基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)及其接收方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),包括:射頻裝置,其包括接收模塊和下變頻模塊,接收模塊接收高頻模擬信號后由下變頻模塊下變頻至中頻模擬信號;軟件無線電模塊,其包括A/D轉換模塊、數(shù)字下變頻模塊、解調模塊與D/A轉換模塊;A/D轉換模塊將中頻模擬信號轉換為數(shù)字信號,數(shù)字下變頻模塊對其進行下變頻與多級抽取濾波得到基帶信號;基帶信號經(jīng)過解調模塊解調后由D/A轉換模塊轉換成模擬信號輸出。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)電臺只能傳輸AM、單邊帶解調單一解調方式,使數(shù)據(jù)傳輸多樣化,傳輸包括語音信息、圖像及傳真等信息。本發(fā)明還公開了一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法。
【專利說明】基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)及其接收方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線電通訊領域,尤其涉及一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)及其接收方法。
【背景技術】
[0002]當前海上作業(yè)的應急系統(tǒng)主要是電話通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)電臺接收系統(tǒng)。電話通信方式,一旦發(fā)生自燃災害、戰(zhàn)爭時,以光纜為主要傳輸介質和移動基站遭到破壞時,應急指揮系統(tǒng)將陷入癱瘓;傳統(tǒng)的電臺接收系統(tǒng)大都是基于模擬的硬件系統(tǒng),此外解調方式大都采用AM、SSB解調方式,解調方式的單一使得接收系統(tǒng)只能接收語音信息,無法接收較為復雜圖像、傳真等數(shù)字信息,效率低下。伴隨著各種通信方式的快速發(fā)展,傳輸信息的由單一的語音信息轉變成圖像,傳真等多種方式,因此對接收設備的要求越來越高。目前接收設備的數(shù)字化、靈活的新解調方式將是未來接收系統(tǒng)的發(fā)展方向,傳統(tǒng)基于模擬的硬件系統(tǒng)逐漸被數(shù)字電路或軟件所取代。但是由于電臺發(fā)射的超短波具有很高的頻率,不適應被數(shù)字電路或軟件解調及處理。所以亟需一種接收系統(tǒng)來滿足多樣化信息傳輸以及超短波接收系統(tǒng),以應對越來越復雜的海上作業(yè),提高海上應急系統(tǒng)的及時性、安全性和可靠性。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中上述缺陷,提出了一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)及其接收方法。
[0004]本發(fā)明提出了一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),是在FPGA中以軟件方式實現(xiàn)接收無線電超短波,包括:射頻裝置,其包括接收模塊和下變頻模塊,所述接收模塊用于接收高頻模擬信號,所述下變頻模塊用于將所述高頻模擬信號下變頻至中頻模擬信號;軟件無線電模塊,其包括A/D轉換模塊、數(shù)字下變頻模塊、解調模塊與D/A轉換模塊;所述A/D轉換模塊將所述中頻模擬信號轉換為兩路中頻的數(shù)字信號,所述數(shù)字下變頻模塊對所述兩路中頻的數(shù)字信號進行下變頻與多級抽取濾波得到適于FPGA處理的基帶信號;所述解調模塊對所述基帶信號進行解調,解調后的數(shù)字信號經(jīng)所述D/A轉換模塊轉換成模擬信號輸出。
[0005]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)中,所述數(shù)字下變頻模塊包括:數(shù)控振蕩器、CIC濾波器、HB濾波器與FIR濾波器;所述數(shù)控振蕩器,其用于產(chǎn)生離散化的本振信號,所述本振信號分別與所述兩路中頻的數(shù)字信號經(jīng)正交混頻,將所述兩路中頻的數(shù)字信號的寬帶頻譜調整至基帶信號,得到初始的基帶信號;所述CIC濾波器對所述初始的基帶信號進行高速抽取濾波,降低所述初始的基帶信號的頻率;所述HB濾波器的輸入與所述CIC濾波器的輸出相連,用于對所述CIC濾波器輸出的基帶信號進行高速抽取濾波用于降低基帶信號的頻率,得到低頻的基帶信號;所述FIR濾波器的輸入與所述HB濾波器的輸出相連,用于對所述低頻的基帶信號進行補償濾波得到基帶信號,實現(xiàn)所述基帶信號的整形與匹配濾波。
