基于軟件無線電的地下通信接收機設計與實現

宋曉鷗

(武警工程大學信息工程系,西安 710086)

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基于軟件無線電的地下通信接收機設計與實現

宋曉鷗*

(武警工程大學信息工程系,西安 710086)

摘要:為解決地下通信實現困難、接收端信號波動范圍大的問題,研究了軟件無線電接收機的原理和關鍵技術,設計了數字化地下通信語音調頻接收機。根據信號流向,設計了80 dB大動態自動增益控制放大器,給出了數字正交鑒頻結構,完成了語音終端設計,最后詳細地闡述了接收機的軟件設計和硬件實現。整個接收機具有較強的抗噪聲性能。

關鍵詞:地下通信;軟件無線電;數字接收機;自動增益控制;調頻正交解調

隨著現代數字電路的高速發展,特別是高速度高精度ADC、DSP、FPGA及軟件無線電技術的發展,無線通信系統中數字化體制逐漸取代模擬體制。數字通信具有抗干擾能力強、傳輸可靠性高、便于進行數字信號的存儲和處理、易于集成化和微型化等優點,因此數字通信在地下通信系統中具有廣闊的應用前景。

地下空間有限,通信實現困難,信號波動范圍大。調頻調制方式因其抗噪性能好、易于實現而被廣泛應用于無線通信的各個領域。本文針對地下通信的特點,從易于集成、低功耗、大動態范圍等方面考慮設計了數字化地下通信調頻接收機系統,文中主要分析了系統中接收機的原理設計及關鍵技術,并在此基礎上進行了數字接收機硬件和軟件設計。

1　接收機原理設計及關鍵技術

1.1接收機原理設計

本文設計的FM數字化地下通信接收機基本原理框圖如圖1所示[1-2]。

圖1　接收機基本原理框圖

從圖1的原理框圖中可以看出,FM數字化地下通信接收機主要包括5個主要的功能模塊:(1)天線及帶通濾波器模塊;(2)自動增益控制模塊;(3)帶通采樣下變頻模塊;(4)數字鑒頻模塊;(5)音頻處理模塊。天線及帶通濾波器模塊接收信號并對鏡像信號進行抑制。自動增益控制功能模塊一方面完成信號放大功能,另一方面擴展接收的輸入動態范圍。帶通采樣下變頻模塊方面完成模/數轉換功能,另一方面將高速的模擬信號所要求下變頻到數字基帶信號。數字鑒頻模塊則利用數字下變頻模塊輸出的信號,通過正交解調最終完成調頻信號的解調。解調后的調制信號送入音頻處理模塊完成對音頻信號的PCM解碼,最后推動擴音器。

1.2關鍵技術

1.2.1自動增益控制技術

由于信號在傳輸過程中的衰減以及大氣噪聲特性的隨機性,在無線透地通信接收機中,天線接收到的信號強度可能變化很大,最強信號和最弱信號相差可以達到幾十分貝,自動增益控制(AGC)主要作用是當輸入信號的幅度變化很大時,能夠使設備輸出電平保持恒定或者僅在較小的范圍內變化,在無線接收機中是不可缺少的一個部分。當接收機輸入弱信號時,放大電路以高增益放大,不至于因為輸入信號太小而無法正常工作;而輸入信號較強時,放大電路以較小增益放大,也不至于因為輸入信號太大而使接收機發生飽和或者堵塞。自動增益控制AGC電路一般原理如圖2所示。

圖2　自動增益控制電路

自動增益控制(AGC)系統由可變增益放大器(VGA)和反饋回路兩部分組成[3-4]。在AGC電路里,比較參量是信號電平,所以采用電壓比較器。反饋回路由電平檢測、低通濾波、比較電路和控制信號組成。由電平檢測和低通濾波檢測出輸出信號振幅電平(平均電平或峰值電平),濾去不需要的高頻率分量,然后與參考基準電壓比較,產生一個誤差信號,根據這個誤差信號產生控制信號控制可控增益放大器增益。自動增益控制電路是一個典型閉環負反饋系統。當輸入信號Uin減小而使輸出信號Uout變小時,環路產生的控制信號將使可控增益放大器增益增加,從而輸出Uout趨于增大;當Uin增大而導致Uout增大時,環路產生的控制信號使增益減小,從而Uout趨于減小。因此由于環路的負反饋作用,輸出信號Uout基本保持恒定或者僅在較小的范圍內變化。

