基于软件无线电平台的短波电台实现分析研究电子通信管理专业.docx

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1、目录摘要1Abstract2第1章绪论41.1研究背景与意义41.2研究现状1.2.1 通信系统的分类51.2.2 通信系统的实现61.2.3 2.3HiIJ9.彳口71.3研究内容与章节安排7第2章软件无线电开发基础92.1通信原理基础理论91.1.1 软件无线电系统框架102.3 软件无线电平台NIUSRP-2944介绍112.4 1.abVIEW与图形化编程2.5 本章小结12第3章短波电台设计方案133.1 总体设计3.2 控制模块1433*1J司iIiU*153.3.1 单边带滤波器153.3.2 导频信号173.5 文件读写模块183.6 本章小结19第4,早*,仿真与无线链路/!

2、204.2 仿真测试214.2.1 无信道传输失真测试214.2.2 存在信道传输失真测试224.3 无线链路测试234.4 本章小结255,早Z吉j265.1 全文总结265.2 未来展望26参考文献27致谢2930附录缩略语摘要软件无线电是一种极具前景的通信系统实现方式，它具备极强的灵活性与多样性,能够支持多频、多制式无线通信，这对无线通信系统的发展具有革命性的意义。掌握软件无线电基本开发方法，有利于对通信系统中信号波形、调制解调类型、通信协议等的直观认知，由于利用标准化通用平台进行软件无线电开发是大势所趋，掌握通用平台开发的基本方法非常重要。本文首先介绍了现有的各类通信系统与其多样的实现

3、方式，并着眼于短波通信系统与软件无线电技术。接着，本文阐述了进行软件无线电开发所需的基本理论，包括通信原理基础理论与软件无线电通信系统基本框架。在充足理论储备的基础上，本文提出了一种基于软件无线电平台NIUSRP-2944短波电台的设计方案，详细地阐述了短波电台中各个主体模块基于图形化程序开发环境NILabVIEW的设计流程，包括控制模块、SSB调制模块、SSB解调模块与文件读写模块。最后，本文针对该设计方案提供了相应的仿真测试结果与无线链路测试结果，并对测试结果予以分析。研究结果表明，所提出的短波电台设计方案具备良好的可行性。仿真测试中，边带抑制效果达到60dB,恢复信号能全部正确地恢复出所

4、有有用信号分量；无线链路测试中，载波频率在短波频段可调，边带抑制效果达到约60dB,恢复信号能全部正确地恢复出所有有用信号分量，且提高发射功率可以观察到，接收信号信噪比也会随之变化，符合预期规律。关键词：软件无线电；单边带调制解调；短波通信AbstractSoftwareradioisapromisingkindofimplementationsofcommunicationsystems.Ithasstrongflexibilityanddiversitysothattosupportmulti-frequencyandmulti-standardwirelesscommunication,

5、whichhasarevolutionarysignificanceforwirelesscommunicationsystems.Masteringthebasicdevelopmentmethodofsoftwareradioisconducivetointuitiveunderstandingofsignalwaveforms,typesofmodulationanddemodulation,andcommunicationprotocolsinthecommunicationsystem.Inaddition,itisatrendtodotherelevantdevelopmentwi

6、thastandardizedcommonplatform.So,itisveryimportanttomasterthebasicmethodsofcommonplatformdevelopment.Thispaperintroducesvariousexistingimplementationsofcurrentcommunicationsystems,focusingonshort-wavecommunicationsystemsandsoftwareradiotechnology.Then,thispaperelaboratesthebasictheoryneededforsoftwa

7、reradiodevelopment,includingbasicknowledgeofcommunicationprinciplesandframeworkofsoftwareradiocommunicationsystem.Basedonsufficienttheoreticalreserves,adesignofshort-waveradiobasedonsoftwareradioplatformNIUSRP-2944isproposedafterthat.Thedesignflowofeachmainmoduleintheshort-waveradiobasedongraphicalp

8、rogrammingenvironmentNILabVIEWisdescribedindetail,includingControlmodule,SSBmodulationmodule,SSBdemodulationmoduleandFileRead/Writemodule.Finally,thecorrespondingsimulationtestresultsandwirelesslinktestresultsareprovided,whichareanalyzedaswell.Thetestresultsshowthattheproposeddesignofshort-waveradio

9、hasgoodfeasibility.Inthesimulationtest,thesidebandsuppressioneffectreaches60dB.Thereceivedsignalcanrecoverallusefulsignalcomponentscorrectly.Inthewirelesslinktest,thecarrierfrequencyisadjustableintheshort-wavefrequencyband.Thesidebandsuppressioneffectreachesabout60dB.Thereceivedsignalcanrecoverallus

