的通用性能，因此， 采用通用硬件平台，利用软件实现不同功能的软件无线电技 术在最近几年取得了引人注目的进展。 软件无线电的解调一般采用数字化正交解调方式1，传 统的方法就是数字相干解调。这种方法具有良好的抗干扰性 能，但因为对每个采样值都要分两路进行乘法和阶数较高的 低通滤波， 其计算速度要求较高， 目前难以用价位合理的 DSP 实现，虽然采用数字下变频器(DDC)可以解决计算速度问题， 但器件价格较高、功耗大、功能和结构缺乏灵活性2。由此 本文提出了一种计算量小、解调质量好、简单易实现、适用 于各种调制信号的正交解调新算法。 1 基于多相滤波的数字化正交解调新算法 在软件无线电接收端， 如果采用宽带中频采样3， A/D 对 转换后的信号，可以通过多相滤波的方法得到两路正交信 号，再对两路正交信号进行运算，最后解调出基带信号。算 法框图如图 1 所示。 X (2n) 偶数抽取 X (t ) 带通 (?1)n I 路时延 滤波器 解 调 算 基带 滤波 A/D Z1 奇数抽取 X (2n ? 1) Q 路时 延滤 (?1)n 波器 法 输出 图 1 基于多相滤波的数字化正交解调新算法 设 A/D 转换器的输入信号为 X (t ) = a (t )Cos 2f 0t + 收稿日期：2007-10-13。 基金项目：湖南省教育厅科研基金资助项目（编号：06C115） 。 作者简介：黄红兵（1963-） ，女，讲师，主要研究方向为信息处理；吴志敏（1979-） ，女，助教，主要研究方向为信息处理；曹 敦（1979-） ， 女，讲师，主要研究方向为信息处理。 39 (t ) ，其中 f 0 为载波频率，用式（1）表示的采样频率 f s 对 该信号采样， f s 2 B , B 为输入信号带宽。 fs = 4 f0 ，( m = 0,1, 2 2m + 1 )， (1) 根据（4）式，在实际的软件算法设计中，只要算出 ? X Q (2n) ? ? ? 值，用该值与预存的正切函数值表进行对照，即 ? X I (2n) ? 可得到瞬时相位值，用于 MDPSK、MPSK5、QDPSK、 / 4 QDPSK 等相位调制信号的解调。 1.3 调频信号的解调 调频信号的瞬时频率偏移与基带信号呈线性对应关系， 只要求出瞬时频偏，就能解调出基带信号。根据上述方法先 求出瞬时相位，再按（5）式计算即可求得基带信号。可对 FM、MFSK 等调频信号进行解调。 则得到采样序列为 ? f ? X (n) = a (n)Cos ? 2 0 n + ? (n) ? ? fs ? ? 2m + 1 ? = a (n)Cos ? 2 n + ? ( n) ? 4 ? ? 2m + 1 2m + 1 n) ? a (n)Sin? (n)Sin( n) = a (n)Cos? (n)Cos( 2 2 2m + 1 2m + 1 = X I ( n)Cos( n) ? X Q ( n)Sin( n) 。 2 2 令： X I (n) = a (n)Cos? (n) ， X Q (n) = a (n)Sin? (n) ， 则： X (2n) = X I (2n)Cos (2m + 1)n = X I (2n)(?1) n 。 (2n) ? ? (2n ? 1) = m(n) 。 其中 m(n) 为基带信号。 1.4 其他调制信号的解调 （5） 结合上述振幅调制信号及相位调制信号的解调算法，可 实现振幅相位联合调制信号的解调；结合上述相位调制信号 及调频信号的解调算法，可实现 MSK、GMSK 等信号的解调6。 2m + 1 ? X (2n ? 1) = ? X Q (2n ? 1)Sin ? (2n ? 1) ? ? 2 ? n = X Q (2n ? 1)(?1) 。 令： X I (n) = X (2n)(?1) n ， X Q (n) = X (2n ? 1)(?1) n ，则： 2 性能分析 对于上述解调方案的性能，使用 MATLAB 进行了仿真研 究，通过对传统相干解调系统和本方案解调系统误码率的对 比分析，由图 2 可以看出本方案解调系统误码率比传统的相 干解调系统有明显改善。从上述算法解释中可以看到，该算 法能够进行模拟或数字的调幅、调相、调频甚至各种联合调 制信号的解调，系统通用性非常强。 X I (n) = X I (2n) ， X Q (n) = X Q (2n ? 1) ， （2） （3） 式（2） 、式（3）分别表示输入信号采样序列的同相分量和 正交分量的 2 倍抽取序列，两者在时间上相差一个中频采样 周期，可利用两个内插时延滤波器使两路信号时间同步4。 内插时延滤波器的频率响应需满足： j H I (e j ) =e 2 ， H Q (e j ) 且： H I (e j ) = H Q (e j ) = 1 。 由以上数学推导，得到了输入信号的两路正交离散序列。 在实际中，可按图 1 所示的框图实现上述数字正交变换，再 利用后续不同的软件解调算法，对不同调制信号进行解调。 1.1 振幅调制信号的解调 振幅调制信号的载波幅度与基带信号呈线性对应关系， 只要能提取输入信号的幅度值，即可恢复基带信号。利用图 1 中两个延时滤波器输出的两路正交信号，可计算出输入信 号的瞬时幅度值序列： RSN /dB 图 2 解调性能比较 比较传统正交解调和本文提出的正交解调两种算法的 系统结构，本方案省去了繁琐的同步载波提取过程，不受噪 声干扰引起的载波频率偏移影响，不必考虑不同载波频率使 用不同锁相环的问题，抗干扰性能和系统通用性显著增强； 且不需要低通滤波和抽样判决，在结构上远比一般正交解调 简单。 