宽带短波信号处理平台及算法.pdf

文章编号:1 0 0 4-9 0 3 7(2 0 0 5)0 1-0 0 7 5-0 8宽带短波信号处理平台及算法汤素华,戴旭初,徐佩霞(中国科学技术大学电子工程与信息科学系,合肥,2 3 0 0 2 7)摘要:为了对宽带短波信号进行快速处理,提出一种基于软件无线电结构的高性能通用宽带无线信号处理平台。在这个平台上对短波信号射频数字化,然后进行数字变频,获得宽带基带解析信号。同时研究了基于基带解析信号的宽频带扫描算法、跳频集搜索算法、特定信号快速搜索算法、调制方式识别和数字解调算法等,并在该平台上实现了这些算法。现场试验表明,本文提出的信号处理平台性能优越,信号处理算法有效。关键词:软件无线电;频带扫描;跳频;调制方式识别中图分类号:T N9 1 1文献标识码:A收稿日期:2 0 0 3-1 2-2 3;修订日期:2 0 0 4-0 9-3 0Wi d e-B a n dWi r e l e s s S i g n a l P r o c e s s i n gP l a t f o r m a n dA l g o r i t h msT ANGS u-h u a,DAIXu-c h u,XUP e i-x i a(D e p a r t me n t o f E l e c t r o n i cE n g i n e e r i n ga n dI n f o r ma t i o nS c i e n c e,Un i v e r s i t yo f S c i e n c e&T e c h n o l o g yo f C h i n a,He f e i,2 3 0 0 2 7,C h i n a)A b s t r a c t:T op r o c e s st h ewi d e-b a n ds h o r twa v eq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y,ah i g hp e r f o r ma n c eg e n e r a l-p u r p o s ewi d e-b a n dwi r e l e s ss i g n a l p r o c e s s i n gp l a t f o r m b a s e do nt h es o f t wa r ed e f i n e dr a d i os t r u c t u r ei sp r o p o s e d.I nt h ep l a t f o r m,t h es h o r twa v es i g n a l i sd i g i t a l i z e di nt h er a d i of r e q u e n c yb a n da n dc o n v e r t e di n t ot h ea n a l y t i c a lb a s e b a n ds i g n a l.T h ewi d e-b a n df r e q u e n c ys c a na l g o r i t h m,h o p p i n gf r e q u e n c ys e a r c h i n ga l g o r i t h m,s p e c i a ls i g n a lf a s ts e a r c h i n ga l g o-r i t h m,mo d u l a t i o nr e c o g n i t i o na n dd i g i t a l d e mo d u l a t i o na l g o r i t h mi nt h e b a s e b a n da r e s t u d i e d.T h e s ea l g o r i t h msa r ei mp l e me n t e di nt h ep l a t f o r m.T h ef i e l dt e s ts h o wst h a tt h ep l a t f o r m i se x c e l l e n t a n dt h ea b o v ea l g o r i t h msa r ev e r ye f f e c t i v e.Ke yw o r d s:s o f t wa r e d e f i n e dr a d i o;f r e q u e n c ys c a n;h o p p i n gf r e q u e n c y;mo d u l a t i o nr e c o g n i t i o n引言短波通信 1 具有通信距离远和信道不易摧毁等优点,一直是军事上重要的通信方式。