摘要：软件无线电接收机是基于一个通用可编程硬件平台，通过软件来实现各种通信标准。随着数字处理技术不断进步，理想软件无线电的最终实现成为可能。本文对软件无线电中的关键技术——高速数据采集技术、多速率数字信号处理技术进行探讨。在此基础上，结合目前器件水平，设计基于多速率处理技术宽带信号的软件无线电解决方案。最后以AM信号为例，仿真检验了该设计方案的可行性与正确性。
关键词: 多速率处理；软件无线电；带通采样；数字下变频；
Research on Multi-speed Processing Technique of the Software Radio Receiver
Abstract：Software radio receiver is based on a versatile programmable platform，which can realize different molds . With the development of digital signal processing, it is being possibility to realize the great idea of software radio. This paper discussed high-speed data acquisitions and multi-speed processing which are the key techniques of the software radio .Then, on the basis of these, the paper adopts IF digitalization project based on multi-speed processing model according the present chip level. Finally, taking the AM signal as an example, simulation has verified the feasibility and implementation of the proposal.
Keywords：Multi-speed processing；Software radio；Band-pass sample；Digital down converter；
1  引 言
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及尽可能迟地将发送的数字信号变换为射频模拟信号。目前由于A/D及DSP器件的处理速度限制，欠采样技术还无法直接在射频上实现，大多采用中频欠采样技术。通常把A/D转换器传来的数字信号，经过数字信号处理器件（如数字下变频器DDC）处理，降低数据流速率，并把信号变至基带后，再送给通用DSP进行处理（如图1所示）。
 
图1  SDR实现的硬件平台结构图
2  软件无线电理论基础
软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心的，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。其基础理论主要包括数据采集理论和数字下变频技术，其中数字下变频又包括多速率信号处理论、高效数字滤波。
2.1 带通采样理论

2.2 多速率数字信号处理技术
尽管带通采样定理的应用大大降低了所需的系统采样速率，为后面的实时处理奠定了基础。即使这样，从A/D输出的数据流速率也很高，导致后续的处理器速度跟不上，特别是对有些的信号同步解调，计算量相当大。在实际的通信系统中，用户需要的往往是整个频带中一个很窄的信道。对这样的单信道也不需要这么高的采样速率，所以有必要对这种单信道采样数据流进行降速处理。多速率信号处理技术很好地解决了这个问题。

2.3 高效数字滤波
不管是抽取还是内插或取样率为分数的变换，都需要设计一个数字滤波器。对于实际的移动通信系统来说，抽取倍数一般为100～1000。要所设计的数字滤波器的带宽非常窄，又要使过渡带非常陡，一次抽取是无法实现这样的滤波器的。因此实际设计时只能采用多阶的滤波和抽取，逐渐降低采样率，同时也降低了对每一级抗混叠滤波器的要求。对于高倍数的抽取，使用多级可以比单级大大降低计算量。但在采样速率很高，抽取因子很大时，FIR滤波器采用多级实现的计算量还是相当大的。软件无线电中最常用的两种高效的数字滤波器：半带滤波器 和梳状滤波器 。
3  接收平台硬件设计与实现
在实际的硬件设计中，所做的工作是对其中数字信号处理部分。即从中频模拟信号开始，主要包括：高速数据采集AD6645、数字下变频HSP50214B、数字信号处理器TMS320VC5402、逻辑控制部件XC95288XL、频率合成器AD9851和时钟电路组成，系统总体结构（如图2所示）。
 
图2  中频数字处理部分硬件设计框图
高性能A/D转换器AD6645根据DDS提供的时钟信号对输人信号进行高速采样，并把采集到的14bit数据送人可编程数字下变频器HSP50214B。HSP50214B根据其内部控制寄存器的数值对输人采样数据进行变频、滤波和码率转换处理，并将处理后的数据通过FIFO传给TMS320VC5402。XC95288用于对频率合成器AD9851配置和对FIFO的逻辑控制。最后TMS320VC5402对此基频数字信号进行信号检测、同步获取、匹配滤波和频谱分析等处理。
3.1 高速数据采样器件模块
A/D的理论SNR可以表示为：
                    

由（3）式我们可以看出，模数转换的信噪比与这三个参数有关：A/D的转换位数N、采样速率 和输入信号的最高频率 。在设计中，输人模拟中频信号最高频率为40MHz,基带带宽不超过2MHz。并且由于后续的下变频器件输入为14位，故采样器件输出数字信号的精度最好不要超过14位，同时兼顾其他两个参数，我们选用AD公司的AD6645ST-65,其性能参数(如表1)。


AD6645的采样时钟要求质量高且相位噪声低，为了优化性能，AD6645的采样时钟信号和输入采样模拟信号都采用差分形式输入。
3.2 数字下变频器件模块
HSP50214B是Harris公司生产的一个单信道数字下变频器件。其主要功能有三个：第一是变频，包括数控本振和数字混频，将感兴趣信号下变频，甚至到基带；第二是低通滤波，滤除带外信号，HSP50214B中可编程FIR滤波器还能设计成匹配滤波器；第三是采样速率转换，降低采样速率，以利于后续信号处理，并能直接解调带宽不超过0.982MHz的AM、FM、FSK、BPSK、DPSK等。

                      4  系统仿真
使用通信仿真软件SystemView软件对设计的中频数字接收机进行AM数字解调仿真。系统中合成模拟中频信号，带内具有多个单信道。通过数字解调方式，我们可以提取其中任意一个信道，并解调恢复出原始调制信号，仿真电路图（如图3所示）。系统仿真电路主要包括模拟接收前端（通过调制，混频，抗混叠滤波合成中频宽带信号）、中频采样模块、数字下变频模块（完成信道选择，并根据所抽取信道宽度来确定抽取系数，降低后数据流输出速率）、数字解调算法模块（完成解码、解调）。
 

运用SystemView仿真软件对AM信号的仿真分析得出结论。对于宽带中频信号，用低于其信号最高频率的速率采样，数字解调后，完全能够恢复出原始的信号。而且从仿真结果来看（如图4和图5所示），可以发现本设计方案能较好地完成AM信号的接收解调，满足设计要求。
5  结 论
本系统采用了可编程逻辑芯片与通用数字信号处理芯片相结合的完全数字化结构，通过加载相应的软件可实现对AM、FM、FSK、BPSK、DPSK等信号的解调。可以灵活、综合实现多种接收机的功能，是当前实现软件无线电技术的有效方案。最后，运用SystemView仿真软件对AM信号的仿真结果验证了方案的可行性和合理性。
参 考 文 献
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