運(yùn)用虛擬測試儀表技術(shù)深度革新信號(hào)解調(diào)試驗(yàn)

徐 寧

（大慶石化工程有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

信號(hào)的調(diào)制解調(diào)是指接收到電子信號(hào)后，對(duì)信號(hào)中的信息進(jìn)行還原的過程，通過生產(chǎn)實(shí)踐可以讓一線工作人員更真實(shí)地體驗(yàn)信號(hào)的處理過程，從而更加深入地掌握調(diào)制解調(diào)原理[1-3]。

1 存在的問題

常見的電子信號(hào)調(diào)制解調(diào)主要依靠商用設(shè)備、教學(xué)設(shè)備、Matlab 仿真等，但上述解調(diào)方式在實(shí)踐過程中都存在一定的問題。

1.1 商用設(shè)備技術(shù)封閉

商用解調(diào)雖然可靠性與穩(wěn)定性最高，但受限于商用性質(zhì)，其接口有一定的秘密協(xié)議，并不對(duì)外開放，無法獲取其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和原理，不利于調(diào)制解調(diào)過程的講解。

1.2 教學(xué)設(shè)備不穩(wěn)定

試驗(yàn)設(shè)備多采取先進(jìn)的儀器和零件，受限于生產(chǎn)批量的問題，成本過于昂貴，并且未經(jīng)過耐久性測試，其質(zhì)量和穩(wěn)定性難以保證。試驗(yàn)設(shè)備具有開放性的接口，工作人員可以觀測信號(hào)的波形，無法深入了解編程情況，這是因?yàn)樵囼?yàn)解調(diào)時(shí)會(huì)將解調(diào)程序做加密處理，也無法有效地進(jìn)行解調(diào)過程的講解。

1.3 Matlab 仿真與實(shí)際工程不符

商用設(shè)備和教學(xué)設(shè)備都不能完整顯示解調(diào)過程，這時(shí)只能考慮Matlab 仿真解調(diào)的方式。Matlab 作為開放平臺(tái)，其穩(wěn)定性和可靠性較高，也能在某方面緩解商用設(shè)備和教學(xué)設(shè)備的缺陷，但國內(nèi)現(xiàn)階段使用的Matlab 平臺(tái)多基于仿真性質(zhì)，與工程實(shí)踐的差距較大。在這種仿真性質(zhì)Matlab 平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)的過程為：Matlab 調(diào)用一組隨機(jī)函數(shù)，模擬信號(hào)的調(diào)制，采用密集間隔制作載波信號(hào)，用載波信號(hào)來承載調(diào)制信號(hào)，生成調(diào)制好的信號(hào)發(fā)送給終端[4]。信號(hào)的調(diào)制過程能夠模擬實(shí)際工況，對(duì)于信號(hào)調(diào)制的講解有較大幫助。但Matlab 平臺(tái)也存在一定的缺陷，主要有以下3 點(diǎn)。

（1）仿真數(shù)據(jù)的特征與真實(shí)工況有一定出入。在仿真信號(hào)中，會(huì)將連續(xù)的“1”顯示為平坦的波形，這是理想狀態(tài)下的，實(shí)際工況下難以達(dá)到。真實(shí)信號(hào)受“慣性”作用，連續(xù)的“1”峰值很尖銳，信號(hào)的解調(diào)就需要更復(fù)雜的算法，最佳采樣點(diǎn)的選取也會(huì)放在“半峰”處，而仿真信號(hào)中的采樣點(diǎn)在“峰頂”。

（2）仿真過程與真實(shí)信號(hào)傳輸不一致。真實(shí)信道中的信號(hào)衰落、多普勒效應(yīng)、陰影效應(yīng)及各種復(fù)雜干擾都難以依靠仿真實(shí)現(xiàn)，這樣復(fù)雜情況下的真實(shí)信道特征是Matlab 平臺(tái)所不具備的[5]，對(duì)于工作者來說難以看出真實(shí)的信號(hào)傳輸過程。

（3）仿真平臺(tái)中所使用的信號(hào)解調(diào)模式與真實(shí)工況具有很大的不同。真實(shí)工況下所使用的硬件接收設(shè)備包含濾波器、載波器等多種原件，所采用的解調(diào)模式也是基于無線電傳輸?shù)模枰布妮d波同步，但對(duì)時(shí)間同步?jīng)]有嚴(yán)格要求，僅需要保證準(zhǔn)確的采樣時(shí)鐘，這是仿真平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的。在仿真平臺(tái)中雖然可以設(shè)定上述參數(shù)，但依靠軟件進(jìn)行處理，很難模擬出采樣、濾波、載波和相位的同步，使工作者在主觀感受上無法體驗(yàn)真實(shí)工況下的信號(hào)解調(diào)模式。

