基于软件无线电的通用数字解调方案研究

摘要：介绍一种基于软件无线电通用数字解调方法，它属于非相干解调。该方法是对FSK过零检测法的进一步扩展，能够对多种二进制数字信号进行解调。通过对信号幅度的灵活分步处理，将不同的码元对应为少数的几个数字，实现对数字信号的解调。该算法完全从时域着手，方法简单，运算量小。对FSK，ASK，PSK可以实现精确解调，对MSK信号的解调会出现一定误码率。
关键词：同幅度值信息提取；通用数字解调；非相干；软件无线电

0 引言
    软件无线电的一个重要思想就是在通用的平台上用软件分离和解调各种制式的信号。因此一种高效、通用、简单的解调方式是实现软件无线电的重要方面。
    本文从信号的时域着手，对信号的等幅值进行分析，利用信号等幅值信息提取信号特征以达到解调现有的各种正弦波二进制数字信号的目的。正弦波调制信号在单个码元内是稳定的，在码元交替时刻存在过渡带，利用信号等幅值特性可以有效的消除过渡带的影响，从而正确、高效的解调出信号码元。解调过程方法简单，容易实现，相比其他解调方式计算量小，可以达到实时的目的。

1 方法概述
1．1 同幅度值信息提取法
    在软件无线电方案中，将采取完全数字化的方式进行解调。由FSK信号的过零检测法推广出一种利用同幅度值信号来解调多种调制信号的通用解调方法。首先利用ADC对接收到的调制信号进行采样，然后根据调制方式对采样到的数据进行相应的同幅度值信息提取，从而得到一个新的序列，然后将序列中的数字前后相减得到相临的同幅度之间的序号差值，通过分析该序列中的数值大小变化情况就可以实现数字解调。
    定义一个变量——等幅值线：过正弦波同一幅值A1的直线为正弦波的等幅值线L。如图1所示。直线L为正弦波在幅值A1处的等幅值线。
    以MSK的信号幅度值提取法解调为例来说明问题。这里使用MSK信号幅值为An处的等幅值线。

    设MSK信号为：
   
    式中：A是信号的振幅；fc为信号载频；S为波特率，单位：b／s；φn为信号码元过对应的相位。对上面的MSK信号进行带通抽样，频率为fs，fs≥2B，B为MSK信号的带宽，抽样得到采样序列：
   
    对带通信号序列s(n)进行k(后根据下变频的倍数确定)倍抽取得到序列s1(m)，以得到比较满意的下变频结果：

    数组jilu(n)记录了数值为"1"的值在数组s2(m)中对应的数组序号。如果s2(m)=1，则jilu(n)=m，设数组jilu(n)的长度为H，其中m=1，2，…，N／k，H≤N／k。序列chazhi(n)保存数组jilu(n)中前后两个数的差值：
    chazhi(k)=jilu(n)-jilu(n-1)，k=1，2，…，H-1
    去掉数组chazhi(n)中小于2的数字并保存其他数字在数组chazhi1(n)中。H1为数组chazhi1(n)的长度。如果chazhi(k)>2，k=1，2，…，H-1，那么chazhi1(n)=chazhi(k)。
    设码元的数目为Q，chazhi1(n)序列的长度为N1，此时有N!>Q。经过大量的实验测试，根据数据分析可得，一般情况下对于MSK信号N1不会超过Q的10倍。这样通过较少的数据就可以解调出码元。解调的原则为不同频率的正弦波在相同的采样点内零点数目不同，通过不同数目的比较就可以正确解调出码元。
    图2是MSK信号利用等幅值信息解调的框图，A1，A2，…，A21为波形中零点所对应的序列值，Am-An为相临两个An点的差值(这里An=0)，也就是两个零点的距离，其中m=n+1，Am-An实际上记录了正弦波的频率信息和信号的波特率。相同码元内Am-An是相同的，不同的码元之间Am-An是不同的，码元过渡带处的Am-An不同于码元稳定时刻Am-An，可以将其剔除或是归到码元稳定部分。通过实验测试这样做不影响数据的解调。将解调出的一系列Am-An相同的作为一组，得到以下序列B1B2B3b4B5…Bn，Bi为第i组数据的零点距离Am-An的个数。
    

    设Bo≥Bp则Bo对应于一个码元1，Bp对应于一个码元0。于是有奇数位Bn对应的码元为1，个数为Bn／Bo，这样就可以正确的解调出码元。

1．2 同幅度值信号提取方法的推广
    同幅度值信号提取方法不仅可以应用在MSK，ASK和FSK信号的解调当中，还可以进一步推广到PSK信号的解调中。这样MSK，ASK，FSK，PSK这4类的调制信号可以统一使用同幅度值信号提取法进行解调，对于不同的调制方式，区别是对最后得到的零值序列处理的方式不同。
同幅度值信号提取法的另一个优点为，不仅可以通过记录零点处序列的序号来解调数据，而且可以取不同幅值处的等幅值线。该处理方式增加了处理中的灵活性。
    例如对于PSK信号的解调当中可以取小于零的等幅值线。利用等幅度值信息提取法解调，可以得到三种类型的序号差值，在码元交替的地方，差值出现最大和最小两种情况，码元稳定部分序号差值介于码元交替时出现的信号差值。分析差值的变化情况解调出码元。码元的个数确定同上一致。如图3所示。

    图3中，△1和△2记录了码元交替的信息，而△3和△4则记录了在码元稳定区域的信息，通过对△1和△2之间个数的判定来得到码元的个数解调出的码元为11100101。


2 实际应用
    所有的正弦波调制方式中MSK是最难解调的，本文在基于软件无线电的电力通信系统监测项目中成功地使用了该方法实现了对MSK信号的
解调。图4是对MSK信号的整个处理流程。测试当中发送的数字为123…91122…99。

    实验阶段电台发送信号波特率为2 400，码元采用差分曼彻斯特编码。下变频好的信号波形如图5所示。这里取幅度值An=0处的等幅值线。
    利用同幅度值信号提取法得到的同幅度间隔值见表1。

    区间[≤18]内的数表示码元"1"，区间[≥19]之间的数字表示码元"0"。其中1或2或3个数字m，m∈[≤18]代表一个码元"1"，1或2或3个m，m∈[≥19]代表一个码元"0"(其中当连续的三个m都大于20的时候代表两个1)，m是表1中的数值。
    按照此标准得到的码元101100101O11010101001101010010101011。按照差分曼彻斯特编码解码得到的是011001000110010001，对应的十六进制数字是2，2。
    截取其中的一段数据来说明结果。解调出的码元和数据如表2所示，与所发送的码元完全一致。

3 结语
    本研究采用了无反馈的解调结构，该方法计算量小，可以满足部分实时工作的需要。同时，利用该方法可以完成多种数字调制信号的解调，具有通用解调的特点，很适合在软件无线电方案中运用。该方法也存在着局限：必须在载噪比较大的信道中才保持良好的解调效果；对于多进制信号的解调识别率有待提高。