超短波通信電臺(tái)的低成本信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)*

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

超短波通信電臺(tái)是面向航空通信領(lǐng)域開發(fā)的新型電臺(tái)，為了具有比較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，開發(fā)的新型電臺(tái)必須在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡量降低設(shè)備成本。本文介紹的信號(hào)處理模塊，采用中頻帶通采樣的軟件無線電結(jié)構(gòu)，僅借助一塊低成本FPGA和簡(jiǎn)單的外圍電路，便實(shí)現(xiàn)了AM、FM、FH(跳頻)話音和數(shù)據(jù)通信的中頻信號(hào)處理功能，滿足了各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，很大程度上降低了設(shè)備成本。

本文首先介紹了信號(hào)處理模塊的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，分析了硬件平臺(tái)的組成及其功能；然后對(duì)AM、FM、MSK、FH話音和話音靜噪的信號(hào)處理模塊軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和介紹，其中，重點(diǎn)介紹了話音靜噪設(shè)計(jì)方法和基于FH話音解調(diào)的碼元同步設(shè)計(jì)方法；最后，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了信號(hào)處理模塊的研究成果。

常規(guī)AM/FM話音通信是超短波通信電臺(tái)最常用的兩種話音通信方式，其調(diào)制解調(diào)技術(shù)比較成熟，但如何有效判斷話音質(zhì)量好壞、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)話音靜噪功能卻是一個(gè)技術(shù)難題。本文介紹的中頻靜噪和音頻靜噪相結(jié)合的數(shù)字靜噪設(shè)計(jì)方法，與其它靜噪設(shè)計(jì)方法[1]相比，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活性大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

MSK數(shù)傳和FH話音通信也是超短波通信電臺(tái)常用的通信方式，通過差分解調(diào)的方法，即可以對(duì)兩種通信方式進(jìn)行解調(diào)，并且該解調(diào)算法對(duì)收發(fā)兩端的頻偏和相移不敏感，可以不必估計(jì)和校正收發(fā)載波間的頻偏和相移[2]。但是，運(yùn)用該解調(diào)算法對(duì)碼元同步的要求比較嚴(yán)格，特別是對(duì)于FH話音通信方式，在頻率跳變的瞬間如何實(shí)現(xiàn)精確的碼元同步，更是一個(gè)比較難的課題。本文介紹的基于數(shù)字鎖相環(huán)和抗干擾濾波器的碼元同步方法，具有同步精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

信號(hào)處理模塊硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，硬件平臺(tái)的組成主要包括可編程邏輯器件(FPGA)、數(shù)字上變頻器、ADC驅(qū)動(dòng)器、中頻AD轉(zhuǎn)換器、音頻ADC/DAC轉(zhuǎn)換器、中頻濾波器等核心器件。在設(shè)計(jì)過程中，所選用的器件都是在滿足功能和性能指標(biāo)的前提下，充分考慮經(jīng)濟(jì)性作出的選型。其中，可編程邏輯器件[3]選用XILINX公司低成本的Spartan-3系列FPGA芯片，數(shù)字上變頻器選用AD公司的數(shù)字上變頻器AD9857，ADC驅(qū)動(dòng)器選用AD公司的差分ADC驅(qū)動(dòng)器AD8137，中頻AD轉(zhuǎn)換器選用AD公司的12位高速AD轉(zhuǎn)換器AD9235，音頻ADC/DAC轉(zhuǎn)換器選用TI公司的24位音頻ADC/DAC轉(zhuǎn)換器PCM3060，中頻濾波器選用天奧電子公司STXF系列的晶體濾波器。

