超短波通信電臺的低成本信號處理模塊設計*

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引 言

超短波通信電臺是面向航空通信領域開發的新型電臺，為了具有比較強的市場競爭力，開發的新型電臺必須在滿足性能指標的前提下，盡量降低設備成本。本文介紹的信號處理模塊，采用中頻帶通采樣的軟件無線電結構，僅借助一塊低成本FPGA和簡單的外圍電路，便實現了AM、FM、FH(跳頻)話音和數據通信的中頻信號處理功能，滿足了各項性能指標要求，很大程度上降低了設備成本。

本文首先介紹了信號處理模塊的硬件平臺設計，分析了硬件平臺的組成及其功能；然后對AM、FM、MSK、FH話音和話音靜噪的信號處理模塊軟件設計進行了分析和介紹，其中，重點介紹了話音靜噪設計方法和基于FH話音解調的碼元同步設計方法；最后，通過實驗數據驗證了信號處理模塊的研究成果。

常規AM/FM話音通信是超短波通信電臺最常用的兩種話音通信方式，其調制解調技術比較成熟，但如何有效判斷話音質量好壞、穩定地實現話音靜噪功能卻是一個技術難題。本文介紹的中頻靜噪和音頻靜噪相結合的數字靜噪設計方法，與其它靜噪設計方法[1]相比，具有設計簡單、靈活性大、抗干擾能力強等優點。

MSK數傳和FH話音通信也是超短波通信電臺常用的通信方式，通過差分解調的方法，即可以對兩種通信方式進行解調，并且該解調算法對收發兩端的頻偏和相移不敏感，可以不必估計和校正收發載波間的頻偏和相移[2]。但是，運用該解調算法對碼元同步的要求比較嚴格，特別是對于FH話音通信方式，在頻率跳變的瞬間如何實現精確的碼元同步，更是一個比較難的課題。本文介紹的基于數字鎖相環和抗干擾濾波器的碼元同步方法，具有同步精度高、抗干擾能力強等優點。

2 硬件平臺設計

信號處理模塊硬件平臺實現框圖如圖1所示，硬件平臺的組成主要包括可編程邏輯器件(FPGA)、數字上變頻器、ADC驅動器、中頻AD轉換器、音頻ADC/DAC轉換器、中頻濾波器等核心器件。在設計過程中，所選用的器件都是在滿足功能和性能指標的前提下，充分考慮經濟性作出的選型。其中，可編程邏輯器件[3]選用XILINX公司低成本的Spartan-3系列FPGA芯片，數字上變頻器選用AD公司的數字上變頻器AD9857，ADC驅動器選用AD公司的差分ADC驅動器AD8137，中頻AD轉換器選用AD公司的12位高速AD轉換器AD9235，音頻ADC/DAC轉換器選用TI公司的24位音頻ADC/DAC轉換器PCM3060，中頻濾波器選用天奧電子公司STXF系列的晶體濾波器。

圖1 信號處理模塊硬件平臺實現框圖

通過以上對硬件平臺組成的分析可以看出，采用軟件無線電技術的信號處理模塊主要功能均是通過硬件描述語言編程的方式實現，硬件平臺相對簡單。另外，所選器件均是性價比很高的器件，不但可以滿足性能指標要求，而且成本比較低。因此，本文介紹的信號處理模塊設計方法不但可以滿足超短波通信電臺信號處理模塊的性能指標要求，而且具有低成本的優勢。

3 軟件設計

采用軟件無線電技術的信號處理模塊，核心技術均是通過軟件編程的方式實現。在設計過程中，使用Top-Down設計思想，按照子模塊功能相對獨立、子模塊內部聯系盡量緊密、子模塊間的連接盡量簡單的原則，將信號處理模塊劃分為中頻AM解調子模塊、中頻FM調制子模塊、中頻FM解調子模塊、話音靜噪子模塊、中頻MSK數傳(中頻FH話音)調制子模塊、中頻MSK數傳解調子模塊、中頻FH話音解調子模塊等7個子模塊。

3.1 中頻AM解調子模塊

常規AM信號表達式為[4]

SAM(n)=A(n)cos(ωcn+θ0)

(1)

式中,A(n)=A0+m(n)，A0>|m(n)|，A0為直流分量，m(n)為調制信號；ωc為載波頻率；θ0為載波的初始相位。

對信號進行正交分解，得到同相分量和正交分量分別為

XI(n)=A(n)cos(θ0)

(2)

XQ(n)=A(n)sin(θ0)

(3)

對同相和正交分量平方之和開方，可以得到:

(4)

在式(4)的基礎上，減去直流分量A0就可以得到調制信號m(n)。該方法具有較強的抗載頻失配能力，也就是說本地載波與信號載波之間允許一定的頻率偏差。

3.2 中頻FM調制子模塊

FM是載波的瞬時頻率隨調制信號成線性變化的一種調制方式，其數學表達式為

(5)

式中，A為信號幅度，ωc為載波角頻率，kf為調制系數，f(t)為調制信號。

S(t)=Acos(ωct)cosφ-Asin(ωct)sinφ

(6)