[0006]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)中,所述CIC濾波器的抽取因子為8。
[0007]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)中,所述HB濾波器的抽取因子為2。
[0008]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)中,所述解調模塊為8-level CPFSK解調模塊。
[0009]本發(fā)明提出了一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法,包括如下步驟:
[0010]步驟一:接收電臺發(fā)出的高頻模擬信號,將所述高頻模擬信號下變頻至中頻模擬信號;
[0011]步驟二:將所述中頻模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉換得到中頻的數(shù)字信號;
[0012]步驟三:對所述中頻的數(shù)字信號進行下變頻與多級抽取濾波處理得到基帶信號;
[0013]步驟四:對所述基帶信號進行解調,得到數(shù)字信號;
[0014]步驟五:將所述數(shù)字信號進行數(shù)模轉換得到模擬信號,用于顯示與播放。
[0015]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法中,所述解調方式為8-level CPFSK解調方式。
[0016]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法中,步驟三中下變頻與多級抽取濾波處理包括如下步驟:
[0017]步驟a:產(chǎn)生本振信號,將所述本振信號與所述中頻的數(shù)字信號正交混頻,將所述中頻的數(shù)字信號的寬帶頻譜調整至基帶信號,得到初始的基帶信號;
[0018]步驟b:利用CIC濾波器與HB濾波器依次對所述初始的基帶信號進行多級抽取濾波,降低所述初始的基帶信號的頻率,得到低頻的基帶信號;
[0019]步驟c:對所述低頻的基帶信號進行整形濾波,得到基帶信號。
[0020]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法中,所述CIC濾波器的抽取因子為8。
[0021]本發(fā)明提出的所述基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法中,所述HB濾波器的抽取因子為2。
[0022]本發(fā)明將傳統(tǒng)的基于硬件的接收系統(tǒng)轉換到基于軟件無線實現(xiàn)的接收機上,降低開發(fā)成本及周期,且操作簡單,同時還可以實現(xiàn)功能升級與及時系統(tǒng)更新。
[0023]本發(fā)明將傳統(tǒng)的基于硬件的接收系統(tǒng)轉換到基于軟件無線實現(xiàn)的接收機上,降低開發(fā)成本及周期,且操作簡單,同時還可以實現(xiàn)功能升級與及時系統(tǒng)更新。
[0024]本發(fā)明采用8-Level CPFSK解調方式,克服傳統(tǒng)接收系統(tǒng)單一的解調方式,使得信息傳輸效率更高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)的結構示意圖。
[0026]圖2是數(shù)字下變頻模塊的結構示意圖。
[0027]圖3a是CIC濾波器輸出基帶信號的波形圖,圖3b是HB濾波器輸出基帶信號的波形圖,圖3c是FIR濾波器輸出基帶信號的波形圖。
[0028]圖4是本發(fā)明基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0029]結合以下具體實施例和附圖,對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施本發(fā)明的過程、條件、實驗方法等,除以下專門提及的內容之外,均為本領域的普遍知識和公知常識,本發(fā)明沒有特別限制內容。
[0030]本發(fā)明基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),通過接入數(shù)字下變頻模塊將高頻模擬信號轉換為可被FPGA處理的基帶信號,同時本發(fā)明的解調模塊采用8-LevelCPFSK解調方式,克服了傳統(tǒng)電臺只能傳輸AM、單邊帶解調單一解調方式,使數(shù)據(jù)傳輸多樣化,不僅能傳輸語音信息,還能傳輸圖像,傳真等信息,滿足現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸多樣化的需求。
