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短波广播数字化信道接收机的设计数字化信道接收机是一种专门用于接收数字音频信号的接收装置。
它主要由ADC、DSP、DAC等模块组成，具有信号自适应、灵敏度高、抗杂波能力强等特点。
下面是一篇短波广播数字化信道接收机的设计。
1.硬件设计硬件设计是数字化信道接收机的核心，其主要包括功率放大器、收音头、前端滤波器、中频放大器、中频滤波器、ADC、DSP、DAC等模块。
其中功率放大器为了让音频信号能够驱动耳机而设计，其工作电压为2.5-3.6V；收音头则是可以接收到外界信号的核心部件，其频率范围应覆盖所有的波段，同时要求其灵敏度要高；前端滤波器则是为了保证接收到的信号不受到杂波干扰，要求其具有良好的滤波特性；中频放大器、中频滤波器则是对收到的信号进行处理，使其增强后再传递给ADC模块。
ADC模块是数字信号处理的前戏，其要求采样率高、位宽大、密集度高等；DSP模块则是音频信号处理的核心，包括数字滤波器、反相器、混频器、数字AGC等；DAC模块则是将数字信号还原为模拟信号，输出到耳机上。
2.软件设计软件设计包括数字滤波算法、数字AGC算法、杂波识别算法等模块。
数字滤波算法是对收到的信号进行去噪、滤波处理，使其更加纯净；数字AGC算法则是对信号进行自动调节，使其能够适应不同的接收环境；杂波识别算法则是将杂波与信号区别开，对信号进行进一步的处理。
3.接收机测试接收机测试主要包括灵敏度测试、杂波测试、增益测试、带宽测试等。
其中灵敏度测试是将信号强度逐渐减弱，测试接收机在不同信号强度下的接收能力，要求其能够正常接收到信号；杂波测试则是测试接收机在杂波干扰下的性能，要求其能够有效抑制杂波；增益测试则是测试接收机的增益范围，要求其能够自动调节增益；带宽测试则是测试接收机的接收频率范围，要求其能够接收全部的广播电台信号。
总之，短波广播数字化信道接收机是一种高灵敏度、高抗干扰能力的数字接收装置，其设计需要考虑到硬件和软件两方面的因素，同时需进行一系列的测试和优化，以达到最佳的性能。
接收机的中频处理技术摘要：本文对数字中频信号处理技术进行了研究，采用软件无线电的设计思想和解决方案，提出了一种基于“AD+FPGA”的中频信号处理技术，在频谱分析仪及信号分析仪等接收机中应用广泛。
引言随着数字技术的发展，接收机的设计越来越多地采用软件无线电(software radio)的思想，以开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台，把尽量多的功能用可重构、可升级的构件化软件来实现。
从实际设计来说，射频模块尽量简化，将信号通过ADC转换为数字信号进行处理，提高接收机的稳定性、通用性并降低实现成本。
在接收机中，最常用的是频谱分析和信号分析功能，本文以现场可编程逻辑器件(FPGA)为设计基础，简述频谱分析和信号分析的中频处理。
1 方案输入的射频信号经过变频模块生成153.6MHz的中频信号，通过ADC进行122.88MHz频率采样，数字信号送入FPGA进行数字下变频(DDC)、CIC抽取、RBW滤波、求模、视频滤波、检波后存入RAM 后送CPU进行频谱分析;经过DDC、半带滤波及CIC后存入DDR2后送CPU进行信号分析，包括矢量信号解调，GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE及FDD-LTE分析等通信制式的非信令解调。
具体中频处理框图如图1所示。
2 具体实现2.1 模数转换(AD)ADC是整个中频处理的关键部分，它直接关系到整个接收机的性能指标，其选用主要参考二个指示，即信噪比和采样频率。
由于信噪比与ADC的有效位数有直接关系：SNR=(6.02N+1.76)dB，其中N 为ADC的位数，所以尽量选用高位数ADC;同时，由于中频的宽带化需求，需要高采样时钟的ADC，如要满足40MHz的分析带宽，理论上要求采样时钟大于80MHz，本设计的采样时钟为122.88MHz。
综合两方面考虑，ADC我们选用了LINERA公司的LTM9001。
2.2 数字下变频数字下变频(DDC)是数字接收机中的关键技术，广泛应用于雷达、声纳和无线电接收机中，主要将中频信号混频到基带，便于后续处理。
