短波数字接收机的算法研究和DSP实现

发布日期:2006-03-02　作者:李双田　李昌立　陈丹平　袁津润 来源:电子学报

　【提要】　接收机数字化是当前无线通信领域的一个热点.高效的DSP算法是高性能低代价短波数字接收机的关键.本文介绍短波数字接收机组成原理、短波数字接收机的算法研究和DSP实现及实验结果.
　　关键词:短波通信、短波数字接收机

一、引　　言
　　由于短波通信具有通信距离远和信道不易摧毁等优点，它历来是政府、军事、外交、气象、商业等部门必要的通信手段.基于超外差理论的短波模拟接收机至今已有80多年的历史，其技术已相当成熟.归纳起来性能可达到如下水平：接收频段从5kHz到30MHz，调谐精度通常可达10Hz；音频处理带宽从 300Hz到16kHz，可有5种选择或略多一些；解调方式有调幅(AM)、等幅报(CW)、调频(FM)、单边带(SSB)和独立边带(ISB)等几种.众所周知，超外差接收机是将接收到的射频信号变换到频率为455kHz的中频(IF)信号，之后的放大、滤波和解调等都在该IF段利用模拟电路来完成.在这类模拟接收机中一直存在的问题是模拟滤波器的种类不可能太多，一部接收机由于体积所限，至多装入5～6个滤波器，其抗干扰分辨性能是相当有限的；解调方式仅限于几种，缺乏灵活应变性；对工作频带内的窄带干扰无能为力，接收微弱信号的能力低，否则模拟电路将变得十分复杂.
　　在信息爆炸的现代社会里，短波通信越来越广泛地在政府、军事、外交、气象、商业等部门得到应用，这就使短波波段的电台变得越来越拥挤，相互间的干扰也越来越严重，传统的模拟接收机已经难以适应现代短波通信的需求，所以，必须研制新一代的短波接收机，即短波数字化接收机.
　　随着数字信号处理器(DSP)运算速度的日益提高，高精度大动态范围模拟数字转换器(A/D)的出现和广泛使用，采用数字运算方式来处理IF信号已经提到了日程［1～5］. 近几年来，美国和德国一些比较著名的接收机厂商已经推出了他们的数字化接收机产品，例如美国WJ-8711、8712、8712P、9103短波数字化接收机等.这些接收机的共同特点是，在接收机进入数字化处理之前，接收机前端包括变频、滤波以及高中频放大，采用数级模拟电路，后续电路包括变频，中频放大，中频滤波和解调等采用高速数字信号处理器代替原来的许多模拟模块，接收机中的所有控制电路，如调谐、增益控制、带宽、静噪、解调方式选择、AGC时间常数选择等均实现数字控制.采用数字信号处理技术以后，数字滤波器(FIR，IIR)、精密正弦波发生器、多种解调算法都可以方便灵活运用.接收机厂家可以通过DSP软件的升级和版本的更新，方便地提高设备的性能和增加设备的功能.
　　高性能和多功能是短波侦听接收机的特殊要求.有效而低代价地完成数字接收的算法是新一代无线接收机的一项关键技术.目前存在的短波无线信号，除AM、 CW、SSB和ISB外，还有同步调幅(SAM)、(FM)、频移键控(FSK)、音频频移键控(AFSK)等几种.

二、短波数字接收机组成原理
　　我们研制的无线数字接收机由模拟前端、A/D、DSP处理单元、D/A、控制单元和后处理单元六部分组成，实现框图如图1所示.

图1　HF数字接收机原理框图

　　模拟前端(见图2)把从天线接收到的RF信号和可调谐的一本振(1ST.LO)进行第一次混频，转换为41.44MHz的高频信号，其带宽为 20kHz，调谐步进为1kHz,然后再和一固定频率为40MHz的二本振(2ND.LO)进行第二次混频，获得中心频率为1.44MHz，带宽为 16kHz的信号.但对于数字处理，仍嫌频率太高，所以，将该信号和一固定频率为1.415MHz的三本振(3RD.LO)进行第三次混频，获得中心频率为25kHz，带宽为12kHz的信号，称为IF信号.此IF信号通过字长为16位的A/D，以100kHz的采样率(Fs)进行模数变换，得到IF数字信号，送入DSP处理单元.

