短波數(shù)字接收機的算法研究和DSP實現(xiàn)

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

　【提要】　接收機數(shù)字化是當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的一個熱點.高效的DSP算法是高性能低代價短波數(shù)字接收機的關(guān)鍵.本文介紹短波數(shù)字接收機組成原理、短波數(shù)字接收機的算法研究和DSP實現(xiàn)及實驗結(jié)果.
　　關(guān)鍵詞:短波通信、短波數(shù)字接收機

一、引　　言
　　由于短波通信具有通信距離遠和信道不易摧毀等優(yōu)點，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.歸納起來性能可達到如下水平：接收頻段從5kHz到30MHz，調(diào)諧精度通�？蛇_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(CW)、調(diào)頻(FM)、單邊帶(SSB)和獨立邊帶(ISB)等幾種.眾所周知，超外差接收機是將接收到的射頻信號變換到頻率為455kHz的中頻(IF)信號，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，一部接收機由于體積所限，至多裝入5～6個濾波器，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；對工作頻帶內(nèi)的窄帶干擾無能為力，接收微弱信號的能力低，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變得越來越擁擠，相互間的干擾也越來越嚴重，傳統(tǒng)的模擬接收機已經(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，即短波數(shù)字化接收機.
　　隨著數(shù)字信號處理器(DSP)運算速度的日益提高，高精度大動態(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)字運算方式來處理IF信號已經(jīng)提到了日程［1～5］. 近幾年來，美國和德國一些比較著名的接收機廠商已經(jīng)推出了他們的數(shù)字化接收機產(chǎn)品，例如美國WJ-8711、8712、8712P、9103短波數(shù)字化接收機等.這些接收機的共同特點是，在接收機進入數(shù)字化處理之前，接收機前端包括變頻、濾波以及高中頻放大，采用數(shù)級模擬電路，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)字信號處理器代替原來的許多模擬模塊，接收機中的所有控制電路，如調(diào)諧、增益控制、帶寬、靜噪、解調(diào)方式選擇、AGC時間常數(shù)選擇等均實現(xiàn)數(shù)字控制.采用數(shù)字信號處理技術(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用.接收機廠家可以通過DSP軟件的升級和版本的更新，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的特殊要求.有效而低代價地完成數(shù)字接收的算法是新一代無線接收機的一項關(guān)鍵技術(shù).目前存在的短波無線信號，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)字接收機組成原理
　　我們研制的無線數(shù)字接收機由模擬前端、A/D、DSP處理單元、D/A、控制單元和后處理單元六部分組成，實現(xiàn)框圖如圖1所示.

圖1　HF數(shù)字接收機原理框圖

　　模擬前端(見圖2)把從天線接收到的RF信號和可調(diào)諧的一本振(1ST.LO)進行第一次混頻，轉(zhuǎn)換為41.44MHz的高頻信號，其帶寬為 20kHz，調(diào)諧步進為1kHz,然后再和一固定頻率為40MHz的二本振(2ND.LO)進行第二次混頻，獲得中心頻率為1.44MHz，帶寬為 16kHz的信號.但對于數(shù)字處理，仍嫌頻率太高，所以，將該信號和一固定頻率為1.415MHz的三本振(3RD.LO)進行第三次混頻，獲得中心頻率為25kHz，帶寬為12kHz的信號，稱為IF信號.此IF信號通過字長為16位的A/D，以100kHz的采樣率(Fs)進行模數(shù)變換，得到IF數(shù)字信號，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)字接收機控制單元”的控制命令，進行工作種類、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時間常數(shù)、靜噪點平、脈沖抑制、監(jiān)聽等功能的選擇；“解調(diào)單元”用數(shù)字運算方法處理IF信號，實現(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.例如，精密正弦波發(fā)生器可使調(diào)諧精度達1Hz；多種帶寬的IF數(shù)字濾波器可以通過控制單元進行選擇，只需增加一些存儲空間；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，從而增強了接收機的靈活應(yīng)變性.不改變硬件就可以改變接收機的功能，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信號的再生等功能.DSP處理單元輸出的數(shù)字單頻信號和再生的25kHz IF數(shù)字信號經(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的模擬濾波和放大輸出，數(shù)字信號的輸出，以及將DSP再生的25kHz IF信號與來自模擬前端的430kHz信號的混頻，進而輸出455kHz的IF信號.

三、短波數(shù)字接收機的DSP算法研究
　　由于受到DSP運算速度的限制，數(shù)字接收機不能簡單套用傳統(tǒng)模擬接收機中使用的解調(diào)算法，必須開發(fā)DSP能夠?qū)崟r運行的計算有效的算法，因此，有效的 DSP算法是高性能低代價短波數(shù)字接收機的關(guān)鍵.我們已研究并實現(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.標準調(diào)幅信號的數(shù)字解調(diào)算法
　　標準調(diào)幅信號(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確的情況下，存在的較大的載頻分量會導(dǎo)致令人生厭的差頻聲.所以用SSB方法解調(diào)AM信號不是一種可取的方法.
　　一種較實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確，現(xiàn)分析如下.

圖4　AM解調(diào)算法原理框圖

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

如設(shè):

則輸入的調(diào)制信號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),只需將輸入信號與本地載頻　和　分別相乘,將收到的帶通信號搬移到零中頻,當(dāng)調(diào)諧準確,使　,很顯然,只會有同相分量和正交分量:

然后再進行低通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精確地實現(xiàn).而在模擬接收機中它只能由模擬器件近似實現(xiàn)[8].

