可擴(kuò)展的信號解碼系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

溫小東

摘 要 本文首先分析了無線通信發(fā)展對無線電監(jiān)測帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)，介紹了傳統(tǒng)無線電監(jiān)測系統(tǒng)模型組成及能力要求。在充分分析數(shù)字通信系統(tǒng)和部分通信系統(tǒng)信號波形的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的信號解碼系統(tǒng)。本文給出了解碼系統(tǒng)的功能組成和結(jié)構(gòu)，并且完成了系統(tǒng)組成模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，文章最后簡要介紹了解碼系統(tǒng)的應(yīng)用方式和實(shí)現(xiàn)情況。

關(guān)鍵詞 無線電監(jiān)測；波形分析；信號解碼

中圖分類號 TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0077-02

無線電通信技術(shù)快速發(fā)展，通信手段和方式日益豐富，獲取通信設(shè)備越來越容易，既給人民生產(chǎn)生活帶來了便利，也為各種違法犯罪分子提供了作案工具。為了維護(hù)電磁頻譜的正常秩序，及時(shí)查處打擊以偽基站、黑廣播、考試作弊等為主的各種違法行為[1]，以及監(jiān)測并解決由于頻率泄露、互調(diào)等造成的各種無意干擾，要求頻譜監(jiān)測系統(tǒng)必須具備在異常復(fù)雜擁擠的電磁環(huán)境中識別用頻屬性，區(qū)分用頻性質(zhì)的能力。

傳統(tǒng)無線電頻譜監(jiān)測系統(tǒng)主要獲取信號在頻域、時(shí)域、空域、能量域的特征，很難區(qū)分無線發(fā)射個(gè)體以及用頻目的。因此增加監(jiān)測系統(tǒng)對信號的處理深度、具備信息解碼功能，增加信息域特征的監(jiān)測能力，能更好的服務(wù)于頻譜管理工作。

1 無線電監(jiān)測系統(tǒng)模型

ITU頻譜監(jiān)測手冊推薦的典型數(shù)字接收監(jiān)測系統(tǒng)模型如圖1所示[2]。模型中包括輸入濾波器、RF放大器、RF調(diào)諧器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）、數(shù)字信號處理器、模擬信號解調(diào)器、數(shù)字信號解調(diào)器等部件。

輸入濾波器將所需的RF信號經(jīng)過濾波后送到RF放大器中進(jìn)行放大；混頻器和本地振蕩器將寬帶RF頻譜中所關(guān)心的部分搬移到中頻（IF）頻帶；由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）和其他電路完成對中頻（IF）信號進(jìn)行采樣數(shù)字化；數(shù)字信號處理器對得到的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波、分析、測量、分類識別，獲取信號頻率、頻偏、調(diào)制樣式、符號速率、音長等外部特征；數(shù)字信號處理器把經(jīng)窄帶濾波抽取后的窄帶數(shù)字信號分別輸出至模擬解調(diào)器進(jìn)行模擬解調(diào)獲得音頻輸出；輸出至數(shù)字解調(diào)器進(jìn)行數(shù)字解調(diào)獲得解調(diào)碼流；系統(tǒng)同時(shí)可以輸出模擬中頻（IF）信號和數(shù)字中頻信號供系統(tǒng)擴(kuò)展使用。

ITU-頻譜監(jiān)測手冊推薦的監(jiān)測系統(tǒng)模型沒有包括信號解碼部件，也沒有對解碼功能進(jìn)行詳細(xì)要求。

2 解碼功能需求分析

為了實(shí)現(xiàn)信號解碼，需要對通信過程進(jìn)行深入分析。根據(jù)數(shù)字通信系統(tǒng)模型[3]，信源發(fā)送一般要經(jīng)過壓縮編碼、保密編碼、信道編碼、調(diào)制等過程，接收則要有與之相反的解調(diào)、解碼過程。在復(fù)雜的系統(tǒng)中可能還需要加上多路復(fù)用、多址訪問等過程和與之相反的解多址、多路分接過程。

