一種短波虛擬接收機的設計與實現

張跟全，李廣峰，楊迎新，崔 焱

(1.裝備工程技術研究實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.中國人民解放軍91290部隊，北京 102100)

一種短波虛擬接收機的設計與實現

張跟全1,2，李廣峰3，楊迎新1,2，崔 焱1,2

(1.裝備工程技術研究實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.中國人民解放軍91290部隊，北京 102100)

根據虛擬無線電技術原理設計了一種短波虛擬接收機，采用了短波寬帶接收機和通用服務器實現了對短波信號的接收采集和數字化處理，通過數字信道化實現短波數字信號的窄帶抽取和濾波，進而完成窄帶信號的識別和解調。給出了短波虛擬接收機應用實例，并與傳統接收機進行了對比測試，結果表明短波虛擬接收機與傳統短波窄帶接收機相比具有明顯優勢。

軟件無線電；虛擬無線電；虛擬接收機；數字信道化

0 引言

現代IT技術飛速發展，通用計算機運算性能越來越高，使人們在通用計算機平臺上純軟件化的實時處理數字信號成為可能。這種技術被稱為虛擬無線電技術[1]，最早由美國麻省理工大學提出，是軟件無線電技術的重要分支和發展趨勢。虛擬無線電與傳統軟件無線電有很大的不同，傳統軟件無線電是由軟件控制的專門數字硬件或DSP芯片實現[2]；而虛擬無線電是從計算機體系的角度出發，充分利用通用計算機平臺的編程和計算能力，實現軟件無線電功能。接收設備的數字信號處理過程都充分利用現有的計算機平臺資源來實現，經過計算處理，既能夠充分實現傳統功能，也能夠擴展新的功能。

虛擬無線電功能處理越靠近天線端越好，通常以變換器作為虛擬無線電的軟、硬件劃分界線[3]，中頻信號經A/D采樣后作為硬件部分，送到計算機平臺主內存中，后續處理將全部在用戶層的軟件中完成。

依據虛擬無線電技術設計了一種短波虛擬接收機，在通用計算機平臺上通過數字信號處理實現傳統接收機的功能。

1 短波虛擬接收系統的設計

系統的設計主要分為2部分：信號采集部分和信號處理部分。信號采集部分由短波寬帶接收機實現，完成短波射頻信號采樣，覆蓋頻段1.5 MHz～30 MHz，采樣后的數字信號網絡接口直接輸出到通用服務器完成信號處理[4]。信號處理部分完成接收數據的處理分析，主要包括信號的下變頻、低通濾波、特征提取和解調分析等，實現接收機的主要功能[5]。

根據系統的設計原理，將短波虛擬接收系統分成2個實現單元：信號接收采集單元和信號處理分析單元。系統的功能組成如圖1所示。

圖1 短波虛擬接收系統功能組成圖

2 信號處理分析單元的設計

圖2為信號處理分析單元功能原理，主要實現功能包括3個方面：首先，數字信號正交混頻后得到零中頻信號，系統選用窗函數法設計FIR 低通濾波器；其次是數字信號信道化，通過DFT 濾波器組完成信號的下變頻工作；再次是信號特征的提取及分析，可在此基礎上實現解調功能[6]。數據處理完后，用戶可以根據需要選擇要顯示的信號信息，對信號圖形進行比對與跟蹤分析。

圖2 信號處理分析單元功能原理圖

2.1 數字信號信道化設計

寬帶采樣條件下的信號窄帶化算法目前比較常用的有DDC(數字下變頻)，主要的處理有變頻、濾波和抽取，它的實現方法如圖3所示。

圖3 DDC的實現方框圖

DDC算法的優點是針對不同信號可設定不同中心頻率及帶寬參數，缺點是運算量大且需要確定信號中心頻率及帶寬參數后完成設計[5]。

與傳統DDC相比，多相濾波信道化算法采用信道參數固定，子信道的劃分方式如圖4所示，濾波器組結構如圖5所示。常見的多相濾波信道化方法主要有基于 DFT 濾波器組的復信號信道化和基于余弦調制濾波器組的實信號信道化[7]。多相濾波信道化算法優點是運算量小且由于信道參數固定，無需知道信號參數，可直接運算，缺點是信道覆蓋有盲區，且目標信號可能并不落在信道最佳位置[8-9]。相比較而言，多相濾波信道化算法優勢明顯，缺點也可通過采取措施進行規避。