一种短波软件无线电台数字中频单元的设计与实现李振友;权连让【摘要】根据实际应用需求,基于FPGA设计了一种可用于民用短波电台的中频数字处理单元.分析了相应的工作原理、性能特点及实现方法；结合音频信号的处理流程进行了深入的研究并实现了该单元.经过实际测试,证明所设计的中频数字单元性能优良,可满足使用要求.%Based on actual application requirements, a design of IF digital processing unit which can be used in civilian HF radio set is proposed based on FPGA in this paper. The operating principles, performances, features and implementing methods are analysed and deeply researched in combination with the processing flow for audio signal. The digital IF unit was implemented on the basis of above analysis and research. The testing result indicates that the designed IF digital unit is excellent in performance and can meet the operation requirements.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)014【总页数】4页(P19-22)【关键词】中频数字化;FPGA;DDC;DUC;AGC【作者】李振友;权连让【作者单位】陕西烽火通信技术有限公司,陕西西安710075;陕西烽火通信技术有限公司,陕西西安710075【正文语种】中文【中图分类】TN919-340 引言软件无线电技术是20世纪90年代以后逐渐兴起的一种全新的设计理念，其核心是在通用的通信硬件平台上加载不同的软件，实现不同通信方式之间的转换。
第15期2018年8月No.15August，2018短波通信通过电离层反射来实现远距离通信。
由于电离层高度和密度的时刻变化，使得短波通信稳定性较差。
同时，3~30 MHz 短波通信频段内的全球用户众多。
电磁环境复杂，又极易受到其他通信干扰。
为获得抗干扰稳定通信能力，采用宽带接收的频率分集合并技术是种不错的解决方案[1]。
但受A/D 和FPGA 器件处理能力制约，传统短波接收机只能对单个3 kHz 带宽的窄带中频信号进行数字化处理。
近年来，随着器件能力提升，采用目前高性能的A/D 和FPGA 芯片使短波宽带中频信号数字化实现成为可能。
1 宽带中频信号下变频设计对于带通信号，假设信号中心频率为f 0，那对应的上下通带的截止频率为：f h =f 0+B /2，f l =f 0－B /2。
其中，B 为所处理信号的带宽，根据带通采样定理对其进行均匀采样，满足采样值不失真地重建信号的充要条件为：221h l s f f f k k≤≤+,其中0≤k ≤f l /B （1）本设计中：f h =63+6/2=66 MHz ，f l =63－6/2=60 MHz 。
根据式（1）可得采样频率f s 的频率选择范围为：12∪（13.2,13.3333）∪（14.6667,15）∪（16.5,17.1429）∪（18.8571,20）∪（22,24）∪（26.4,30）∪（33,40）∪（44,60）∪（66,120）∪（132,+∞）单位MHz 。
考虑到后续下变频降采样过程的整数倍抽取，这里A/D 器件选择的采样速率为78.643 2 MHz 。
为提升的频率分集增益效果，对于6 MHz 带宽的短波中频信号，数字接收机至少需要具有512路基带信号的多相滤波信道化处理能力。
而目前单片Virtex-5系列FPGA 芯片处理能力无法满足要求。
由于芯片间RapidIO 高速串行接口的支持，这样便可以采用多芯片协处理的方案来实现我们的目标，双FPGA 协处理架构如图1所示。
专题报道短波接收机的中频数字实现刘毅峰 何旭辉 吴乐南(东南大学无线电工程系,南京,210096)摘 要 本系统用于下变频至25kH z 中频的AM 、FM 、L SB 、U SB 、C W 等制式的数字解调,用来实现短波数字接收机中频以下部分的数字化,采用数字信号处理技术,利用计算机或专门处理设备,对数字信号进行变换、滤波和解调等处理,获得所需的信号形式。
对用于数字调幅广播接收机的实现作了初步探索。
关键词 数字接收机 自动增益控制 数字解调 数字调幅广播1 短波数字接收机的设计要求本文以一个多制式短波接收机为例,介绍中频解调的数字处理,探讨其在数字收音机中的应用。
要求能实现AM (调幅)、C W (等幅数据报)、U SB (上边带)、L SB (下边带)、FM (调频)等制式的数字解调,能实现12种矩形系数的中频滤波器,带内纹波小于1dB ,带外衰减大于60dB ,边带滤波器载波抑制达到-45dB ,边带抑制达到-60dB 。
系统音频额定输出0dB ,具有静噪功能、陷波器选择、A GC (自动增益控制)、手动增益可调,A GC 时间常数充电时间小于10m s ,放电时间有500m s 、5s 两档。