1.2.2帶通采樣下變頻技術

帶通采樣定理指出[1,5]:對于頻帶限制在(fL,fH)的帶通信號x(t),若果采樣速率fs滿足:

(1)

式中,n為正整數,滿足:

1≤n≤┕fH/B」

其中,┕fH/B」表示fH/B的整數部分。則用fs進行等間隔采樣所得到的信號采樣值能準確地確定原信號x(t)。輸入模擬信號頻率fc經過采樣速率fs的帶通采樣后所得到的進入第1Nyquist區的頻率為:

(2)

式中,┕2fc/fs」+1表示模擬信號頻率所處的Nyquist區;rem(fc,fs)為fc/fs的余數。

在帶通采樣中,若采樣速率為fs,則采樣后的頻譜會反射或折射進直流到fs/2的第1Nyquist區,此時絕對頻率信息丟失了,即出現了頻譜的搬移。帶通采樣定理的應用,大大降低了采樣率理論值,因而也大大降低了對ADC和數字信號處理器的要求。采用這種下變頻的方法可以使接收機的結構非常簡單,不僅實現了數字化,同時實現了下變頻到較低頻率。值得注意的是,只允許其中一個Nyquist區上存在信號,否則將會引起頻譜混疊,這可通過抗混疊濾波器在采樣前進行濾波,濾出所需要的帶通信號,然后再進行采樣。

1.2.3正交數字調頻解調技術

設調頻信號表達式為

s(t)=a(t)·sin[ωct+∫m(t)dt]

(3)

其中,a(t)表示受到信道噪聲和其他干擾影響后隨時間變化的調頻信號幅度,m(t)為調制信號,ωc為信號載波[6-8]。

將式(3)所示的調頻信號與本地產生的正交載波相乘可得:

sin[∫m(t)dt]}

(4)

cos[∫m(t)dt]}

(5)

對sI(t)和sQ(t)分別進行低通濾波后可得:

I(t)=a(t)sin[∫m(t)dt]

(6)

Q(t)=a(t)cos[∫m(t)dt]

(7)

對I(t)與Q(t)分別求導數可得

I′(t)=a′(t)sin[∫m(t)dt]+a(t)m(t)cos[∫m(t)dt]

(8)

Q′(t)=a′(t)cos[∫m(t)dt]-a(t)m(t)sin[∫m(t)dt]

(9)

將式(6)與式(9)、式(7)與式(8)分別相乘可得

I(t)Q′(t)=a(t)a′(t)sin[∫m(t)dt]·

cos[∫m(t)dt]-m(t)a2(t)sin2[∫m(t)dt]

(10)

I′(t)Q(t)=a(t)a′(t)sin[∫m(t)dt]·

cos[∫m(t)dt]+m(t)a2(t)cos2[∫m(t)dt]

(11)

根據式(6)、式(7)、式(10)、式(11),可按如下方法得到m(t)

(12)

于是解調出調制信號m(t),實現了正交解調,如圖3給出了根據上述分析得到的調頻信號正交解調器的原理框圖。

圖3　調頻信號正交解調器的原理框圖

FM信號用正交解調方法解調時,具有較強的抗載頻失配能力[9]。當本地載頻與信號的載波存在頻差和相差時,同相分量和正交分量可表示成

I1(t)=a(t)sin[∫m(t)dt-Δωt-θ]

(13)

Q1(t)=a(t)cos[∫m(t)dt-Δωt-θ]

(14)

同樣對正交與同相分量進行上述運算得到調制信號

(15)

因此當載波存在固定的頻差和相差時,解調輸出中會增加一個直流分量Δω,減去該直流分量就可得到原始調制信號。

1.2.4語音終端設計

語音終端主要由語音編解碼器和擴音器組成。語音解碼芯片主要完成語音信號與數字信號模擬和數字量之間的A/D和D/A的轉換(ADC和DAC),并對數字語音信號進行編解碼。話音信號通常采用PCM編碼,PCM編碼具有很強的抗干擾性,采用非均勻量化方式,編碼主要有A律和μ律壓縮編碼。PCM編碼、譯碼原理框圖如圖4所示。

