基于欠采样技术的软件无线电接收机研究及实现

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式中，ｋ是调制系数，妒。是常数。对信号进行正交分解得：
取因子ＤＩ＝１６，ＨＢ（５级）抽取因子Ｄ２＝３２时，输出数据速
同相分量：，（ｎ）：Ａ ０ｃｏｓ［ｋＥｍ（ｎ）＋９０］
率为７８．１２５ｋＨｚ；带宽为８ｋＨｚ时解调结束。
咖）＝ａｒｃ［器】＝ｋ２蚋妒。 （１０）巍裟孟竺乏叭总抽取酹肚玩加２迅 正交分量：臼（ｎ）：Ａｏｓｉｎ［．｜｝∑ｍ（凡）＋妒。】
ＦＩＲ滤波器主要作用是实现精确的低通滤波和脉冲 整形，整个数字信道的通带带宽、过渡带宽度和阻带衰 减都是由此滤波器决定的，故ＦＩＲ滤波器的设计是最优 信道设计的切入点。
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《电子技术应用》２００６年第１期
．墓遂囊豳
很窄的信道，如ＴＡＣＳ系统中，系统频段为１５ＭＨｚ，而信
道带宽只占２５ｋＨｚ…。数字下变频部分要完成的任务：一
是把数字中频信号变换到基带，将包含所有信道的宽带
信号进行信道分离，提取需要的窄带信道；二是对分离
后的窄带信号进行速率变换，降低采样
速率，以减轻基带部分对ＤＳＰ的计算所
带来的压力。数字下变频功能框图如图
Ｏ
赵一２００
－４００
０ ５０
ｌｅ＋０
２ｅ＋０
３ｅ七０
４ｅ＋０
频率／Ｈｚ （ａ）单级特性仿真图
５ｅ＋０
图４带通信号的正交抽取结构
由于互，（ｍ）、互ｏ（ｍ）中含有带通信号ｘ（ｎ）的全部信息， 因此对互，（呐、ｉｐ（ｍ）进行分析运算就可实现对带通信号进 行解调、信号识别以及参数测量等功能。从面，ｍ）、ｘＱ（ｍ）获 得瞬时幅度ａ（ｍ）、瞬时相位咖（ｍ）和瞬时频率厂（ｍ）的运 算式如下１４［：
数据流ＤＳＰ处理模块。其整体设计框图如图７所示。
射频前端模块的设计是：由天线接收的射频信号经
带通滤波器、低噪声放大器及混频器处理，将信号搬到
中频。ＡＧＣ模块的设计可以实现自动增益的调节，ＤＳＰ
望叫
１６
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Ｓｏｆｔｗａｒｅ，２００２
６曹志刚，钱亚生．现代通信原理．北京：清华大学出
版社，２００３
（收稿日期：２００５—０７—２５）
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其中ｍ（ｎ）是调制信号，妒。为载波的初始相位。对信
执行对整个系统的实时监控，并通过标准ＰＣＩ总线，实
号进行正交分解，分别得到同相和正交分量：
现与ＰＣ等外设的通信。
，（ｎ）＝Ａ（ｎ）ｃｏｓ（妒（凡）），ｐ（ｎ）＝Ａ（ｎ）ｓｉｎ（ｇ，（ｎ））。对同相及正
另外，本振信号频率参数的调节是由后续的数字信
交分量平方求和开方得：
带宽１０ＭＨｚ及宽带滤波器矩形系数为２时（即处理带宽
为２０ＭＨｚ），ｆ取４０ＭＨｚ，则其频谱能被折叠到１０ＭＨｚ。
这样，既避免了在数字信道抽取时，数字载频数控振荡
器（ＮＣＯ）过载的可能性，同时提高了频率分辨率。
２数字下变频
对于软件无线电接收机，在中频接收下来的是系统