图2　模拟前端组成框图

　　在DSP处理单元(见图3)，“命令处理单元”接收和处理来自“数字接收机控制单元”的控制命令，进行工作种类、IF滤波器带宽、SSB带宽、ISB带宽、陷波器中心频率与带宽、拍频调谐、AGC时间常数、静噪点平、脉冲抑制、监听等功能的选择；“解调单元”用数字运算方法处理IF信号，实现灵活的解调功能，包括：AM、SAM、FM、FSK、AFSK、CW、SSB(上边带USB、下边带LSB)、ISB等.这样，可以获得模拟电路不可能得到的很多优点.例如，精密正弦波发生器可使调谐精度达1Hz；多种带宽的IF数字滤波器可以通过控制单元进行选择，只需增加一些存储空间；工作频带内的窄带干扰可以通过中心频率和带宽可调的数字陷波器来抑制；多种解调方式可以通过调用不同的数字解调算法，用同一处理器来完成，从而增强了接收机的灵活应变性.不改变硬件就可以改变接收机的功能，使之适合于各种解调，包括模拟方法不易提供的解调功能.此外，DSP处理单元还完成AGC、静噪、突发脉冲抑制和25kHz IF信号的再生等功能.DSP处理单元输出的数字单频信号和再生的25kHz IF数字信号经D/A变换后送到后处理单元，在FSK和AFSK工作方式下，数字信号直接馈给后处理单元.

图3　DSP处理单元功能框图

　　后处理单元完成音频信号的模拟滤波和放大输出，数字信号的输出，以及将DSP再生的25kHz IF信号与来自模拟前端的430kHz信号的混频，进而输出455kHz的IF信号.

三、短波数字接收机的DSP算法研究
　　由于受到DSP运算速度的限制，数字接收机不能简单套用传统模拟接收机中使用的解调算法，必须开发DSP能够实时运行的计算有效的算法，因此，有效的 DSP算法是高性能低代价短波数字接收机的关键.我们已研究并实现了前述多种解调方式，下面以AM、SSB、FM、CW和AGC为例说明基于DSP的数字解调算法原理.
　　1.标准调幅信号的数字解调算法
　　标准调幅信号(AM)可以使用SSB解调方法来解调，但是在本地载频不够准确的情况下，存在的较大的载频分量会导致令人生厌的差频声.所以用SSB方法解调AM信号不是一种可取的方法.
　　一种较实际的方法是使用包络检波法.在这种情况下，本地载波的频率与相位无须十分准确，现分析如下.

图4　AM解调算法原理框图

　　AM信号的数字解调算法原理框图如图4所示.如设载波信号为uccos(ωct+φ)，调制信号为m0+mΩ(t)，则收到的标准调幅信号为：

如设:

则输入的调制信号可分解为载波的同相分量和正交分量,即为　.完成AM的数字解调,只需将输入信号与本地载频　和　分别相乘,将收到的带通信号搬移到零中频,当调谐准确,使　,很显然,只会有同相分量和正交分量:

然后再进行低通FIR抗混迭[6-7]滤波和4:1抽取,滤除高频分量并使采样率从100kHz降低到25kHz,通过低通LPF2进行信道滤波,可得到:

求出包络:

完成了解调过程.k为可调整的常数,和系统的初始化及设定值有关.

　　上述解调算法可以通过软件编程,由DSP精确地实现.而在模拟接收机中它只能由模拟器件近似实现[8].

　　2.单边带信号的数字解调算法
　　由于DSP硬件速度所限，单边带信号的数字解调不能简单套用单边带模拟接收机中采用的传统的边带滤波器和乘法器组成的相干解调器.我们通过灵活运用多速率信号处理理论、调制理论和数字滤波理论，提出一种新的、有效的SSB数字解调算法(以下边带LSB为例).
　　原理框图如图5(a)所示，对应的频谱变换过程如图5(b)所示.如设载波信号为

调制单音信号为　　

则收到的LSB信号为　　

图5　(a)　SSB解调算法A的原理框图

图5　(b)　SSB解调算法A的频谱

先进行一次以25kHz为中心率的带通滤波，滤除25±8.6kHz以外的干扰(这个干扰在后续滤波处理中是无法消除的)，注意到此时这个带通滤波器的中心频率为采样率的1/4，所以滤波器的系数有一半为零，适当的编程可节省一半的运算量.然后进行下变频处理，将滤波后的信号变换到以6.25kHz为中心频率的信号.