2 中频数字处理的硬件平台数字中频接收机处理平台设计成一块D SP 处理板,框图如图1所示。
TM S 320C 203采用高级哈佛结构,具有2条独立的数据总线和程序总线。
图1 D SP 模块处理平台框图短波数字接收机的前端通过高放和下变频处理,将短波信号变成25kH z 中频后,经过阻抗匹配、A D 采样后,送至D SP 处理。
D SP 对中频采样进行移频、数字滤波、信道校准、自动增益控制和解调,最后通过D A 通道输出,如图2所示。
图2 接收机中频数字处理框图如图3所示,先以100kH z 采样率对25kH z 载频下的U SB 信号进行采样。
若采样后直接进行滤波,则CPU 速度不够,所以先通过一个4kH z 带通滤波器(滤波器1)滤除带外信号;接着对滤波后的信号进行5∶1抽取采样率降为20kH z ,而25kH z 的载频也同时被搬移至5kH z 处;然后再通过边带滤波器(滤波器2)来满足边带选择特性,将带外信号衰减60dB ,载波衰减45dB ;最后进行频谱搬移,通过乘法器将5kH z 的载频搬移至零频处,并通过频响校准和低通滤波器(滤波器3)输出音频信号。
L SB 信号解调方法与U SB 信号解调相同,只需将滤波器1、滤波器2的系数重新调整,无需改变滤波器的阶数。
当信道参数变化时,如U SB 信号转为L SB 信号,或边带选择特性发生变化,只需在初始化程序中改变滤波器系数,就能方便地实现两种信号的解调和不同带宽的接收。
对AM 、FM 、C W 信号,采用同样的解调模式,先在25kH z 的中频以100kH z 进行采样,然后通过数字抽取,将采样率降为原来的1 8,以1215kH z・91・《电子工程师》 1999年第12期的低采样率对音频信号进行处理,最后送至D A 输出。
以AM 信号为例,为了保障解调出的信号不失真,防止同步解调时25kH z 载频存在频差,采用了正交解调技术,I 、Q 通道同时解调,通过L PF (低通滤波器)后正交通道合成,以消除载波频差。
图3 U SB 信号解调原理FM 信号解调大部分与AM 相同,只需将FM 信号经过6阶II R 滤波器,转化为调频调幅信号(6阶II R 滤波器的频响曲线为一斜率鉴频器),再通过AM 的解调模块,便实现了FM 信号的解调。
C W 信号是一种专用信号,如同A SK 信号一样,以信号的通断来传送数据。
本系统规定,当逻辑电平为高时不发送载波,为低电平时发送载波。
至于它们表示何种信息,可由通信双方约定。
对C W 的解调只要将接收的信号通过一个窄带滤波器即可。
3 接收机的数字处理功能311 数字解调基于图1的硬件平台,编程实时实现了AM 、FM 、L SB 、U SB 和C W 等通信制式的数字解调。
在本系统中,先用滤波器设计软件M A TLAB 511对滤波器的性能、要求作初步计算,计算出满足带宽特性的滤波器阶数和系数,并将滤波器的频域特性作软件仿真。
考虑到滤波器的有限字长效应的影响,适当提高阶数,从严设计带宽特性,最后转化为16位定点系数。
312 AGC在接收机中,输入信号的动态范围很大,一般在120dB 左右,这就要求接收机的增益也能动态地随之变化。
我们采用数字A GC 控制方案。
为了减少时延,可以对A D 采样进行能量检测,对输入信号进行平方律检波。
在处理时可以根据需要对增益控制步长作调整。
如检测的信号能量低于额定值,则将增益电压加大;高于额定值,则将增益电压减小。
对于手动增益控制,能量检测与A GC 相同,只需对主控端按命令要求调整增益,并通过增益控制电路加以实施,同时对A GC 功能加以屏蔽。
313 静噪功能消除噪声的关键在于区分信号和噪声。
若检测结果为噪声,则将输出信号减小或关断;若检测结果不是噪声,则电路输出正常音频信号。
检测出的能量信号直接与参考电平进行比较,低于参考电平的就认为是噪声,程序作静噪处理,将输出音频关断;若信号高于参考电平,则认为有信号输入,音频电路正常输出。
当系统处于A GC 时,则将输出的A GC 电压进行比较。
314 陷波器系统要求在某些频点有陷波器功能。
陷波频点由主控端命令告知,系统根据当前的带宽选择性要求和陷波频点要求,从陷波器库中找到所需的陷波器参数,输入程序中即可。
程序采用自适应陷波器理论,用2阶II R 滤波器实现。
假定输入为一纯余弦波x 1(n )=co s (Ξn +Η),其正交量为x 2(n )=sin (Ξ0n +Η),通过相关抵消回路以最小均方算法控制加权量w 1(n )和w 2(n ),这2个加权的输出相加就成为自适应滤波器的输出y (n )。
315 信道校准信道校准是为了用数字处理方法得到理想传递函数(滤波特性)。
若已知信道传递函数为H 1(f ),所希望的传递函数为H i (f ),则可用简单方法获取校准传递系数H c (f )。