從數(shù)字通信系統(tǒng)模型可知，要實(shí)現(xiàn)信號解碼，必須獲取信源發(fā)送方所使用的調(diào)制方式、信道編碼、信源編碼等。目前通信系統(tǒng)種類繁多，波形各不相同，無法使用一種方法完成對所有信號的解碼。需要逐一對每種通信系統(tǒng)在信源發(fā)送過程中所用的方法進(jìn)行分析、提取特征，根據(jù)波形對信號進(jìn)行分類，然后針對每種波形設(shè)計(jì)不同的解碼器。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在短波（HF）頻段主要有ARQ6-70、ARQ-E、ASCII、AUTOSPEC、COQUELET-8、COQUELET-13等超過100種波形，在超短波（VHF/UHF）頻段主要包括ATIS、AIS、BIIS-1200等幾十種民用波形。表1是幾種信號波形的主要特征，從表中可見，不同系統(tǒng)的信號波形，可以通過外部特征加以區(qū)分。

3 解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)及組成

解碼系統(tǒng)由解碼調(diào)度器、預(yù)選器、數(shù)據(jù)緩存和解碼器庫組成，如圖2所示。為了和監(jiān)測系統(tǒng)模型對接，在解碼系統(tǒng)，可以獲取外部數(shù)字信號處理以及解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)。

解碼調(diào)度器是解碼系統(tǒng)的調(diào)度控制中心。解碼調(diào)度器提供對外接口供數(shù)字信號處理和數(shù)字解調(diào)器以及人機(jī)交互使用，輸入解碼器參數(shù)、分類識別結(jié)果、解調(diào)碼流等外部信息，為選擇調(diào)用解碼器提供依據(jù)、運(yùn)行參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)；同時(shí)輸出解碼器的狀態(tài)信息以及解碼結(jié)果。解碼調(diào)度器提供對內(nèi)接口供預(yù)選器獲取指令和參數(shù)完成解碼器的選擇，并控制解碼器運(yùn)行，管理數(shù)據(jù)緩存器中的數(shù)據(jù)。

預(yù)選器根據(jù)指令或者分類識別結(jié)果中的調(diào)制參數(shù)、頻率、波特率、頻移間隔等參數(shù)，通過對解碼器庫進(jìn)行匹配查找，完成解碼器預(yù)選，將一種或可能的幾種解碼器形成一個(gè)選擇列表輸出到解碼器調(diào)度器。

解碼器庫用來管理和組織所有的解碼器。每個(gè)解碼器被設(shè)計(jì)為獨(dú)立解碼軟件，在軟件形態(tài)上為軟件動(dòng)態(tài)庫。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)解碼器被逐一調(diào)用啟動(dòng)，通過約定好的接口向系統(tǒng)進(jìn)行注冊登記，同時(shí)需要注冊解碼器所適用的系統(tǒng)特征，如頻率、波特率、音長、頻移間隔等信息，預(yù)選器工作時(shí)可以通過上述信息查詢到該解碼器。每個(gè)解碼器都需要提供統(tǒng)一的調(diào)用接口以輸出狀態(tài)信息、解碼結(jié)果（文本、圖像、聲音）。

數(shù)據(jù)緩存接收并存儲(chǔ)數(shù)字解調(diào)器輸出的解調(diào)碼流。

3.2 數(shù)據(jù)緩存

數(shù)據(jù)緩存中的解調(diào)碼流可以被一個(gè)或多個(gè)解碼器讀取進(jìn)行解碼，同時(shí)要保證數(shù)字解調(diào)器輸出碼流能夠持續(xù)穩(wěn)定輸入并被保存，根據(jù)這種使用要求，數(shù)據(jù)緩存采用循環(huán)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式[4]，能夠保證數(shù)據(jù)在兩端都可以操作。每個(gè)數(shù)據(jù)塊除了包含數(shù)據(jù)信息外還要包括運(yùn)行的解碼器數(shù)量，只有數(shù)據(jù)被所有解碼模塊處理完成后才可以被覆蓋。

