摘要:
研究软件无线电技术解调方法,针对通信系统中的解调系统,通过LabVIEW IDE和G语言的使用完成了软件无线电解调系统方案的设计,详细阐述了实现系统功能的关键技术,针对调幅和调频信号包括外部采集到的(通过通用数据采集卡完成)和本地文件中的已调信号通过综合运用数据采集和虚拟仪器技术完成相应的解调和分析过程。采用软件脉冲均值标记滤波算法和MSK信号数字化解调方法实现调频信号的解调过程,从而使调频波的解调得以有效实现。此外该软件无线电解调系统还具备保存、打印实时信号波形数据及回放历史信号的功能。
关键词:
软件无线电; LabVIEW; 数据采集; 脉冲均值; MSK信号
中图分类号: TN 925
文献标志码: A
Research on Demodulation Method of Software Radio Technology
SUN Zhiyong
(Modern Educational Technology and Information Center, Heilongjiang University of Chinese Medicine, Harbin, Heilongjiang 150040, China)
Abstract:
This paper mainly studies and designs the demodulation method of software radio technology. The design of software radio demodulation system is completed by using LabVIEW IDE and G language. The key technology of the system function such as the amplitude modulation and frequency modulation signals is illustrated. The externally acquired is completed by the universal data acquisition card, through the comprehensive use of data acquisition and virtual instrument technology the modulated signals in the local file is to complete the corresponding demodulation and analysis process. The demodulation process of the FM signal is realized by the software pulse mean label filtering algorithm and the digital demodulation method of the MSK signal, so that the demodulation of the FM wave can be effectively realized. In addition, the software radio demodulation system also has the functions of saving and printing realtime signal waveform data and playing back historical signals.
Key words:
software radio; LabVIEW; data acquisition; pulse mean; MSK signal
0引言
不斷发展的现代通信技术在带来使用便利的同时提升了通信系统的复杂程度,传统硬件电路已经难以满足通信系统的多样化需求,促使了软件无线电技术的不断发展和完善,快速发展的软件无线电因具备灵活性与拓展性等优势已经广泛应用于众多领域(包括民用通信、军事通信、雷达、工程、电视广播等),软件无线电对射频模拟信号(通过天线感应获取)进行直接数字化处理后转换成易于处理的数据流,并根据实际需要选择计算机软件算法实现相应功能,提升了可扩展性及适应具体应用环境的能力[1]。而作为软件无线电技术主要功能之一的自动调制识别技术在在非协作通信领域发挥出了重要作用,已经成为明确领域内的研究重点之一,为使自动调制识别与解调过程的可靠性和准确性得以相应提升,本文完成了软件无线电技术解调方法的设计。
1需求分析
在迅速发展完善的通信技术的支撑下软件无线电技术应运而生,软件无线电由通用硬件和配套软件构成,使通信功能的实现不再局限于硬件发展格局。具有灵活及可移植优势的软件使设计开发通信系统的难度和成本得以显著降低,从而使传统硬件设施对通信系统的影响程度不断降低,硬件无线电通信设备只需为无线通信提供简单的基本支撑平台,对于硬件实现难度较大的通信功能更多通过采用软件编程的方式实现,对于传统的纯硬件电路,软件无线电技术通过现代化软件的应用完成对其无线通信的操纵和控制。软件无线电技术是软件化、计算密集型的操作形式。在软件无线电通信接收系统中,数据的采集和处理是其关键技术[1]。在仪器控制和数据处理等领域,快速发展的计算机软硬件促使具备成本低廉、高精度、通用性强等优势的虚拟仪器技术得以广泛应用,大多由传统硬件设计完成的处理分析功能通过虚拟仪器实现,在提高程序可扩展性及可复用性的同时使用户软件的开发周期得以显著缩短。为此本文针对软件无线电完成了基于LabVIEW虚拟仪器技术的解调系统的设计。