　　2.單邊帶信號的數(shù)字解調(diào)算法
　　由于DSP硬件速度所限，單邊帶信號的數(shù)字解調(diào)不能簡單套用單邊帶模擬接收機中采用的傳統(tǒng)的邊帶濾波器和乘法器組成的相干解調(diào)器.我們通過靈活運用多速率信號處理理論、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，對應(yīng)的頻譜變換過程如圖5(b)所示.如設(shè)載波信號為

調(diào)制單音信號為　　

則收到的LSB信號為　　

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(這個干擾在后續(xù)濾波處理中是無法消除的)，注意到此時這個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)省一半的運算量.然后進行下變頻處理，將濾波后的信號變換到以6.25kHz為中心頻率的信號.

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

這個信號是在頻率6.25kHz左邊的一個頻譜已經(jīng)倒置的下邊帶信號.然后,根據(jù)控制單元發(fā)來的帶寬指令,在25kHz采樣率下,對此進行相應(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

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

　　3.調(diào)頻信號的數(shù)字解調(diào)算法
　　FM信號的解調(diào)方法很多.用軟件編程方法實現(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“脈沖計數(shù)式鑒頻器”［8］便于DSP實現(xiàn)FM解調(diào).實驗表明，該算法對移頻信號和線性調(diào)頻信號都具有很好的效果.
　　4.等幅報信號的數(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,輸出的基帶信號便是所求的CW解調(diào)信號:

　　5.自動增益控制算法原理
　　AGC是數(shù)字化接收機的一個復(fù)雜的問題.采用一個反饋控制系統(tǒng)，由DSP單元產(chǎn)生的數(shù)字控制信號，經(jīng)一個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，以便在信號出現(xiàn)的瞬間立刻產(chǎn)生AGC控制電壓，而在信號短時間消失時這個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算法主要由一個雙斜率數(shù)字濾波器(由一個快充快放包絡(luò)檢波器和一個慢充慢放包絡(luò)檢波器組成)、一個比較器和數(shù)字發(fā)生器組成.雙斜率數(shù)字濾波器快充慢放地對輸入信號進行檢波處理，得到信號包絡(luò)的平均值.其特點是對一致性衰落和選擇性衰落，都能有效地進行增益控制，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，控制電壓才進行調(diào)整，以便使AGC忽略相對小的輸入電平變化.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.其中,yf(n)和ys(n)可表示為:

　　yf(n)可完成對輸入信號進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)可完成對輸入信號進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,包括:
　　.與二極管檢波器相比,有極為準確的信號電平測量和靜噪電平設(shè)置
　　.可以以1dB的步長進行精確的增益變化
　　.AGC誤差小(輸入信號在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中,輸出變化高達3-6dB)
　　.具有用DSP改變AGC充電和放電時間常數(shù)的能力

四、DSP實現(xiàn)和實驗結(jié)果
　　我們設(shè)計了一塊具有模擬輸入輸出信號接口且性能穩(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是浮點信號處理器，也可做定點運算(32位)，片內(nèi)具有2K×32位雙尋址高速內(nèi)存，運算能力可達30MIPS，60FLOPS.卡上所用的A/D為DSP102，轉(zhuǎn)換速度為每秒200K個數(shù)據(jù)，字長為16位，D/A為 DSP202，兩者通過TMS320C31直通時，動態(tài)范圍可以超過90dB.
　　從圖1可知，作為數(shù)字接收機的一個部件，DSP卡和接收機其它部分有多個接口相連，程序的啟動、運行、更換參量都和其它部分有關(guān).因此，只有在實時工作時才能評估和檢測程序的運行效果.為此，此卡具有和接收機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.實時仿真接口可與PC- 486/586連接，實時調(diào)試可以在PC機上進行.一旦軟件達到滿意效果，即可脫機，固化在EPROM內(nèi).
　　我們已研制了兩臺無線數(shù)字接收機的樣機.用RF信號發(fā)生器作為信號源，連接到接收機的天線輸入端，在接收機的輸出端連接100kHz頻譜分析儀和示波器，對接收機的解調(diào)特性、濾波器的通阻帶特性、AGC的時間特性、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)等指標進行了測試.對多種 RF信號進行的試驗表明，該接收機對AM、SAM、FM、FSK、AFSK、CW、SSB(下邊帶LSB和上邊帶USB)和ISB信號均能正確解調(diào)，基本滿足性能指標要求.
　　接收實際RF信號的大量實驗表明，我們研制的無線數(shù)字接收機的性能與美國WJ公司的WJ-8711相當(dāng).嚴格的性能測試和整機的進一步優(yōu)化與改進仍在進行中.

作者簡介:李雙田　中國科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員，語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　中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員，中國儀器儀表學(xué)會理事，中國電子學(xué)會信號處理分會理事，中國通信學(xué)會信號與信息處理專業(yè)委員會副主任.1962 年畢業(yè)于北京郵電學(xué)院無線系.近年來主要從事語音信號處理、多媒體通信終端以及DSP開發(fā)和應(yīng)用方面的研究工作.曾獲全國科學(xué)大會獎、國家發(fā)明創(chuàng)造二等獎、中科院科研成果一等獎等多項獎勵.

作者單位:中科院聲學(xué)所十室，北京 100080

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