传统的短波接收机采用超外差技术,在中频通过模拟器件对信号进行解调等处理,信号受噪声的影响较大,抗干扰能力差,而且不同的功能要采用不同的硬件设备来实现。最近出现的一些短波数字接收机 2 3 在中频对短波信号数字化,然后进行数字处理。虽然改善了一些性能,但是依然包含了太多的模拟混频和滤波器件(文 2 中经过了3次模拟混频),而且功能有限(文 2 中只实现了窄带信号的数字解调功 能,文 3 中只实现了基带和中频调制解调功能)。本文将采用软件无线电结构,在统一的硬件平台上对宽带信号进行数字处理,这对实际应用有着很重要的意义。软件无线电主要有三种结构 4:宽带中频带通采样、射频带通采样和射频低通采样。本文将采用射频低通采样的软件无线电结构,这不仅可以实现传统接收机的所有功能,还具有如下优点:(1)硬件可重配置,便于实现不同的功能;(2)可以对宽频带信号进行处理,实现频带扫描、跳频搜索等功能;(3)可以同时对多路窄带信号进行分析,获得信号的调制方式、调制参数,并对多路信号进行解调。本文给出了宽带无线信号处理平台,并在该平台上通过不同的配置来实现宽频带扫描、信号搜索、跳频信号搜索、特定信号搜索、信号分析和解调等功能。该设备既能够单独工作,又能够组网工作。第2 0卷第1期2 0 0 5年3月数据采集与处理J o u r n a l o f D a t aAc q u i s i t i o n&P r o c e s s i n gVo l.2 0No.1Ma r.2 0 0 51接收机系统本文给出的射频接收机综合了传统的接收机的功能,采用基于可重配置的硬件结构,通过软件设置来构建不同的硬件模块,实现不同的功能。1.1系统结构接收机系统中采用如图1所示的基于软件无线电的可重配置结构。天线接收的信号经过射频滤波、放大后,在射频段直接数字化;A/D采样的数据经过可编程下变频器(P D C)下变频滤波,产生基带解析信号,以及瞬时幅度、相位、频率等信息,这些数据通过场可编程门阵列(F P G A)缓冲后传给数字信号处理器(D S P),由D S P完成频带扫描、跳频搜索、特定信号搜索、信号分析和解调等功能,最后由微控制器(MC U)把处理结果上报给远端主机或本地控制台。本地控制台是单机工作时使用的设备,远端主机是在组网方式下使用的设备。图1硬件平台框图1.2硬件模块本文给出的接收机系统中包括了模拟前端,远端主机,本地控制台,A/D,D/A,P D C,D S P,MC U和F P G A等模块。这些模块中,模拟前端提供宽带射频信号,远端主机或本地控制台提供控制界面,A/D和D/A完成模数和数模转换,其他模块完成宽带数字信号处理功能,其中MC U是系统软件控制中心,F P G A是系统硬件控制中心,通过软件设置P D C模块和F P G A模块,可以配置出不同功能的硬件模块,在D S P上运行相应的软件可以实现不同的算法。1.2.1模拟前端模拟前端由滤波器组和射频放大器组成。滤波器组接收D S P模块的命令,选择指定的短波频段,然后进行射频放大。射频放大器具有自动增益控制功能,正常情况下,能够避免饱和。滤波器组抑制带外信号,进一步减少射频放大器饱和的风险,而且使带内信号能被充分放大。根据A/D的采样输出,D S P模块能判断射频放大器是否饱和;如果发生饱和现象,D S P模块可以选择下一个频段或者缩小分析带宽。1.2.2 A/D和D/A模块本地晶振产生高稳的8 0MHz时钟,通过变压器给A/D提供差分时钟,模拟前端的单端射频信号经过变压器缓冲之后给A/D提供差分输入,经A/D采样量化编码后给P D C的4个数据输入端提供采样率为8 0MHz精度为1 4b i t的数据。D/A接收主D S P的解调输出。