軟件無線電技術解調方法研究

摘要：

研究軟件無線電技術解調方法，針對通信系統中的解調系統，通過LabVIEW IDE和G語言的使用完成了軟件無線電解調系統方案的設計，詳細闡述了實現系統功能的關鍵技術，針對調幅和調頻信號包括外部采集到的（通過通用數據采集卡完成）和本地文件中的已調信號通過綜合運用數據采集和虛擬儀器技術完成相應的解調和分析過程。采用軟件脈沖均值標記濾波算法和MSK信號數字化解調方法實現調頻信號的解調過程，從而使調頻波的解調得以有效實現。此外該軟件無線電解調系統還具備保存、打印實時信號波形數據及回放歷史信號的功能。

關鍵詞：

軟件無線電; LabVIEW; 數據采集; 脈沖均值; MSK信號

中圖分類號： TN 925

文獻標志碼： A

Research on Demodulation Method of Software Radio Technology

SUN Zhiyong

（Modern Educational Technology and Information Center， Heilongjiang University of Chinese Medicine， Harbin， Heilongjiang 150040， China）

Abstract：

This paper mainly studies and designs the demodulation method of software radio technology. The design of software radio demodulation system is completed by using LabVIEW IDE and G language. The key technology of the system function such as the amplitude modulation and frequency modulation signals is illustrated. The externally acquired is completed by the universal data acquisition card， through the comprehensive use of data acquisition and virtual instrument technology the modulated signals in the local file is to complete the corresponding demodulation and analysis process. The demodulation process of the FM signal is realized by the software pulse mean label filtering algorithm and the digital demodulation method of the MSK signal， so that the demodulation of the FM wave can be effectively realized. In addition， the software radio demodulation system also has the functions of saving and printing realtime signal waveform data and playing back historical signals.

Key words：

software radio; LabVIEW; data acquisition; pulse mean; MSK signal

0引言

不斷發展的現代通信技術在帶來使用便利的同時提升了通信系統的復雜程度，傳統硬件電路已經難以滿足通信系統的多樣化需求，促使了軟件無線電技術的不斷發展和完善，快速發展的軟件無線電因具備靈活性與拓展性等優勢已經廣泛應用于眾多領域（包括民用通信、軍事通信、雷達、工程、電視廣播等），軟件無線電對射頻模擬信號（通過天線感應獲取）進行直接數字化處理后轉換成易于處理的數據流，并根據實際需要選擇計算機軟件算法實現相應功能，提升了可擴展性及適應具體應用環境的能力[1]。而作為軟件無線電技術主要功能之一的自動調制識別技術在在非協作通信領域發揮出了重要作用，已經成為明確領域內的研究重點之一，為使自動調制識別與解調過程的可靠性和準確性得以相應提升，本文完成了軟件無線電技術解調方法的設計。

1需求分析

在迅速發展完善的通信技術的支撐下軟件無線電技術應運而生，軟件無線電由通用硬件和配套軟件構成，使通信功能的實現不再局限于硬件發展格局。具有靈活及可移植優勢的軟件使設計開發通信系統的難度和成本得以顯著降低，從而使傳統硬件設施對通信系統的影響程度不斷降低，硬件無線電通信設備只需為無線通信提供簡單的基本支撐平臺，對于硬件實現難度較大的通信功能更多通過采用軟件編程的方式實現，對于傳統的純硬件電路，軟件無線電技術通過現代化軟件的應用完成對其無線通信的操縱和控制。軟件無線電技術是軟件化、計算密集型的操作形式。在軟件無線電通信接收系統中，數據的采集和處理是其關鍵技術[1]。在儀器控制和數據處理等領域，快速發展的計算機軟硬件促使具備成本低廉、高精度、通用性強等優勢的虛擬儀器技術得以廣泛應用，大多由傳統硬件設計完成的處理分析功能通過虛擬儀器實現，在提高程序可擴展性及可復用性的同時使用戶軟件的開發周期得以顯著縮短。為此本文針對軟件無線電完成了基于LabVIEW虛擬儀器技術的解調系統的設計。

2軟件無線電解調系統的總體架構

軟件無線電通過將A/D和D/A（即寬帶模數變換器和數模變換器）向射頻天線最大程度的靠近實現具備通用開放優勢的硬件平臺的建立，且包含A/DDSPD/A模型的該平臺上的各功能模塊（包括網絡協議、控制終端功能、保密結構等）主要通過使用相應軟件技術實現，例如，通過軟件編程完成傳送信息的處理后（包括抽樣、量化、變換、編/解碼、運算等）即可實現射頻收發功能;選擇各通信頻段時可通過使用數字信號處理器技術完成軟件編程，信道的分離過程可通過使用具備編程數字濾波器的寬帶ADC完成。選擇包括單邊帶、調幅、調頻、跳頻和擴頻等在內的信道調制方式時同樣以軟件編程的方式實現。不同于傳統采用文本語言編程的文本語言，LabVIEW（NI公司，一種圖形化編程開發平臺）作為具有代表性的虛擬儀器，其所使用的編程語言為G語言（圖形化語言），通過保存LabVIEW中的子程序以供其他函數調用使層次化、模塊化編程功能在LabVIEW中得以實現，使傳統開發語言的繁瑣性得以有效避免。主要由包括圖標、端口和連線在內的節點、前面板、框圖程序構成LabVIEW程序，節點間通過接線端口傳遞數據。此外其所包含的測控功能平臺顯著提升了系統的靈活性。

