李燕 曲毅 劉可心

【摘要】? ? 傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以通信實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)仿真模式為主，學(xué)生難以將學(xué)到的理論知識(shí)迅速應(yīng)用到一個(gè)真正的通信系統(tǒng)。鑒于此，采用軟件無線電設(shè)計(jì)無線通信收發(fā)系統(tǒng)，以AM信號(hào)為例，運(yùn)用ADALM PLUTO和MATLAB Simulink分別搭建了AM-DSB-TC和AM-DSB-SC無線通信系統(tǒng)，加深了學(xué)生對(duì)整體通信鏈路的直觀認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】? ? 軟件無線電? ? AM發(fā)射接收? ? 包絡(luò)檢波法? ? ?相干解調(diào)

引言：

通信原理課程是電子信息工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，承擔(dān)著從一般基礎(chǔ)理論到實(shí)踐應(yīng)用，從單元功能到整體系統(tǒng)的重要過渡。傳統(tǒng)的《通信原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用通信實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)仿真模式[1]。實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)設(shè)備功能單一、固定，只能完成特定實(shí)驗(yàn)教學(xué);計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)缺少配套的硬件系統(tǒng)，學(xué)生缺乏實(shí)際的通信系統(tǒng)感知。

軟件無線電通信是無線通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，基本思想是在統(tǒng)一硬件平臺(tái)上， 通過軟件編程的方式，靈活地實(shí)現(xiàn)各類通信功能，用軟件編程技術(shù)來改變固定傳統(tǒng)的“純硬件電路”技術(shù)。隨著信息與通信技術(shù)的發(fā)展，軟件無線電已廣泛應(yīng)用于通信、軍事等領(lǐng)域。而在通信原理實(shí)驗(yàn)中，利用軟件無線電可以設(shè)計(jì)基于調(diào)制解調(diào)、信道編解碼、信道均衡等核心模塊的通信鏈路[2]。

本文采用軟件無線電設(shè)計(jì)無線通信收發(fā)系統(tǒng)，以AM信號(hào)為例，運(yùn)用軟件無線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不抑制載波的（AM-DSB-TC）和抑制載波的（AM-DSB-SC）信號(hào)的發(fā)射和接收解調(diào)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生繞過模擬前端和射頻問題，能夠接觸到實(shí)際的無線系統(tǒng)工程，對(duì)整體的通信鏈路有更加直觀的認(rèn)識(shí)。

一、AM調(diào)制解調(diào)原理

AM最基本的形式是把原始信息與載波混頻，把原始信息信號(hào)從基帶上搬移到載波頻率，產(chǎn)生一個(gè)在頻譜上有雙邊帶的信號(hào)，因此又叫作雙邊帶（AM-DSB）調(diào)制。它有兩種不同的形式：不抑制載波的（AM-DSB-TC）和抑制載波的（AM-DSB-SC）。

任何基帶信號(hào)都可以用傅立葉級(jí)數(shù)表示為幾個(gè)正弦分量的和，因此，本文AM調(diào)制、解調(diào)原理以單音信號(hào)為例進(jìn)行闡述。

1.1 AM-DSB-TC調(diào)制解調(diào)原理

原始信息信號(hào)和直流分量加在一起與載波混頻產(chǎn)生了AM-DSB-TC信號(hào)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（1）

其中，A0為直流分量;Si（t）是原始信號(hào)信息;Sc（t）為載波信號(hào)。

調(diào)制過程產(chǎn)生了三個(gè)正弦項(xiàng)，一個(gè)頻率是fc-fi，另一個(gè)頻率是fc+fi以及載波分量fc，兩個(gè)頻率分量以fc為中心對(duì)稱。同理，任何基帶信號(hào)的邊帶也是以fc為中心對(duì)稱的。

當(dāng)滿足|Si（t）|max≤A0條件時(shí)，AM信號(hào)的包絡(luò)與原始信號(hào)Si（t）的形狀完全相同，利用包絡(luò)檢波法可以檢出信息包絡(luò)線得到：S0（t）=A0+Si（t），去除直流分量后就可以解調(diào)出原始信號(hào)Si（t）。

