短波數(shù)字接收機(jī)的算法研究和DSP實(shí)現(xiàn)

發(fā)布日期:2006-03-02　作者:李雙田　李昌立　陳丹平　袁津潤(rùn) 來源:電子學(xué)報(bào)

　【提要】　接收機(jī)數(shù)字化是當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn).高效的DSP算法是高性能低代價(jià)短波數(shù)字接收機(jī)的關(guān)鍵.本文介紹短波數(shù)字接收機(jī)組成原理、短波數(shù)字接收機(jī)的算法研究和DSP實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果.
　　關(guān)鍵詞:短波通信、短波數(shù)字接收機(jī)

一、引　　言
　　由于短波通信具有通信距離遠(yuǎn)和信道不易摧毀等優(yōu)點(diǎn)，它歷來是政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門必要的通信手段.基于超外差理論的短波模擬接收機(jī)至今已有80多年的歷史，其技術(shù)已相當(dāng)成熟.歸納起來性能可達(dá)到如下水平：接收頻段從5kHz到30MHz，調(diào)諧精度通�？蛇_(dá)10Hz；音頻處理帶寬從 300Hz到16kHz，可有5種選擇或略多一些；解調(diào)方式有調(diào)幅(AM)、等幅報(bào)(CW)、調(diào)頻(FM)、單邊帶(SSB)和獨(dú)立邊帶(ISB)等幾種.眾所周知，超外差接收機(jī)是將接收到的射頻信號(hào)變換到頻率為455kHz的中頻(IF)信號(hào)，之后的放大、濾波和解調(diào)等都在該IF段利用模擬電路來完成.在這類模擬接收機(jī)中一直存在的問題是模擬濾波器的種類不可能太多，一部接收機(jī)由于體積所限，至多裝入5～6個(gè)濾波器，其抗干擾分辨性能是相當(dāng)有限的；解調(diào)方式僅限于幾種，缺乏靈活應(yīng)變性；對(duì)工作頻帶內(nèi)的窄帶干擾無能為力，接收微弱信號(hào)的能力低，否則模擬電路將變得十分復(fù)雜.
　　在信息爆炸的現(xiàn)代社會(huì)里，短波通信越來越廣泛地在政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門得到應(yīng)用，這就使短波波段的電臺(tái)變得越來越擁擠，相互間的干擾也越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的模擬接收機(jī)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代短波通信的需求，所以，必須研制新一代的短波接收機(jī)，即短波數(shù)字化接收機(jī).
　　隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)運(yùn)算速度的日益提高，高精度大動(dòng)態(tài)范圍模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)的出現(xiàn)和廣泛使用，采用數(shù)字運(yùn)算方式來處理IF信號(hào)已經(jīng)提到了日程［1～5］. 近幾年來，美國(guó)和德國(guó)一些比較著名的接收機(jī)廠商已經(jīng)推出了他們的數(shù)字化接收機(jī)產(chǎn)品，例如美國(guó)WJ-8711、8712、8712P、9103短波數(shù)字化接收機(jī)等.這些接收機(jī)的共同特點(diǎn)是，在接收機(jī)進(jìn)入數(shù)字化處理之前，接收機(jī)前端包括變頻、濾波以及高中頻放大，采用數(shù)級(jí)模擬電路，后續(xù)電路包括變頻，中頻放大，中頻濾波和解調(diào)等采用高速數(shù)字信號(hào)處理器代替原來的許多模擬模塊，接收機(jī)中的所有控制電路，如調(diào)諧、增益控制、帶寬、靜噪、解調(diào)方式選擇、AGC時(shí)間常數(shù)選擇等均實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制.采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以后，數(shù)字濾波器(FIR，IIR)、精密正弦波發(fā)生器、多種解調(diào)算法都可以方便靈活運(yùn)用.接收機(jī)廠家可以通過DSP軟件的升級(jí)和版本的更新，方便地提高設(shè)備的性能和增加設(shè)備的功能.
　　高性能和多功能是短波偵聽接收機(jī)的特殊要求.有效而低代價(jià)地完成數(shù)字接收的算法是新一代無線接收機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).目前存在的短波無線信號(hào)，除AM、 CW、SSB和ISB外，還有同步調(diào)幅(SAM)、(FM)、頻移鍵控(FSK)、音頻頻移鍵控(AFSK)等幾種.