式中，φ為調制信號的瞬時相位。

根據式(5)和式(6)，可構成中頻FM調制子模塊實現框圖，如圖2所示，其中虛線框中為數字上變頻器AD9857正交調制模式實現框圖[5]。

圖2 中頻FM調制子模塊實現框圖

3.3 中頻FM解調子模塊

中頻FM解調子模塊實現框圖如圖3所示，在設計過程中，采用Costas環進行FM解調[6]，首先對輸入的中頻FM信號進行采樣，通過濾波、內插，得到高速率的數字中頻信號，然后利用鎖相環進行FM解調，最后對解調后信號進行低通濾波，便可以恢復出數字話音信號。

圖3 中頻FM解調子模塊實現框圖

3.4 話音靜噪子模塊

在常規AM/FM話音通信方式下，當接收端解調出的話音SINAD(信號-噪聲及失真比)很差、話音可懂度很低時，噪音會讓收聽者難以忍受，這時就需要采用靜噪技術將話音關斷。如果話音靜噪設計不當的話，接收端輸出的話音就會時斷時續，或者在話音可懂度很低的時候，話音輸出沒有被關斷，或者在話音可懂度很高的時候，話音輸出反而被關斷了，因此話音靜噪技術是話音通信中很關鍵的一項技術。

本文介紹的靜噪設計方法是運用中頻靜噪和音頻靜噪相結合的靜噪方式，采取連續多樣點檢測判決方法實現靜噪功能，實現框圖如圖4所示。

中頻靜噪處理的目的主要是為了判斷中頻信號的有無和強弱，在無中頻信號和中頻信號很弱的情況下，直接打開靜噪功能，關掉音頻輸出；在中頻信號比較強的情況，再通過音頻靜噪處理判斷是否打開靜噪功能。另外，中頻靜噪判決設置兩個門限，一個為打開靜噪功能門限，一個為關掉靜噪功能門限，這樣靜噪開和靜噪關之間可以留有一定的回滯。

圖4 話音靜噪子模塊實現框圖

音頻靜噪處理的主要目的是，在中頻信號比較強的情況下，判斷音頻信號的有無和強弱，在無音頻信號和音頻信號很弱的情況下，直接打開靜噪功能，關掉音頻輸出；在音頻信號比較強的情況，關掉靜噪功能，輸出音頻信號。另外，在音頻靜噪的判決過程中，設置了32個等級，每個等級包括兩個門限，一個為打開靜噪功能門限，一個為關掉靜噪功能門限，通過這樣的設計方法，不但可以滿足靜噪回滯要求，而且可以通過電臺面板設置32個靜噪等級。

通過中頻靜噪和音頻靜噪相結合的靜噪處理方法，不但使得靜噪的響應時間比較短，可靠性比較高，而且，在不同使用場合、不同信號強度的情況下，可以通過電臺面板調節靜噪等級的辦法，達到最好的靜噪效果。

3.5 中頻MSK數傳調制(中頻FH話音調制)子模塊

MSK為最小頻移鍵控，其信號表達式可寫為[7]

(7)

式中，A為信號幅度，ωc為載波頻率，Ts為碼元寬度，ak和φk分別為第k個碼元中的信息和相位常數。

根據MSK信號特性，式(7)也可表示為

(k-1)Ts≤t≤kTs

(8)

根據式(8)，即可實現中頻MSK數傳調制功能。另外，中頻FH話音調制子模塊的實現方法同中頻MSK數傳調制子模塊相同，只不過基帶數據是經CVSD編碼和跳頻處理后的數據流。

3.6 中頻MSK數傳解調(中頻FH話音解調)子模塊

中頻MSK數傳解調(中頻FH話音解調)子模塊實現框圖如圖5所示。首先對輸入的中頻信號進行采樣，通過濾波、內插、數字下變頻，得到基帶I、Q信號，然后通過差分解調、碼元同步、抽樣判決恢復出基帶數據。

圖5 中頻MSK數傳解調子模塊實現框圖

碼元同步和抽樣判決是MSK解調的核心技術，直接影響到解調誤碼率的大小。在設計過程中，采用數字鎖相環技術實現碼元同步和抽樣判決，應用匹配濾波的原理，先對輸入的基帶信號進行最佳信號檢測，減弱噪聲干擾的影響，然后判別出超前、滯后脈沖，實時地對碼元同步時鐘的相位進行調整，從而可以準確地實現碼元同步和抽樣判決。

針對中頻FH話音解調子模塊的碼元同步和抽樣判決實現方法，是在上述碼元同步和抽樣判決實現方法的基礎上增加了抗干擾數字式濾波器，從而解決頻率跳變瞬間帶來的噪聲干擾，實現框圖如圖6所示，解調后的數據經過解跳處理和CVSD解碼，即可還原為話音信號。