2软件无线电解调系统的总体架构
软件无线电通过将A/D和D/A(即宽带模数变换器和数模变换器)向射频天线最大程度的靠近实现具备通用开放优势的硬件平台的建立,且包含A/DDSPD/A模型的该平台上的各功能模块(包括网络协议、控制终端功能、保密结构等)主要通过使用相应软件技术实现,例如,通过软件编程完成传送信息的处理后(包括抽样、量化、变换、编/解码、运算等)即可实现射频收发功能;选择各通信频段时可通过使用数字信号处理器技术完成软件编程,信道的分离过程可通过使用具备编程数字滤波器的宽带ADC完成。选择包括单边带、调幅、调频、跳频和扩频等在内的信道调制方式时同样以软件编程的方式实现。不同于传统采用文本语言编程的文本语言,LabVIEW(NI公司,一种图形化编程开发平台)作为具有代表性的虚拟仪器,其所使用的编程语言为G语言(图形化语言),通过保存LabVIEW中的子程序以供其他函数调用使层次化、模块化编程功能在LabVIEW中得以实现,使传统开发语言的繁琐性得以有效避免。主要由包括图标、端口和连线在内的节点、前面板、框图程序构成LabVIEW程序,节点间通过接线端口传递数据。此外其所包含的测控功能平台显著提升了系统的灵活性。
本文所说的解调系统的硬件和软件构成的总体框架,如图1所示。
系统的主界面主要由6个选项卡构成即参数设置、解调处理与分析、保存、打印和历史查看,需进行处理的信号由相应的外部设备负责完成,外部信号主要通过使用采集卡完成采集过程,通过驱动通信程序完成采集卡的识别后实现同LabVIEW间的高效通信过程。虚拟仪器软件平台功能在于:对包括放大倍数、采样频率及点数、需进行解调的已调波来源及类型、所使用滤波器的类型及阶数等在内的参数进行设置,对已调波的解调进行解调处理以及解调前后波形的频谱分析(显示解调前后的波形),对采集到的数据进行处理和保存,数据打印使用报表工具包(LabVIEW自带)完成,历史记录文件通过TDMS查看器完成查看过程[2]。
3软件无线电解调系统实现的关键技术
3.1LabVIEW同采集卡间通信过程的实现
LabVIEW的数据采集子程序虽然较多,但受到数据采集卡(DAQ)的限制(只支持NI公司提供的DAQ),为满足系统设计需求兼顾采集卡的使用性能和成本,本文選用了小型的USB集成普通采集卡,该数据采集卡具备较为完善的功能,通过对DLL(动态链接库程序)进行调用即可实现数据采集卡同LabVIEW间高效的数据通信过程,某一程序通过运用该采集卡即可实现该动态链接库中函数的共享使用,在运行状态下可执行代码通过动态链接库实现同数据模块的有效链接,从而将所需的数据、代码和资源提供给相应的进程。共享库可通过LabVIEW中自带的工具完成自动批量导入,开发人员可根据实际需要在工具/导入/共享库dll中对相关函数进行选择、导入和封装,库中函数的参数数据类型通过自动封装工具完成到LabVIEW数据类型的自动映射,在函数选板可对库中封装好的函数进行查看。不支持指针类型的LabVIEW在库中出现指针时会进行将其封装成双精度的浮点型(通过自动封装工具)这一错误操作,因此需对相关设置进行手动更改,例如库中函数int AD_continu()的返回参数属于指向内存地址(存放采集信号数据)的单精度浮点型数组指针的数据类型,在控件类型中对其映射控件(映射于LabVIEW前面板)进行选择,对其输入输出方式的许可性进行配置,其中一项非常重要设置在于将默认为指针传递的传递类型更改为数组传递,以确保从采集卡中成功读取到数据[3]。
3.2软件功能的设计
本文所设计系统的核心功能在于采集和处理功能的实现,在使用单一顺序结构的情况下的分析和处理过程需采集完数据后才能进行,并且下次采集需在完成处理分析后进行,阻碍了系统实时性及执行效率的有效提升,为解决这一问题本文选用了生产者消费者的模式,采用队列操作在LabVIEW中完成此模式,系统的生产者对应采集,消费者对应处理和分析。在生产者循环I中每次通过任何渠道循环采集到的数据进入队列时均需通过“入队列”操作完成,在消费者循环J中提取采集数据时(从同一队列中)则通过“出队列”操作完成以供后续处理。由于生产者和消费者具有不同的生产速度和消费速度,易出现部分VI在消费者模块中出现队列中无可用数据的情况下就会报错,在停止条件端子上(消费者循环)连线超时或错误输出的情况下导致发生消费者循环停止“消费”的概率较大。最严重的情况会导致系统内存崩溃,即程序在执行完消费者后再执行生产者,因队列无可用数据而导致消费者初始时从循环中彻底跳出,使由生产者采集的数据无法被分析和处理,最终大量数据积压到队列中,内存因无法通过执行“消费销毁”释放而崩溃[4]。本文采用了获取“队列状态”的方式以使数据在两个循环间的共享(特别是在消费者分支当中),采集和处理流程,如图2所示。