[0031]圖1是本發(fā)明基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)的系統(tǒng)框架。本發(fā)明包括:射頻裝置100與軟件無線電模塊200。射頻裝置100用于接收電臺發(fā)出的無線電信號,并對接收的信號進行下變頻處理降低其頻率得到中頻模擬信號。軟件無線電模塊200將該中頻模擬信號轉換為中頻的數(shù)字信號,并對中頻的數(shù)字信號進行計算數(shù)字下變頻、多級抽取濾波處理與解調后得到用于輸出的數(shù)字信號,將該數(shù)字信號進行數(shù)模轉換后生成用于顯示器、揚聲器等顯示與播放的模擬信號。本發(fā)明不僅能接收語音信息,還能接收圖像與傳真等信息,滿足現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸多樣化的需求。本發(fā)明還可將傳統(tǒng)的基于硬件的接收系統(tǒng)轉換到基于軟件無線實現(xiàn)的接收機上,降低開發(fā)成本及周期且操作簡單,同時還可以實現(xiàn)功能升級與及時系統(tǒng)更新。
[0032]射頻裝置100包括接收模塊110和下變頻模塊120,接收模塊110用于接收高頻模擬信號,下變頻模塊120用于將高頻模擬信號下變頻至中頻模擬信號。軟件無線電模塊200包括A/D轉換模塊210、數(shù)字下變頻模塊220、解調模塊230、D/A轉換模塊240。軟件無線電模塊200均在FPGA中實現(xiàn),由于FPGA具有良好的運算速率、可重構性好,使得本發(fā)明系統(tǒng)具有更高的處理速度,接收及解調更加靈活,不僅降低開發(fā)成本及周期且操作簡單,同時還可以實現(xiàn)功能升級與及時系統(tǒng)更新。
[0033]A/D轉換模塊210將射頻裝置100中接收到的中頻模擬信號進行帶通采樣,實現(xiàn)中頻模擬信號到中頻的數(shù)字信號的轉換。
[0034]如圖2所示,數(shù)字下變頻信號模塊220包含數(shù)控振蕩器(NCO) 221、CIC濾波器222、HB濾波器223和FIR濾波器224。數(shù)字下變頻模塊220將接收進來的中頻的數(shù)字信號進行一次數(shù)字下變頻產(chǎn)生兩路基帶信號,然后通過多級抽樣濾波,低通濾波,降低基帶信號的速率并能得到較好的波形,然后將得到的基帶信號送到解調模塊230中,將對基帶信號進行解調然后送入D/A轉換模塊240輸出,D/A轉換模塊240可接計算機及其他設備。
[0035]其中,A/D轉換模塊210將射頻裝置100的中頻模擬信號進行帶通采樣,將該中頻模擬信號轉變成數(shù)字信號。其中,帶通采樣的中心頻率fo和帶寬B之間的公式可表示為:
[0036]B = fH-fL; (O
2/7 + I
[0037]式I中fQ = (fH+fL) /2,fs表示采樣頻率,fH表示信號的最高頻率,fL表示信號的最低頻率,η的取值滿足fs>2(fH-f^)的最大整數(shù)(0,1,2,3,……),這樣利用仁進行等間隔采樣得到采樣信號m(nTs),就能準確的恢復m(t)。
[0038]由于A/D轉換模塊210所輸出的數(shù)字信號速率較高,在中頻模擬信號轉換為數(shù)字信號后,將對該數(shù)字信號完成數(shù)字下變頻處理。以查表法為例,預先計算各個相位所對應的正弦值并事先貯存在ROM中,然后以相位為依據(jù)通過查表法直接找到相應的正弦值,從而得到正弦波采樣。數(shù)控振蕩器221是決定數(shù)字下變頻處理性能最主要的因素之一。參閱圖2,在軟件無線電模塊200中設有一個CLK時鐘信號模塊250,CLK時鐘信號模塊250為包含數(shù)控振蕩器(NCO) 22UCIC濾波器222、HB濾波器223和FIR濾波器224提供相同的時鐘信號。
[0039]在每一個時鐘的上升沿或下降沿,數(shù)控振蕩器221利用其相位累加器使相位在原有基礎上增加一個相位增加量,該增加量即頻率控制字,再利用其相位加法器將初始相位與相位增加量相加得到相位偏移,最后利用相位偏移通過查表法查出相應的正弦值,輸出兩路正余弦本振信號。其中,每當相位累加器溢出時就產(chǎn)生一個新的循環(huán),相位累加器完成一個循環(huán)的時間是正弦波形的周期。
[0040]將A/D轉換模塊210的數(shù)字信號與本振信號通過進行正交混頻,得到1、Q兩路初始的基帶信號。此時兩路初始的基帶信號的頻率仍是A/D帶通采樣中的頻率,數(shù)據(jù)率高,信號的帶寬遠小于采樣頻率。本實施例中,被A/D轉換模塊210進行帶通采樣的中頻模擬信號的中頻頻率為f0 = 51.2MHz, A/D轉換模塊210的采樣頻率為fs = 49.6MHz,信號帶寬定為10MHz。因此,A/D轉換模塊210輸出的中頻的數(shù)字信號與本振信號混頻后生成的兩路初始的基帶信號的中心頻率為49.6MHz。由于兩路初始的基帶信號的頻率太高,無法適用于FPGA的后續(xù)處理,因此兩路基帶信號必須經(jīng)過數(shù)字下變頻模塊220的多級抽取濾波來降低基帶信號的頻率。多次抽取濾波可濾除基帶信號中的窄帶高頻信號,得到含載波信號的低頻信號,增大信號的帶寬,并降低信號的速率,用于后續(xù)FPGA程序處理。