3路解调数据复用在主D S P的第二个多通道缓冲串口(Mc B S P)的输出线上,由F P G A把自动增益控制(AG C)数据与解调数据合路后传给D/A。D/A内部具有4个独立数模转换器,同时输出4路模拟信号,其中3路是音频信号,1路是模拟前端增益控制信号,这4个模拟信号由低通滤波器滤波后输出。1.2.3 P D C模块P D C是正交下变频器,内部具有4个独立的正交下变频滤波抽取支路(A,B,C,D支路),这些支路也可以级联工作以提高滤波能力,或者并联工作以实现多相滤波输出高采样率信号。本系统中,P D C的4个支路从A/D接收同样的采样率为8 0MHz的射频信号,进行正交下变频和滤波处理,输67数据采集与处理第2 0卷出4路基带信号(S D 1 A,S D 2 A为第1路的串行输出,S D 1 B,S D 2 B,S D 1 C,S D 2 C,S D 1 D,S D 2 D分别为第2路、第3路和第4路的串行输出)。针对不同的功能,在P D C内部采用不同的数据路径,可以得到特定采样率和特定带宽的输出信号,用于后续的数字信号处理。1.2.4 D S P模块D S P为接收机系统的主要信号处理单元。主D S P通过主机接口(HP I)接收MC U的命令,通过并行总线访问F P G A,配置P D C,设置硬件模块。主D S P通过第一个Mc B S P从F P G A接收低速串行数据,主要用于解调;模拟调制信号的解调输出通过第二个Mc B S P传给D/A。主D S P访问从D S P的HP I接口获得从D S P对数据的处理结果。从D S P一般作为主D S P的协处理器,安排在主D S P的异步R AM地址空间。在频带扫描和跳频搜 索时,从D S P通过并行总线以D MA的方式从F P G A接收高速数据;在特定信号搜索和信号分析时,从D S P通过第一个Mc B S P从F P G A接收低速数据。从D S P在收到足够的数据后进行处理,然后发中断通知主D S P取处理结果。1.2.5 MC U模块MC U为接收机系统的软件控制中心。F P G A、主D S P和本地控制台安排在MC U的I/O寻址空间,由MC U通过I/O操作进行访问。系统上电复位时,MC U控制I/O端口,以串行方式配置F P G A;MC U以并行方式访问主D S P的HP I接口,加载主D S P,然后通过主D S P加载从D S P。组网工作时,MC U通过以太网接口与远端主机通信。MC U接收从远端主机过来的命令,下发给D S P,并把D S P的处理结果上报给远端主机;单机工作时,MC U通过I/O操作访问本地控制台,接收命令,并把D S P的处理结果显示在本地的屏幕上。1.2.6 F P G A模块F P G A为接收机系统的硬件控制中心,给各个模块提供必要的控制信号,缓冲、转发数据,监视系统的运行状态。F P G A提供主D S P对模拟前端的配置时序、主D S P对P D C的配置时序、主D S P对从D S P的HP I接口的访问时序、MC U对主D S P的HP I接口的访问时序。F P G A接收P D C串行输出的基带解析信号,缓冲后转发给主D S P和从D S P。F P G A模块还根据P D C的输出数据,计算信号的瞬时功率和平均功率,采用快充慢放的方式调整自动增益控制参数,解调时AG C控制可以逐样本进行,反应速度非常快。信号分析时则采用中速的AG C,以免影响信号的特性。F P G A把增益控制值和主D S P的解调输出合路后转发给D/A。1.3软件模块软件功能模块如图2所示。接收机系统中,MC U完成数字信号处理模块与控制台之间的通信。MC U上运行u C L i n u x,这 是 一 个 嵌 入 式 的L i n u x,除了不支持内存管理单元(MMU),具有L i n u x的其他所有功能,提供了一个比较好的软件开发环境。在u C L i n u x之上运行着主控模块、网络模块、控 制 台 模 块、主D S P模 块、F P G A模 块 和F l a s h模块。组网工作时,主控模块通过网络模块与远端主机通信;单机工作时,主控模块通过控制台模块与本地控制台通信。