2 基于虛擬測試儀表技術(shù)對(duì)信號(hào)解調(diào)的實(shí)現(xiàn)

虛擬測試儀表可以很好解決上述三種設(shè)備解調(diào)方式存在的缺陷，虛擬測試儀表利用計(jì)算機(jī)完整地模擬信號(hào)的解調(diào)，使信號(hào)解調(diào)與實(shí)際工況高度一致，工作者能夠看到信號(hào)協(xié)調(diào)過程的全部內(nèi)容。

2.1 軟件無線電平臺(tái)前端處理流程

虛擬測試儀表技術(shù)對(duì)信號(hào)解調(diào)利用軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解調(diào)，軟件是在無線電架構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)而來，使信號(hào)的處理能夠在非常靠前的位置實(shí)現(xiàn)（圖1）。信號(hào)被接收后首先經(jīng)過射頻下變頻，對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步處理，轉(zhuǎn)化得到的中頻信號(hào)通過帶通采樣進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，接下來通過數(shù)字下變頻得到所需的解調(diào)信號(hào)，最終由采樣點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采樣[6]。在這一過程中是基于實(shí)踐工況開發(fā)的，因此有高度的一致性。

圖1 軟件無線電平臺(tái)前端硬件處理流程

2.2 軟件無線電平臺(tái)后端處理流程

在軟件無線電平臺(tái)中，前端處理得到的采樣信號(hào)通過高速接口傳給平臺(tái)處理器，由中央處理器負(fù)責(zé)信號(hào)的處理。為了進(jìn)一步節(jié)約平臺(tái)的開發(fā)費(fèi)用，將前端硬件省略，采取CSV 文件格式進(jìn)行傳輸，這樣在平臺(tái)中就建立了通用接口，能夠與當(dāng)下流行的多種操作系統(tǒng)兼容，方便利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和處理，但根據(jù)信號(hào)的種類不同，還需制定完善的后端信號(hào)解調(diào)流程。本文制定的信號(hào)解調(diào)流程分為以下3 個(gè)步驟。

（1）單載波調(diào)制信號(hào)（圖2）。接口進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)過重采樣后能大大降低軟件無線電平臺(tái)前端的硬件需求，這是因?yàn)椴扇√囟ㄋ惴軌蜃畲蟪潭群喕盘?hào)的處理，使信號(hào)的采樣頻率不用完全按照特定的倍數(shù)進(jìn)行編制，僅需把信號(hào)調(diào)整到常用的標(biāo)準(zhǔn)頻率，即可滿足整點(diǎn)采樣的要求。經(jīng)重采樣的信號(hào)再經(jīng)過濾波器做進(jìn)一步調(diào)整，已得到所需要的波形函數(shù)。這里需要注意信號(hào)的函數(shù)類型，假如前端信號(hào)為余弦函數(shù)，接收端就必須按照相同的余弦函數(shù)濾波，才能得到以升余弦函數(shù)為基礎(chǔ)的完整波形[7]。時(shí)間算法只起到定時(shí)的作用，簡化了前端硬件。信號(hào)會(huì)進(jìn)入頻率偏移檢測和消除環(huán)節(jié)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行校正，使信號(hào)中的無效頻率得到抑制，為提高信號(hào)解析精度打下良好的基礎(chǔ)。受多普勒效應(yīng)等多種干擾因素的影響，實(shí)際接收的信號(hào)與理想值存在偏差，即使完成信號(hào)的解調(diào)也難以全部消除干擾因素，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成信號(hào)的失真，必須進(jìn)行科學(xué)修正。修正后的信號(hào)還需進(jìn)行相位偏移的恢復(fù)，進(jìn)一步提升信號(hào)的準(zhǔn)確性，信號(hào)的調(diào)制方法不同，對(duì)應(yīng)的解調(diào)算法也不同，要嚴(yán)格按照調(diào)制方法匹配適合的解調(diào)算法，使信號(hào)的解調(diào)精度達(dá)到要求，最終由解調(diào)模塊恢復(fù)信號(hào)的初始比特流。為了跟實(shí)際工況更加吻合，在軟件無線電平臺(tái)中設(shè)置功率譜分析模塊，用來檢驗(yàn)信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)是否符合預(yù)期。

