宋曉鷗

(武警工程大學(xué)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(shè)計與實現(xiàn)

宋曉鷗*

(武警工程大學(xué)信息工程系,西安 710086)

摘要:為解決地下通信實現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù),設(shè)計了數(shù)字化地下通信語音調(diào)頻接收機。根據(jù)信號流向,設(shè)計了80 dB大動態(tài)自動增益控制放大器,給出了數(shù)字正交鑒頻結(jié)構(gòu),完成了語音終端設(shè)計,最后詳細地闡述了接收機的軟件設(shè)計和硬件實現(xiàn)。整個接收機具有較強的抗噪聲性能。

關(guān)鍵詞:地下通信;軟件無線電;數(shù)字接收機;自動增益控制;調(diào)頻正交解調(diào)

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

地下空間有限,通信實現(xiàn)困難,信號波動范圍大。調(diào)頻調(diào)制方式因其抗噪性能好、易于實現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用于無線通信的各個領(lǐng)域。本文針對地下通信的特點,從易于集成、低功耗、大動態(tài)范圍等方面考慮設(shè)計了數(shù)字化地下通信調(diào)頻接收機系統(tǒng),文中主要分析了系統(tǒng)中接收機的原理設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù),并在此基礎(chǔ)上進行了數(shù)字接收機硬件和軟件設(shè)計。

1　接收機原理設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

1.1接收機原理設(shè)計

本文設(shè)計的FM數(shù)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(shù)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(shù)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(tài)范圍。帶通采樣下變頻模塊方面完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能,另一方面將高速的模擬信號所要求下變頻到數(shù)字基帶信號。數(shù)字鑒頻模塊則利用數(shù)字下變頻模塊輸出的信號,通過正交解調(diào)最終完成調(diào)頻信號的解調(diào)。解調(diào)后的調(diào)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(guān)鍵技術(shù)

1.2.1自動增益控制技術(shù)

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(dāng)輸入信號的幅度變化很大時,能夠使設(shè)備輸出電平保持恒定或者僅在較小的范圍內(nèi)變化,在無線接收機中是不可缺少的一個部分。當(dāng)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)生一個誤差信號,根據(jù)這個誤差信號產(chǎn)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(huán)負反饋系統(tǒng)。當(dāng)輸入信號Uin減小而使輸出信號Uout變小時,環(huán)路產(chǎn)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(dāng)Uin增大而導(dǎo)致Uout增大時,環(huán)路產(chǎn)生的控制信號使增益減小,從而Uout趨于減小。因此由于環(huán)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(nèi)變化。

1.2.2帶通采樣下變頻技術(shù)

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(shù),滿足:

1≤n≤┕fH/B」

其中,┕fH/B」表示fH/B的整數(shù)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(jīng)過采樣速率fs的帶通采樣后所得到的進入第1Nyquist區(qū)的頻率為:

(2)

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

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(qū),此時絕對頻率信息丟失了,即出現(xiàn)了頻譜的搬移。帶通采樣定理的應(yīng)用,大大降低了采樣率理論值,因而也大大降低了對ADC和數(shù)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(jié)構(gòu)非常簡單,不僅實現(xiàn)了數(shù)字化,同時實現(xiàn)了下變頻到較低頻率。值得注意的是,只允許其中一個Nyquist區(qū)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(shù)字調(diào)頻解調(diào)技術(shù)

設(shè)調(diào)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(diào)頻信號幅度,m(t)為調(diào)制信號,ωc為信號載波[6-8]。

將式(3)所示的調(diào)頻信號與本地產(chǎn)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(dǎo)數(shù)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(jù)式(6)、式(7)、式(10)、式(11),可按如下方法得到m(t)

(12)

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

圖3　調(diào)頻信號正交解調(diào)器的原理框圖

FM信號用正交解調(diào)方法解調(diào)時,具有較強的抗載頻失配能力[9]。當(dāng)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(diào)制信號

(15)

因此當(dāng)載波存在固定的頻差和相差時,解調(diào)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(diào)制信號。

1.2.4語音終端設(shè)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(shù)字信號模擬和數(shù)字量之間的A/D和D/A的轉(zhuǎn)換(ADC和DAC),并對數(shù)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(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要針對以上4個關(guān)鍵技術(shù)進行設(shè)計,濾波器部分這里不再詳述。

(1)由于模擬AGC環(huán)路增益可以連續(xù)變化,而數(shù)字AGC環(huán)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(diào)制信號的接收解調(diào)錯誤,本設(shè)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(nèi)0～80 dB壓控增益范圍的優(yōu)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(yīng)用的需求。內(nèi)部功能見圖5所示。

圖5　AD8338功能框圖

利用內(nèi)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(tǒng)采用AD8338,完成信號放大同時實現(xiàn)動態(tài)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(shè)計中A/D轉(zhuǎn)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(shù)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(diào)。

(3)正交解調(diào)對應(yīng)數(shù)字域表達式為[10]

(16)

對于調(diào)頻信號,其振幅近似恒定,不妨設(shè)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(diào)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　正交解調(diào)算法的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

本方案中FPGA芯片選用ALTERA公司的Cyclone Ⅲ EP3C40Q240C8芯片,在設(shè)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(diào)模塊FPGA芯片的實現(xiàn)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(zhuǎn)換輸入內(nèi)部設(shè)有200 Hz～3.4 kHz帶通濾波器,在D/A轉(zhuǎn)換輸出內(nèi)部設(shè)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(nèi)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(diào)算法的FPGA實現(xiàn)

圖9　MC145481的結(jié)構(gòu)圖

圖10　MC145481硬件連接圖

3　結(jié)論

基于軟件無線電的數(shù)字接收機在地下通信中具有模擬調(diào)制無可比擬的優(yōu)點。本設(shè)計包括整體方案設(shè)計、原理圖設(shè)計和軟硬件實現(xiàn)及調(diào)試。軟件無線電作為未來移動通信甚至無線電技術(shù)的發(fā)展方向,是無線通信領(lǐng)域的又一次革命,將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用到空間有限地下通信系統(tǒng)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(xué)信息工程系講師,主要研究領(lǐng)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(biāo)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