主控模块通过主D S P模块把接收到的控制命令下发给D S P,并接收D S P对数据的处理结果。上电复位时,主控模块通过F l a s h模块读出保存在F l a s h中的D S P程序和F P-G A程序,然后通过主D S P模块加载D S P,通过F P-G A模块加载F P G A。主控模块接收到远端主机或本地控制台的更新程序命令时,也通过F l a s h模块把D S P或F P G A的程序写到F l a s h中的相应位置。通过这种方式,系统可以在线升级D S P算法程序。图2 MC U和D S P的软件功能模块主D S P通过命令处理模块接收并处理MC U转发的命令,通过配置模块设置模拟前端、P D C和F P G A,通过从D S P模块把命令转发给从D S P,然后启动数据接收。主D S P通过从D S P模块获得从D S P对数据的处理结果。在搜索模式下,主D S P获77第1期汤素华,等:宽带短波信号处理平台及算法得从D S P计算的频谱,在此基础上搜索信号。搜索一般信号时,主要是根据背景信息,比较时间平滑的谱能量与背景谱能量的差是否超过某个门限;对于跳频信号,根据单帧频谱的分析结果建立时频图,然后分析各个频率点的驻留时间、跳频间隔等信息;对特定信号(比如数据链),根据已知特征设计模板,由模板匹配的结果初步判断信号的有无和位置,然后对窄带信号作进一步的分析和解调。在分 析模式下,主D S P根据从D S P的分析结果对接收信号进行解调,如果是模拟调制信号,解调结果直接发给D/A,输出音频信号,如果是数字调制信号,把解调后的数字符号序列转发给MC U,上报给远端主机或本地控制台。从D S P接收主D S P转发的命令,启动数据接收,在收到足够的数据后,处理数据,并上报处理结果。在搜索模式下,从D S P计算并上报频谱;在分析模式下,从D S P分析信号特征并上报分析结果。2信号搜索和分析算法的实现一般情况下,主D S P通过并行总线配置P D C和F P G A,设置数据路径,调整输出信号的采样率和带宽;如果扫描的频段比较宽,超过了单次分析的带宽,从D S P可以调整模拟前端和P D C的正交载波频率,实现频率步进。2.1频带扫描模式图3,4分别显示了在频带扫描模式下P D C、F P G A和D S P的设置。P D C的C和D支路进行多相滤波,得到高速的串行数据,在F P G A中进行串并转换、合路和缓冲,从D S P通过并行总线操作访问该缓冲区,获得采样率为2.9 6MHz带宽为-11MHz的基带宽带解析信号。然后,从D S P对81 9 2点基带解析信号,加窗后计算快速傅里叶变换(F F T),获得分辨率为3 6 1Hz的频谱,截取其中-1 1MHz之间的有效带宽为2MHz的频谱,保图3频带扫描方式下P D C的配置图4频带扫描方式下F P G A和D S P的配置87数据采集与处理第2 0卷存在缓冲区中,并发中断通知主D S P。从D S P对一帧数据的所有处理时间不超过4ms。在处理当前帧数据时,从D S P能够同时接收下一帧的数据。这种流水线方式大大提高了频带扫描速度。主D S P通过HP I接口访问从D S P,获取瞬时频谱信息,然后对频谱进行平滑,以便谱能量相对集中,并把新获得的频谱信息与前几次获得的谱信息,沿时间轴进行平滑处理,以便克服信道衰落的影响。在接收机启动期间,主D S P把这些频谱信息保存在背景信息库中。正常工作时,主D S P把平滑后的频谱与背景库中对应的频谱进行比较,搜索新出现的信号,把频率和电平等搜索结果通过MC U上报给远端主机或本地控制台。频 带扫描时,主D S P还可以根据控制台的命令对新发现的信号进行解调。此时,P D C的A,B支路的低速率数据合路后串行输出,F P G A把该数据转发给主D S P,主D S P通过第一个Mc B S P接收采样率为2 5k Hz带宽为-8 8k Hz的基带窄带解析信号,然后对这两个支路的信号进行解调,解调结果通过第二个Mc B S P串行输出给D/A。2.2跳频搜索模式图5,6分别显示了在跳频搜索模式下P D C,F P G A和D S P的设置。P D C的D支路经过变频滤波,得到高速的串行数据,在F P G A中进行串并转换和缓冲,从D S P通过并行总线操作访问该缓冲区,获得采样率为1.6MHz带宽为-5 0 0 5 0 0k Hz的基带宽带解析信号。