CN104079310A - 基于软件无线电架构的超短波数传接收***及其接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件无线电架构的超短波数传接收***，包括：射频装置，其包括接收模块和下变频模块，接收模块接收高频模拟信号后由下变频模块下变频至中频模拟信号；软件无线电模块，其包括A/D转换模块、数字下变频模块、解调模块与D/A转换模块；A/D转换模块将中频模拟信号转换为数字信号，数字下变频模块对其进行下变频与多级抽取滤波得到基带信号；基带信号经过解调模块解调后由D/A转换模块转换成模拟信号输出。本发明克服了传统电台只能传输AM、单边带解调单一解调方式，使数据传输多样化，传输包括语音信息、图像及传真等信息。本发明还公开了一种基于软件无线电架构的超短波数传接收方法。

Description

基于软件无线电架构的超短波数传接收***及其接收方法

技术领域

本发明属于无线电通讯领域，尤其涉及一种基于软件无线电架构的超短波数传接收***及其接收方法。

背景技术

当前海上作业的应急***主要是电话通信***和传统电台接收***。电话通信方式，一旦发生自燃灾害、战争时，以光缆为主要传输介质和移动基站遭到破坏时，应急指挥***将陷入瘫痪；传统的电台接收***大都是基于模拟的硬件***，此外解调方式大都采用AM、SSB解调方式，解调方式的单一使得接收***只能接收语音信息，无法接收较为复杂图像、传真等数字信息，效率低下。伴随着各种通信方式的快速发展，传输信息的由单一的语音信息转变成图像，传真等多种方式，因此对接收设备的要求越来越高。目前接收设备的数字化、灵活的新解调方式将是未来接收***的发展方向，传统基于模拟的硬件***逐渐被数字电路或软件所取代。但是由于电台发射的超短波具有很高的频率，不适应被数字电路或软件解调及处理。所以亟需一种接收***来满足多样化信息传输以及超短波接收***，以应对越来越复杂的海上作业，提高海上应急***的及时性、安全性和可靠性。

发明内容

本发明克服了现有技术中上述缺陷，提出了一种基于软件无线电架构的超短波数传接收***及其接收方法。

本发明提出了一种基于软件无线电架构的超短波数传接收***，是在FPGA中以软件方式实现接收无线电超短波，包括：射频装置，其包括接收模块和下变频模块，所述接收模块用于接收高频模拟信号，所述下变频模块用于将所述高频模拟信号下变频至中频模拟信号；软件无线电模块，其包括A/D转换模块、数字下变频模块、解调模块与D/A转换模块；所述A/D转换模块将所述中频模拟信号转换为两路中频的数字信号，所述数字下变频模块对所述两路中频的数字信号进行下变频与多级抽取滤波得到适于FPGA处理的基带信号；所述解调模块对所述基带信号进行解调，解调后的数字信号经所述D/A转换模块转换成模拟信号输出。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收***中，所述数字下变频模块包括：数控振荡器、CIC滤波器、HB滤波器与FIR滤波器；所述数控振荡器，其用于产生离散化的本振信号，所述本振信号分别与所述两路中频的数字信号经正交混频，将所述两路中频的数字信号的宽带频谱调整至基带信号，得到初始的基带信号；所述CIC滤波器对所述初始的基带信号进行高速抽取滤波，降低所述初始的基带信号的频率；所述HB滤波器的输入与所述CIC滤波器的输出相连，用于对所述CIC滤波器输出的基带信号进行高速抽取滤波用于降低基带信号的频率，得到低频的基带信号；所述FIR滤波器的输入与所述HB滤波器的输出相连，用于对所述低频的基带信号进行补偿滤波得到基带信号，实现所述基带信号的整形与匹配滤波。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收***中，所述CIC滤波器的抽取因子为8。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收***中，所述HB滤波器的抽取因子为2。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收***中，所述解调模块为8-level CPFSK解调模块。

本发明提出了一种基于软件无线电架构的超短波数传接收方法，包括如下步骤：

步骤一：接收电台发出的高频模拟信号，将所述高频模拟信号下变频至中频模拟信号；

步骤二：将所述中频模拟信号经过模数转换得到中频的数字信号；

步骤三：对所述中频的数字信号进行下变频与多级抽取滤波处理得到基带信号；

步骤四：对所述基带信号进行解调，得到数字信号；

步骤五：将所述数字信号进行数模转换得到模拟信号，用于显示与播放。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收方法中，所述解调方式为8-level CPFSK解调方式。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收方法中，步骤三中下变频与多级抽取滤波处理包括如下步骤：

