軟件無線電技術(shù)解調(diào)方法研究

摘要：

研究軟件無線電技術(shù)解調(diào)方法，針對通信系統(tǒng)中的解調(diào)系統(tǒng)，通過LabVIEW IDE和G語言的使用完成了軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)方案的設(shè)計，詳細(xì)闡述了實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù)，針對調(diào)幅和調(diào)頻信號包括外部采集到的（通過通用數(shù)據(jù)采集卡完成）和本地文件中的已調(diào)信號通過綜合運用數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器技術(shù)完成相應(yīng)的解調(diào)和分析過程。采用軟件脈沖均值標(biāo)記濾波算法和MSK信號數(shù)字化解調(diào)方法實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)過程，從而使調(diào)頻波的解調(diào)得以有效實現(xiàn)。此外該軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)還具備保存、打印實時信號波形數(shù)據(jù)及回放歷史信號的功能。

關(guān)鍵詞：

軟件無線電; LabVIEW; 數(shù)據(jù)采集; 脈沖均值; MSK信號

中圖分類號： TN 925

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Demodulation Method of Software Radio Technology

SUN Zhiyong

（Modern Educational Technology and Information Center， Heilongjiang University of Chinese Medicine， Harbin， Heilongjiang 150040， China）

Abstract：

This paper mainly studies and designs the demodulation method of software radio technology. The design of software radio demodulation system is completed by using LabVIEW IDE and G language. The key technology of the system function such as the amplitude modulation and frequency modulation signals is illustrated. The externally acquired is completed by the universal data acquisition card， through the comprehensive use of data acquisition and virtual instrument technology the modulated signals in the local file is to complete the corresponding demodulation and analysis process. The demodulation process of the FM signal is realized by the software pulse mean label filtering algorithm and the digital demodulation method of the MSK signal， so that the demodulation of the FM wave can be effectively realized. In addition， the software radio demodulation system also has the functions of saving and printing realtime signal waveform data and playing back historical signals.

Key words：

software radio; LabVIEW; data acquisition; pulse mean; MSK signal

0引言

不斷發(fā)展的現(xiàn)代通信技術(shù)在帶來使用便利的同時提升了通信系統(tǒng)的復(fù)雜程度，傳統(tǒng)硬件電路已經(jīng)難以滿足通信系統(tǒng)的多樣化需求，促使了軟件無線電技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，快速發(fā)展的軟件無線電因具備靈活性與拓展性等優(yōu)勢已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域（包括民用通信、軍事通信、雷達(dá)、工程、電視廣播等），軟件無線電對射頻模擬信號（通過天線感應(yīng)獲取）進(jìn)行直接數(shù)字化處理后轉(zhuǎn)換成易于處理的數(shù)據(jù)流，并根據(jù)實際需要選擇計算機軟件算法實現(xiàn)相應(yīng)功能，提升了可擴展性及適應(yīng)具體應(yīng)用環(huán)境的能力[1]。而作為軟件無線電技術(shù)主要功能之一的自動調(diào)制識別技術(shù)在在非協(xié)作通信領(lǐng)域發(fā)揮出了重要作用，已經(jīng)成為明確領(lǐng)域內(nèi)的研究重點之一，為使自動調(diào)制識別與解調(diào)過程的可靠性和準(zhǔn)確性得以相應(yīng)提升，本文完成了軟件無線電技術(shù)解調(diào)方法的設(shè)計。

1需求分析

在迅速發(fā)展完善的通信技術(shù)的支撐下軟件無線電技術(shù)應(yīng)運而生，軟件無線電由通用硬件和配套軟件構(gòu)成，使通信功能的實現(xiàn)不再局限于硬件發(fā)展格局。具有靈活及可移植優(yōu)勢的軟件使設(shè)計開發(fā)通信系統(tǒng)的難度和成本得以顯著降低，從而使傳統(tǒng)硬件設(shè)施對通信系統(tǒng)的影響程度不斷降低，硬件無線電通信設(shè)備只需為無線通信提供簡單的基本支撐平臺，對于硬件實現(xiàn)難度較大的通信功能更多通過采用軟件編程的方式實現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的純硬件電路，軟件無線電技術(shù)通過現(xiàn)代化軟件的應(yīng)用完成對其無線通信的操縱和控制。軟件無線電技術(shù)是軟件化、計算密集型的操作形式。在軟件無線電通信接收系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集和處理是其關(guān)鍵技術(shù)[1]。在儀器控制和數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，快速發(fā)展的計算機軟硬件促使具備成本低廉、高精度、通用性強等優(yōu)勢的虛擬儀器技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，大多由傳統(tǒng)硬件設(shè)計完成的處理分析功能通過虛擬儀器實現(xiàn)，在提高程序可擴展性及可復(fù)用性的同時使用戶軟件的開發(fā)周期得以顯著縮短。為此本文針對軟件無線電完成了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計。

2軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

軟件無線電通過將A/D和D/A（即寬帶模數(shù)變換器和數(shù)模變換器）向射頻天線最大程度的靠近實現(xiàn)具備通用開放優(yōu)勢的硬件平臺的建立，且包含A/DDSPD/A模型的該平臺上的各功能模塊（包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、控制終端功能、保密結(jié)構(gòu)等）主要通過使用相應(yīng)軟件技術(shù)實現(xiàn)，例如，通過軟件編程完成傳送信息的處理后（包括抽樣、量化、變換、編/解碼、運算等）即可實現(xiàn)射頻收發(fā)功能;選擇各通信頻段時可通過使用數(shù)字信號處理器技術(shù)完成軟件編程，信道的分離過程可通過使用具備編程數(shù)字濾波器的寬帶ADC完成。選擇包括單邊帶、調(diào)幅、調(diào)頻、跳頻和擴頻等在內(nèi)的信道調(diào)制方式時同樣以軟件編程的方式實現(xiàn)。不同于傳統(tǒng)采用文本語言編程的文本語言，LabVIEW（NI公司，一種圖形化編程開發(fā)平臺）作為具有代表性的虛擬儀器，其所使用的編程語言為G語言（圖形化語言），通過保存LabVIEW中的子程序以供其他函數(shù)調(diào)用使層次化、模塊化編程功能在LabVIEW中得以實現(xiàn)，使傳統(tǒng)開發(fā)語言的繁瑣性得以有效避免。主要由包括圖標(biāo)、端口和連線在內(nèi)的節(jié)點、前面板、框圖程序構(gòu)成LabVIEW程序，節(jié)點間通過接線端口傳遞數(shù)據(jù)。此外其所包含的測控功能平臺顯著提升了系統(tǒng)的靈活性。

本文所說的解調(diào)系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成的總體框架，如圖1所示。

系統(tǒng)的主界面主要由6個選項卡構(gòu)成即參數(shù)設(shè)置、解調(diào)處理與分析、保存、打印和歷史查看，需進(jìn)行處理的信號由相應(yīng)的外部設(shè)備負(fù)責(zé)完成，外部信號主要通過使用采集卡完成采集過程，通過驅(qū)動通信程序完成采集卡的識別后實現(xiàn)同LabVIEW間的高效通信過程。虛擬儀器軟件平臺功能在于：對包括放大倍數(shù)、采樣頻率及點數(shù)、需進(jìn)行解調(diào)的已調(diào)波來源及類型、所使用濾波器的類型及階數(shù)等在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對已調(diào)波的解調(diào)進(jìn)行解調(diào)處理以及解調(diào)前后波形的頻譜分析（顯示解調(diào)前后的波形），對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，數(shù)據(jù)打印使用報表工具包（LabVIEW自帶）完成，歷史記錄文件通過TDMS查看器完成查看過程[2]。

3軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1LabVIEW同采集卡間通信過程的實現(xiàn)

LabVIEW的數(shù)據(jù)采集子程序雖然較多，但受到數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）的限制（只支持NI公司提供的DAQ），為滿足系統(tǒng)設(shè)計需求兼顧采集卡的使用性能和成本，本文選用了小型的USB集成普通采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡具備較為完善的功能，通過對DLL（動態(tài)鏈接庫程序）進(jìn)行調(diào)用即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡同LabVIEW間高效的數(shù)據(jù)通信過程，某一程序通過運用該采集卡即可實現(xiàn)該動態(tài)鏈接庫中函數(shù)的共享使用，在運行狀態(tài)下可執(zhí)行代碼通過動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)同數(shù)據(jù)模塊的有效鏈接，從而將所需的數(shù)據(jù)、代碼和資源提供給相應(yīng)的進(jìn)程。共享庫可通過LabVIEW中自帶的工具完成自動批量導(dǎo)入，開發(fā)人員可根據(jù)實際需要在工具/導(dǎo)入/共享庫dll中對相關(guān)函數(shù)進(jìn)行選擇、導(dǎo)入和封裝，庫中函數(shù)的參數(shù)數(shù)據(jù)類型通過自動封裝工具完成到LabVIEW數(shù)據(jù)類型的自動映射，在函數(shù)選板可對庫中封裝好的函數(shù)進(jìn)行查看。不支持指針類型的LabVIEW在庫中出現(xiàn)指針時會進(jìn)行將其封裝成雙精度的浮點型（通過自動封裝工具）這一錯誤操作，因此需對相關(guān)設(shè)置進(jìn)行手動更改，例如庫中函數(shù)int AD_continu（）的返回參數(shù)屬于指向內(nèi)存地址（存放采集信號數(shù)據(jù)）的單精度浮點型數(shù)組指針的數(shù)據(jù)類型，在控件類型中對其映射控件（映射于LabVIEW前面板）進(jìn)行選擇，對其輸入輸出方式的許可性進(jìn)行配置，其中一項非常重要設(shè)置在于將默認(rèn)為指針傳遞的傳遞類型更改為數(shù)組傳遞，以確保從采集卡中成功讀取到數(shù)據(jù)[3]。