然后,从D S P对40 9 6点基带解析信号加窗后计算F F T,获得分辨率为3 9 1Hz的频谱,截取其中-5 0 0 5 0 0k Hz之间的有效带宽为1MHz的频谱,保存在缓冲区中,并发中断通知主D S P。图5跳频模式下P D C的设置图6跳频搜索时F P G A和D S P的设置主D S P读取从D S P计算的频谱,平滑处理后保存在缓冲区中。当缓冲区中的频谱帧数足够多时,主D S P根据这些频谱建立二维时频图,然后在时频图上沿时间轴方向搜索所有电平不连续的频点(相邻两帧的电平差超过一定门限的频率),记录频率值、不连续时刻及驻留时间。在这些频率点中,具有同样的定时关系的频率点归结为一个跳频集。短波跳频信号的跳速不是很快,因此可以借助于上述的时频分析来获得时频图,但是短波跳频中的单边带调制是令人头痛的问题,当跳频信号是单边带调制时,只有双方通话时,调制信号才有能量,当通信双方暂停通话时,接收机只检测到背景噪声的谱能量,因此对处在驻留时间内的同一个频率点,在相邻频率帧之间的电平值相差可能比较大,增大了跳频信号的识别难度。在二维时频图上沿时间轴方向进行适当的平滑处理可以部分解决这个问题。尽管这样,还可能检测到太多的频率跳变点。如果在频谱扫描的同时,融入测向功能,可以进一步降低虚警概率。2.3特定信号搜索模式图7,8分别显示了在特定信号搜索模式下P D C,F P G A和D S P的设置。特定信号搜索主要是针 对特征已知的信号(比如自动链路建立(AL E)信号)进行搜索。P D C的4个支路并行工作,通过滤波变频分别获得采样率为1 0 0k Hz带宽为-2 597第1期汤素华,等:宽带短波信号处理平台及算法图7搜索特定信号时P D C数据路径的配置图8特定信号搜索时F P G A和D S P的配置2 5k Hz的基带解析信号,4个支路的信号在P D C中 合路后串行输出,经F P G A转发给从D S P和主D S P。从D S P通过第一个Mc B S P接收数据块,对4个 通道的基带解析信号分别计算81 9 2点的F F T,获得带宽为5 0k Hz、分辨率为1 2.2Hz的频谱,然后发中断通知主D S P。主D S P通过HP I接口访问从D S P计算的频谱,然后根据预先构造的模板,沿频率轴方向逐步匹配,搜索特定信号。主D S P在搜索到特定信号后,可以立即转入解调模式,解调后的数据上报给MC U,转发给远端主机或本地控制台,以便进一步分析。AL E等信号一般是二阶循环平稳的,也可以根据其循环自相关来进行初步搜索。在初步确定目标信号的位置后,再根据保存的数据进行窄带的时频分析,以降低虚警概率。循环自相关具有抑制平稳噪声的能力,因此可以提高低信噪比下的搜索成功率。文 6 中给出了利用二阶循环平稳特性搜索AL E信号的方法。2.4分析和解调模式图9,1 0分 别 显 示 了 在 分 析 和 解 调 模 式 下P D C,F P G A和D S P的设置。P D C的前3个支路对3个窄带信号进行正交下变频低通滤波后获得采样率为2 5k Hz带宽为-8 8k Hz的基带解析信号,这3路信号在P D C中合路后串行输出,经过F P-G A转发给主D S P,进行解调,如果是模拟信号,解调后的语音信号经过D/A直接输出;如果是数字信号,解调后的信号转发给MC U,以便进一步分析。P D C的第4个支路经过正交变频滤波抽取后获得采样率为1 0 0k Hz、带宽为-2 0 2 0k Hz的基图9分析与解调时P D C数据路径设置08数据采集与处理第2 0卷图1 0分析与解调时F P G A和D S P的设置带解析信号,串行数据通过F P G A转发给从D S P,从D S P对这个窄带宽进行分析,获得带内信号个数,每个信号的载频、带宽、调制方式等参数,然后上报给主D S P,以便于进一步的解调处理。传统的调制方式识别算法在加性高斯信道下具有比较好的识别效果 5,但在短波通信中,信道特性变化太快,接收信号的幅度起伏大,信噪比低,这些传统方法的识别率大大下降。文 7 中给出了针对短波信道中的常用调制方式进行识别的方法,在1 0d B信噪比条件下,对衰落信道也具有比较高的识别率。