针对队列中不存在元素的情况,在不允许结束“消费”循环的前提下停止任何程序的执行,直到队列出现元素再完成相应的操作处理。
3.3解调算法的实现
(1) 调频波的解调算法
调频信号主要可划分为两大类即宽带调频和窄带调频(WBFM、NBFM),窄带调频可完成同相分量与正交分量之和的分解,对于宽带信号宽带调频信号因无法进行此类分解而仅能使用非相干解调方法,该方法最大的优势在于本地无需提供与发送端相同频相的载波,考虑到传统的非相干解调硬件电路较为复杂,解调的过程需经过复杂的操作才可实现(包括低通滤波、半波整流、限幅放大、微分等),为弥补传统
方法需进行繁琐操作的不足,本文通过使用脉冲均值滤波法来完成调频波的解调过程,在LabVIEW的循环中对于FM信号该方法仅需对当前由x(n)表示的采样点数据进行判断,在满足x(n)和x(n-1)分别为正数和负数两个条件的情况下(需用到上次x(n-1)采样值)即可实现脉冲序列的快速提取,x(n-1)通过开启移位寄存器(在系统中的循环边框上用三角图标表示,复杂对上次循环的数据进行存储)即可实现整个记录过程以供下次循环使用,仅在同时满足两个条件的情况下才完成一个脉冲的刻标记,LabVIEW会对连接到移位寄存器的数据(包括输入输出)进行自动编译,形成占用同一块内存的同址操作。输出端数据会占用在结束循环时被自动释放的输入端数据内存,据此实现LabVIEW同址操作进而有效节省内存[5]。包括DSB和SSB在内的调幅信号均能够通过使用相干解调的方法完成解调过程,用本地载波乘以接收到的调幅波,在此基础上通过低通滤波获取原调制信号。
(2) 改进型MSK解调原理
MSK信号最显著的特点在于其波形正交于0码和1码,本文针对软件无线电提出了一种数字化解调方法,该方法基于MSK信号,在获取各码元周期内采样值的基础上,以载波频率(包括1码和0码)为依据进行运算从而获取对应频率信息的计算结果,在此基础上完成数字基带信号的判断和恢复。此方法在大幅减少了包括本振和滤波器等环节在内的外围硬件构成的同时减少了解调过程中的计算量及模拟电路被干扰的可能性,使解调过程得以有效简化。在具体设计过程中对解调算法进行了改进(以软件无线电相关思想为依据),在通过使用软件实现软件无线电大部分功能的基础上,通过数字相干解调方法的使用完成对解调算法的改进,接收的信号在移动通信过程中会表现出严重衰落的现象,尤其是受频偏环境(由多普勒效应等引起)的影响导致提取的载波质量无法满足要求,采用正交解调法使这些弱点得以有效可分。所有调制针对多种不同种类的调制样式均对载波的某一个参数通过采用调制信号完成控制过程,使该参数随着调制信号的变化规律而变化。对于连续波调制(即载波以正弦型信号进行调制),假设载波的角频率由ωc 表示,则针对已调信号的数字表达式[6]如式(1)。
展开式(1)可得同相和正交两个分量,具体表达式如式(2)。
其中幅值的表达式如式(3)。
相位表达式如式(4)。
MSK解调原理如下(调频解调的一种)如式(5)。
对于瞬时频率(由f (n)表示)则通过使用相位差分完成计算,除法和反正切运算需在f (n)=φ(n)-φ(n-1)的情况下进行,为降低其对数字芯片的复杂程度,本文将瞬时频率根据微分方法完成计算,f (n)的表达式如式(6)。
考虑到MSK信号的振幅基本不变,假设X2Q(n)+X2I(n)的值近似为1,在此基础上进一步简化f(n)可得如下表达式如式(7)。
从而简化了计算过程,使 f (n)仅通过乘减运算即可获取计算结果,在获取瞬时频率后通过对其进行抽样判决即可完成码元高效准确的恢复。
4系统性能测试
为检测本文所设计的软件无线电技术解调方案的有效性进行了性能测试,需要解调的包括来自采集卡或来自系统已有的信号采用该解调方案有效实现了调频波的解调以及调幅波的解调,且相比于传统相干解调方法该方法的抗干扰性能得以显著提升,经过解调后,图3和4所示为来自采集卡的调频波的波形和频谱分析结果,图5所示为来自本地已有DSB信号的波形结果。测试结果证明了该系统能够使软件无线电的功能得以有效实现[7]。
5总结
目前在软件无线电领域的研究工作中,数据采集和虚拟仪器技术展现出了强大的技术优势,本文在研究软件无线电解调方法时应用了虚拟仪器技术和图形化语言,使用LabVIEW软件开发平台完成了一套软件无线电解调系统的设计,采用正交解调法,该系统能够完成对采集到的已调信号的处理和分析过程(包括本地文件中的已调信号),在此基础上完成对实时信号波形数据的相应处理(包括保存、打印及回放历史信号等)。为提升无线电领域的应用水平提供参考。
参考文献
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(收稿日期: 2019.07.08)
基金项目:
黑龙江省教育科学“十三五”规划课题(GBC1317168)
作者简介:
孙志勇(1984),男,硕士,工程师,研究方向:数据库应用、数据挖掘、大数据分析。
文章编号:1007757X(2020)08005903