10、efulsignalcomponentscorrectly.Itcanbeobservedthatincreasingthetransmitpowercanalsoimprovethesignal-to-noiseratioofthereceivedsignal.Itchangesalongwiththeexpectedlaw.Keywords:SoftwareDefinedRadio;SSBModulation&Demodulation;Short-waveCommunication第1章绪论1.1 研究背景与意义在当今高度信息化的时代，通信已然成为现代社会发展的“命脉”，它正在向着智能化、

11、高速化、综合化的方向发展。尽管现有的通信系统种类十分多样，外在表现形式千差万别，但是了解各类通信系统的模型与构建，并掌握各类通信系统的实现方法，是具有一定研究意义的。在通信系统实现方式的不断演变中，软件无线电技术的诞生，对于无线通信系统具有革命性的意义，它具备极强的灵活性与多样性，能够支持多频、多制式无线通信，这主要是由于软件无线电摒弃了传统通信系统的设计观念,以可编程硬件为核心构建出硬件设备，配合射频集成电路实现无线通信，而各类通信参数与功能的配置则由计算机软件来实现。总体而言，这样的设计理念克服了诸多局限性，将功能设定层面从硬件设备中分离出来，破解了有史以来通信系统功能过度依托于硬件发展的

12、格局，同时，系统灵活性体现在可由计算机任意设定调制解调方式、信道接入方式等功能，系统集中性则体现在多信道共享宽带A/D、D/A转换器与射频前端电路，降低了信号处理成本软件无线电的概念已然应用于诸多研究之中，相关行业从业者多自行利用嵌入式处理器或者可编程逻辑器件来实现软件部分的功能，但是软件无线电通用平台并未普及在行业中。通用平台的两大特点在于模块标准化与总线连接，一个典型的软件无线电平台会将硬件单元划分为射频、中频、基带、信源与信令等各层，它们具有模块化的结构，各层的衔接是依靠数据总线与控制总线3。因此，从长远角度来看，通用平台自身具备的模块化特征，使得利用标准化通用平台进行软件无线电开发是大

13、势所趋，掌握通用平台开发的基本方法非常重要。从教学层面而言，“通信原理”注重的是通信原型设计，而非电路的实际制作，因此从这个角度而言也不应该弱化通用硬件平台的概念，也不必花费精力关注于如何自行搭建信号处理平台，而需更多关注于如何应用平台，这有利于对通信系统中信号波形、调制解调类型、通信协议等的直观认知与体验。1.2 研究现状通信工程作为电子信息领域的重要组成部分，一直备受相关行业从业者的重视与关注，就现有的通信系统而言，长期以来已然形成了种类繁多、实现方式多样、业务量极大的格局。1.2.1 通信系统的分类通信系统的分类依据十分多样，按通信系统设备的工作频段不同，可以将现有的通信系统分为长波通信

14、、中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信、红外通信等。一般而言，不同频段的通信方式有不同的主要用途，长波通信的常见应用包括远程导航、水下通信、声呐、无线电信标等；中波通信往往应用于海事通信、测向、遇险求救、海岸警卫等业务；短波通信的的常规应用包括远程广播、电报、搜寻救生、船间通信、船岸通信、业务无线电等；超短波通信往往应用于电视、调频广播、陆地交通、空中交通管制等领域；微波通信的应用较为广泛，涵盖了包括电视、蜂窝通信、卫星通信、GPS导航、监视雷达、气象雷达、机载雷达在内的多方面通信业务；电磁波波长在Imm以下的通信系统往往称为光通信系统，涉及红外频段、可见光频段以及紫外频段。在诸多通信系统

15、中，短波通信是目前无线通信的基本保障手段，具有重要的应用价值。短波通信，又称为高频(HF)通信，是一种主要利用电离层反射进行远距离传输的通信方式，其工作频率范围一般为330MHz,多数情形下为充分利用该频段的电磁传输特性，会将短波电台的工作范围扩展至1.53OMHz从20世纪60年代开始，国外一些公司便开始针对短波通信的特点进行研究与分析，如德国R/S公司，美国HarriS公司，长期以来我国的广州海格通信、南京熊猫通信等公司也进行着相关的研究。短波通信之所以长期以来未曾离开历史舞台，有其独特的原因。首先，长距离短波通信基于电离层反射，不受有源中继与网络枢纽制约，这是常见超短波通信与微波通信无法

