基于软件无线电的数字化接收机的研究

吴 丹, 顾学迈, 吴芝路
(哈尔滨工业大学 通信研究所, 黑龙江 哈尔滨 150001)
 
　　摘　要：给出了四种基于软件无线电的数字化接收机方案:单通道窄带数字化接收机、单通道宽带数字化接收机、多通道宽带并行数字化接收机和基于多相滤波的多通道宽带信道化数字化接收机。分析了四种方案的原理、结构和实现方法,给出了MATLAB仿真和实验结果。与传统接收机方案相比,这些方案具有结构简单、功能强大和易于升级的优势。
　　关键词：软件无线电 数字化接收机 欠采样 正交解调 信道化接收机

　　软件无线电[1～3](Software Defined Radio)技术是近年来提出的一种实现无线通信的新的体系结构,它是针对现在无线通信领域存在的一些问题υ硕摹H砑尴叩绲幕舅枷胧且砸桓鐾ㄓ谩⒈曜肌⒛?榛挠布教ㄎ劳?通过软件编程实现无线电台的各种功能。本文基于软件无线电的理论和关键技术,对四种可行的数字化接收机结构进行分析,用软件模块代替传统接收机中的硬件结构,在很大程度上克服了传统接收机硬件结构复杂、不通用及系统不稳定的局限性。最后,进行MATLAB仿真和实验,并给出结果。
1 软件无线电数字化接收机方案
　　目前软件无线电数字化接收机的方案大致可分为以下四种:单通道窄带数字化接收机、单通道宽带数字化接收机、多通道宽带并行数字化接收机和基于多相滤波的多通道宽带信道化数字化接收机。
1.1 单通道窄带数字化接收机
　　单通道窄带数字化接收机方案的原理见图1(a)。天线接收到的信号经过滤波放大选取所要的通道,如果信号的频率很高还可以加上一级或者多级混频来降频(以下小节中的接收机类似),然后通过A/D采集将模拟信号转化为数字信号。如果按照奈奎斯特采样原理,用大于最高频率2倍的频率采样以达到不混叠的目的,对于高中频信号来说是不实用的。信号载频虽然很高,其携带的信号所占的带宽却很窄,欠采样理论就是利用了这一特性[4],见公式(1)。
　　fs=4f0/(2m+1)　 　 　 　 　 　 (1)
　　其中f0是信号的载波,fs为采样频率,B为信号的带宽,m=1,2,3…,且m满足fs≥2B。欠采样方式以大于两倍信号带宽的速率对带通信号进行采样,与传统的采样方式相比降低了采样后的数据量及后续电路设计的复杂度。例如对于载波频率为10.7MHz的信号,可取m=15,则采样频率fs=1.38MHz。
　　图1(a)的虚框部分是软件处理部分(其他框图同),信号的解调采用基于欠采样的正交解调原理完成。经过奇偶抽取,两路输出信号在时域上相差半个采样点,在频域相当于相差一个延迟因子ejw/2。这种在时间上的“对不齐”需要用数字滤波器进行相位校正。两个滤波器的频率响应满足公式(2)。

 
　　
　　两路信号经过滤波校正后进行解调计算[4],得到基带信号。
1.2 单通道宽带数字化接收机
　　单通道窄带数字化接收机通过可调的滤波器每次接收一个频道信号,而单通道宽带数字化接收机要把选定范围内的信号全部接收采集进来,然后通过软件选择频率处理,这种接收机的原理见图1(b)。
　　由于接收的信号是宽带的,所以不能用欠采样的方法进行数据采集。信号的采样率按照奈奎斯特原理进行计算,如需要载波频率为f1的信号,便使宽带信号通过频率为f1的正交本振对信号进行正交分解,然后经过低通滤波,降速抽取,最后利用解调算法获得基带信号。
1.3 多通道宽带并行数字化接收机
　　上述两种数字化接收机方案只能同时接收一个信号,不具备多信号处理的能力,所以称为单通道接收机。若同时对多个通道上的信号进行处理,可以将图1(b)中A/D采样后的信号分为多个并行通道,分别进行数字下变频、滤波和软件解调,原理见图1(c)。这种方法思路简单,但系统比较复杂。
1.4 基于多相滤波的多通道宽带信道化数字化接收机
　　多通道并行宽带中波数字化接收机的数字本振是固定的,这在非合作性(或被动性)的条件下,无法对整个频段的信号进行监听。软件无线电的信道化理论可以完成对整个选定频段范围信号的全概率获得,可应用于追踪、查找非法电台、干扰电台及不法信号发射装置的中波广播信号,净化电磁空间,维护通讯安全,其原理见图1(d)(接收信号为实信号的情况)。
　　信道化数字化接收机是将接收信号通过一组滤波器(称为信道化滤波器)均匀分成D个子频带输出,再将各个子频带的信号搬移到基带,进行降速抽取,最后解调处理。将以上信号处理过程进行数学优化[5],可以大大减少计算量,得到如图1(d)的形式。

