超短波通信电台的低成本信号处理模块设计*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

超短波通信电台是面向航空通信领域开发的新型电台，为了具有比较强的市场竞争力，开发的新型电台必须在满足性能指标的前提下，尽量降低设备成本。本文介绍的信号处理模块，采用中频带通采样的软件无线电结构，仅借助一块低成本FPGA和简单的外围电路，便实现了AM、FM、FH(跳频)话音和数据通信的中频信号处理功能，满足了各项性能指标要求，很大程度上降低了设备成本。

本文首先介绍了信号处理模块的硬件平台设计，分析了硬件平台的组成及其功能；然后对AM、FM、MSK、FH话音和话音静噪的信号处理模块软件设计进行了分析和介绍，其中，重点介绍了话音静噪设计方法和基于FH话音解调的码元同步设计方法；最后，通过实验数据验证了信号处理模块的研究成果。

常规AM/FM话音通信是超短波通信电台最常用的两种话音通信方式，其调制解调技术比较成熟，但如何有效判断话音质量好坏、稳定地实现话音静噪功能却是一个技术难题。本文介绍的中频静噪和音频静噪相结合的数字静噪设计方法，与其它静噪设计方法[1]相比，具有设计简单、灵活性大、抗干扰能力强等优点。

MSK数传和FH话音通信也是超短波通信电台常用的通信方式，通过差分解调的方法，即可以对两种通信方式进行解调，并且该解调算法对收发两端的频偏和相移不敏感，可以不必估计和校正收发载波间的频偏和相移[2]。但是，运用该解调算法对码元同步的要求比较严格，特别是对于FH话音通信方式，在频率跳变的瞬间如何实现精确的码元同步，更是一个比较难的课题。本文介绍的基于数字锁相环和抗干扰滤波器的码元同步方法，具有同步精度高、抗干扰能力强等优点。

2 硬件平台设计

信号处理模块硬件平台实现框图如图1所示，硬件平台的组成主要包括可编程逻辑器件(FPGA)、数字上变频器、ADC驱动器、中频AD转换器、音频ADC/DAC转换器、中频滤波器等核心器件。在设计过程中，所选用的器件都是在满足功能和性能指标的前提下，充分考虑经济性作出的选型。其中，可编程逻辑器件[3]选用XILINX公司低成本的Spartan-3系列FPGA芯片，数字上变频器选用AD公司的数字上变频器AD9857，ADC驱动器选用AD公司的差分ADC驱动器AD8137，中频AD转换器选用AD公司的12位高速AD转换器AD9235，音频ADC/DAC转换器选用TI公司的24位音频ADC/DAC转换器PCM3060，中频滤波器选用天奥电子公司STXF系列的晶体滤波器。

图1 信号处理模块硬件平台实现框图

通过以上对硬件平台组成的分析可以看出，采用软件无线电技术的信号处理模块主要功能均是通过硬件描述语言编程的方式实现，硬件平台相对简单。另外，所选器件均是性价比很高的器件，不但可以满足性能指标要求，而且成本比较低。因此，本文介绍的信号处理模块设计方法不但可以满足超短波通信电台信号处理模块的性能指标要求，而且具有低成本的优势。

3 软件设计

采用软件无线电技术的信号处理模块，核心技术均是通过软件编程的方式实现。在设计过程中，使用Top-Down设计思想，按照子模块功能相对独立、子模块内部联系尽量紧密、子模块间的连接尽量简单的原则，将信号处理模块划分为中频AM解调子模块、中频FM调制子模块、中频FM解调子模块、话音静噪子模块、中频MSK数传(中频FH话音)调制子模块、中频MSK数传解调子模块、中频FH话音解调子模块等7个子模块。

3.1 中频AM解调子模块

常规AM信号表达式为[4]

SAM(n)=A(n)cos(ωcn+θ0)

(1)