3.3 預(yù)選器

預(yù)選器利用選擇矩陣完成對解碼器的選擇，輸出一個(gè)解碼器列表。預(yù)選器的輸入信息包括調(diào)制類型、中心頻率、音長、信道間隔、信道數(shù)量、符號速率、頻移間隔、塊長度等。預(yù)選器也可以根據(jù)用戶的輸入，直接選擇一個(gè)解碼器進(jìn)行輸出。

選擇矩陣按照首先按照頻段（HF、VHF、UHF等）、調(diào)制樣式（FSK、MFSK、PSK等）進(jìn)行分類，然后對每類再按照信號持續(xù)特征（連續(xù)波、脈沖）進(jìn)行細(xì)分，最后依據(jù)具體參數(shù)對每種波形進(jìn)行選擇定位。下面僅就部分系統(tǒng)給出分類參考實(shí)例：

1）根據(jù)頻率、調(diào)制樣式、信號持續(xù)特征、頻移間隔和波特率就可以區(qū)分的波形包括：ASCII、ARQ-E、ARQ-E3、ARQ-N、ARQ-M、AUTOSPEC、BAUDOT、FEC-A、FEC-S/SI-FEC、HNG-FEC、POL-ARQ、RUM-FEC、Sitor-B、Spread-11、Spread-21、Spread-51、BULGASCII等。

2）依據(jù)頻率、調(diào)制樣式、信號持續(xù)特征、頻移間隔、波特率、塊周期及塊長度可以區(qū)分的波形包括：ARQ-S/ SI-ARQ、G-TOR、Sitor-A、Pactor？I、Packed？Radio、SWED-ARQ、ARQ6-70、ARQ6-90、ARQ6-98、TWINPLEX等。

3）依據(jù)頻率、調(diào)制樣式、信號持續(xù)特征、頻移間隔、波特率、音長、信道編號、信道間隔可以區(qū)分的系統(tǒng)包括：Coquelet-8、Coquelet-13、Coquelet-80、Piccolo？MK6、Piccolo？MK12等。

3.4 解碼器庫

解碼器庫在組織形式上分為3層，分別是解碼器、解碼器組和解碼器庫，在軟件形態(tài)上是一系列動(dòng)態(tài)庫。解碼器是最基本單位，是針對某一特定波形開發(fā)的解碼軟件模塊。開發(fā)人員可以將相近的波形解碼器打包形成一個(gè)解碼器組，解碼器組被封裝到一個(gè)動(dòng)態(tài)庫中，每個(gè)解碼器都需具有唯一的標(biāo)識ID。解碼器組維護(hù)一個(gè)解碼器字典，用來記錄組內(nèi)解碼器的引用特征和調(diào)用方法，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)通過統(tǒng)一的接口向系統(tǒng)注冊并提供調(diào)用接口。解碼器庫確保在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)解碼器組（動(dòng)態(tài)庫）均被調(diào)用，解碼器庫提供注冊接口，新的解碼器組可以便利地通過該接口注冊到解碼器庫中，從而達(dá)到持續(xù)更新之目的。

4 結(jié)論

本文結(jié)合當(dāng)前無線電監(jiān)測發(fā)展趨勢，通過對通信系統(tǒng)信號波形的詳盡分析，設(shè)計(jì)了可以擴(kuò)展的一種信號解碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以在DSP或嵌入式計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，與無線電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對信號的實(shí)時(shí)解碼功能，也可在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，在增加軟件數(shù)字信號處理模塊和解調(diào)模塊后組成完整的離線信號分析處理、解調(diào)解碼系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的解碼系統(tǒng)已經(jīng)在大型無線電監(jiān)測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，開發(fā)平臺為PPC和VxWorks，編程語言為C++。

參考文獻(xiàn)

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