步骤a：产生本振信号，将所述本振信号与所述中频的数字信号正交混频，将所述中频的数字信号的宽带频谱调整至基带信号，得到初始的基带信号；

步骤b：利用CIC滤波器与HB滤波器依次对所述初始的基带信号进行多级抽取滤波，降低所述初始的基带信号的频率，得到低频的基带信号；

步骤c：对所述低频的基带信号进行整形滤波，得到基带信号。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收方法中，所述CIC滤波器的抽取因子为8。

本发明提出的所述基于软件无线电架构的超短波数传接收方法中，所述HB滤波器的抽取因子为2。

本发明将传统的基于硬件的接收***转换到基于软件无线实现的接收机上，降低开发成本及周期，且操作简单，同时还可以实现功能升级与及时***更新。

本发明将传统的基于硬件的接收***转换到基于软件无线实现的接收机上，降低开发成本及周期，且操作简单，同时还可以实现功能升级与及时***更新。

本发明采用8-Level CPFSK解调方式，克服传统接收***单一的解调方式，使得信息传输效率更高。

附图说明

图1是本发明基于软件无线电架构的超短波数传接收***的结构示意图。

图2是数字下变频模块的结构示意图。

图3a是CIC滤波器输出基带信号的波形图，图3b是HB滤波器输出基带信号的波形图，图3c是FIR滤波器输出基带信号的波形图。

图4是本发明基于软件无线电架构的超短波数传接收方法的流程图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明基于软件无线电架构的超短波数传接收***，通过接入数字下变频模块将高频模拟信号转换为可被FPGA处理的基带信号，同时本发明的解调模块采用8-Level CPFSK解调方式，克服了传统电台只能传输AM、单边带解调单一解调方式，使数据传输多样化，不仅能传输语音信息，还能传输图像，传真等信息，满足现有的数据传输多样化的需求。

图1是本发明基于软件无线电架构的超短波数传接收***的***框架。本发明包括：射频装置100与软件无线电模块200。射频装置100用于接收电台发出的无线电信号，并对接收的信号进行下变频处理降低其频率得到中频模拟信号。软件无线电模块200将该中频模拟信号转换为中频的数字信号，并对中频的数字信号进行计算数字下变频、多级抽取滤波处理与解调后得到用于输出的数字信号，将该数字信号进行数模转换后生成用于显示器、扬声器等显示与播放的模拟信号。本发明不仅能接收语音信息，还能接收图像与传真等信息，满足现有的数据传输多样化的需求。本发明还可将传统的基于硬件的接收***转换到基于软件无线实现的接收机上，降低开发成本及周期且操作简单，同时还可以实现功能升级与及时***更新。

射频装置100包括接收模块110和下变频模块120，接收模块110用于接收高频模拟信号，下变频模块120用于将高频模拟信号下变频至中频模拟信号。软件无线电模块200包括A/D转换模块210、数字下变频模块220、解调模块230、D/A转换模块240。软件无线电模块200均在FPGA中实现，由于FPGA具有良好的运算速率、可重构性好，使得本发明***具有更高的处理速度，接收及解调更加灵活，不仅降低开发成本及周期且操作简单，同时还可以实现功能升级与及时***更新。

A/D转换模块210将射频装置100中接收到的中频模拟信号进行带通采样，实现中频模拟信号到中频的数字信号的转换。

如图2所示，数字下变频信号模块220包含数控振荡器(NCO)221、CIC滤波器222、HB滤波器223和FIR滤波器224。数字下变频模块220将接收进来的中频的数字信号进行一次数字下变频产生两路基带信号，然后通过多级抽样滤波，低通滤波，降低基带信号的速率并能得到较好的波形，然后将得到的基带信号送到解调模块230中，将对基带信号进行解调然后送入D/A转换模块240输出，D/A转换模块240可接计算机及其他设备。

其中，A/D转换模块210将射频装置100的中频模拟信号进行带通采样，将该中频模拟信号转变成数字信号。其中，带通采样的中心频率f₀和带宽B之间的公式可表示为：

$f_s=\frac{4f_0}{2n+1},B=f_H-f_L;---\left(1\right)$

式1中f₀＝(f_H+f_L)/2，f_s表示采样频率，f_H表示信号的最高频率，f_L表示信号的最低频率，n的取值满足f_s≥2(f_H-f_L)的最大整数(0，1，2，3，……)，这样利用f_s进行等间隔采样得到采样信号m(nT_s)，就能准确的恢复m(t)。