3.2軟件功能的設(shè)計

本文所設(shè)計系統(tǒng)的核心功能在于采集和處理功能的實現(xiàn)，在使用單一順序結(jié)構(gòu)的情況下的分析和處理過程需采集完數(shù)據(jù)后才能進(jìn)行，并且下次采集需在完成處理分析后進(jìn)行，阻礙了系統(tǒng)實時性及執(zhí)行效率的有效提升，為解決這一問題本文選用了生產(chǎn)者消費者的模式，采用隊列操作在LabVIEW中完成此模式，系統(tǒng)的生產(chǎn)者對應(yīng)采集，消費者對應(yīng)處理和分析。在生產(chǎn)者循環(huán)I中每次通過任何渠道循環(huán)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)入隊列時均需通過“入隊列”操作完成，在消費者循環(huán)J中提取采集數(shù)據(jù)時（從同一隊列中）則通過“出隊列”操作完成以供后續(xù)處理。由于生產(chǎn)者和消費者具有不同的生產(chǎn)速度和消費速度，易出現(xiàn)部分VI在消費者模塊中出現(xiàn)隊列中無可用數(shù)據(jù)的情況下就會報錯，在停止條件端子上（消費者循環(huán)）連線超時或錯誤輸出的情況下導(dǎo)致發(fā)生消費者循環(huán)停止“消費”的概率較大。最嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存崩潰，即程序在執(zhí)行完消費者后再執(zhí)行生產(chǎn)者，因隊列無可用數(shù)據(jù)而導(dǎo)致消費者初始時從循環(huán)中徹底跳出，使由生產(chǎn)者采集的數(shù)據(jù)無法被分析和處理，最終大量數(shù)據(jù)積壓到隊列中，內(nèi)存因無法通過執(zhí)行“消費銷毀”釋放而崩潰[4]。本文采用了獲取“隊列狀態(tài)”的方式以使數(shù)據(jù)在兩個循環(huán)間的共享（特別是在消費者分支當(dāng)中），采集和處理流程，如圖2所示。

針對隊列中不存在元素的情況，在不允許結(jié)束“消費”循環(huán)的前提下停止任何程序的執(zhí)行，直到隊列出現(xiàn)元素再完成相應(yīng)的操作處理。

3.3解調(diào)算法的實現(xiàn)

（1） 調(diào)頻波的解調(diào)算法

調(diào)頻信號主要可劃分為兩大類即寬帶調(diào)頻和窄帶調(diào)頻（WBFM、NBFM），窄帶調(diào)頻可完成同相分量與正交分量之和的分解，對于寬帶信號寬帶調(diào)頻信號因無法進(jìn)行此類分解而僅能使用非相干解調(diào)方法，該方法最大的優(yōu)勢在于本地?zé)o需提供與發(fā)送端相同頻相的載波，考慮到傳統(tǒng)的非相干解調(diào)硬件電路較為復(fù)雜，解調(diào)的過程需經(jīng)過復(fù)雜的操作才可實現(xiàn)（包括低通濾波、半波整流、限幅放大、微分等），為彌補傳統(tǒng)

方法需進(jìn)行繁瑣操作的不足，本文通過使用脈沖均值濾波法來完成調(diào)頻波的解調(diào)過程，在LabVIEW的循環(huán)中對于FM信號該方法僅需對當(dāng)前由x（n）表示的采樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，在滿足x（n）和x（n-1）分別為正數(shù)和負(fù)數(shù)兩個條件的情況下（需用到上次x（n-1）采樣值）即可實現(xiàn)脈沖序列的快速提取，x（n-1）通過開啟移位寄存器（在系統(tǒng)中的循環(huán)邊框上用三角圖標(biāo)表示，復(fù)雜對上次循環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲）即可實現(xiàn)整個記錄過程以供下次循環(huán)使用，僅在同時滿足兩個條件的情況下才完成一個脈沖的刻標(biāo)記，LabVIEW會對連接到移位寄存器的數(shù)據(jù)（包括輸入輸出）進(jìn)行自動編譯，形成占用同一塊內(nèi)存的同址操作。輸出端數(shù)據(jù)會占用在結(jié)束循環(huán)時被自動釋放的輸入端數(shù)據(jù)內(nèi)存，據(jù)此實現(xiàn)LabVIEW同址操作進(jìn)而有效節(jié)省內(nèi)存[5]。包括DSB和SSB在內(nèi)的調(diào)幅信號均能夠通過使用相干解調(diào)的方法完成解調(diào)過程，用本地載波乘以接收到的調(diào)幅波，在此基礎(chǔ)上通過低通濾波獲取原調(diào)制信號。