的整个频段。而对于一个通信用户而言只占用其中一个
ｈ／—Ｐ（ｎ）＋—０２（ｎ）一：Ａ。＋ｍｆ凡１
３．２ ＦＭ解调
号处理ＤＳＰ通过对射频处理模块控制寄存器的写入来
ｆ９１
实现的，达到本振频率在线可调的目的。
５系统仿真
数字信号表达式：
（１）ＡＭ数字解调：中频９０ＭＨｚ，采样速率４０ＭＨｚ，干
Ｊｓ（凡）：Ａ０ｃｏｓ『Ｗｃｒｔ＋惫∑ｍｆｎ）＋‰１
信比为６０ｄＢ，总抽取因子Ｄ＝Ｄ１ｘＤ２＝１６ｘ３２，其中ＣＩＣ抽
３数字解调
根据计算出的电平误差累计量，通过Ｄ／Ａ模块与可调
３．１ ＡＭ解调
增益运放组成的反馈电路实现自动增益控制，这样不但
数字信号表达式：．ｓ（ｎ）＝Ａ（ｎ）ｃｏｓ［ｗ。凡＋‰］
可以获得最大信号增益，而且可以减轻带内过载的可能
Ａ（凡）＝Ａ。＋ｍ（ｎ），Ａ ｏ≥Ｉｍ（ｎ）ｌ
性。ＤＳＰ与单片机实现串口通信完成参数配置的同时，
图１软件无线电接收机原理图
１带通采样技术
一般把低于２倍最高频率的采样称为欠采样。带通
采样是一种主要的欠采样形式，它要求采样频率．ｆ必须
满足：
犰／ｎ≤，≤２Ａ／ｎ一１
（１）
２≤ｎ≤临帕－．五】
（２）
式中，ｎ为整数。在只考虑量化噪声的理想情况下，
系统的信噪比（ＳⅣＲ）可以表示为［３１：
ＳＮＲ＝６．０２ｎ＋１．７６＋１０ ｌｏｇ∽／扭）ｄＢ
了抽取信道的速率变换。＾（ｎ）低通滤波由积分梳妆（ＣＩＣ）、
半带滤波ｆＨＢ）和ＦＩＲ滤波器级联实现，如图５所示。
图５多级联高抽取滤波器
釜。
一５０
０
ｌｅ＋０
２ｅ＋０
３ｅ＋０
４ｅ＋０ ５ｅ＋０
频率／Ｈｚ
（ｂ）５级级联特性仿真图 图６积分梳状滤波器幅频特性仿真图
另外，ＣＩＣ抽取时不可避免地产生频谱混叠，因此在 满足所需要信号带内增益的同时，必须使无混叠衰减大 于一定的值。一般要求ＣＩＣ应具有６５ｄＢ以上的通带增 益和１１０ｄＢ左右的无混叠衰减。
（３）
式（３）中，ｎ为Ａ／Ｄ的位数，．ｆ为采样速率。很明显，
采样率越高，系统信噪比越好，因此，在可能的情况下，
．ｆ要尽可能地大。另外，带通采样具有类似于变频器的 作用，当中频＾满足２ｋＢ≤ｆｏ≤２（ｋ＋１）Ｂ（ｋ为整数），则
其频谱会被折叠到第一Ｎｙｑｕｉｓｔ区，因此，精心选择采样 频率和中频（ＩＦ）频率有利于简化设计。如中频为９０ＭＨｚ、
，ｍ） ｏ（ｍ）
积分梳状滤波器的冲激响应为：
ｒ１．０≤ｎ≤Ｄ一】
＾（ｎ）２／ｏ： 其他
（７）
式（７）中，Ｄ为ＣＩＣ滤波器的阶数。ＣＩＣ滤波器的频
率响应为：
日（∥）：Ｄ×Ｓ口（半）×Ｓａ－１（争１
（８）
由式（８）可求得：单级ＣＩＣ通带增益为１３．４６ ｄＢ，明 显不能满足实际需要。一般需采取多级级联的方式来获 得较大通带增益，如图５所示的高抽取滤波器采用５级 级联，其增益可达到６７ ｄＢ左右。图６即为在４０ＭＨｚ数 据输入速率下１６阶ＣＩＣ滤波器幅频特性仿真图，其通 带增益与理论分析一致。很明显经抽取后数据速率下降 到２．５ＭＨｚ，也即为ＣＩＣ的主瓣宽度。
２所示。
２．１正交变频抽取
带通信号频谱如图３所示。一个实带通信号ｘ（ｎ）的
频谱ｘ（一２１是共轭对称的，如图３（ａ），其中心频率五可
以任意。用复信号（移频算子）ｅ…乘以ｘ（ｎ），则Ｘ（ｅ７ｚＪ研ｌ．ｑ，
２１