经FIR低通滤波(这个滤波器在100kHz采样率下设计，由于后面要进行4：1抽取，所以实际的滤波运算可在25kHz采样率下进行)，滤除上式的第二项，再进行4：1抽取，使采样率变到25kHz，得

这个信号是在频率6.25kHz左边的一个频谱已经倒置的下边带信号.然后,根据控制单元发来的带宽指令,在25kHz采样率下,对此进行相应带宽的信道滤波(BPF).得到

为了消除频谱倒置,将I3(t)调制到6.25kHz,形成一双边带信号

再经过低通滤波器，滤除无用频率成分就得到了所求的解调信号

　　3.调频信号的数字解调算法
　　FM信号的解调方法很多.用软件编程方法实现限幅放大、微分、半波整流、单稳和低通滤波等功能是非常容易的，所以基于这些功能的“脉冲计数式鉴频器”［8］便于DSP实现FM解调.实验表明，该算法对移频信号和线性调频信号都具有很好的效果.
　　4.等幅报信号的数字解调算法
　　算法原理框图如图6所示.DSP接收的CW IF信号可表示为：

图6　CW数字解调器

式中，A表示输入载波的幅度.载波的有无携带了CW的信息.图6中的带通滤波器完成信道滤波的功能，以提高CW的选择性，其带宽从56Hz到16kHz分66档连续可调.该滤波器的输出与一由精密正弦波发生器产生的拍频可调的本地载波cos(ωC-ωBFO)t相乘，实现要求的拍频功能，其乘积表示为

低通滤波以后,输出的基带信号便是所求的CW解调信号:

　　5.自动增益控制算法原理
　　AGC是数字化接收机的一个复杂的问题.采用一个反馈控制系统，由DSP单元产生的数字控制信号，经一个D/A变换器和相应的模拟电路，产生模拟控制电压，控制模拟前端的模拟非线性衰减器，来使A/D变换器的输入电平保持在某一常数附近.这种AGC要求具有充电快、放电慢的特点，以便在信号出现的瞬间立刻产生AGC控制电压，而在信号短时间消失时这个控制电压缓慢地改变.
　　我们提出的AGC控制电压发生器的原理如图7所示.用来提供快充慢放的DSP算法主要由一个双斜率数字滤波器(由一个快充快放包络检波器和一个慢充慢放包络检波器组成)、一个比较器和数字发生器组成.双斜率数字滤波器快充慢放地对输入信号进行检波处理，得到信号包络的平均值.其特点是对一致性衰落和选择性衰落，都能有效地进行增益控制，适应性广.

图7　AGC控制电压发生器的原理框图

　　AGC的充放电时间常数分别由参数Mf和Ms决定.只有当输入电平超出参考电平±0.1dB时，控制电压才进行调整，以便使AGC忽略相对小的输入电平变化.只要ymax(n)保持在参考电平±0.1dB内，AGC就不改变控制电压.即当

其中,vref为参考电压,　据下式求出:

由此得到的ymax(n)具有充电快、放电慢的特点.其中,yf(n)和ys(n)可表示为:

　　yf(n)可完成对输入信号进行快充快放检波处理的功能.它除与ys(n)相结合完成快充慢放检波处理的功能外,还可用来抑制突发脉冲干扰.ys(n)可完成对输入信号进行慢充慢放检波处理的功能.
　　这种基于DSP的AGC控制算法具有许多优点,包括:
　　.与二极管检波器相比,有极为准确的信号电平测量和静噪电平设置
　　.可以以1dB的步长进行精确的增益变化
　　.AGC误差小(输入信号在100dB范围内变化的,输出变化可小到0.1dB,而在许多模拟接收机中,输出变化高达3-6dB)
　　.具有用DSP改变AGC充电和放电时间常数的能力

