摘要：給出了四種基于軟件無線電的數(shù)字化接收機(jī)方案；單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)、單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)、多通道寬帶并行數(shù)字化接收機(jī)和基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)。分析了四種方案的原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，給出了MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與傳統(tǒng)接收機(jī)方案相比，這些方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大和易于升級(jí)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：軟件無線電 數(shù)據(jù)化接收機(jī) 欠采樣正交解調(diào) 信道化接收機(jī)

軟件無線電（Software Defined Radio）技術(shù)是近年來提出的一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)，它是針對(duì)現(xiàn)在無線通信領(lǐng)域存在的一些問題應(yīng)運(yùn)而生的。軟件無線電的基本思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能。本文基于軟件無線電的理論和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)四種可行的數(shù)字化接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，用軟件模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收機(jī)中的硬件結(jié)構(gòu)，在很大程度上克服了傳統(tǒng)接收機(jī)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不通用及系統(tǒng)不穩(wěn)定的局限性。，進(jìn)行MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)，并給出結(jié)果。
1 軟件無線電數(shù)字化接收機(jī)方案

目前軟件無線電數(shù)字化接收機(jī)的方案大致可分為以下四種：?jiǎn)瓮ǖ勒瓗?shù)字化接收機(jī)、單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)、多通道寬帶并行數(shù)字化接收機(jī)和基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)。

1．1 單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)

單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)方案的原理見（a）。天線接收到的信號(hào)經(jīng)過濾波放大選取所要的通道，如果信號(hào)的頻率很高還可以加上或者多級(jí)混頻來降頻（以下小節(jié)中的接收機(jī)類似），然后通過A/D采集將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。如果按照奈奎斯特采樣原理，用大于頻率2倍的頻率采樣以達(dá)到不混疊的目的，對(duì)于高中頻信號(hào)來說是不實(shí)用的。信號(hào)載頻雖然很高，其攜帶的信號(hào)所占的帶寬卻很窄，欠采樣理論就是利用了這一特性，見公式（1）。

fs=4f0/(2m+1) (1)

其中f0是信號(hào)的載波，fs為采樣頻率，B為信號(hào)的帶寬，m=1,2,3…，且m的fs≥2B。欠采樣方式以太于兩倍信號(hào)帶寬的速率對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣，與傳統(tǒng)的采樣方式相比降低采樣后的數(shù)據(jù)量及后續(xù)電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。例如對(duì)于載波頻率為10.7MHz的信號(hào)，可取m=15,則采樣頻率fs=1.38MHz。

（a）的虛框部分是軟件處理部分（其他框圖同），信號(hào)的解調(diào)采用基于欠采樣的正交解調(diào)原理完成。經(jīng)過奇偶抽取，兩路輸出信號(hào)在時(shí)域上相差半個(gè)采樣點(diǎn)，在頻域相當(dāng)于相差一個(gè)延遲因子eiw/2。這種在時(shí)間上的“對(duì)不齊”需要用數(shù)字濾波器進(jìn)行相位校正。兩個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)滿足公式（2）。

兩路信號(hào)經(jīng)過濾波校正后進(jìn)行解調(diào)計(jì)算，得到基帶信號(hào)。

1．2 單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)

單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)通過可調(diào)的濾波器每次接收一個(gè)頻道信號(hào)，而單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)要把選定范圍內(nèi)的信號(hào)全部接收采集進(jìn)來，然后通過軟件選擇頻率處理，這種接收機(jī)的原理見（b）。

由于接收的信號(hào)是寬帶的，所以不能用欠采樣的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。信號(hào)的采樣率按照奈斯特原理進(jìn)行計(jì)算，如需要載波頻率為f1的信號(hào)，便使寬帶信號(hào)通過頻率為f1的正交本振對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交分解，然后經(jīng)過低通濾波，降低抽取，利用解調(diào)算法獲得基帶信號(hào)。
1．3 多通道寬帶并行數(shù)據(jù)化接收機(jī)

上述兩種數(shù)字化接收機(jī)方案只能同時(shí)接收一個(gè)信號(hào)，不具備多信號(hào)處理的能力，所以稱為單通道接收機(jī)。若同時(shí)對(duì)多個(gè)通道上的信號(hào)進(jìn)行處理，可以將（b）中A/D采樣后的信號(hào)分為多個(gè)并行通道，分別進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波和軟件解調(diào)，原理見（c）。這種方法思路簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)比較復(fù)雜。