圖2 單載波信號(hào)解調(diào)流程

（2）TD-LTE 下行信號(hào)（圖3）。TD-LTE 下行信號(hào)的解調(diào)過程，驗(yàn)證了解調(diào)過程應(yīng)與信號(hào)的調(diào)制過程具有相同的模式。

圖3 TD-LTE 下行信號(hào)解調(diào)流程

（3）WLAN802.11a 下行信號(hào)（圖4）。WLAN802.11a 下行信號(hào)的解調(diào)過程，不同類型的信號(hào)其解調(diào)過程會(huì)有一定的差別。

圖4 WLAN OFDM 信號(hào)解調(diào)流程

3 基于虛擬測試儀表技術(shù)的新體系的優(yōu)越性

軟件無線電技術(shù)可以有效解決信號(hào)解調(diào)試驗(yàn)中與實(shí)際工況不符的問題，基于Matlab 完全能夠建立起數(shù)字化信號(hào)解調(diào)模擬平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多樣化的解決方法試驗(yàn)。從工程實(shí)際中的信號(hào)解調(diào)算法和流程入手，可以設(shè)計(jì)出高度一致的解調(diào)試驗(yàn)，滿足不同層次的試驗(yàn)需求。在軟件無線電平臺(tái)中，工作者可以從計(jì)算機(jī)屏幕了解信號(hào)解調(diào)的全過程，平臺(tái)具有良好的開放性與兼容性，工作人員可以根據(jù)不同的信號(hào)調(diào)制方法，靈活制定對(duì)應(yīng)的信號(hào)解調(diào)算法，以加強(qiáng)知識(shí)的掌握。該平臺(tái)主要解決了下列3 個(gè)問題。

（1）積累了豐富的信號(hào)解調(diào)數(shù)據(jù)。通過軟件無線電技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)能夠獲得多種轉(zhuǎn)播信號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括目前常見的各種調(diào)制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)種類完全能夠支撐試驗(yàn)的各種要求。

（2）硬件平臺(tái)簡單。軟件無線電技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)的文件格式轉(zhuǎn)化方便，兼容目前大多數(shù)操作系統(tǒng)，解調(diào)算法的編制也可采用C++語言實(shí)現(xiàn)，大大提高了平臺(tái)的通用性，避免因試驗(yàn)硬件缺乏測試造成的不穩(wěn)定，給予工作人員更多的支持，讓他們能夠?qū)⒅饕Ψ旁谛盘?hào)解調(diào)的學(xué)習(xí)中，盡快掌握信號(hào)解調(diào)原理。

（3）與信號(hào)解調(diào)的實(shí)際工況具有較高的一致性。軟件無線電技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)所采用的解調(diào)算法為國家權(quán)威部門驗(yàn)證后的成熟算法，并不是簡單的仿真，能夠高度還原信號(hào)解調(diào)的實(shí)際工況，其流程也完全遵循實(shí)際工況，具有更高的實(shí)踐意義。

4 主要特色

（1）實(shí)現(xiàn)了信號(hào)解調(diào)數(shù)字化。利用軟件無線電技術(shù)，將信號(hào)解調(diào)數(shù)字化作為主要思路，采取通用的編程語言實(shí)現(xiàn)。

（2）實(shí)現(xiàn)了信號(hào)解調(diào)軟件化。基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)打造的信號(hào)解調(diào)平臺(tái)，大大降低了試驗(yàn)硬件的投入，提高了可靠性。

（3）完備的調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)。能夠支持多種調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)，各平臺(tái)接收處理信號(hào)后，能夠完整地顯示解調(diào)流程，使工作者體驗(yàn)真實(shí)的信號(hào)特性。

（4）技術(shù)的綜合應(yīng)用更加全面。平臺(tái)基于通信專業(yè)基本原理，融合了多種先進(jìn)技術(shù)，使工作人員能夠綜合檢驗(yàn)自身所學(xué)，提高知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

5 結(jié)語

基于虛擬測試儀表技術(shù)打造了一款信號(hào)解調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)，解決了商用設(shè)備、教學(xué)設(shè)備、Matlab 仿真等信號(hào)解調(diào)中存在的與實(shí)際工況不符的問題，該平臺(tái)采取通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，大大節(jié)約了硬件開發(fā)成本，提高了平臺(tái)的可靠性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工作人員對(duì)各種信號(hào)解調(diào)的試驗(yàn)，還能幫助他們進(jìn)一步熟悉解調(diào)原理，掌握相關(guān)知識(shí)。