圖4 子信道劃分方式圖

圖5 濾波器組結構圖

從運算量看，多相濾波信道化算法完成整個寬帶數據信道化近似于DDC完成單個信號的窄帶化，通常短波頻段內信號數量都在百位數量級[10]，也就是說如果要完成帶寬內所有信號的窄帶化，DDC與多相濾波信道化的運算量差距約在2個數量級。多相濾波信道化算法的覆蓋盲區缺點可以通過重疊半帶寬做2次信道化來克服，而信道化之后再對窄帶數據進行移頻和濾波也可以達到DDC處理效果[11]。此次系統采用了基于DFT 濾波器組信道化算法[12]。

2.2 信號特征提取和識別解調

通過數字信道化處理，得到信號的I、Q分量。將得到的正交基帶信號I(m)、Q(m)數據送到瞬時特征提取模塊進行處理，分別得到瞬時幅度α(m)、瞬時相位φ(m)和瞬時頻率f(m)等特征信息。把α(m)、φ(m)、f(m)3個瞬時特征信息和正交基帶信號I(m)、Q(m)數據輸入到識別解調模塊，完成信號的分析、識別與解調等功能，其中：

f(m)=φ(m)-φ(m-1) 。

3 短波虛擬接收機的應用實例

3.1 短波虛擬接收機的主要功能

以一個短波寬帶接收機輸出的寬帶采樣數據為例，介紹該短波虛擬接收機在實際項目中的開發應用[12]。設備組成如圖6所示。

圖6 設備組成圖

寬帶接收機實現的主要功能：

① 信號采樣：寬帶信號A/D采集；

② 時統功能：能夠接收B碼和秒脈沖，轉換為時標打入采樣數據幀；

③ 自檢功能：按照自檢指令控制主控板、時鐘分路板、自校源進行自檢，讀取自檢結果回傳上位機。

信號處理服務器配置：

① 型號：華為RS2288H V3；

② CPU：Xeon E5-2680 v3 12核，2顆， 主頻2.50 GHz；

③ 內存：128 G；

④ 硬盤容量：2塊600 GB SAS磁盤；

⑤ GPU卡：Tesla k20c 2塊；

⑥ 操作系統：Red Hat Enterprise Linux Server 6.5，內核 2.6.32.x86_64。

信號處理服務器實現的主要處理功能：

① 對寬帶采樣數據下變頻、濾波、抽取，處理能力不低于300 MB/s；

② 數字信道化：帶寬12 kHz，信道化路數不低于4 750路；

③ 信號解調處理能力：不低于32路。

在實際開發過程中，截取了一段寬帶采樣數據進行分析處理，生成音頻信號如圖7所示。

圖7 音頻信號顯示截圖

3.2 與實體窄帶接收機對比試驗

為檢測短波虛擬接收機的實際效果，選擇某國外知名公司的一款窄帶接收機，進行實際信號接收對比試驗，設備連接關系如圖8所示。

圖8 對比試驗設備連接關系圖

從1.5～30 MHz頻段內，分別選取了10個頻點進行實際信號接收。限于篇幅，本文只選取2個具有代表性的頻點，分別是2.668 MHz與8.121 MHz。

對2.668 MHz信號接收情況，該信號為Morse信號，圖9是虛擬接收機和實體接收機相同時頻分辨率下的信號瞬時頻率圖。

圖9 虛擬與實體接收機2.668 MHz信號瞬時頻率圖

對8.121 MHz信號接收情況，該信號為數據鏈信號，圖10是虛擬接收機和實體接收機相同時頻分辨率下的信號瞬時頻率圖。

3.3 與實體窄帶接收機對比試驗小結

信號接收測試表明，在絕大數情況下，虛擬窄帶接收機性能指標優于實體窄帶接收機。在微弱信號信號接收方面，實體窄帶接收機可以通過高增益實現更高的靈敏度。在實際應用中，2種體制的窄帶接收機相互配合使用，發揮各自優勢，獲得更高的效益。