圖1 信號(hào)處理模塊硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)框圖

通過以上對(duì)硬件平臺(tái)組成的分析可以看出，采用軟件無線電技術(shù)的信號(hào)處理模塊主要功能均是通過硬件描述語言編程的方式實(shí)現(xiàn)，硬件平臺(tái)相對(duì)簡(jiǎn)單。另外，所選器件均是性價(jià)比很高的器件，不但可以滿足性能指標(biāo)要求，而且成本比較低。因此，本文介紹的信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)方法不但可以滿足超短波通信電臺(tái)信號(hào)處理模塊的性能指標(biāo)要求，而且具有低成本的優(yōu)勢(shì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用軟件無線電技術(shù)的信號(hào)處理模塊，核心技術(shù)均是通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中，使用Top-Down設(shè)計(jì)思想，按照子模塊功能相對(duì)獨(dú)立、子模塊內(nèi)部聯(lián)系盡量緊密、子模塊間的連接盡量簡(jiǎn)單的原則，將信號(hào)處理模塊劃分為中頻AM解調(diào)子模塊、中頻FM調(diào)制子模塊、中頻FM解調(diào)子模塊、話音靜噪子模塊、中頻MSK數(shù)傳(中頻FH話音)調(diào)制子模塊、中頻MSK數(shù)傳解調(diào)子模塊、中頻FH話音解調(diào)子模塊等7個(gè)子模塊。

3.1 中頻AM解調(diào)子模塊

常規(guī)AM信號(hào)表達(dá)式為[4]

SAM(n)=A(n)cos(ωcn+θ0)

(1)

式中,A(n)=A0+m(n)，A0>|m(n)|，A0為直流分量，m(n)為調(diào)制信號(hào)；ωc為載波頻率；θ0為載波的初始相位。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交分解，得到同相分量和正交分量分別為

XI(n)=A(n)cos(θ0)

(2)

XQ(n)=A(n)sin(θ0)

(3)

對(duì)同相和正交分量平方之和開方，可以得到:

(4)

在式(4)的基礎(chǔ)上，減去直流分量A0就可以得到調(diào)制信號(hào)m(n)。該方法具有較強(qiáng)的抗載頻失配能力，也就是說本地載波與信號(hào)載波之間允許一定的頻率偏差。

3.2 中頻FM調(diào)制子模塊

FM是載波的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)成線性變化的一種調(diào)制方式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(5)

式中，A為信號(hào)幅度，ωc為載波角頻率，kf為調(diào)制系數(shù)，f(t)為調(diào)制信號(hào)。

S(t)=Acos(ωct)cosφ-Asin(ωct)sinφ

(6)

式中，φ為調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位。

根據(jù)式(5)和式(6)，可構(gòu)成中頻FM調(diào)制子模塊實(shí)現(xiàn)框圖，如圖2所示，其中虛線框中為數(shù)字上變頻器AD9857正交調(diào)制模式實(shí)現(xiàn)框圖[5]。

圖2 中頻FM調(diào)制子模塊實(shí)現(xiàn)框圖

3.3 中頻FM解調(diào)子模塊

中頻FM解調(diào)子模塊實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，在設(shè)計(jì)過程中，采用Costas環(huán)進(jìn)行FM解調(diào)[6]，首先對(duì)輸入的中頻FM信號(hào)進(jìn)行采樣，通過濾波、內(nèi)插，得到高速率的數(shù)字中頻信號(hào)，然后利用鎖相環(huán)進(jìn)行FM解調(diào)，最后對(duì)解調(diào)后信號(hào)進(jìn)行低通濾波，便可以恢復(fù)出數(shù)字話音信號(hào)。

圖3 中頻FM解調(diào)子模塊實(shí)現(xiàn)框圖

3.4 話音靜噪子模塊

在常規(guī)AM/FM話音通信方式下，當(dāng)接收端解調(diào)出的話音SINAD(信號(hào)-噪聲及失真比)很差、話音可懂度很低時(shí)，噪音會(huì)讓收聽者難以忍受，這時(shí)就需要采用靜噪技術(shù)將話音關(guān)斷。如果話音靜噪設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑?，接收端輸出的話音就?huì)時(shí)斷時(shí)續(xù)，或者在話音可懂度很低的時(shí)候，話音輸出沒有被關(guān)斷，或者在話音可懂度很高的時(shí)候，話音輸出反而被關(guān)斷了，因此話音靜噪技術(shù)是話音通信中很關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。

本文介紹的靜噪設(shè)計(jì)方法是運(yùn)用中頻靜噪和音頻靜噪相結(jié)合的靜噪方式，采取連續(xù)多樣點(diǎn)檢測(cè)判決方法實(shí)現(xiàn)靜噪功能，實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