[0041]數(shù)字下變頻模塊220中,CIC濾波器222 (Cascaded-1ntegrator-Comb,級聯(lián)積分梳狀濾波器)作為多級抽取濾波的第一級,可達到很高的處理速度并進行大的抽取因子工作。本實施例中,CIC濾波器222可實現(xiàn)8倍的抽取。公式I中的η = 5時,第一電平與其主瓣電平為64.8dB,滿足抽取濾波工作時的要求。輸入CIC濾波器222的初始的基帶信號頻率為49.6MHz,帶寬為0.8MHz,此過程中CIC濾波器對49.6MHz的基帶信號實現(xiàn)8倍的抽取,輸出信號頻率降為5.12MHz, CIC濾波器222輸出的初始的基帶信號的波形參見圖3a。
[0042]HB濾波器223 (半帶濾波器)作為抽取的第二級,實現(xiàn)2倍的抽取,抽取因子固定為2,可完成采樣率降低一半的要求。本實施例中,輸入HB濾波器223的基帶信號的頻率為
5.12MHz,經(jīng)過HB濾波器223的2倍抽取,輸出的低頻的基帶信號的頻率為2.56MHz,HB濾波器223輸出的低頻的基帶信號的波形參見圖3b。
[0043]FIR濾波器224作為多級抽取的第三級,用于作為數(shù)字下變頻中的補償濾波,以實現(xiàn)對整個信道的整形濾波,也可作為匹配濾波器。FIR濾波器224不對基帶信號進行降速,輸出的基帶信號的頻率仍為2.56MHz FIR濾波器224輸出的基帶信號的波形參見圖3c。
[0044]兩路基帶信號經(jīng)過多次抽取與濾波之后,得到用于解調的基帶信號。此時將該基帶信號送到解調模塊230中進行解調,解調模塊230為8-Level CPFSK解調模塊,通過8-Level CPFSK解調方式從中得到相應的數(shù)字信號,該數(shù)字信號中包含有圖像及聲音等數(shù)據(jù)。將該數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉換模塊240進行數(shù)模轉換,得到已解調的模擬信號。
[0045]本發(fā)明尤其適用于海上傳統(tǒng)的通信有衛(wèi)星、短波、超短波通信,相對于短波信道,超短波主要靠直射波通信,在長時間范圍內其信道參數(shù)可以當做是恒定不變的,因而超短波通信更可靠也更簡單、更穩(wěn)定;相對于通信較好的衛(wèi)星通信來說,本發(fā)明結構簡單,成本較低。由于超短波通信具有穩(wěn)定、簡單、通信頻率較高等特點,近年,在民用領域及軍用領域,應用廣泛提高。超短波通信的靈活性正好滿足調度指揮,應急通信地點、時間和通信形式的不確定性,例如利用中繼設備,超短波通信可以覆蓋很寬的范圍,在應急通信中發(fā)揮了重要的作用。因此,本發(fā)明可以作為海上作業(yè)船只的應急接收系統(tǒng),可以很好的完成應急通?目。
[0046]如圖4所示,本發(fā)明基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法包括如下步驟:
[0047]步驟一:接收電臺發(fā)出的高頻模擬信號,將高頻模擬信號下變頻至中頻模擬信號;
[0048]步驟二:將中頻模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉換得到中頻的數(shù)字信號;
[0049]步驟三:對中頻的數(shù)字信號進行下變頻與多級抽取濾波處理得到基帶信號;
[0050]步驟四:對基帶信號進行解調,得到數(shù)字信號;
[0051]步驟五:將數(shù)字信號進行數(shù)模轉換得到模擬信號,用于顯示與播放。其中,解調方式為8-level CPFSK解調方式。
[0052]進一步說明的是,步驟三中下變頻與多級抽取濾波處理包括如下步驟:
[0053]步驟a:產(chǎn)生本振信號,將本振信號與中頻的數(shù)字信號正交混頻,將中頻的數(shù)字信號的寬帶頻譜調整至基帶信號,得到初始的基帶信號;
[0054]步驟b:利用CIC濾波器與HB濾波器依次對初始的基帶信號進行多級抽取濾波,降低初始的基帶信號的頻率,得到低頻的基帶信號;
[0055]步驟c:對低頻的基帶信號進行整形濾波,得到基帶信號。
[0056]如上述實施例中,CIC濾波器的抽取因子為8,HB濾波器的抽取因子為2。輸入CIC濾波器222的初始的基帶信號頻率為49.6MHz,依次經(jīng)過CIC濾波器與HB濾波器的多級抽取濾波后,輸出的基帶信號頻率為2.56MHz,適用于后端FPGA程序的處理。