1．4 基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)

多通道并行寬帶中波數(shù)字化接收機(jī)的數(shù)字本振是固定的，這在非合作性（或被動(dòng)性）的條件下，無法對(duì)整個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽。軟件無線電的信道化理論可以完成對(duì)整個(gè)選定頻段范圍信號(hào)的全概率獲得，可應(yīng)用于跟蹤、查找非性電臺(tái)、干擾電臺(tái)及不法信號(hào)發(fā)射裝置的中波廣播信號(hào)，凈化電磁空間，維護(hù)通訊安全，其原理見（d）（接收信號(hào)為實(shí)信號(hào)的情況）。

信道化數(shù)字化接收機(jī)是將接收信號(hào)通過一組濾波器（稱為信道化濾波器）均勻分成D個(gè)子頻帶輸出，再將各個(gè)子頻帶的信號(hào)搬移到基帶，進(jìn)行降速抽取，解調(diào)處理。將以上信號(hào)處理過程進(jìn)行數(shù)字優(yōu)化，可以大大減少計(jì)算量，得到如（d）的形式。
2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)有條件對(duì)1.4節(jié)和1.1節(jié)的接收機(jī)分別進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。

2．1 基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)的MATLAB仿真

基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化處理結(jié)構(gòu)中，其中D通常取2的冪次方，這樣DFT可以用快速傅立葉變換FFT來計(jì)算，以提高計(jì)算率。取采樣率fs=6MHz,其無混疊帶寬為3MHz，把3MHz帶寬D=32路信道化輸出，則32路信道中每一個(gè)通道所占的信道寬度為3MHz/32=93.75kHz。通過基于多個(gè)相濾波結(jié)構(gòu)的信道化處理，可以獲得整個(gè)3MHz帶寬內(nèi)全部信號(hào)情況。為便于說明，假設(shè)整個(gè)信道有6個(gè)調(diào)幅信號(hào)，其分布及信號(hào)的參數(shù)見表1。
表1 6個(gè)通道的信號(hào)參數(shù)

仿真是在信噪比為10dB的條件下進(jìn)行的，給出了仿真信號(hào)的時(shí)域、頻域波形和相應(yīng)通道的基帶信號(hào)波形。由仿真圖的結(jié)果可以看出，信號(hào)經(jīng)過基于多相濾波結(jié)構(gòu)信道化的接收機(jī)處理后，能夠正確獲得每個(gè)信道上的基帶信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)中波帶寬內(nèi)信號(hào)的全概率接收。

2．2 單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)實(shí)驗(yàn)

以簡(jiǎn)單的中波信號(hào)為接收對(duì)象，用這種接收機(jī)模型對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并且實(shí)時(shí)收聽。信號(hào)的數(shù)字化處理和實(shí)時(shí)播放是在PC機(jī)上完成的。對(duì)于中波信號(hào)無需混頻，可以用天線直接進(jìn)行射頻接收，然后濾波放大。數(shù)據(jù)的采集借助ADLink公司的PCI-9812連續(xù)采樣模擬輸入采集卡完成，采集后的信號(hào)進(jìn)入PC機(jī)中，用VC進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)正交解調(diào)、界面功能和波形顯示，由聲卡完成播放。程序流程見。為信號(hào)的波形顯示圖。
該接收機(jī)除了可以接收調(diào)幅信號(hào)，還可以通過增加軟件模塊來增加新的功能，達(dá)到接收多種調(diào)制信號(hào)的功能，從而大大節(jié)省了資源。普通中波收音機(jī)的音質(zhì)，除了受外部噪聲影響外，還受自身元件無法克服的內(nèi)部噪聲的影響。本方案借助于軟件，節(jié)省了很多硬件，也就大量消除了由硬件自身對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響，因此接收效果有很大的提高。

本文介紹了四種基于軟件無線電的數(shù)字化接收機(jī)方案，從仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這些方案不僅節(jié)省了大量的硬件結(jié)構(gòu)，還擴(kuò)展了接收機(jī)的功能，適應(yīng)了當(dāng)今無線電的發(fā)展方向，隨著硬件技術(shù)的快速發(fā)展，這些方案會(huì)在軍用和民用上得到廣泛發(fā)展。