由于A/D转换模块210所输出的数字信号速率较高，在中频模拟信号转换为数字信号后，将对该数字信号完成数字下变频处理。以查表法为例，预先计算各个相位所对应的正弦值并事先贮存在ROM中，然后以相位为依据通过查表法直接找到相应的正弦值，从而得到正弦波采样。数控振荡器221是决定数字下变频处理性能最主要的因素之一。参阅图2，在软件无线电模块200中设有一个CLK时钟信号模块250，CLK时钟信号模块250为包含数控振荡器(NCO)221、CIC滤波器222、HB滤波器223和FIR滤波器224提供相同的时钟信号。

在每一个时钟的上升沿或下降沿，数控振荡器221利用其相位累加器使相位在原有基础上增加一个相位增加量，该增加量即频率控制字，再利用其相位加法器将初始相位与相位增加量相加得到相位偏移，最后利用相位偏移通过查表法查出相应的正弦值，输出两路正余弦本振信号。其中，每当相位累加器溢出时就产生一个新的循环，相位累加器完成一个循环的时间是正弦波形的周期。

将A/D转换模块210的数字信号与本振信号通过进行正交混频，得到I、Q两路初始的基带信号。此时两路初始的基带信号的频率仍是A/D带通采样中的频率，数据率高，信号的带宽远小于采样频率。本实施例中，被A/D转换模块210进行带通采样的中频模拟信号的中频频率为f0＝51.2MHz，A/D转换模块210的采样频率为fs＝49.6MHz，信号带宽定为10MHz。因此，A/D转换模块210输出的中频的数字信号与本振信号混频后生成的两路初始的基带信号的中心频率为49.6MHz。由于两路初始的基带信号的频率太高，无法适用于FPGA的后续处理，因此两路基带信号必须经过数字下变频模块220的多级抽取滤波来降低基带信号的频率。多次抽取滤波可滤除基带信号中的窄带高频信号，得到含载波信号的低频信号，增大信号的带宽，并降低信号的速率，用于后续FPGA程序处理。

数字下变频模块220中，CIC滤波器222(Cascaded-Integrator-Comb，级联积分梳状滤波器)作为多级抽取滤波的第一级，可达到很高的处理速度并进行大的抽取因子工作。本实施例中，CIC滤波器222可实现8倍的抽取。公式1中的n＝5时，第一电平与其主瓣电平为64.8dB，满足抽取滤波工作时的要求。输入CIC滤波器222的初始的基带信号频率为49.6MHz，带宽为0.8MHz，此过程中CIC滤波器对49.6MHz的基带信号实现8倍的抽取，输出信号频率降为5.12MHz，CIC滤波器222输出的初始的基带信号的波形参见图3a。

HB滤波器223(半带滤波器)作为抽取的第二级，实现2倍的抽取，抽取因子固定为2，可完成采样率降低一半的要求。本实施例中，输入HB滤波器223的基带信号的频率为5.12MHz，经过HB滤波器223的2倍抽取，输出的低频的基带信号的频率为2.56MHz，HB滤波器223输出的低频的基带信号的波形参见图3b。

FIR滤波器224作为多级抽取的第三级，用于作为数字下变频中的补偿滤波，以实现对整个信道的整形滤波，也可作为匹配滤波器。FIR滤波器224不对基带信号进行降速，输出的基带信号的频率仍为2.56MHz FIR滤波器224输出的基带信号的波形参见图3c。

两路基带信号经过多次抽取与滤波之后，得到用于解调的基带信号。此时将该基带信号送到解调模块230中进行解调，解调模块230为8-Level CPFSK解调模块，通过8-Level CPFSK解调方式从中得到相应的数字信号，该数字信号中包含有图像及声音等数据。将该数字信号经过D/A转换模块240进行数模转换，得到已解调的模拟信号。

本发明尤其适用于海上传统的通信有卫星、短波、超短波通信，相对于短波信道，超短波主要靠直射波通信，在长时间范围内其信道参数可以当做是恒定不变的，因而超短波通信更可靠也更简单、更稳定；相对于通信较好的卫星通信来说，本发明结构简单，成本较低。由于超短波通信具有稳定、简单、通信频率较高等特点，近年，在民用领域及军用领域，应用广泛提高。超短波通信的灵活性正好满足调度指挥，应急通信地点、时间和通信形式的不确定性，例如利用中继设备，超短波通信可以覆盖很宽的范围，在应急通信中发挥了重要的作用。因此，本发明可以作为海上作业船只的应急接收***，可以很好的完成应急通信。