1.2 AM-DSB-SC調(diào)制解調(diào)原理

原始信息信號(hào)與載波混頻產(chǎn)生了AM-DSB-SC信號(hào)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（2）

調(diào)制過程產(chǎn)生了兩個(gè)正弦項(xiàng)，一個(gè)頻率是fc-fi，另一個(gè)頻率是fc+fi，兩個(gè)頻率分量以fc為中心對(duì)稱，任何基帶信號(hào)的邊帶也是以fc為中心對(duì)稱的。

AM-DSB-SC信號(hào)的生成很簡單，但是因?yàn)槿狈π畔j(luò)線，在接收端需要運(yùn)用相干解調(diào)法把信息還原。所謂相干解調(diào)法是指在接收端提供一個(gè)與調(diào)制時(shí)的載波的頻率和相位完全相同的正弦波。正弦波與接收到的信號(hào)混頻（相乘），把信號(hào)從載波頻率搬移回基帶。相干解調(diào)要求解調(diào)時(shí)的信號(hào)和相位與載波完全匹配，但大多數(shù)情況下發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的載波發(fā)生器是物理隔離的，沒有共同的參考源，且載波振蕩器因?yàn)樵骷`差和信道傳播過程中相位和頻率的誤差影響使得調(diào)制、解調(diào)使用的正弦波的頻率和相位不可能完全相同，存在頻率誤差的問題，因此需要做載波同步，常用的載波同步方法有costas環(huán)[3]。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文搭建的軟件無線電平臺(tái)由ADALM PLUTO硬件設(shè)備和MATLAB Simulink軟件環(huán)境組成。在發(fā)射端，Simulink搭建一個(gè)AM調(diào)制模型，使用PLUTO上變頻到一個(gè)載波上，通過天線發(fā)射出去。在接收端，PLUTO接收到射頻信號(hào)通過下變頻變?yōu)榛鶐盘?hào)，信號(hào)采樣值經(jīng)過USB接口輸出到計(jì)算機(jī)，再用Simulink進(jìn)行解調(diào)、解碼。文章針對(duì)AM發(fā)射解調(diào)原理的不同實(shí)現(xiàn)了兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 AM-DSB-TC信號(hào)發(fā)射接收

AM-DSB-TC信號(hào)具有明顯的信息包絡(luò)線，接收端本文運(yùn)用包絡(luò)檢波法解調(diào)。

發(fā)送端設(shè)計(jì)如圖1所示：

1.導(dǎo)入基帶音頻信號(hào)。本文選擇的基帶信號(hào)采樣率為48kHZ，頻率分量集中在0-15 kHz。

2.重采樣、濾波。PLUTO硬件采樣率為65.2KSPS-61.44MSPS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基帶信號(hào)的采樣率，因此需要對(duì)信號(hào)上采樣[4]。經(jīng)過第一次重采樣，將信號(hào)采樣速率由48kHz上升到120kHz;經(jīng)過第二次重采樣，將信號(hào)采樣速率上升到240 kHz，滿足PLUTO硬件采樣速率要求。