二、短波數(shù)字接收機(jī)組成原理
　　我們研制的無線數(shù)字接收機(jī)由模擬前端、A/D、DSP處理單元、D/A、控制單元和后處理單元六部分組成，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示.

圖1　HF數(shù)字接收機(jī)原理框圖

　　模擬前端(見圖2)把從天線接收到的RF信號(hào)和可調(diào)諧的一本振(1ST.LO)進(jìn)行第一次混頻，轉(zhuǎn)換為41.44MHz的高頻信號(hào)，其帶寬為 20kHz，調(diào)諧步進(jìn)為1kHz,然后再和一固定頻率為40MHz的二本振(2ND.LO)進(jìn)行第二次混頻，獲得中心頻率為1.44MHz，帶寬為 16kHz的信號(hào).但對(duì)于數(shù)字處理，仍嫌頻率太高，所以，將該信號(hào)和一固定頻率為1.415MHz的三本振(3RD.LO)進(jìn)行第三次混頻，獲得中心頻率為25kHz，帶寬為12kHz的信號(hào)，稱為IF信號(hào).此IF信號(hào)通過字長(zhǎng)為16位的A/D，以100kHz的采樣率(Fs)進(jìn)行模數(shù)變換，得到IF數(shù)字信號(hào)，送入DSP處理單元.

圖2　模擬前端組成框圖

　　在DSP處理單元(見圖3)，“命令處理單元”接收和處理來自“數(shù)字接收機(jī)控制單元”的控制命令，進(jìn)行工作種類、IF濾波器帶寬、SSB帶寬、ISB帶寬、陷波器中心頻率與帶寬、拍頻調(diào)諧、AGC時(shí)間常數(shù)、靜噪點(diǎn)平、脈沖抑制、監(jiān)聽等功能的選擇；“解調(diào)單元”用數(shù)字運(yùn)算方法處理IF信號(hào)，實(shí)現(xiàn)靈活的解調(diào)功能，包括：AM、SAM、FM、FSK、AFSK、CW、SSB(上邊帶USB、下邊帶LSB)、ISB等.這樣，可以獲得模擬電路不可能得到的很多優(yōu)點(diǎn).例如，精密正弦波發(fā)生器可使調(diào)諧精度達(dá)1Hz；多種帶寬的IF數(shù)字濾波器可以通過控制單元進(jìn)行選擇，只需增加一些存儲(chǔ)空間；工作頻帶內(nèi)的窄帶干擾可以通過中心頻率和帶寬可調(diào)的數(shù)字陷波器來抑制；多種解調(diào)方式可以通過調(diào)用不同的數(shù)字解調(diào)算法，用同一處理器來完成，從而增強(qiáng)了接收機(jī)的靈活應(yīng)變性.不改變硬件就可以改變接收機(jī)的功能，使之適合于各種解調(diào)，包括模擬方法不易提供的解調(diào)功能.此外，DSP處理單元還完成AGC、靜噪、突發(fā)脈沖抑制和25kHz IF信號(hào)的再生等功能.DSP處理單元輸出的數(shù)字單頻信號(hào)和再生的25kHz IF數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A變換后送到后處理單元，在FSK和AFSK工作方式下，數(shù)字信號(hào)直接饋給后處理單元.

圖3　DSP處理單元功能框圖

　　后處理單元完成音頻信號(hào)的模擬濾波和放大輸出，數(shù)字信號(hào)的輸出，以及將DSP再生的25kHz IF信號(hào)與來自模擬前端的430kHz信號(hào)的混頻，進(jìn)而輸出455kHz的IF信號(hào).