四、DSP实现和实验结果
　　我们设计了一块具有模拟输入输出信号接口且性能稳定的高速DSP插卡.该卡用TI公司的TMS320C31(60MHz)作为处理器，配置了128K× 32高速RAM(15ns)，2×512K×8的EPROM.TMS320C31是浮点信号处理器，也可做定点运算(32位)，片内具有2K×32位双寻址高速内存，运算能力可达30MIPS，60FLOPS.卡上所用的A/D为DSP102，转换速度为每秒200K个数据，字长为16位，D/A为 DSP202，两者通过TMS320C31直通时，动态范围可以超过90dB.
　　从图1可知，作为数字接收机的一个部件，DSP卡和接收机其它部分有多个接口相连，程序的启动、运行、更换参量都和其它部分有关.因此，只有在实时工作时才能评估和检测程序的运行效果.为此，此卡具有和接收机其它部分连接所需的模拟电路，以及调试和在线仿真的有关接口.实时仿真接口可与PC- 486/586连接，实时调试可以在PC机上进行.一旦软件达到满意效果，即可脱机，固化在EPROM内.
　　我们已研制了两台无线数字接收机的样机.用RF信号发生器作为信号源，连接到接收机的天线输入端，在接收机的输出端连接100kHz频谱分析仪和示波器，对接收机的解调特性、滤波器的通阻带特性、AGC的时间特性、灵敏度、失真度、中频带宽、噪声系数、音频输出功率和三阶互调等指标进行了测试.对多种 RF信号进行的试验表明，该接收机对AM、SAM、FM、FSK、AFSK、CW、SSB(下边带LSB和上边带USB)和ISB信号均能正确解调，基本满足性能指标要求.
　　接收实际RF信号的大量实验表明，我们研制的无线数字接收机的性能与美国WJ公司的WJ-8711相当.严格的性能测试和整机的进一步优化与改进仍在进行中.

作者简介:李双田　中国科学院声学研究所副研究员，语言与通信研究室主任，1992年4月获北京邮电学院工学硕士学位，1997年8月获中国科学院声学研究所理学博士学位.近年来主要从事数字信号处理的理论与算法、无线数据传输和无线数字接收等方面的研究工作
　　李昌立　中国科学院声学研究所研究员，中国仪器仪表学会理事，中国电子学会信号处理分会理事，中国通信学会信号与信息处理专业委员会副主任.1962 年毕业于北京邮电学院无线系.近年来主要从事语音信号处理、多媒体通信终端以及DSP开发和应用方面的研究工作.曾获全国科学大会奖、国家发明创造二等奖、中科院科研成果一等奖等多项奖励.

作者单位:中科院声学所十室，北京 100080

参　考　文　献
　1　R.M.Lober.A DSP-based approach to HF receiver design:Higher Performance at a Lower Cost.TECHNICAL SYMPOSIUM,1993
　2　R.J.Coy,C.N.Smith and P.R.Smith.Use of DSP within a high performance HF band receiver.Inroc IEE Conference of Radio Receivers and Associated Systems,July,1990
　3　R.J.Coy,C.N.Smith and P.R.Smith.HF-band radio receiver design based on digital signal processing.Electronics & Communication Engineering Journal,April,1992,:83～90
　4　D.T.Anderson,J.M.Whikehart.A digital signal processing HF receiver.Inroc.IEE Conf.HF Communication Systems and Techniques,Pub.,February,1985,245:89～93
　5　J.Masterton,P.A.Ramsdale,I.A.W.Vance.Digital techniques for advanced radio.Inroc.IEE Conf.Mobile Radio Systems & Techniques,Sept,1984,6～10
　6　J.G.Proakis and D.G.Mamolakis.Introduction to digital signal processing,Macmillan,Inc.,New York,1988:654～674
　7　R.E.Crochiere and L.R.Rabiner.Interpolation and decimation of digital signals-A tutorial review.Proceedings of the IEEE,March,1981,69(3):300～331
　8　高如云等.通讯电子线路.西安：西安电子科技大学出版社，1995