16、实现的；其次，在战争或大型自然灾害面前，卫星通信网络容易遭到破坏，短波通信的抗毁能力却极强；最后，超短波与微波通常无法覆盖到戈壁、海洋等地区，这时候短波通信成为了较为可靠的通信手段。从长远的发展趋势而言，短波通信必将继续受到广泛关注，经久不衰，其在自适应通信技术、高速调制解调技术与组网技术层面上尚需研究，未来的短波通信将向自适应化、网络化、软件化、宽带高速化方向上发展1.2.2 通信系统的实现无线通信自诞生以来，已然经历了三次“技术性”革命，由“固定通信”到“移动通信”，由“模拟通信”到“数字通信”，由“硬件通信”到“软件通信”。移动通信技术得益于微处理器的发明以及交换与控制链路的数字化，使无

17、线通信系统摆脱了地理位置的局限性；数字通信技术得益于数字信号处理(DSP)理论的发展，赋予了无线通信系统抗干扰能力强、保密性强、差错可控、易于集成等优点；软件定义的通信技术得益于可编程逻辑器件与多频段天线的发明，使无线通信系统不受硬件设备限制,具备了极强的灵活性。众所周知，传统无线通信系统以硬件设备为核心，而硬件设备有其固有的物理属性与电子特性，这意味着通信系统的功能设定必然受到硬件本身的限制，因此传统无线通信系统可扩展性差，更新换代周期长，存在着一定的发展局限性。软件无线电(SDR)是无线通信系统与计算机技术相结合的成果，是一种能满足通信系统中的多样性应用要求的实现方式。软件无线电最初源于军

18、事上的特殊需要，1992年5月MITRE公司的JosephMitola在全美电信系统会议上首次明确提出了“软件无线电”这个概念，自此软件无线电便引起了国内外研究者的广泛关注，无论是国家战略层面，抑或是科研院所实验室中，基于软件无线电的设计与开发从未停止。1995年，美国国防高级计划局提出了“易话通(Speakeasy)计划8,开发一一种能支持多频段、多模式的军用电台，即MBMMR,MBMMR与它的衍生产品联合战术无线电系统。TRS),都是由美国军方研制的，基于软件无线电技术的优秀成果。在国家战略层面中，我国也早在1996年便将软件无线电技术列入国家“863”计划通信主题研究项目，以及后来的“九

19、五”与“十五”项目。长期以来国内外行业从业者致力于将软件无线电技术应用于通信系统，形成了丰富的研究成果。著名的开源软件无线电GNURadiO是一款免费的软件开发工具套件，最初起源于美国麻省理工学院的SPeCtrUmWare项目小组，它提供各类信号处理模块，可以用来在小规模射频硬件和通用微处理器上实现软件定义无线电，进而快速搭建出完整的无线通信链路。GNURadio因成本低廉,入门难度低而广受业余爱好者的喜爱，也有学术或商业机构对之加以研究。此外，在实验室层面中也有诸多成果诞生，ElizabethA.ThOmPSon等9使用通用软件无线电外设(USRP)平台，实现了实时GPS信号的获取与处理，S

20、ESKIZAWAHirOto等10利用GNURadio和USRP,以QPSK调制解调器为原型构建出了完整通信系统，展现了软件无线电平台具备可编程射频任意波形发生器的能力，NikhilMarriWaIa等11在LabVIEW编译环境中，利用SDR原理在两个终端之间创建安全、私密的无线传输，并在真实环境下利用USRP搭建通信链路，验证了仿真结果。1.2.3 软件无线电与短波通信谈及软件无线电与短波通信相结合,这已非新鲜事物，短波通信的工作频段较低，在不过分依赖硬件的情形下，多功能、多模式、可编程的短波信号收发机容易实现12,这为短波通信提供了新思维。作为实现短波电台最普遍的调制解调技术，单边带调制

21、解调技术大大减小了发射功率，节约了频率资源，许多与之相关的研究与探索也应运而生。付贵华在文献4中提及了一款SSB短波信号收发机的调制解调器，以C8051F330单片机为核心芯片;路永健U引设计了一种采用Altera公司的FPGA芯片，并以片内32bitNIOS处理器为核心的短波电台方案，刘倍圣等14阐述了一种利用Xilinx公司的FPGA芯片为信号处理平台的短波SSB收发机；文献1516提出的是以Tl公司的DSP芯片作为信号处理平台的软件无线电短波电台的实现方法；上述研究者将重点定位于软件无线电的核心技术数字上下变频，以多样的可编程器件(如FPGA.DSP)具体地搭建出包括插值滤波、滤波抽取在