3.加入直流分量，本文直流分量值設(shè)置為0.05。

4.通過 transmitter模塊設(shè)置載波中心頻率fc（設(shè)為433MHZ）和增益，由PLUTO發(fā)射出去。

接收端設(shè)計(jì)如圖2所示：

1.中心頻率設(shè)置。PLUTO接收到信號(hào)，首先會(huì)在硬件內(nèi)部把射頻信號(hào)下變頻到復(fù)數(shù)基帶。如果正好調(diào)諧到AM信號(hào)的中心頻率上，那么設(shè)備輸出的基帶信號(hào)就是原始的信息信號(hào)在基帶時(shí)的樣子，直接包絡(luò)檢波即可。如果不能正好調(diào)諧到AM的RF載波上，設(shè)備輸出的基帶信號(hào)數(shù)據(jù)仍然是一個(gè)AM信號(hào)，只不過現(xiàn)在的載波頻率很低，可能非常接近0HZ。要使包絡(luò)檢波器正常工作，載波必須是高頻的并產(chǎn)生信息包絡(luò)線。因此，我們可以引入一個(gè)頻率偏移，軟件無線電調(diào)諧得比AM信號(hào)的中心頻率低一些，AM信號(hào)便可以實(shí)現(xiàn)非相干解調(diào)，要求頻率偏移在0<foffset<fs/2（foffset為頻率偏移，fs為采樣頻率）范圍內(nèi)，那么軟件無線電最終輸出的基帶信號(hào)算是一個(gè)中頻信號(hào)，頻率是foffset。根據(jù)這個(gè)思想，如果發(fā)射一個(gè)載波中心頻率為fc的信號(hào)，在接收側(cè)可以把設(shè)備調(diào)諧到（fc-foffset）Hz處，本文foffset設(shè)為40kHz。

2.濾波。允許通過的頻率設(shè)定為25kHz-55kHz。

3.整流。傳統(tǒng)的包絡(luò)檢波器采用半波整流和全波整流電路然后進(jìn)入低通濾波器解調(diào)出音頻信號(hào)[5]，本文采用取信號(hào)模值完成全波整流。

4.抽取濾波。通過抽取濾波器取出基帶信號(hào)[6]，并將將采樣速率降低5倍達(dá)到48kHz。

5.音頻輸出。解調(diào)解碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音頻信息輸出，頻譜圖如圖3所示。

2.2 AM-DSB-SC信號(hào)發(fā)射接收

發(fā)送端設(shè)計(jì)如圖4所示：

1.導(dǎo)入基帶音頻信號(hào)，基帶信號(hào)頻率為48kHz。2.重采樣。根據(jù)PLUTO硬件采樣率的要求，對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩次重采樣由48kHz變?yōu)?40kHz。

3.通過 transmitter模塊設(shè)置載波中心頻率fc（設(shè)為433MHZ）和增益，由PLUTO發(fā)射出去。

接收端設(shè)計(jì)如圖5所示：

1.中心頻率設(shè)置。本文設(shè)foffset為40kHz，射頻增益為50。

2.使用costas環(huán)完成載波同步。costas環(huán)鎖定AM-DSB-SC信號(hào)的載波，并生成一個(gè)本地載波，頻率和相位與調(diào)制載波一樣，本地載波與接收到的信號(hào)相乘，就可以還原音頻信息。

3.抽取濾波。將采樣速率降低5倍，變?yōu)榛鶐盘?hào)速率48kHZ。

4.音頻輸出。解調(diào)解碼的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音頻信息輸出，頻譜圖如圖6所示。

三、結(jié)束語

軟件無線電技術(shù)擁有先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下快速構(gòu)建并驗(yàn)證自行設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)，而不必?fù)?dān)心復(fù)雜的模擬前端及射頻電路設(shè)計(jì)問題，使學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)有了更加深入的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)通信理論知識(shí)的理解。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 傅志中，李曉峰，曹永勝等.通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索.實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2020，39（05），156-159.

[2] 楊宇紅，袁焱，田礫.通信原理實(shí)驗(yàn)教程.清華大學(xué)出版社，2015.

[3]STEWART R W，BARLEE K W，ATKINSON D S W. Software Defined Radio using MATLAB&Simulink and the RTL-SDR[M].Strathclyde? Academic? Media，2015.

[4] 方燕燕. 基于FPGA的信道化接收機(jī)理論與實(shí)現(xiàn)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[5] 池佳豪，何紫薇，陳夢(mèng)陽等. 基于MATLAB調(diào)幅包絡(luò)檢波和相干解調(diào)性能設(shè)計(jì)與比較.電子制作.2019（09）.

[6] 柴晉強(qiáng).基于USRP的U/V段無線電信號(hào)頻譜檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].山西：中北大學(xué)，2020.