圖4　PCM原理框圖

2　系統軟硬件設計與實現

本系統主要針對以上4個關鍵技術進行設計,濾波器部分這里不再詳述。

(1)由于模擬AGC環路增益可以連續變化,而數字AGC環路其增益變化是離散的,為了保證在實際通信中不會因增益突變而造成調制信號的接收解調錯誤,本設計采用模擬AGC的方案,選擇ADI公司的AD8338芯片。AD8338是一個兼有VGA和AGC功能的高集成度中低頻放大器,它具有低功耗、低噪聲和在LF至18 MHz頻段內0～80 dB壓控增益范圍的優點,并且允許用戶自定義該器件的增益、帶寬、輸入阻抗及噪聲性能,以滿足自身應用的需求。內部功能見圖5所示。

圖5　AD8338功能框圖

利用內部集成的精確均方根檢波器,AD8338可以方便地配置成單片AGC放大器,其基本連接如圖6所示。

圖6　典型AGC連接圖

系統采用AD8338,完成信號放大同時實現動態范圍壓縮,減少了器件引入的噪聲以及信號處理的非線性。

(2)本方案設計中A/D轉換芯片選用AD公司的AD7854L。它是一種高速、低功耗、12 bit ADC,吞吐量可達100 kHz。456 kHz中頻信號首先以64 ksample/s采樣率采集到數字域,信號采樣后,頻譜落在8 kHz處。為在零頻得到原始信號的頻譜,在這里將信號同8 kHz正交本振相乘,最后下變頻到基帶,然后進行正交解調。

(3)正交解調對應數字域表達式為[10]

(16)

對于調頻信號,其振幅近似恒定,不妨設I2(n)+Q2(n)=1則:

m(n)=I(n-1)Q(n)-I(n)Q(n-1)

(17)

因此正交解調實現結構如圖7所示。

圖7　正交解調算法的實現結構

本方案中FPGA芯片選用ALTERA公司的Cyclone Ⅲ EP3C40Q240C8芯片,在設計中為保證時鐘的一致性,整塊電路板上使用一個晶振,然后利用FPGA進行分頻后,給其他的器件提供各自所需的工作時鐘。正交解調模塊FPGA芯片的實現如圖8所示。

(4)音頻編解碼芯片采用MC154481。MC145481 PCM語音編解碼芯片具有功耗低,電源電壓范圍寬,揚聲器推動能力強等特點。其邏輯框圖如圖9所示。在A/D轉換輸入內部設有200 Hz～3.4 kHz帶通濾波器,在D/A轉換輸出內部設有截止頻率為3 400 Hz頻率低通濾波器,濾除語音以外的信號,芯片支持μ率和A率PCM壓擴方式選擇。電源電壓兼容范圍達到2.7 V～5.25 V,3 V電源下典型功率為8 mW。芯片內涵功率放大器,PO+和PO-分別為功率放大器的正反向輸出端,PO-通過一個可變電阻RA2與PI相連,通過改變RA2的阻值來控制功率放大器的增益,從而達到控制聽筒音量的目的。語音編解碼芯片MC145481的硬件連接如圖10所示。

圖8　解調算法的FPGA實現

圖9　MC145481的結構圖

圖10　MC145481硬件連接圖

3　結論

基于軟件無線電的數字接收機在地下通信中具有模擬調制無可比擬的優點。本設計包括整體方案設計、原理圖設計和軟硬件實現及調試。軟件無線電作為未來移動通信甚至無線電技術的發展方向,是無線通信領域的又一次革命,將軟件無線電技術應用到空間有限地下通信系統中,必將給解決地下通信的難題帶來新的曙光。

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宋曉鷗(1984-),女,遼寧撫順人,博士,武警工程大學信息工程系講師,主要研究領域軟件無線電、認知無線電。

DesignandImplementationofUndergroundCommunicationReceiverBasedonSoftwareRadio

SONGXiaoou*

(Engineering University of CAPF,Xi’an 710086,China)

Abstract:To solve the difficulty in underground communications and the problem of large signal fluctuation range in the receiver,the principle and key technologies of software radio receiver were analyzed,and a digital Voice FM underground communication receiver was designed.According to the signal flow,a large dynamic AGC amplifier up to 80dB was designed,the architecture of FM quadrature demodulation was provided and the voice terminal was completed.Finally,a detailed exposition of the receiver’s software design and hardware implementation were given.The whole receiver has strong anti-noise performance.

Key words:underground communication;software radio;digitized receiver;AGC;FM quadrature demodulation

doi:EEACC:6420D10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.020

中圖分類號:TD65

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0669-05

收稿日期:2013-07-08修改日期:2013-10-02