中頻靜噪處理的目的主要是為了判斷中頻信號(hào)的有無和強(qiáng)弱，在無中頻信號(hào)和中頻信號(hào)很弱的情況下，直接打開靜噪功能，關(guān)掉音頻輸出；在中頻信號(hào)比較強(qiáng)的情況，再通過音頻靜噪處理判斷是否打開靜噪功能。另外，中頻靜噪判決設(shè)置兩個(gè)門限，一個(gè)為打開靜噪功能門限，一個(gè)為關(guān)掉靜噪功能門限，這樣靜噪開和靜噪關(guān)之間可以留有一定的回滯。

圖4 話音靜噪子模塊實(shí)現(xiàn)框圖

音頻靜噪處理的主要目的是，在中頻信號(hào)比較強(qiáng)的情況下，判斷音頻信號(hào)的有無和強(qiáng)弱，在無音頻信號(hào)和音頻信號(hào)很弱的情況下，直接打開靜噪功能，關(guān)掉音頻輸出；在音頻信號(hào)比較強(qiáng)的情況，關(guān)掉靜噪功能，輸出音頻信號(hào)。另外，在音頻靜噪的判決過程中，設(shè)置了32個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)包括兩個(gè)門限，一個(gè)為打開靜噪功能門限，一個(gè)為關(guān)掉靜噪功能門限，通過這樣的設(shè)計(jì)方法，不但可以滿足靜噪回滯要求，而且可以通過電臺(tái)面板設(shè)置32個(gè)靜噪等級(jí)。

通過中頻靜噪和音頻靜噪相結(jié)合的靜噪處理方法，不但使得靜噪的響應(yīng)時(shí)間比較短，可靠性比較高，而且，在不同使用場(chǎng)合、不同信號(hào)強(qiáng)度的情況下，可以通過電臺(tái)面板調(diào)節(jié)靜噪等級(jí)的辦法，達(dá)到最好的靜噪效果。

3.5 中頻MSK數(shù)傳調(diào)制(中頻FH話音調(diào)制)子模塊

MSK為最小頻移鍵控，其信號(hào)表達(dá)式可寫為[7]

(7)

式中，A為信號(hào)幅度，ωc為載波頻率，Ts為碼元寬度，ak和φk分別為第k個(gè)碼元中的信息和相位常數(shù)。

根據(jù)MSK信號(hào)特性，式(7)也可表示為

(k-1)Ts≤t≤kTs

(8)

根據(jù)式(8)，即可實(shí)現(xiàn)中頻MSK數(shù)傳調(diào)制功能。另外，中頻FH話音調(diào)制子模塊的實(shí)現(xiàn)方法同中頻MSK數(shù)傳調(diào)制子模塊相同，只不過基帶數(shù)據(jù)是經(jīng)CVSD編碼和跳頻處理后的數(shù)據(jù)流。

3.6 中頻MSK數(shù)傳解調(diào)(中頻FH話音解調(diào))子模塊

中頻MSK數(shù)傳解調(diào)(中頻FH話音解調(diào))子模塊實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。首先對(duì)輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，通過濾波、內(nèi)插、數(shù)字下變頻，得到基帶I、Q信號(hào)，然后通過差分解調(diào)、碼元同步、抽樣判決恢復(fù)出基帶數(shù)據(jù)。

圖5 中頻MSK數(shù)傳解調(diào)子模塊實(shí)現(xiàn)框圖

碼元同步和抽樣判決是MSK解調(diào)的核心技術(shù)，直接影響到解調(diào)誤碼率的大小。在設(shè)計(jì)過程中，采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)碼元同步和抽樣判決，應(yīng)用匹配濾波的原理，先對(duì)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行最佳信號(hào)檢測(cè)，減弱噪聲干擾的影響，然后判別出超前、滯后脈沖，實(shí)時(shí)地對(duì)碼元同步時(shí)鐘的相位進(jìn)行調(diào)整，從而可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)碼元同步和抽樣判決。

針對(duì)中頻FH話音解調(diào)子模塊的碼元同步和抽樣判決實(shí)現(xiàn)方法，是在上述碼元同步和抽樣判決實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上增加了抗干擾數(shù)字式濾波器，從而解決頻率跳變瞬間帶來的噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示，解調(diào)后的數(shù)據(jù)經(jīng)過解跳處理和CVSD解碼，即可還原為話音信號(hào)。