另外，本方案在实现数字正交变换时进行了二次抽取， 使采样率降为初始采样率的 1/2，大大简化了系统在中频段 的处理，可利用 DSP 芯片通过软件编程实现该算法；由于整 个解调算法中不需要进行反正切及求导运算就可解调各种 信号，相对其他许多解调算法，计算量大大减少，整个系统 成本更低，功能和结构灵活，容易实现。 Z (2n) = X I (2n) + X Q (2n) ，( n = 1, 2, 2 2 , N )， 显然，去除直流成分后， Z (2n) 序列便是需要的解调输出。 由于基带信号的截止频率远比载波频率低，只要取 f s = 4 f 0 ，则可有效提高信噪比，正确恢复基带信号。该算 法用于 AM、MASK 等幅度调制信号的解调。 1.2 相位调制信号的解调 相位调制信号解调的关键是确定其相位变化，利用图 1 中两个延时滤波器输出的两路正交信号，按（4）式进行运 算就可得到调相信号的瞬时相位。 ? X (2n) ? ? (2n) = arctg ? Q ?。 ? X I (2n) ? 40 （4） （下转第 56 页） 语音信号是有色的，即具有强相关性。算法的基本过程为： （1）对传输信号和回声信号先进行带通滤波，然后分 别对滤波后的信号进行向下抽样。在合理选择带通滤波器和 向下抽样系数M的情况下原传输信号和回声将被变成具有白 噪声特性的宽带信号，其强相关性被去掉。 （2）计算被白化后的传输信号和回声的归一化互相关 函数 (n, k ) ，当 (n, k ) 取最大值时， k 值和抽样系数 M 可 将延迟确定在一个较小的范围内。该范围为 kM ? M /2到 （2）在此基础上采用2.1节部分所述的NLMS算法进行 回声抵消。由于自适应滤波器不必在平坦延迟部分进行回 声抵消，使得NLMS算法中自适应滤波器长度大大减小了， 从而加快算法收敛速度并降低了运算量。优化了回声抵消 器性能。 （3）最后，加入非线性处理（NLP）部分，以消除残留 回声。 kM + M /2之间。 （3）当 kM ? M /2 k kM + M /2时，计算传输信号 和回声信号的归一化互相关函数 1 (n, k ) ，找出使 1 (n, k ) 取 最大时的 k 值，该值便是估计出的网络延迟。 事实上， 在IP电话网络中， 回声路径的冲激响应在主要 峰值出现之前，通常会有一些数值较小的冲激响应抽头。如 果自适应滤波器没有覆盖到它们的话，回声抵消性能将会下 降。因此，可以只将上述延迟估计方法的前两步应用到回声 抵消中，确定网络延迟的大致范围，在该范围附近合理地选 择一个较小的值作为网络延迟，从而实现对回声抵消算法的 优化。 综上所述，优化的回声抵消过程为： （1） 如图3所示，在网络中加入一个延迟探测器 （Delay Detection）, 该探测器采用上述延迟估计算法中的前两个 步骤。计算出延迟大约位于 T = kM 附近。为了确保 h(n) 能 完全覆盖回声路径冲激响应，取一个相对较小的值作为平坦 延迟。例如，取值延迟为 T = kM ? M 。 x(n) S(n) y(n) d(n) Delay Detection 4 结语 文中首先着重论述了IP电话网络的长延迟特性以及基 本的回声抵消算法。由分析得到IP网络中存在着很大平坦延 迟部分，在此基础上，又论述了目前先进的适合话音信号的 延迟估计方法。最后，基于延迟估计对回声抵消算法进行了 优化。 参考文献 1 Jivesh Govil.Scheme for Improved Residual Echo Cancellation in Packetized Audio TransmissionA. In:Scheets G,Singh R,Parperis M.edc. Analyzing end-to-end delivery delay in pure VoIP networksC. The 2002 45th Midwest Symposium on Circuits and Systems，USA，2002；USA:IEEE,2002, 2(02): 517-520. 2 Daniel Collins.VoIP技术与应用M.北京:人民邮电出版社,2003: 3-5. 3 Radecki J, Zilic Z, Radecka K. Echo. Cancellation in IP NetworksJ. Circuits and Systems,2002, 2(02):219-222. 4 Slock D T M.On the Convergence Behavior of the LMS and the NLP T Normalized LMS AlgorithmJ. IEEE Trans.on Signal Processing, Sep.1993,41(09):2811-2825. d (n) Delay By T x(n-T) 5 Youhong Lu，Fowler R，Tian W, et al. Enhancing Echo Cancellation via Estimation of DelayJ.Signal Processing,2005,53(11): 4159-4168. h(n) 图3 （上接第40页） 基于延迟估计的回声抵消原理 Analog-to-Digital Converter in Software Radio ArchitecturesJ. Vehicular 1964-1970. 3 Ulrich Rohde, Jerry Whitaker. Communications Receivers-DSP Software Radio and DesignM. Third Edition, New York: Mc Graw Hill Professional,2001:463-465.