22、内的数字上下变频模块，再配以常见的硬件射频电路等实现通信系统设计。魏葵在文献17中基于GNUradio信号处理套件对信号进行软件处理，通过python与C+混合编程实现GMSK调制技术，采取GMSK技术对跳频信号进行调制，实现短波跳频通信系统。娄丽珠在文献18中对单边带调制解调原理以及几种基本的实现方法进行了较为详细的介绍，并将这些常见方法进行了优劣比较，阐述了基于软件无线电思想实现SSB调制解调技术的相关理论，并设计了其FPGA具体实现方案。这些实验室阶段进行的工作与研究，有着重要的后续应用价值。1.3 研究内容与章节安排本文的研究内容着眼于软件无线电技术与短波通信，介绍了软件无线电技术的发

23、展背景，阐述了进行软件无线电开发所需的基本理论，包括通信原理基础理论与软件无线电平台的相关知识，在充分理论学习的基础上提出了一种短波电台的设计方案，并提供了相应的仿真测试结果与设备的实际调试结果，完成了无线链路的信号收发。本论文共分五章，第一章主要内容为课题研究背景、研究意义与国内外研究现状；第二章主要内容为进行软件无线电开发所需的各项基本理论，包括通信原理基础理论、软件无线电系统框架结构、图形化编程环境LabVIEW的简介等；第三章主要内容为基于NlUSRP-2944与开发环境LabVIEW进行短波电台设计的具体方案，包括数据传输模块、SSB调制模块、SSB解调模块与文件读写模块的设计思路；

24、第四章主要内容为利用LabVIEW进行短波电台仿真测试的结果，以及在NlUSRP-2944上进行无线链路调试的结果；第五章主要内容为研究结论与进一步研究方向。第2章软件无线电开发基础短波电台设计中，选择的硬件设备为NI公司软件无线电通用平台USRP-2944,了解设备的系统框图、工作原理对于后续程序设计十分重要。就软件设计而言，大多数短波电台通信都基于单边带(SSB)调制解调技术，因此进行软件无线电开发涉及通信原理基础理论，这是软件编程内容的核心。此外，NI公司提供了一种图形化编程开发工具NlLabVIEW,需要掌握其开发方法，以实现对硬件设备的控制。2.1 通信原理基础理论幅度调制(AM),

25、又称为线性调制，常用模拟调制方式之一，其表现形式为最终传输的高频载波的幅度受基带信号控制19。从频谱结构的角度而言，幅度调制实现了基带信号频谱的线性搬移。标准调幅(AM)与抑制载波的双边带(DSB)调制是两种常见的幅度调制技术，系统结构简单，制作成本低廉，单边带调制的特点在于抑制频谱搬移后的载波分量与一个边带分量，仅依靠单一边带进行信号传输，在所有幅度调制中频谱效率、功率效率最高。就单边带调制而言，滤波法与相移法是产生SSB信号的两种常用方法。所谓滤波法，其关键在于设计一个模拟边带滤波器，滤除载波与不需要的边带信号，这样具有陡峭截止特性的滤波器实现起来较为困难，不易实际制作；所谓相移法，其关键

26、在于利用一个宽带移相器得到基带信号m()相移几/2后的信号方Q),并对这两个互相正交的信号分量进行正交混频，得到SSB信号，即Sssb3=0.5m(t)cosct+0.5m(t)sinct2-1这样的模拟移相器需要对基带信号mQ)的所有频率分量都精准移相r2,实现较为困难，不易实际制作；为了利用现有的模拟电路技术解决上述问题，可采用WeaVer法，其具体实现过程基于两次正交调制，第一次正交调制使用频率为3m2(37n为调制信号最高频率)的正交载波对基带调制信号进行调制，调制后的两路信号分别进行低通滤波(截止频率为gn2),再针对滤波后的信号进行第二次正交调制，使用一对频率为g3rn2的正交载波

27、，所得的两路混频后的信号相加减即为SSB己调信号20JoWeaVer法综合了两种常规方法的优点，既不需要设计具有陡峭截止特性的滤波器，也不需要移相器对基带信号的所有频率分量都精准移相兀/2,而只对载波精准移相，易于实际制作。随着数字信号处理在通信领域的广泛应用，常用的模拟调制也可以由数字方式进行实现。就SSB的数字实现方式而言，先对基带信号进行时域抽样，并设计合适的数字滤波器，获得基带采样信号在SSB调制方法下的同相与正交分量，接着将I/Q分量信号进行上变频，正交混频等步骤，得到所需要的SSB已调模拟信号，再送入射频电路进行后续发送，接收端中解调部分的数字实现工作与发送端工作类似。2.2 软件