[0057]本發(fā)明的保護內容不局限于以上實施例。在不背離發(fā)明構思的精神和范圍下,本領域技術人員能夠想到的變化和優(yōu)點都被包括在本發(fā)明中,并且以所附的權利要求書為保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),所述超短波數(shù)傳接收系統(tǒng)是在FPGA中以軟件方式實現(xiàn)接收超短波,其特征在于,包括: 射頻裝置(100),其包括接收模塊(110)和下變頻模塊(120),所述接收模塊(110)用于接收高頻模擬信號,所述下變頻模塊(120)用于將所述高頻模擬信號下變頻至中頻模擬信號; 軟件無線電模塊(200),其包括A/D轉換模塊(210)、數(shù)字下變頻模塊(220)、解調模塊(230)與D/A轉換模塊(240);所述A/D轉換模塊(210)將所述中頻模擬信號轉換為兩路中頻的數(shù)字信號,所述數(shù)字下變頻模塊(220)對所述兩路中頻的數(shù)字信號進行下變頻與多級抽取濾波得到適于FPGA處理的基帶信號;所述解調模塊(230)對所述基帶信號進行解調,解調后的數(shù)字信號經(jīng)所述D/A轉換模塊(240)轉換成模擬信號輸出。
2.如權利要求1所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),其特征在于,所述數(shù)字下變頻模塊(220)包括:數(shù)控振蕩器(221)、CIC濾波器(222)、HB濾波器(223)與FIR濾波器(224); 所述數(shù)控振蕩器(221),其用于產(chǎn)生離散化的本振信號,所述本振信號分別與所述兩路中頻的數(shù)字信號經(jīng)正交混頻,將所述兩路中頻的數(shù)字信號的寬帶頻譜調整至基帶信號,得到初始的基帶信號; 所述CIC濾波器(222)對 所述初始的基帶信號進行高速抽取濾波,降低所述初始的基帶信號的頻率; 所述HB濾波器(223)的輸入與所述CIC濾波器(222)的輸出相連,用于對所述CIC濾波器(222)輸出的基帶信號進行高速抽取濾波用于降低基帶信號的頻率,得到低頻的基帶信號; 所述FIR濾波器(224)的輸入與所述HB濾波器(223)的輸出相連,用于對所述低頻的基帶信號進行補償濾波得到基帶信號,實現(xiàn)所述基帶信號的整形與匹配濾波。
3.如權利要求2所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),其特征在于,所述CIC濾波器(222)的抽取因子為8。
4.如權利要求2所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),其特征在于,所述HB濾波器(223)的抽取因子為2。
5.如權利要求1所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收系統(tǒng),其特征在于,所述解調模塊(230)為8-level CPFSK解調模塊。
6.一種基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法,其特征在于,包括如下步驟: 步驟一:接收電臺發(fā)出的高頻模擬信號,將所述高頻模擬信號下變頻至中頻模擬信號; 步驟二:將所述中頻模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉換得到中頻的數(shù)字信號; 步驟三:對所述中頻的數(shù)字信號進行下變頻與多級抽取濾波處理得到基帶信號; 步驟四:對所述基帶信號進行解調,得到數(shù)字信號; 步驟五:將所述數(shù)字信號進行數(shù)模轉換得到模擬信號,用于顯示與播放。
7.如權利要求6所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法,其特征在于,所述解調方式為8-level CPFSK解調方式。
8.如權利要求6所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法,其特征在于,步驟三中下變頻與多級抽取濾波處理包括如下步驟: 步驟a:產(chǎn)生本振信號,將所述本振信號與所述中頻的數(shù)字信號正交混頻,將所述中頻的數(shù)字信號的寬帶頻譜調整至基帶信號,得到初始的基帶信號; 步驟b:利用CIC濾波器與HB濾波器依次對所述初始的基帶信號進行多級抽取濾波,降低所述初始的基帶信號的頻率,得到低頻的基帶信號; 步驟c:對所述低頻的基帶信號進行整形濾波,得到基帶信號。
9.如權利要求8所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法,其特征在于,所述CIC濾波器的抽取因子為8。
10.如權利要求8所述的基于軟件無線電架構的超短波數(shù)傳接收方法,其特征在于,所述HB濾波器的抽取因子為2 。
【文檔編號】H04L25/03GK104079310SQ201410272796
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權日:2014年6月18日
【發(fā)明者】王紅蘭, 許理巖, 陳翔, 姜羊羊, 徐文超, 彭偉軍 申請人:華東師范大學, 上海博彭電子科技有限公司