圖6 FH話音碼元同步及抽樣判決實(shí)現(xiàn)框圖

4 研究成果

4.1 常規(guī)AM/FM話音通信

常規(guī)AM/FM話音通信是超短波通信電臺(tái)最常用的兩種話音通信方式?；诒疚慕榻B的方法和技巧，對(duì)于中頻AM解調(diào)功能，在輸入中頻信號(hào)頻率偏移±2 kHz范圍內(nèi)、調(diào)制度為30%～90%的情況下，當(dāng)中頻信號(hào)載噪比大于等于35 dB時(shí)，解調(diào)SINAD(信號(hào)-噪聲及失真比)≥30 dB，當(dāng)中頻信號(hào)載噪比大于等于15 dB時(shí)，解調(diào)SINAD≥10 dB；對(duì)于中頻FM調(diào)制功能，輸出中頻信號(hào)雜波抑制大于等于75 dBc(偏離工作頻率±500 kHz以外)，調(diào)制失真小于等于1%，鄰道抑制大于等于60 dB(偏離載波25 kHz處)；對(duì)于中頻FM解調(diào)功能，在輸入中頻信號(hào)頻率偏移±2 kHz范圍內(nèi)、調(diào)制頻偏為6 kHz的情況下，當(dāng)中頻信號(hào)載噪比大于等于30 dB時(shí)，解調(diào)SINAD≥30 dB，當(dāng)中頻信號(hào)載噪比大于等于10 dB時(shí)，解調(diào)SINAD≥10 dB。

AM和FM調(diào)制方式下，接收端話音輸出信號(hào)和靜噪指示電平對(duì)照?qǐng)D分別如圖7和圖8所示，其中當(dāng)解調(diào)出的話音SINAD很差時(shí)，將靜噪指示置為高電平，關(guān)斷話音輸出，否則置為低電平，打開話音輸出。另外，通過該方法設(shè)計(jì)的話音靜噪子模塊，靜噪回滯為2～6 dB；靜噪開啟時(shí)延小于50 ms，靜噪閉鎖時(shí)延小于100 ms；靜噪門限在6～20 dB(解調(diào)SINAD)范圍內(nèi)，可以調(diào)整32個(gè)等級(jí)。

圖7 AM話音輸出信號(hào)和靜噪指示電平對(duì)照?qǐng)D

圖8 FM話音輸出信號(hào)和靜噪指示電平對(duì)照?qǐng)D

4.2 MSK數(shù)傳和FH話音通信

MSK數(shù)傳和FH話音通信也是超短波通信電臺(tái)常用的通信方式，基于本文介紹的方法和技巧，對(duì)于中頻MSK數(shù)傳調(diào)制(中頻FH話音調(diào)制)功能，輸出中頻信號(hào)雜波抑制大于等于75 dBc(偏離工作頻率±500 kHz以外)，鄰道抑制大于等于60 dB(偏離載波25 kHz處)；對(duì)于中頻MSK數(shù)傳解調(diào)(中頻FH話音解調(diào))功能，當(dāng)輸入中頻信號(hào)載噪比大于12 dB時(shí)，兩種通信方式的解調(diào)誤碼率均小于10-4，圖9為FH話音通信解調(diào)過程中基帶信號(hào)和解調(diào)數(shù)據(jù)對(duì)照?qǐng)D。

圖9 FH話音基帶信號(hào)和解調(diào)數(shù)據(jù)對(duì)照?qǐng)D

5 結(jié)束語

本文介紹的基于FPGA的超短波通信電臺(tái)信號(hào)處理模塊，在低成本FPGA有限的資源下，高效地實(shí)現(xiàn)了AM、FM、MSK、FH話音和話音靜噪的信號(hào)處理設(shè)計(jì)，不但各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足了電臺(tái)技術(shù)要求[8]，而且具有成本低、可靠性高、功能易擴(kuò)充等特點(diǎn)。另外，應(yīng)用了該信號(hào)處理模塊的超短波通信電臺(tái)，工作穩(wěn)定可靠，常規(guī)話音、數(shù)傳、FH話音通信效果均良好。

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