三、短波數(shù)字接收機(jī)的DSP算法研究
　　由于受到DSP運(yùn)算速度的限制，數(shù)字接收機(jī)不能簡(jiǎn)單套用傳統(tǒng)模擬接收機(jī)中使用的解調(diào)算法，必須開發(fā)DSP能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行的計(jì)算有效的算法，因此，有效的 DSP算法是高性能低代價(jià)短波數(shù)字接收機(jī)的關(guān)鍵.我們已研究并實(shí)現(xiàn)了前述多種解調(diào)方式，下面以AM、SSB、FM、CW和AGC為例說明基于DSP的數(shù)字解調(diào)算法原理.
　　1.標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)的數(shù)字解調(diào)算法
　　標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)(AM)可以使用SSB解調(diào)方法來解調(diào)，但是在本地載頻不夠準(zhǔn)確的情況下，存在的較大的載頻分量會(huì)導(dǎo)致令人生厭的差頻聲.所以用SSB方法解調(diào)AM信號(hào)不是一種可取的方法.
　　一種較實(shí)際的方法是使用包絡(luò)檢波法.在這種情況下，本地載波的頻率與相位無須十分準(zhǔn)確，現(xiàn)分析如下.

圖4　AM解調(diào)算法原理框圖

　　AM信號(hào)的數(shù)字解調(diào)算法原理框圖如圖4所示.如設(shè)載波信號(hào)為uccos(ωct+φ)，調(diào)制信號(hào)為m0+mΩ(t)，則收到的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅信號(hào)為：

如設(shè):

則輸入的調(diào)制信號(hào)可分解為載波的同相分量和正交分量,即為　.完成AM的數(shù)字解調(diào),只需將輸入信號(hào)與本地載頻　和　分別相乘,將收到的帶通信號(hào)搬移到零中頻,當(dāng)調(diào)諧準(zhǔn)確,使　,很顯然,只會(huì)有同相分量和正交分量:

然后再進(jìn)行低通FIR抗混迭[6-7]濾波和4:1抽取,濾除高頻分量并使采樣率從100kHz降低到25kHz,通過低通LPF2進(jìn)行信道濾波,可得到:

求出包絡(luò):

完成了解調(diào)過程.k為可調(diào)整的常數(shù),和系統(tǒng)的初始化及設(shè)定值有關(guān).

　　上述解調(diào)算法可以通過軟件編程,由DSP精確地實(shí)現(xiàn).而在模擬接收機(jī)中它只能由模擬器件近似實(shí)現(xiàn)[8].

　　2.單邊帶信號(hào)的數(shù)字解調(diào)算法
　　由于DSP硬件速度所限，單邊帶信號(hào)的數(shù)字解調(diào)不能簡(jiǎn)單套用單邊帶模擬接收機(jī)中采用的傳統(tǒng)的邊帶濾波器和乘法器組成的相干解調(diào)器.我們通過靈活運(yùn)用多速率信號(hào)處理理論、調(diào)制理論和數(shù)字濾波理論，提出一種新的、有效的SSB數(shù)字解調(diào)算法(以下邊帶LSB為例).
　　原理框圖如圖5(a)所示，對(duì)應(yīng)的頻譜變換過程如圖5(b)所示.如設(shè)載波信號(hào)為

調(diào)制單音信號(hào)為　　

則收到的LSB信號(hào)為　　

圖5　(a)　SSB解調(diào)算法A的原理框圖

圖5　(b)　SSB解調(diào)算法A的頻譜

先進(jìn)行一次以25kHz為中心率的帶通濾波，濾除25±8.6kHz以外的干擾(這個(gè)干擾在后續(xù)濾波處理中是無法消除的)，注意到此時(shí)這個(gè)帶通濾波器的中心頻率為采樣率的1/4，所以濾波器的系數(shù)有一半為零，適當(dāng)?shù)木幊炭晒?jié)省一半的運(yùn)算量.然后進(jìn)行下變頻處理，將濾波后的信號(hào)變換到以6.25kHz為中心頻率的信號(hào).