(a) 单通道窄带数字化接收机原理框图

(b) 单通道宽带数字化接收机原理框图

(c) 多通道宽带并行数字化接收机原理框图

(d) 实信号多通道宽带信道化数字化接收机原理框图
图1 四种基于软件无线电数字化接收机方案原理

2 仿真及实验结果
　　根据现有条件对1.4节和1.1节的接收机分别进行仿真和实验。
2.1基于多相滤波的多通道宽带信道化数字化接收机的MATLAB仿真
　　基于多相滤波结构的信道化处理结构中,其中D通常取2的幂次方,这样DFT可以用快速傅立叶变换FFT来计算,以提高计算率。取采样率fs=6MHz,其无混叠带宽为3MHz,把3MHz带宽D=32路信道化输出,则32路信道中每一个通道所占的信道宽度为3MHz/32=93.75kHz。通过基于多相滤波结构的信道化处理,可以获得整个3MHz带宽内全部信号情况。为便于说明,假设整个信道有6个调幅信号,其分布及信号的参数见表1。
　　仿真是在信噪比为10dB的条件下进行的,图2给出了仿真信号的时域、频域波形和相应通道的基带信号波形。由仿真图的结果可以看出,信号经过基于多相滤波结构信道化的接收机处理后,能够正确获得每个信道上的基带信号,从而可以实现整个中波带宽内信号的全概率接收。
表1 6个通道的信号参数

(a) 3MHz 带宽内的信号波形

(b) 3MHz带宽内的信号频谱情况

(c) 通道3的信号基带波形

(d) 通道7的信号基带波形

(e) 通道10的信号基带波形

(f) 通道15的信号基带波形

(g) 通道19的信号基带波形

(h) 通道22的信号基带波形
图2 基于多相滤波的多通道宽带信道化数字化
接收机的MATLAB仿真图

2.2 单通道窄带数字化接收机实验
　　以简单的中波信号为接收对象,用这种接收机模型对信号进行解调并且实时收听。信号的数字化处理和实时播放是在PC机上完成的。对于中波信号无需混频,可以用天线直接进行射频接收,然后滤波放大。数据的采集借助ADLink公司的PCI-9812连续采样模拟输入采集卡完成,采集后的信号进入PC机中,用VC进行处理以实现正交解调、界面功能和波形显示,由声卡完成播放。程序流程见图3。图4为信号的波形显示图。

图3 程序流程图

(a) 接收信号波形

(b) 解调后的波形
图4 波形显示图

　　该接收机除了可以接收调幅信号,还可以通过增加软件模块来增加新的功能,达到接收多种调制信号的功能,从而大大节省了资源。普通中波收音机的音质,除了受外部噪声影响外,还受自身元件无法克服的内部噪声的影响。本方案借助于软件,节省了很多硬件,也就大量消除了由硬件自身对信号产生的影响,因此接收效果有很大的提高。
　　本文介绍了四种基于软件无线电的数字化接收机方案,从仿真和实验结果可以看出,这些方案不仅节省了大量的硬件结构,还扩展了接收机的功能,适应了当今无线电的发展方向,随着硬件技术的快速发展,这些方案会在军用和民用上得到广泛发展。
参考文献
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5 D. Domani, U. Gtti, P. Malcovati,F. Maloberti. A multipath polyphase digital-to-analog
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  Sympo-sium on Circuits and Systems. ISCAS 2000 Geneva. 2000:361～364