中的负频率分量ｘ一将移至零频，而其正频率分量Ｘ＋将移
至蕊处。用一个低通滤波器＾（ｎ）把狮处的高频分量滤
ｓｉｓ［ＤＢ／ＯＬ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ一
ｔｉｏｎｓ，１９９９；１７（４） ３杨小牛，楼才义．软件无线电原理与应用．北京：电
子工业出版社，２００２
４ Ｍｉｔｏｌａ Ｊ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｄｉｏ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ：Ｏｂｊｅｃｔ—Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｏ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［ＤＢ／０Ｌ］．
Ｗｉｌｅｙ，２０００
ＰＣ ５ Ａｒｋｅｓｔｅｉｊｎ Ｖ Ｊ，Ｓｃｈｉｐｈｏｒｓｔ Ｒ，Ｈｏｅｋｓｅｍａ Ｆ Ｗ ｅｔ ａ１．Ａ
机
Ｓｏｆｔｗａｒｅ－Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｒａｄｉｏ Ｔｅｓｔ—ｂｅｄ ｆｏｒ ＷＬＡＮ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄｓ．
３ｎห้องสมุดไป่ตู้ ＰＲＯＧＲＥＳＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｏｆｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ
基于欠采样技术的软件无线电接收机研究及实现
谢先明 （乐山师范学院物理与电子信息科学系，四川乐山６１４００４）
摘 要：带通信号处理技术广泛用于通信、雷达等领域。随着数字技术的发展，人们越来越希望能 直接在射频端实现数字处理，而数字信号处理却远远达不到这一要求。欠采样技术则可使中频乃至 射频数字处理成为可能。针对这一问题本文将讨论和分析基于欠采样技术的软件无线电接收机的关 键技术及其仿真实现。
式（４）中，ｘ，（ｎ）＝Ｉｘ（ｎ）ｘｃｏｓ（２ｗｆｏｎ）］ｘｈ（ｎ），劫（ｎ）＝［戈（坨）× ｓｉｎ（２Ｔｒｆｏｎ）］×九（凡），分别为ｘ（ｎ）的同相分量和正交分量。
若低通滤波器Ｈ（ｅＪ２１设计成：
日（一２叼＝（：：∽妻冠２就可以对并，（凡）、却（ｎ）进行直
接低通抽取，并得到如图４所示的带通信号的正交抽取 模型。
ｎ（ｍ）＝Ｖ［面，（ｍ）］２＋［ｘＱ（ｍ）２］
咖（ｍ）＝ａｒｃｔｇ誓啤
ｘｌ（ｍ）
八ｍ）＝咖（ｍ）一咖（ｍ一１）
（６）
图４所示的带通信号正交抽取结构，是软件无线电
最基本的数学模型，它通过改变．而就可以实现对整个采
样频段（０，ｆ／２）内的任一信道进行抽取和解调。 ２．２速率变换
图４所示的低通滤波器ｈ（ｎ）与抽取器Ｄ～起完成
除，则可得到基带信号互（凡），其对应频谱如图３（ｂ）所示。
多信道
叫巫甄对—恒圜 数字中频
叫巫堑丑叫亟蛩 信道１ 信道２
｜
叫砸五日叫委亘乎 信道３
数字下变频器
图２数字下变频功能框图