圖6 FH話音碼元同步及抽樣判決實現框圖

4 研究成果

4.1 常規AM/FM話音通信

常規AM/FM話音通信是超短波通信電臺最常用的兩種話音通信方式。基于本文介紹的方法和技巧，對于中頻AM解調功能，在輸入中頻信號頻率偏移±2 kHz范圍內、調制度為30%～90%的情況下，當中頻信號載噪比大于等于35 dB時，解調SINAD(信號-噪聲及失真比)≥30 dB，當中頻信號載噪比大于等于15 dB時，解調SINAD≥10 dB；對于中頻FM調制功能，輸出中頻信號雜波抑制大于等于75 dBc(偏離工作頻率±500 kHz以外)，調制失真小于等于1%，鄰道抑制大于等于60 dB(偏離載波25 kHz處)；對于中頻FM解調功能，在輸入中頻信號頻率偏移±2 kHz范圍內、調制頻偏為6 kHz的情況下，當中頻信號載噪比大于等于30 dB時，解調SINAD≥30 dB，當中頻信號載噪比大于等于10 dB時，解調SINAD≥10 dB。

AM和FM調制方式下，接收端話音輸出信號和靜噪指示電平對照圖分別如圖7和圖8所示，其中當解調出的話音SINAD很差時，將靜噪指示置為高電平，關斷話音輸出，否則置為低電平，打開話音輸出。另外，通過該方法設計的話音靜噪子模塊，靜噪回滯為2～6 dB；靜噪開啟時延小于50 ms，靜噪閉鎖時延小于100 ms；靜噪門限在6～20 dB(解調SINAD)范圍內，可以調整32個等級。

圖7 AM話音輸出信號和靜噪指示電平對照圖

圖8 FM話音輸出信號和靜噪指示電平對照圖

4.2 MSK數傳和FH話音通信

MSK數傳和FH話音通信也是超短波通信電臺常用的通信方式，基于本文介紹的方法和技巧，對于中頻MSK數傳調制(中頻FH話音調制)功能，輸出中頻信號雜波抑制大于等于75 dBc(偏離工作頻率±500 kHz以外)，鄰道抑制大于等于60 dB(偏離載波25 kHz處)；對于中頻MSK數傳解調(中頻FH話音解調)功能，當輸入中頻信號載噪比大于12 dB時，兩種通信方式的解調誤碼率均小于10-4，圖9為FH話音通信解調過程中基帶信號和解調數據對照圖。

圖9 FH話音基帶信號和解調數據對照圖

5 結束語

本文介紹的基于FPGA的超短波通信電臺信號處理模塊，在低成本FPGA有限的資源下，高效地實現了AM、FM、MSK、FH話音和話音靜噪的信號處理設計，不但各項技術指標均滿足了電臺技術要求[8]，而且具有成本低、可靠性高、功能易擴充等特點。另外，應用了該信號處理模塊的超短波通信電臺，工作穩定可靠，常規話音、數傳、FH話音通信效果均良好。

參考文獻：

[1] 徐以濤，王金龍. 一種基于滑動DFT算法的FM靜噪檢測器[J].信號處理, 2005,21(3):319-321.

XU Yi-tao,WANG Jin-long. A FM-Noise Squelch Detector by Sliding DFT Algorithm[J].Signal Processing, 2005,21(3):319-321.(in Chinese)

[2] 張幼明，賈建祥. MSK信號的差分數字解調方法[J].艦船電子工程, 2008,28(11):77-79.

ZHANG You-ming,JIA Jian-xiang.Method of Differential Digital Demodulation for the MSK Signal[J]. Ship Electronic Engineering, 2008,28(11): 77-79.(in Chinese)

[3] Spartan-3 FPGA Family:Complete Data Sheet[M].California:Xilinx Inc.,2006.

[4] 楊小牛，樓才義,徐建良. 軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.

YANG Xiao-niu,LOU Cai-yi,XU Jian-liang. Software Radio Principle and Application [M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2001.(in Chinese)

[5] AD9857 CMOS 200 MSPS 14-bit Quadrature Digital Upconverter[M]. US：Analog Devices Inc.,2004.

[6] 張安安，杜勇，韓方景. 全數字Costas環在FPGA上的設計與實現[J].電子工程師, 2006,32(1) :18-24.

ZHANG An-an,DU Yong,HAN Fang-jing. Design and Implementation of Costas Loop on FPGA Platform[J]. Electronic Engineer, 2006,32(1):18-24.(in Chinese)

[7] 樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等. 通信原理 [M]. 5版.北京：國防工業出版社，2001.

FAN Chang-xin,ZHANG Pu-yu,XU Bing-xiang,et al. Communication Theory[M]. 5th ed.Beijing: National Defense Industry Press,2001. (in Chinese)

[8] 宋大鳳，姚元飛，吳仡.一種通用型低成本中頻數字化方案的實現[J].電訊技術，2010，50(6)：59-62.

SONG Da-feng,YAO Yuan-fei,WU Yi.Realization of a Universal Low-cost IF Digitalization Scheme[J].Telecommunication Engineering,2010,50(6):59-62.(in Chinese)