一款基于软件无线电的多模接收机的设计

叶永平

(台州市招投标中心，浙江台州318000)

0 引言

近年来，随着3G、4G、Wi－Fi等无线电通信的蓬勃发展，软件无线电从最初概念提出、到美国军方的试验系统，目前逐渐扩展到商用通信系统、民用通信产品中。少数软件无线电接收机已广泛用于通信及无线电监管等多种专业及商业场合，甚至国外业余无线电领域亦开始给予简单硬件电路的试验性产品［1－4］。相比之下，国内关于软件无线电的研究虽然有863等相关计划的大力扶持，但总体相对滞后，也鲜见包含从接收机硬件部分到核心处理软件的完整的软件接收机产品［5］。本文基于软件无线电的理论框架、从硬件设计到最终处理软件编制、实现了多频段和多模式的无线电信号的接收和处理，具有一定实用价值。

1 软件无线电理论基础

软件无线电的基本思想是构造一个开放、标准、模块化的通用硬件平台，将无线电通信系统的各种功能如调制解调类型、数据格式、加密解密、通信协议等通过软件编程来实现。将宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线端，即尽可能早地将接收到的射频模拟信号进行数字化是软件无线电接收机的基础架构思路。

目前，由于A/D及DSP或CPU等器件的处理速度限制，直接对射频进行采样还无法实现，对于高频更多地采用下变频并采用中频采样技术。在A/D采样后通过高速通信口送给计算机的SDR软件进行后续处理，如图1所示。

2 接收机硬件设计与实现

在本接收机中，主要分为多段射频预处理部分、包含多频段天线、高放、混频、DDS本振部分，高速AD负责将MF、HF、VHF频段混频后中频信号进行模数转换、MCU负责系统控制、PC通信，系统总体结构，如图2所示。

图2 接收机硬件框图

2.1 射频预处理部分

由于本方案将接收机的天线分为中频MF段0.3－3M段、HF段3－30M段、VHF低段30－150M段共3段，因此使用3付相应频段的天线来代替全频段天线。在各频段天线后设置独立的射频放大部分，将射频放大到适合后级采样或混频电路所需要的电平标准。

2.2 本振及下变频部分

本振使用一片AD9851直接数字频率合成器来生成频率范围为3M－150M的正弦波本振信号源［6］。受限于A/D及后级处理能力，除MF段直接进行A/D模数转换之外，HF和VHF两个频段需经下变频到4.5M再进行A/D处理，2个频段各使用一片LT5512混频［7－9］。

2.3 模拟数字转换部分

根据A/D理论SNR公式:

可得出，模数转换的信噪比与这3个参数有关:A/D的转换位数N、采样速率fs和输入信号的最高频率fmax。在本接收机的设计中，输人模拟中频信号最高频率为15MHz，接收解调对象AM、SSB、CW、FM等基带均为窄带信号，但为有更宽的接收带宽，故采用较为高速、分辨率较大的A/D转换器件。选用AD公司的AD6659，其性能参数，如表1所示。

表1 AD9862性能参数

2.4 MCU及PC接口部分

微控制器MCU是软件无线电接收机的核心，负责数字信号预处理、通信、人机交互等控制，实现软件无线电系统接收处理的完整过程。联机状态下，MCU及嵌入式软件负责接收SDR软件的指令，完成MF、HF、VHF频段选择，控制DDS本振频率、混频通道、A/D转换和其他参数，传输转换结果数据等。脱机状态下，可通过键盘及显示屏实现简易人机交互，进行脱机简易工作。本设计中选用Atmel的32位AVR处理器ATUC256L4U，具备浮点计算，内部大容量Flash、RAM、全速USB2.0通信接口，并具有先进的架构、高处理能力、高速通信和高安全性与可靠性。

3 SDR软件系统

3.1 基础框架设计

在本款设计中，采用更为贴近无线电定义软件(software defined radio)的理想的设计理念，在将接收信号预处理并A/D之后，完全采用通用计算机上运行SDR软件做后级处理、系统控制、业务处理方式来实现信号接收处理的后级处理，软件系统框架如图3所示。

图3 SDR软件框架

软件系统主要分为负责和接收机进行通信的通信模块，负责基带及IF信号处理的数字滤波器DF、DSP等区块，负责各种信号解调的AM、SSB(包含LSB、USB)、CW、FM等解调区块，负责各种效果的音频处理或数字化处理等业务处理区块，以及输出、录音、数据通信、网络应用等辅助功能区块，负责系统控制、参数显示、信号可视化的人机交互区块。

3.2 数字处理插件化设计

在本款接收机中，主要以插件形式存在的有基带处理部分的数字滤波器、数字信号处理，各种模式解调插件，包含音效处理、数字处理的业务级插件，更包括处于直观信号的信号、处理显示、插件作用前后效果的对比的可视化效果插件，数字插件可以串联、并联、混编［10］。

3.3 人机交互设计

软件的人机交互部分基于友好、易用等原则，控制系统工作状态、调节各种参数、插件的灵活组织调配，并具有传统硬件接收机所难以达到的可视化效果，形成一个通用的无线电的信号接收处理平台。

4 应用展望

本系统使用通用计算机平台加专用软件的方式完成系统整体架构。系统架构的优势在于硬件部分简单、软件可以随需而变、拥有良好的扩展性。即可以作为通用信号接收机单系统工作，由于功能模块化和插件化，更可以在应用上予以扩展。

4.1 覆盖频段拓展

频段覆盖宽窄取决于天线、下变频处理、A/D速度、采样带宽要求等主要因素，随着无线电技术及电子技术的不段发展，宽带天线、DDS、A/D、DSP等不断高速化，频段覆盖可进一步提高。

4.2 网络化应用

在接收机硬件部分采用带以太网通信模块的微处理器，将接收机作为网络终端模块来使用，各种功能配置可以通过网络来进行配置，模块接收到的信号数据可以通过网络传送到任意有网络的地方，配合网络中心软件系统既可实现网络化应用。如，该模式可用于各级无线电管理局对辖区内的无线频点、频谱使用情况进行检测，甚至实现对某些频点进行录音等特殊功能，更可以通过中心软件来实现频点使用情况的长期跟踪记录［11］。随着基础电信运营商能提供的网络覆盖和带宽越来越广，这种网络化分布式监测完全可以实现。相比传统的检测车监测显得更为实时、有效，节省较大的运行成本，如图4所示。

图4 网络化应用示意

5 结束语

本系统基于软件无线电的基本原理，将A/D过程靠近天线，采用可编程DDS，通过对基带信号或中频信号进行数字化采样，通过高速接口传送到计算机，在SDR软件上进行全数字化处理，最后实现对AM、SSB、CW、FM等信号的解调。通过软件的功能扩充、模块增减、功能修改即可实现多模式信号接收处理，是当前实现软件无线电技术的有效方案。最后，运用 MatLab仿真软件对AM、SSB、CW、FM信号的仿真结果验证了方案的可行性和合理性。

［1］ 粟欣，许希斌.软件无线电原理与技术［M］.北京:人民邮电出版社，2010:95－121.

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［4］ Richard Johnson，William A Sethare.潘甦译.软件无线电［M］.北京:机械工业出版社，2008:42－56.

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［9］ 胡平，叶春勇.软件无线电及其在数字电视中的应用［J］.微计算机信息，2006，1(2):80－83.

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［11］ 耿晓飞.基于软件无线电的无线电监测技术研究［D］.长春:长春理工大学，2007.