（2） 改進(jìn)型MSK解調(diào)原理

MSK信號最顯著的特點在于其波形正交于0碼和1碼，本文針對軟件無線電提出了一種數(shù)字化解調(diào)方法，該方法基于MSK信號，在獲取各碼元周期內(nèi)采樣值的基礎(chǔ)上，以載波頻率（包括1碼和0碼）為依據(jù)進(jìn)行運算從而獲取對應(yīng)頻率信息的計算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上完成數(shù)字基帶信號的判斷和恢復(fù)。此方法在大幅減少了包括本振和濾波器等環(huán)節(jié)在內(nèi)的外圍硬件構(gòu)成的同時減少了解調(diào)過程中的計算量及模擬電路被干擾的可能性，使解調(diào)過程得以有效簡化。在具體設(shè)計過程中對解調(diào)算法進(jìn)行了改進(jìn)（以軟件無線電相關(guān)思想為依據(jù)），在通過使用軟件實現(xiàn)軟件無線電大部分功能的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字相干解調(diào)方法的使用完成對解調(diào)算法的改進(jìn)，接收的信號在移動通信過程中會表現(xiàn)出嚴(yán)重衰落的現(xiàn)象，尤其是受頻偏環(huán)境（由多普勒效應(yīng)等引起）的影響導(dǎo)致提取的載波質(zhì)量無法滿足要求，采用正交解調(diào)法使這些弱點得以有效可分。所有調(diào)制針對多種不同種類的調(diào)制樣式均對載波的某一個參數(shù)通過采用調(diào)制信號完成控制過程，使該參數(shù)隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。對于連續(xù)波調(diào)制（即載波以正弦型信號進(jìn)行調(diào)制），假設(shè)載波的角頻率由ωc 表示，則針對已調(diào)信號的數(shù)字表達(dá)式[6]如式（1）。

展開式（1）可得同相和正交兩個分量，具體表達(dá)式如式（2）。

其中幅值的表達(dá)式如式（3）。

相位表達(dá)式如式（4）。

MSK解調(diào)原理如下（調(diào)頻解調(diào)的一種）如式（5）。

對于瞬時頻率（由f （n）表示）則通過使用相位差分完成計算，除法和反正切運算需在f （n）=φ（n）-φ（n-1）的情況下進(jìn)行，為降低其對數(shù)字芯片的復(fù)雜程度，本文將瞬時頻率根據(jù)微分方法完成計算，f （n）的表達(dá)式如式（6）。

考慮到MSK信號的振幅基本不變，假設(shè)X2Q（n）+X2I（n）的值近似為1，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化f（n）可得如下表達(dá)式如式（7）。

從而簡化了計算過程，使 f （n）僅通過乘減運算即可獲取計算結(jié)果，在獲取瞬時頻率后通過對其進(jìn)行抽樣判決即可完成碼元高效準(zhǔn)確的恢復(fù)。

4系統(tǒng)性能測試

為檢測本文所設(shè)計的軟件無線電技術(shù)解調(diào)方案的有效性進(jìn)行了性能測試，需要解調(diào)的包括來自采集卡或來自系統(tǒng)已有的信號采用該解調(diào)方案有效實現(xiàn)了調(diào)頻波的解調(diào)以及調(diào)幅波的解調(diào)，且相比于傳統(tǒng)相干解調(diào)方法該方法的抗干擾性能得以顯著提升，經(jīng)過解調(diào)后，圖3和4所示為來自采集卡的調(diào)頻波的波形和頻譜分析結(jié)果，圖5所示為來自本地已有DSB信號的波形結(jié)果。測試結(jié)果證明了該系統(tǒng)能夠使軟件無線電的功能得以有效實現(xiàn)[7]。

5總結(jié)

目前在軟件無線電領(lǐng)域的研究工作中，數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)出了強大的技術(shù)優(yōu)勢，本文在研究軟件無線電解調(diào)方法時應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)和圖形化語言，使用LabVIEW軟件開發(fā)平臺完成了一套軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，采用正交解調(diào)法，該系統(tǒng)能夠完成對采集到的已調(diào)信號的處理和分析過程（包括本地文件中的已調(diào)信號），在此基礎(chǔ)上完成對實時信號波形數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理（包括保存、打印及回放歷史信號等）。為提升無線電領(lǐng)域的應(yīng)用水平提供參考。

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（收稿日期： 2019.07.08）

基金項目：

黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題（GBC1317168）

作者簡介：

孫志勇（1984），男，碩士，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析。

文章編號：1007757X（2020）08005903