本文所說的解調系統的硬件和軟件構成的總體框架，如圖1所示。

系統的主界面主要由6個選項卡構成即參數設置、解調處理與分析、保存、打印和歷史查看，需進行處理的信號由相應的外部設備負責完成，外部信號主要通過使用采集卡完成采集過程，通過驅動通信程序完成采集卡的識別后實現同LabVIEW間的高效通信過程。虛擬儀器軟件平臺功能在于：對包括放大倍數、采樣頻率及點數、需進行解調的已調波來源及類型、所使用濾波器的類型及階數等在內的參數進行設置，對已調波的解調進行解調處理以及解調前后波形的頻譜分析（顯示解調前后的波形），對采集到的數據進行處理和保存，數據打印使用報表工具包（LabVIEW自帶）完成，歷史記錄文件通過TDMS查看器完成查看過程[2]。

3軟件無線電解調系統實現的關鍵技術

3.1LabVIEW同采集卡間通信過程的實現

LabVIEW的數據采集子程序雖然較多，但受到數據采集卡（DAQ）的限制（只支持NI公司提供的DAQ），為滿足系統設計需求兼顧采集卡的使用性能和成本，本文選用了小型的USB集成普通采集卡，該數據采集卡具備較為完善的功能，通過對DLL（動態鏈接庫程序）進行調用即可實現數據采集卡同LabVIEW間高效的數據通信過程，某一程序通過運用該采集卡即可實現該動態鏈接庫中函數的共享使用，在運行狀態下可執行代碼通過動態鏈接庫實現同數據模塊的有效鏈接，從而將所需的數據、代碼和資源提供給相應的進程。共享庫可通過LabVIEW中自帶的工具完成自動批量導入，開發人員可根據實際需要在工具/導入/共享庫dll中對相關函數進行選擇、導入和封裝，庫中函數的參數數據類型通過自動封裝工具完成到LabVIEW數據類型的自動映射，在函數選板可對庫中封裝好的函數進行查看。不支持指針類型的LabVIEW在庫中出現指針時會進行將其封裝成雙精度的浮點型（通過自動封裝工具）這一錯誤操作，因此需對相關設置進行手動更改，例如庫中函數int AD_continu（）的返回參數屬于指向內存地址（存放采集信號數據）的單精度浮點型數組指針的數據類型，在控件類型中對其映射控件（映射于LabVIEW前面板）進行選擇，對其輸入輸出方式的許可性進行配置，其中一項非常重要設置在于將默認為指針傳遞的傳遞類型更改為數組傳遞，以確保從采集卡中成功讀取到數據[3]。

3.2軟件功能的設計

本文所設計系統的核心功能在于采集和處理功能的實現，在使用單一順序結構的情況下的分析和處理過程需采集完數據后才能進行，并且下次采集需在完成處理分析后進行，阻礙了系統實時性及執行效率的有效提升，為解決這一問題本文選用了生產者消費者的模式，采用隊列操作在LabVIEW中完成此模式，系統的生產者對應采集，消費者對應處理和分析。在生產者循環I中每次通過任何渠道循環采集到的數據進入隊列時均需通過“入隊列”操作完成，在消費者循環J中提取采集數據時（從同一隊列中）則通過“出隊列”操作完成以供后續處理。由于生產者和消費者具有不同的生產速度和消費速度，易出現部分VI在消費者模塊中出現隊列中無可用數據的情況下就會報錯，在停止條件端子上（消費者循環）連線超時或錯誤輸出的情況下導致發生消費者循環停止“消費”的概率較大。最嚴重的情況會導致系統內存崩潰，即程序在執行完消費者后再執行生產者，因隊列無可用數據而導致消費者初始時從循環中徹底跳出，使由生產者采集的數據無法被分析和處理，最終大量數據積壓到隊列中，內存因無法通過執行“消費銷毀”釋放而崩潰[4]。本文采用了獲取“隊列狀態”的方式以使數據在兩個循環間的共享（特別是在消費者分支當中），采集和處理流程，如圖2所示。

針對隊列中不存在元素的情況，在不允許結束“消費”循環的前提下停止任何程序的執行，直到隊列出現元素再完成相應的操作處理。

3.3解調算法的實現

（1） 調頻波的解調算法

調頻信號主要可劃分為兩大類即寬帶調頻和窄帶調頻（WBFM、NBFM），窄帶調頻可完成同相分量與正交分量之和的分解，對于寬帶信號寬帶調頻信號因無法進行此類分解而僅能使用非相干解調方法，該方法最大的優勢在于本地無需提供與發送端相同頻相的載波，考慮到傳統的非相干解調硬件電路較為復雜，解調的過程需經過復雜的操作才可實現（包括低通濾波、半波整流、限幅放大、微分等），為彌補傳統