如图4所示，本发明基于软件无线电架构的超短波数传接收方法包括如下步骤：

步骤一：接收电台发出的高频模拟信号，将高频模拟信号下变频至中频模拟信号；

步骤二：将中频模拟信号经过模数转换得到中频的数字信号；

步骤三：对中频的数字信号进行下变频与多级抽取滤波处理得到基带信号；

步骤四：对基带信号进行解调，得到数字信号；

步骤五：将数字信号进行数模转换得到模拟信号，用于显示与播放。其中，解调方式为8-level CPFSK解调方式。

进一步说明的是，步骤三中下变频与多级抽取滤波处理包括如下步骤：

步骤a：产生本振信号，将本振信号与中频的数字信号正交混频，将中频的数字信号的宽带频谱调整至基带信号，得到初始的基带信号；

步骤b：利用CIC滤波器与HB滤波器依次对初始的基带信号进行多级抽取滤波，降低初始的基带信号的频率，得到低频的基带信号；

步骤c：对低频的基带信号进行整形滤波，得到基带信号。

如上述实施例中，CIC滤波器的抽取因子为8，HB滤波器的抽取因子为2。输入CIC滤波器222的初始的基带信号频率为49.6MHz，依次经过CIC滤波器与HB滤波器的多级抽取滤波后，输出的基带信号频率为2.56MHz，适用于后端FPGA程序的处理。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种基于软件无线电架构的超短波数传接收***，所述超短波数传接收***是在FPGA中以软件方式实现接收超短波，其特征在于，包括：

射频装置(100)，其包括接收模块(110)和下变频模块(120)，所述接收模块(110)用于接收高频模拟信号，所述下变频模块(120)用于将所述高频模拟信号下变频至中频模拟信号；

软件无线电模块(200)，其包括A/D转换模块(210)、数字下变频模块(220)、解调模块(230)与D/A转换模块(240)；所述A/D转换模块(210)将所述中频模拟信号转换为两路中频的数字信号，所述数字下变频模块(220)对所述两路中频的数字信号进行下变频与多级抽取滤波得到适于FPGA处理的基带信号；所述解调模块(230)对所述基带信号进行解调，解调后的数字信号经所述D/A转换模块(240)转换成模拟信号输出。

2.如权利要求1所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收***，其特征在于，所述数字下变频模块(220)包括：数控振荡器(221)、CIC滤波器(222)、HB滤波器(223)与FIR滤波器(224)；

所述数控振荡器(221)，其用于产生离散化的本振信号，所述本振信号分别与所述两路中频的数字信号经正交混频，将所述两路中频的数字信号的宽带频谱调整至基带信号，得到初始的基带信号；

所述CIC滤波器(222)对所述初始的基带信号进行高速抽取滤波，降低所述初始的基带信号的频率；

所述HB滤波器(223)的输入与所述CIC滤波器(222)的输出相连，用于对所述CIC滤波器(222)输出的基带信号进行高速抽取滤波用于降低基带信号的频率，得到低频的基带信号；

所述FIR滤波器(224)的输入与所述HB滤波器(223)的输出相连，用于对所述低频的基带信号进行补偿滤波得到基带信号，实现所述基带信号的整形与匹配滤波。

3.如权利要求2所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收***，其特征在于，所述CIC滤波器(222)的抽取因子为8。

4.如权利要求2所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收***，其特征在于，所述HB滤波器(223)的抽取因子为2。

5.如权利要求1所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收***，其特征在于，所述解调模块(230)为8-level CPFSK解调模块。

6.一种基于软件无线电架构的超短波数传接收方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：接收电台发出的高频模拟信号，将所述高频模拟信号下变频至中频模拟信号；

步骤二：将所述中频模拟信号经过模数转换得到中频的数字信号；

步骤三：对所述中频的数字信号进行下变频与多级抽取滤波处理得到基带信号；

步骤四：对所述基带信号进行解调，得到数字信号；

步骤五：将所述数字信号进行数模转换得到模拟信号，用于显示与播放。

7.如权利要求6所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收方法，其特征在于，所述解调方式为8-level CPFSK解调方式。

8.如权利要求6所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收方法，其特征在于，步骤三中下变频与多级抽取滤波处理包括如下步骤：

步骤a：产生本振信号，将所述本振信号与所述中频的数字信号正交混频，将所述中频的数字信号的宽带频谱调整至基带信号，得到初始的基带信号；

步骤b：利用CIC滤波器与HB滤波器依次对所述初始的基带信号进行多级抽取滤波，降低所述初始的基带信号的频率，得到低频的基带信号；

步骤c：对所述低频的基带信号进行整形滤波，得到基带信号。

9.如权利要求8所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收方法，其特征在于，所述CIC滤波器的抽取因子为8。

10.如权利要求8所述的基于软件无线电架构的超短波数传接收方法，其特征在于，所述HB滤波器的抽取因子为2。