4 結束語

采用了寬帶接收機和服務器實現寬帶采樣和數字信號處理的虛擬接收機，能夠在1臺服務器上實現多達32路信號接收與控守，如系統需要擴充接收信號路數，增加處理服務器即可。從體積、功耗與可靠性等方面衡量，虛擬接收機系統都具有很大優勢。

短波虛擬接收機系統突破了傳統硬件的束縛，主要優點有：開發周期短，易于改進性能，易于提升計算效率，具有靈活的可擴充性和良好的通用性。通過集中進行信號處理算法研究，重點提高信號處理效率、提高信號的識別正確率，短波虛擬接收機就可更好地為用戶提供信號檢測和接收服務。短波虛擬接收機具有廣闊的應用前景，未來完全有可能替代實體接收機。

[1] 吳海州,王志國,王鵬毅.一種數字接收機開發平臺的設計與實現[J].計算機應用，2007,27(9)：2312-2314.[2] 劉星成,羅恒宏.軟件無線電中的關鍵技術及平臺構建初探[J].無線電通信技術,2000,26(1)：55-59.

[3] 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.

[4] 焦 陽.短波寬帶數字接收機的信道化處理研究[D].成都：電子科技大學，2007.

[5] 楊延嗣,劉太君,葉 焱,等.基于FPGA的寬帶雙波段信號捕獲與恢復技術[J].移動通信,2015,39(2)：74-78.

[6] 黃善勇,丁 麗,張文超.一種簡單的多用途數字信道化結構[J].無線電工程,2011,41(7)：55-57.

[7] 王曉亞.一種短波衰落信道下FSK信號FFT解調方法[J].無線電通信技術,2015,41(6)：27-31.

[8] Zahirniak D R,Sharpin D L,Fields T W.A Hardware- Efficient,Multirate,Digital Channelized Reciver Architecture[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1998,34(1)：137-149.

[9] 馬亞薇,孫晨華,許 楠.基于差值分配的信道分配算法研究[J].無線電工程,2015,45(2)：16-18.

[10] 常 虹,趙國慶,牛新亮.高效的寬帶數字信道化接收機設計 [J].西安電子科技大學學報，2010(3)：464-468.

[11] 李學軍,陳建安.基于復多相濾波器組的信道化接收機 [J].電訊技術，2005(4)：158-161.

[12] 李 冰,鄭 謹,葛臨東.基于NPR 調制濾波器組的動態信道化濾波[J].電子學報,2007,35(6)：1178-1182.

[13] 呂幼新,鄭立崗,王麗華.基于多相濾波的寬帶數字化接收機技術 [J].電子科技大學學報，2003(2)：133-136.

Design and Implementation of an HF Virtual Receiver

ZHANG Gen-quan1,2,LI Guang-feng3,YANG Ying-xin1,2,CUI Yan1,2

(1.Equipment Engineering Technology Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;3.Unit 91290,PLA,Beijing 102100,China)

Based on the principal of virtual radio,an HF virtual receiver is designed,which uses an HF broadband receiver and a general server to realize the receiving and DSP(digital signal processing)of HF signals.Through digital channelization,the narrowband extraction and filtering of HF digital signals are realized;then the recognition and demodulation of narrowband signals are accomplished.An example of the HF virtual receiver is provided and compared with the traditional receiver.The results prove that the HF virtual receiver has obvious advantages over traditional HF narrowband receivers.

software radio;virtual radio;virtual receiver;digital channelization

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.23

張跟全，李廣峰，楊迎新，等.一種短波虛擬接收機的設計與實現[J].無線電通信技術，2017，43(2)：90-93.

2016-10-24

國家自然科學基金項目(81370038)

張跟全(1973—)，男，高級工程師，主要研究方向：通信對抗、信號處理。李廣峰(1972—)，男，高級工程師，主要研究方向：通信技術。

TN911

A

1003-3114(2017)02-90-4