經(jīng)FIR低通濾波(這個(gè)濾波器在100kHz采樣率下設(shè)計(jì)，由于后面要進(jìn)行4：1抽取，所以實(shí)際的濾波運(yùn)算可在25kHz采樣率下進(jìn)行)，濾除上式的第二項(xiàng)，再進(jìn)行4：1抽取，使采樣率變到25kHz，得

這個(gè)信號(hào)是在頻率6.25kHz左邊的一個(gè)頻譜已經(jīng)倒置的下邊帶信號(hào).然后,根據(jù)控制單元發(fā)來的帶寬指令,在25kHz采樣率下,對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)帶寬的信道濾波(BPF).得到

為了消除頻譜倒置,將I3(t)調(diào)制到6.25kHz,形成一雙邊帶信號(hào)

再經(jīng)過低通濾波器，濾除無用頻率成分就得到了所求的解調(diào)信號(hào)

　　3.調(diào)頻信號(hào)的數(shù)字解調(diào)算法
　　FM信號(hào)的解調(diào)方法很多.用軟件編程方法實(shí)現(xiàn)限幅放大、微分、半波整流、單穩(wěn)和低通濾波等功能是非常容易的，所以基于這些功能的“脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器”［8］便于DSP實(shí)現(xiàn)FM解調(diào).實(shí)驗(yàn)表明，該算法對(duì)移頻信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào)都具有很好的效果.
　　4.等幅報(bào)信號(hào)的數(shù)字解調(diào)算法
　　算法原理框圖如圖6所示.DSP接收的CW IF信號(hào)可表示為：

圖6　CW數(shù)字解調(diào)器

式中，A表示輸入載波的幅度.載波的有無攜帶了CW的信息.圖6中的帶通濾波器完成信道濾波的功能，以提高CW的選擇性，其帶寬從56Hz到16kHz分66檔連續(xù)可調(diào).該濾波器的輸出與一由精密正弦波發(fā)生器產(chǎn)生的拍頻可調(diào)的本地載波cos(ωC-ωBFO)t相乘，實(shí)現(xiàn)要求的拍頻功能，其乘積表示為

低通濾波以后,輸出的基帶信號(hào)便是所求的CW解調(diào)信號(hào):

　　5.自動(dòng)增益控制算法原理
　　AGC是數(shù)字化接收機(jī)的一個(gè)復(fù)雜的問題.采用一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，由DSP單元產(chǎn)生的數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)一個(gè)D/A變換器和相應(yīng)的模擬電路，產(chǎn)生模擬控制電壓，控制模擬前端的模擬非線性衰減器，來使A/D變換器的輸入電平保持在某一常數(shù)附近.這種AGC要求具有充電快、放電慢的特點(diǎn)，以便在信號(hào)出現(xiàn)的瞬間立刻產(chǎn)生AGC控制電壓，而在信號(hào)短時(shí)間消失時(shí)這個(gè)控制電壓緩慢地改變.
　　我們提出的AGC控制電壓發(fā)生器的原理如圖7所示.用來提供快充慢放的DSP算法主要由一個(gè)雙斜率數(shù)字濾波器(由一個(gè)快充快放包絡(luò)檢波器和一個(gè)慢充慢放包絡(luò)檢波器組成)、一個(gè)比較器和數(shù)字發(fā)生器組成.雙斜率數(shù)字濾波器快充慢放地對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行檢波處理，得到信號(hào)包絡(luò)的平均值.其特點(diǎn)是對(duì)一致性衰落和選擇性衰落，都能有效地進(jìn)行增益控制，適應(yīng)性廣.

圖7　AGC控制電壓發(fā)生器的原理框圖

　　AGC的充放電時(shí)間常數(shù)分別由參數(shù)Mf和Ms決定.只有當(dāng)輸入電平超出參考電平±0.1dB時(shí)，控制電壓才進(jìn)行調(diào)整，以便使AGC忽略相對(duì)小的輸入電平變化.只要ymax(n)保持在參考電平±0.1dB內(nèi)，AGC就不改變控制電壓.即當(dāng)

其中,vref為參考電壓,　據(jù)下式求出:

由此得到的ymax(n)具有充電快、放電慢的特點(diǎn).其中,yf(n)和ys(n)可表示為:

　　yf(n)可完成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行快充快放檢波處理的功能.它除與ys(n)相結(jié)合完成快充慢放檢波處理的功能外,還可用來抑制突發(fā)脈沖干擾.ys(n)可完成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行慢充慢放檢波處理的功能.
　　這種基于DSP的AGC控制算法具有許多優(yōu)點(diǎn),包括:
　　.與二極管檢波器相比,有極為準(zhǔn)確的信號(hào)電平測(cè)量和靜噪電平設(shè)置
　　.可以以1dB的步長(zhǎng)進(jìn)行精確的增益變化
　　.AGC誤差小(輸入信號(hào)在100dB范圍內(nèi)變化的,輸出變化可小到0.1dB,而在許多模擬接收機(jī)中,輸出變化高達(dá)3-6dB)
　　.具有用DSP改變AGC充電和放電時(shí)間常數(shù)的能力