若H i (f )=H c (f )3H 1(f ),对H i (f )=1(信号在通带0～4kH z 内)或=0(信号在阻带内),则分别有H c (f )=1 H 1(f )或=0。
4 实验结果系统调试后,带宽选择特性有较好的性能,矩形系数最小为112,最大只有215,远比模拟滤波器优越,充分体现了数字滤波器的优点。
自适应陷波器陷波频点可调(019kH z ～4kH z ),陷波宽度最小可达100H z ,A GC 充放电时间达到设计要求,静噪功能可控,门限电平可任意设置。
输入信号变化100dB 时,输出变化小于3dB ,输出控制电压0～7V 。
本系统要解调中频信号,还要实现能量检测、A GC 和陷波器的功能,CPU 的处理能力要强。
50n s 下运行这样的解调程序使每一个滤波器都设计得很“临界”,由于时间上来不及处理和空间上开销太大,(下转第22页)・02・刘毅峰,等:短波接收机的中频数字实现号,可以进一步简明地规范式(1)内的相位常数t k 和内插波形S k (x ),使得实现过程大为简化。
4 一阶直接采样从计算的角度考虑,在式(1)中的内插波形如果保持一致并且相位常数相同,则对实现来说是非常简单的,不过此时要付出较高的采样率为代价。
这时就是我们熟悉的一阶采样。
不过,对带通信号而言,一阶采样所用的采样率一般高于带宽的2倍。
此时需要寻找合适的采样率重建波形。
我们证明了对复杂通带不存在用解析表达式来表述最低一阶采样率,但是可以找到有效算法直接计算出最低采样率W ,使得f (x )=∑+∞n =-∞fn W S x -nW Shannon 采样公式是针对带限信号的一个特例。
对窄带带通信号而言,总有低于N yqu ist 率(最高频率的2倍)的采样率能保证重建波形。
一阶采样的最大优点是实现非常简单,但采样率一般高于高阶采样情形。
5 结论引入高阶采样或一阶直接采样,主要目的是降低计算代价,便于载波信号检测的实时实现。
当然,在技术上存在一个有趣的现象:带通信号与带限信号采样有很大的区别,带限信号的采样率越高,恢复波形越准确;而带通信号的采样率变高,恢复波形并非越准确。
此处存在非常有意义的技术课题:对实现系统,引入什么样的采样率最合适。
参 考 文 献1 R ice D W .W u K H .Q uadratu re samp ling w ith h igh dy 2nam ic range .IEEE T ran s A ES ,1982,18(4):736～7392 M arvasti F .N onun ifo rm Samp ling theo rem s fo r band 2pass signals at o r below N yqu ist den sity .IEEE T ran sSP ,1996,44(3):572～5763 王桥.R egu lar and irregu lar samp ling theo rem s ofShannon’s type in w avelet sub spaces .应用数字,1998,11(3):90～94(收稿日期:1999211215)(上接第20页)而只留有较少的裕量。
若将CPU 主频升至25n s 甚至10n s ,则滤波器的性能将有更大的提高,频响校准的性能也将有更大的改善。
5 系统的应用前景将接收机的中频接收全部数字化,并在设计中体现数字处理的优点,对于数字调幅广播接收机的实现有广阔的前景。
就DAM 广播来说,运用D SP 技术,可以将射频以前的信道全部用D SP 实现。
声音通过A D 采集,D SP 芯片对声源进行信源编码,将信源压缩成低速率的码流,然后采用QAM 或A PSK 调制进行发射。
接收机则将信号从天线转化为中频,进行数字解调,然后通过信道解码、信源解码,得到音频输出。
初步估计,发射机部分的信源编码、信道编码及调制可采用2片D SP 实现,而对于接收机部分,考虑到AM 收音机的带宽很窄,采样率可以大大降低,也可能采用2片D SP 实现译码工作,同时得到文字、图形及其他信息。
6 结束语本系统已实现25kH z 载频的AM 、FM 、L SB 、U SB 、C W 等制式的数字解调,正在探讨DAM 收音机的D SP 实现。
在系统设计中,得到了常州无线电厂的支持和郭学雷老师的帮助,在此表示感谢。
参 考 文 献1 黄顺吉1数字信号处理及其应用1北京:国防工业出版社,19822 张雄伟1D SP 芯片的原理与开发应用1北京:电子工业出版社,19973 楼顺天1基于M A TLAB 的系统分析与设计——信号处理1西安:西安电子科技大学出版社,19984 桂益俊1短波三信道数字接收机1硕士学位论文,东南大学,1997(收稿日期:1999211215)・22・王桥,等:信号采样理论的新结果。