方法需進行繁瑣操作的不足，本文通過使用脈沖均值濾波法來完成調頻波的解調過程，在LabVIEW的循環中對于FM信號該方法僅需對當前由x（n）表示的采樣點數據進行判斷，在滿足x（n）和x（n-1）分別為正數和負數兩個條件的情況下（需用到上次x（n-1）采樣值）即可實現脈沖序列的快速提取，x（n-1）通過開啟移位寄存器（在系統中的循環邊框上用三角圖標表示，復雜對上次循環的數據進行存儲）即可實現整個記錄過程以供下次循環使用，僅在同時滿足兩個條件的情況下才完成一個脈沖的刻標記，LabVIEW會對連接到移位寄存器的數據（包括輸入輸出）進行自動編譯，形成占用同一塊內存的同址操作。輸出端數據會占用在結束循環時被自動釋放的輸入端數據內存，據此實現LabVIEW同址操作進而有效節省內存[5]。包括DSB和SSB在內的調幅信號均能夠通過使用相干解調的方法完成解調過程，用本地載波乘以接收到的調幅波，在此基礎上通過低通濾波獲取原調制信號。

（2） 改進型MSK解調原理

MSK信號最顯著的特點在于其波形正交于0碼和1碼，本文針對軟件無線電提出了一種數字化解調方法，該方法基于MSK信號，在獲取各碼元周期內采樣值的基礎上，以載波頻率（包括1碼和0碼）為依據進行運算從而獲取對應頻率信息的計算結果，在此基礎上完成數字基帶信號的判斷和恢復。此方法在大幅減少了包括本振和濾波器等環節在內的外圍硬件構成的同時減少了解調過程中的計算量及模擬電路被干擾的可能性，使解調過程得以有效簡化。在具體設計過程中對解調算法進行了改進（以軟件無線電相關思想為依據），在通過使用軟件實現軟件無線電大部分功能的基礎上，通過數字相干解調方法的使用完成對解調算法的改進，接收的信號在移動通信過程中會表現出嚴重衰落的現象，尤其是受頻偏環境（由多普勒效應等引起）的影響導致提取的載波質量無法滿足要求，采用正交解調法使這些弱點得以有效可分。所有調制針對多種不同種類的調制樣式均對載波的某一個參數通過采用調制信號完成控制過程，使該參數隨著調制信號的變化規律而變化。對于連續波調制（即載波以正弦型信號進行調制），假設載波的角頻率由ωc 表示，則針對已調信號的數字表達式[6]如式（1）。

展開式（1）可得同相和正交兩個分量，具體表達式如式（2）。

其中幅值的表達式如式（3）。

相位表達式如式（4）。

MSK解調原理如下（調頻解調的一種）如式（5）。

對于瞬時頻率（由f （n）表示）則通過使用相位差分完成計算，除法和反正切運算需在f （n）=φ（n）-φ（n-1）的情況下進行，為降低其對數字芯片的復雜程度，本文將瞬時頻率根據微分方法完成計算，f （n）的表達式如式（6）。

考慮到MSK信號的振幅基本不變，假設X2Q（n）+X2I（n）的值近似為1，在此基礎上進一步簡化f（n）可得如下表達式如式（7）。

從而簡化了計算過程，使 f （n）僅通過乘減運算即可獲取計算結果，在獲取瞬時頻率后通過對其進行抽樣判決即可完成碼元高效準確的恢復。

4系統性能測試

為檢測本文所設計的軟件無線電技術解調方案的有效性進行了性能測試，需要解調的包括來自采集卡或來自系統已有的信號采用該解調方案有效實現了調頻波的解調以及調幅波的解調，且相比于傳統相干解調方法該方法的抗干擾性能得以顯著提升，經過解調后，圖3和4所示為來自采集卡的調頻波的波形和頻譜分析結果，圖5所示為來自本地已有DSB信號的波形結果。測試結果證明了該系統能夠使軟件無線電的功能得以有效實現[7]。

5總結

目前在軟件無線電領域的研究工作中，數據采集和虛擬儀器技術展現出了強大的技術優勢，本文在研究軟件無線電解調方法時應用了虛擬儀器技術和圖形化語言，使用LabVIEW軟件開發平臺完成了一套軟件無線電解調系統的設計，采用正交解調法，該系統能夠完成對采集到的已調信號的處理和分析過程（包括本地文件中的已調信號），在此基礎上完成對實時信號波形數據的相應處理（包括保存、打印及回放歷史信號等）。為提升無線電領域的應用水平提供參考。

參考文獻

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（收稿日期： 2019.07.08）

基金項目：

黑龍江省教育科學“十三五”規劃課題（GBC1317168）

作者簡介：

孫志勇（1984），男，碩士，工程師，研究方向：數據庫應用、數據挖掘、大數據分析。

文章編號：1007757X（2020）08005903