基于软件无线电的短波通信中频数字化

引言

软件无线电技术的宗旨是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将无线通信的各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密抗干扰模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线。理想的软件无线电结构如图1所示。其中，N-/RT为准时和实时；信源 /信宿包括窄带业务与未来的宽带业务。

传统的短波电台由于频率资源拥挤，时变电离层信道严重的频率选择性衰落以及多径时延、各种大气噪声以及人为无线电噪声的影响，只适合于传输模拟话音以及低速率数据。随着现代无线通信理论与软硬件技术的发展以及对电离层信道特性的深入探索，短波电台出现了以下几方面的变化：①采用跳频技术来提高抗干扰能力；②采用自适应通信技术来提高建链能力；③数据通信(包括图文数据及声码话数据等)成为重要的业务方式；④采用数字加密方式等。

理论上就目前ADC的速度而言能够满足对短波波段信号进行低通采样，但直接在射频端进行A/D转换存在以下问题。①严重影响接收机的选择性和灵敏度，一般射频频段内会存在若干强窄带干扰，为防止超载并降低ADC的量化噪声，ADC必须具有大动态范围，而当信号很弱接近噪声基底时，ADC的无寄生动态范围SFDR指标决定了接收机总的SNR，ADC的实现难度很大；②短波波段带宽较宽，ADC前的宽带抗混叠滤波器与宽带放大器目前性能还不够理想；③ 数字信号处理器对射频段窄带信号进行信道分离解调难度很大；④ADC采样孔径抖动引起的信噪比恶化相对严重。因此，目前对传统短波电台的数字化改造大都保留了电台的射频以及模拟混频环节，而在频率较低并且固定的二中频处进行。

本文中我们设计的短波中频数字化平台是在二中频500kHz处进行数字化，从而省去传统电台的边带滤波等一系列模拟解调环节，构筑一个统一的硬件平台实现单边带、调幅、等幅报音等的软件调制解调，并在此基础上加载跳频、自适应、并行及串行Modem 数传等调制解调模块。短波中频数字化平台结构原理如图2所示。其中，N-RT为准实时和实时；信源/信宿包括窄带业务与未来的宽带业务。

1　数字变频技术

从图2可以看出，从中频采样信号到基带信号是通过数字变频来完成的，数字变频技术是软件无线电的核心技术之一，涉及到多抽样率数字信号处理 (MRDSP：multiratedigitalsignalprocessing)技术，后者是自20世纪70年代开始发展起来的数字信号处理领域的一门重要技术。数字变频器主要由数字混频器、数控振荡器和低通滤波器3部分组成。数字变频采用正交混频，而且需要对信号进行重采样抽取或者内插滤波(此处的抽取滤波包括2步操作，首先是抗混叠低通滤波，然后是样点的抽取；内插滤波则先是样点的内插，然后是抑制镜频的低通滤波)。因为中频接收信号经过正交混频以后已变为基带信号，此时信号只在中频采样频带(二分之一中频采样率)内占很小一部分，经低通抽取滤波后可以在保持信号不受影响的情况下降低数据速率(降为基带采样率)，有助于减轻后端数字信号处理压力；对于发送通道在正交混频之前必须先进行内插滤波以提高信号的数据率，使之至少达到奈奎斯特采样定理要求的两倍信号最高频率，否则会产生严重的混叠。

在模拟变频中，混频器的非线性和模拟本振的频率稳定度，边带、相位噪声、温度漂移、转换速率等都是人们最关心和难以彻底解决的问题，这些问题在数字变频中是不存在的，频率步进、频率间隔等也具有理想的性能。和模拟变频器相比，数字变频还具有以下优点：①载频与数字滤波器系数具有可编程性；②数字混频不存在非线性失真，因而互调小；③数字滤波频响特性好；④系统造价低等。

目前市场上有大量专为数字变频而设计的专用可编程数字信号处理器，如Intersil公司的 HSP50214/215，HSP50415，Graychip公司的GC1012，GC4014以及AD公司的AD9856，AD6620/22/24 等，这些芯片指令集较为简单，速度也较快，并且处理效率更高。本文中我们设计的中频数字化平台即采用了两块专用的数字变频芯片：HSP50415和 AD6620。

HSP50415是Intersil公司单路数字上变频芯片，该芯片具有很强的调制能力，内部主要由内插滤波器、复调制器、定时和载波数控振荡器、双12位150M采样率D/A转换器四部分组成。采样率转换包括3级内插滤波器，内插范围4～128K；支持正交AM及PM调制；提供脉冲成形滤波以及星座图映射等；该芯片最大输出采样率100MSPS，最大输入速率25MSPS，前端具有256级深度的FIFO；32位可编程数控振荡器提供最大 50MHz载波和0.023Hz频率精度。

该芯片内部共有16个控制寄存器和