如果接收信号的带宽比较窄,信道近似平坦,信道衰落只影响接收信号的瞬时幅度,不改变其谱结构,此时采用基于循环谱的调制方式识别方法具有较好的效果。文 8 中给出了基于信号的谱特征和谱相关特性的调制方式识别方法,在3d B的衰落信道下也能取得较高的识别率。3结论本文提出并实现了一种基于软件无线电结构的全数字短波接收机,该接收机在射频把接收信号数字化,使传统的模拟设备减到最少。这种结构有几个独特之处:(1)硬件可重配置,通过不同的硬件设置,在该接收机平台上可以实现不同的功能;(2)程序可在线升级,实现了真正的软件无线电结构;(3)灵活的接口,使得接收机既可以作为单机工作,也可以组网工作。与目前已有的短波数字平台相比,本文所实现的宽带短波信号处理平台能够解调的调制信号更多,而且还具有频带扫描、跳频搜索、特定信号搜索、信号分析与盲解调等功能。但在完成宽带复杂信号处理时,各芯片工作频率比较高,功耗比较大,需要有效地散热。本文提出的接收机的主要技术指标如下:(1)单信号的动态范围为7 0d B。(2)频带扫描模式:单帧扫描带宽2MHz,分析时间4ms/帧,扫描速度达到5 0 0MHz/s。(3)跳频搜索模式:单帧扫描带宽1MHz,分析时 间3ms/帧,可以搜索跳速达到1 0 0跳/s的跳频集。信噪比不低于1 0d B时,对跳速为2 0跳/s的跳频集,频率集的准确率达到9 0%以上。(4)特 定 信 号 搜 索 模 式:单 帧 扫 描 带 宽2 0 0k Hz,分析时间2 0 0ms,搜索速度达到1MHz/s,现场 测试中,信噪比不低于1 0d B时,AL E等信号搜索成功率在9 0%以上。(5)信号分析模式:现场测试中,接收信号信噪比不低于1 5d B时,对一般信号的识别率达到9 0%以上。对等幅报(C W)的频率估计精度在2Hz以内。(6)解调模式:对AM,F M,L S B,US B,I S B,C W,F S K,AL E均能够正确解调,可以根据信号分析的结果自动转入盲解调,也可以根据指定的命令解调。能够同时解调3路模拟信号,基本上实时输出(从天线收到信号到D/A输出的响应时间在5ms以内),AG C反应速度快,可以逐样本进行。对跳频网台分选、特定信号快速搜索和解调、低信噪比条件下的调制方式识别和盲解调仍在进一步的研究之中。18第1期汤素华,等:宽带短波信号处理平台及算法参考文献:1 张乃通,贾士楼,刘士生编著.短波通信 M.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1 9 8 5.2 李双田,李昌立,陈丹平.短波数字接收机的算法研究和D S P实现 J .电子学报,1 9 9 9,2 7(7):2 7 3 0.3 孙光民,沈兰荪,王爱民.短波软件无线电系统的研制 J .北京工业大学学报,1 9 9 9,2 5(3):3 7 4 2.4 杨小牛,楼才义,徐建良编著.软件无线电原理与应用 M.北京:电子工业出版社,2 0 0 1.5 Na n d i AK,Az z o u z EE.Au t o ma t i c a n a l o g u emo d u-l a t i o nr e c o g n i t i o n J .S i g n a lP r o c e s s i n g,1 9 9 5,4 6(2):2 1 1 2 2 2.6 汤素华,尹华锐,徐佩霞.基于循环谱的快速信号搜索 J .电路与系统学报,2 0 0 3,8(1):8 5 8 8.7 汤素华,尹华锐,徐佩霞.一种多参数联合判决的调制识别方法 J .数据采集与处理,2 0 0 3,1 8(1):2 7 3 1.8 汤素华.调制方式识别及参数估计 D .合肥:中国科学技术大学电子工程与信息科学系,2 0 0 3.作者简介:汤素华(1 9 7 5-),男,博士,研究方向:非线性信号处理,软件无线电,E-ma i l:s h t a n g u s t c.e d u.c n;戴旭初(1 9 6 3-),男,副 教 授,研 究 方 向:通 信 信 号 处 理;徐 佩 霞(1 9 4 1-),女,教授,博士生导师,研究方向:通信理论与信号处理。28数据采集与处理第2 0卷