四、DSP實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　我們?cè)O(shè)計(jì)了一塊具有模擬輸入輸出信號(hào)接口且性能穩(wěn)定的高速DSP插卡.該卡用TI公司的TMS320C31(60MHz)作為處理器，配置了128K× 32高速RAM(15ns)，2×512K×8的EPROM.TMS320C31是浮點(diǎn)信號(hào)處理器，也可做定點(diǎn)運(yùn)算(32位)，片內(nèi)具有2K×32位雙尋址高速內(nèi)存，運(yùn)算能力可達(dá)30MIPS，60FLOPS.卡上所用的A/D為DSP102，轉(zhuǎn)換速度為每秒200K個(gè)數(shù)據(jù)，字長(zhǎng)為16位，D/A為 DSP202，兩者通過TMS320C31直通時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍可以超過90dB.
　　從圖1可知，作為數(shù)字接收機(jī)的一個(gè)部件，DSP卡和接收機(jī)其它部分有多個(gè)接口相連，程序的啟動(dòng)、運(yùn)行、更換參量都和其它部分有關(guān).因此，只有在實(shí)時(shí)工作時(shí)才能評(píng)估和檢測(cè)程序的運(yùn)行效果.為此，此卡具有和接收機(jī)其它部分連接所需的模擬電路，以及調(diào)試和在線仿真的有關(guān)接口.實(shí)時(shí)仿真接口可與PC- 486/586連接，實(shí)時(shí)調(diào)試可以在PC機(jī)上進(jìn)行.一旦軟件達(dá)到滿意效果，即可脫機(jī)，固化在EPROM內(nèi).
　　我們已研制了兩臺(tái)無線數(shù)字接收機(jī)的樣機(jī).用RF信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，連接到接收機(jī)的天線輸入端，在接收機(jī)的輸出端連接100kHz頻譜分析儀和示波器，對(duì)接收機(jī)的解調(diào)特性、濾波器的通阻帶特性、AGC的時(shí)間特性、靈敏度、失真度、中頻帶寬、噪聲系數(shù)、音頻輸出功率和三階互調(diào)等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試.對(duì)多種 RF信號(hào)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，該接收機(jī)對(duì)AM、SAM、FM、FSK、AFSK、CW、SSB(下邊帶LSB和上邊帶USB)和ISB信號(hào)均能正確解調(diào)，基本滿足性能指標(biāo)要求.
　　接收實(shí)際RF信號(hào)的大量實(shí)驗(yàn)表明，我們研制的無線數(shù)字接收機(jī)的性能與美國(guó)WJ公司的WJ-8711相當(dāng).嚴(yán)格的性能測(cè)試和整機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)仍在進(jìn)行中.

作者簡(jiǎn)介:李雙田　中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員，語(yǔ)言與通信研究室主任，1992年4月獲北京郵電學(xué)院工學(xué)碩士學(xué)位，1997年8月獲中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所理學(xué)博士學(xué)位.近年來主要從事數(shù)字信號(hào)處理的理論與算法、無線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)字接收等方面的研究工作
　　李昌立　中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)理事，中國(guó)電子學(xué)會(huì)信號(hào)處理分會(huì)理事，中國(guó)通信學(xué)會(huì)信號(hào)與信息處理專業(yè)委員會(huì)副主任.1962 年畢業(yè)于北京郵電學(xué)院無線系.近年來主要從事語(yǔ)音信號(hào)處理、多媒體通信終端以及DSP開發(fā)和應(yīng)用方面的研究工作.曾獲全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)、國(guó)家發(fā)明創(chuàng)造二等獎(jiǎng)、中科院科研成果一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì).

作者單位:中科院聲學(xué)所十室，北京 100080

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