式中,A(n)=A0+m(n)，A0>|m(n)|，A0为直流分量，m(n)为调制信号；ωc为载波频率；θ0为载波的初始相位。

对信号进行正交分解，得到同相分量和正交分量分别为

XI(n)=A(n)cos(θ0)

(2)

XQ(n)=A(n)sin(θ0)

(3)

对同相和正交分量平方之和开方，可以得到:

(4)

在式(4)的基础上，减去直流分量A0就可以得到调制信号m(n)。该方法具有较强的抗载频失配能力，也就是说本地载波与信号载波之间允许一定的频率偏差。

3.2 中频FM调制子模块

FM是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的一种调制方式，其数学表达式为

(5)

式中，A为信号幅度，ωc为载波角频率，kf为调制系数，f(t)为调制信号。

S(t)=Acos(ωct)cosφ-Asin(ωct)sinφ

(6)

式中，φ为调制信号的瞬时相位。

根据式(5)和式(6)，可构成中频FM调制子模块实现框图，如图2所示，其中虚线框中为数字上变频器AD9857正交调制模式实现框图[5]。

图2 中频FM调制子模块实现框图

3.3 中频FM解调子模块

中频FM解调子模块实现框图如图3所示，在设计过程中，采用Costas环进行FM解调[6]，首先对输入的中频FM信号进行采样，通过滤波、内插，得到高速率的数字中频信号，然后利用锁相环进行FM解调，最后对解调后信号进行低通滤波，便可以恢复出数字话音信号。

图3 中频FM解调子模块实现框图

3.4 话音静噪子模块

在常规AM/FM话音通信方式下，当接收端解调出的话音SINAD(信号-噪声及失真比)很差、话音可懂度很低时，噪音会让收听者难以忍受，这时就需要采用静噪技术将话音关断。如果话音静噪设计不当的话，接收端输出的话音就会时断时续，或者在话音可懂度很低的时候，话音输出没有被关断，或者在话音可懂度很高的时候，话音输出反而被关断了，因此话音静噪技术是话音通信中很关键的一项技术。

本文介绍的静噪设计方法是运用中频静噪和音频静噪相结合的静噪方式，采取连续多样点检测判决方法实现静噪功能，实现框图如图4所示。

中频静噪处理的目的主要是为了判断中频信号的有无和强弱，在无中频信号和中频信号很弱的情况下，直接打开静噪功能，关掉音频输出；在中频信号比较强的情况，再通过音频静噪处理判断是否打开静噪功能。另外，中频静噪判决设置两个门限，一个为打开静噪功能门限，一个为关掉静噪功能门限，这样静噪开和静噪关之间可以留有一定的回滞。

图4 话音静噪子模块实现框图

音频静噪处理的主要目的是，在中频信号比较强的情况下，判断音频信号的有无和强弱，在无音频信号和音频信号很弱的情况下，直接打开静噪功能，关掉音频输出；在音频信号比较强的情况，关掉静噪功能，输出音频信号。另外，在音频静噪的判决过程中，设置了32个等级，每个等级包括两个门限，一个为打开静噪功能门限，一个为关掉静噪功能门限，通过这样的设计方法，不但可以满足静噪回滞要求，而且可以通过电台面板设置32个静噪等级。

通过中频静噪和音频静噪相结合的静噪处理方法，不但使得静噪的响应时间比较短，可靠性比较高，而且，在不同使用场合、不同信号强度的情况下，可以通过电台面板调节静噪等级的办法，达到最好的静噪效果。

3.5 中频MSK数传调制(中频FH话音调制)子模块

MSK为最小频移键控，其信号表达式可写为[7]

(7)

式中，A为信号幅度，ωc为载波频率，Ts为码元宽度，ak和φk分别为第k个码元中的信息和相位常数。

根据MSK信号特性，式(7)也可表示为

(k-1)Ts≤t≤kTs

(8)

根据式(8)，即可实现中频MSK数传调制功能。另外，中频FH话音调制子模块的实现方法同中频MSK数传调制子模块相同，只不过基带数据是经CVSD编码和跳频处理后的数据流。

3.6 中频MSK数传解调(中频FH话音解调)子模块

中频MSK数传解调(中频FH话音解调)子模块实现框图如图5所示。首先对输入的中频信号进行采样，通过滤波、内插、数字下变频，得到基带I、Q信号，然后通过差分解调、码元同步、抽样判决恢复出基带数据。

图5 中频MSK数传解调子模块实现框图

码元同步和抽样判决是MSK解调的核心技术，直接影响到解调误码率的大小。在设计过程中，采用数字锁相环技术实现码元同步和抽样判决，应用匹配滤波的原理，先对输入的基带信号进行最佳信号检测，减弱噪声干扰的影响，然后判别出超前、滞后脉冲，实时地对码元同步时钟的相位进行调整，从而可以准确地实现码元同步和抽样判决。

针对中频FH话音解调子模块的码元同步和抽样判决实现方法，是在上述码元同步和抽样判决实现方法的基础上增加了抗干扰数字式滤波器，从而解决频率跳变瞬间带来的噪声干扰，实现框图如图6所示，解调后的数据经过解跳处理和CVSD解码，即可还原为话音信号。

图6 FH话音码元同步及抽样判决实现框图

4 研究成果

4.1 常规AM/FM话音通信

常规AM/FM话音通信是超短波通信电台最常用的两种话音通信方式。基于本文介绍的方法和技巧，对于中频AM解调功能，在输入中频信号频率偏移±2 kHz范围内、调制度为30%～90%的情况下，当中频信号载噪比大于等于35 dB时，解调SINAD(信号-噪声及失真比)≥30 dB，当中频信号载噪比大于等于15 dB时，解调SINAD≥10 dB；对于中频FM调制功能，输出中频信号杂波抑制大于等于75 dBc(偏离工作频率±500 kHz以外)，调制失真小于等于1%，邻道抑制大于等于60 dB(偏离载波25 kHz处)；对于中频FM解调功能，在输入中频信号频率偏移±2 kHz范围内、调制频偏为6 kHz的情况下，当中频信号载噪比大于等于30 dB时，解调SINAD≥30 dB，当中频信号载噪比大于等于10 dB时，解调SINAD≥10 dB。

AM和FM调制方式下，接收端话音输出信号和静噪指示电平对照图分别如图7和图8所示，其中当解调出的话音SINAD很差时，将静噪指示置为高电平，关断话音输出，否则置为低电平，打开话音输出。另外，通过该方法设计的话音静噪子模块，静噪回滞为2～6 dB；静噪开启时延小于50 ms，静噪闭锁时延小于100 ms；静噪门限在6～20 dB(解调SINAD)范围内，可以调整32个等级。

图7 AM话音输出信号和静噪指示电平对照图

图8 FM话音输出信号和静噪指示电平对照图

4.2 MSK数传和FH话音通信

MSK数传和FH话音通信也是超短波通信电台常用的通信方式，基于本文介绍的方法和技巧，对于中频MSK数传调制(中频FH话音调制)功能，输出中频信号杂波抑制大于等于75 dBc(偏离工作频率±500 kHz以外)，邻道抑制大于等于60 dB(偏离载波25 kHz处)；对于中频MSK数传解调(中频FH话音解调)功能，当输入中频信号载噪比大于12 dB时，两种通信方式的解调误码率均小于10-4，图9为FH话音通信解调过程中基带信号和解调数据对照图。

图9 FH话音基带信号和解调数据对照图

5 结束语

本文介绍的基于FPGA的超短波通信电台信号处理模块，在低成本FPGA有限的资源下，高效地实现了AM、FM、MSK、FH话音和话音静噪的信号处理设计，不但各项技术指标均满足了电台技术要求[8]，而且具有成本低、可靠性高、功能易扩充等特点。另外，应用了该信号处理模块的超短波通信电台，工作稳定可靠，常规话音、数传、FH话音通信效果均良好。

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