28、无线电与通用平台实验室层面中，已然诞生了许多以可编程逻辑器件或者DSP芯片作为核心处理器件的无线通信系统设计成果，但是软件无线电技术若要获得广泛应用，通用平台首先必须得到普及，市面上已然有较为成熟的通用软件无线电平台(USRP)问世，如NI公司的USRP与USRP-RI0、Ettus公司的USRP等，这类通用平台往往基于可重配置架构，提供极宽的射频频率范围(如IOMHZ-6GHz)、较大的瞬时信号带宽范围(40MHZ-160MHz),为无线通信的原型验证提供了极大的便利。目前，国内诸多大学已然开始将软件无线电平台应用于通信原理教学中，尤其是上海交通大学212223、北京邮电大学24、电子科技大

29、学25等，已经拥有相对成熟、完善的基于软件无线电的数字信号处理综合性实验平台。2.2.1 软件无线电系统框架常见软件无线电系统分为外差式与零中频式两种，以系统接收端为例，所谓外差式系统，就是指射频信号首先被混频至某个中频，在中频频段上实现带通滤波、增益控制等功能，再被下变频至基带频段，进行后续数字信号处理，这样的系统结构特点在于中频、射频电路部分相对固定，使用固定本振频率，整体性能良好，结构较为复杂。零中频式系统，是指直接将射频信号搬移至基带频段，配合宽带模数转换器进行后续数字信号处理，这样的系统结构省却了中频部分，非常简单，且消除了镜像频率干扰的存在，也不必设计片外高Q值的带通滤波器。零中频

30、式软件无线电系统发送部分框架如图2-1,接收部分框架如图2-2。I分量QS图2-1零中频式软件无线电系统发送部分框图图2.2零中频式软件无线电系统接收部分框图2.2.2 软件无线电平台NIUSRP-2944介绍NIUSRP-2944是NI公司中一款优秀的软件无线电可重构设备，射频频率范围为IOMHZ-6GHz可调，频率精度为2.5ppm,最大瞬时带宽为160MHz,最大I/Q采样速率为200MSs,内置常见射频器件、ADCDAC与KinteX-7FPGA模块，其硬件框图如图2-3。控制总线数据总线图2-3NIUSRP-2944硬件框图2.3 主控PC与USRP-2944依靠标准PCIe实现连接

31、，传输数据信号与控制信号；USRP-2944整体框图层次清晰，顶层为FPGA模块，实现DUC/DDC等数字信号处理功能，下层为射频集成电路(RFlC),实现数模转换与射频信号生成等功能，层次之间依靠数据总线与控制总线进行连接；射频电路末端为SMA射频连接器，用以进行射频信号收发。2.4 1.abVIEW与图形化编程图形化编程是一种外在表现形式，即编程过程并非利用常规的文本型编程语言，而是利用图形化编程语言(G语言)，它有其独特的优势，与常见编程代码界而相比，图形化界面的数据流更具有条理性，拥有视觉效果上的优势。NILabVlEW是由Nl公司研制的一种程序开发工具，使用的正是图形化编程语言(G语

32、言)，产生的程序是框图的形式。利用LabVlEW中各类用于硬件控制的虚拟仪器(VI),可以对NlUSRP设备进行参数配置，软件功能定义，从而实现设备控制。利用LabVIEW进行编程，基本对象单元称为虚拟仪器(VI),而主要设计内容分为前面板(FrOntPanel)与程序框图(BlOCkDiagram),这也是构成任意Vl的两个部分。前面板相当于VI的人机交互界面，程序框图则定义了VI的工作原理。前面板中的输入控件和显示控件分别是Vl的交互式输入与输出端口，输入控件一般为旋钮、按钮、转盘等，作为输入端口为Vl的程序框图提供数据，显示控件一般指图形、指示灯等，作为输出端口用以显示程序框图获取或生成

33、的数据。总体而言，用户进行程序框图的设计，并以合适的前面板展示模块作为辅助，仿佛制作了一个真正的通信或信号分析仪器，拥有用户可见的操作界面与用户不可见的内部精密硬件结构。2.5 本章小结本章从研究的内容与方法出发，介绍了基于软件无线电平台进行开发的基础理论。首先阐述了通信原理中有关单边带调制的基础理论，指出了常见的SSB调制解调实现方法，接着描述了基于软件无线电的通信系统框架结构，以及研究中选用的软件无线电通用平台NIUSRP-2944,最后简要介绍了一种全新的编程方式一一图形化编程，与相应的开发环境NILabVIEWo第3章短波电台设计方案短波电台的设计基于主控PC与软件无线电平台NIUSR

34、P-2944,在充分理论学习的基础上，掌握了基于软件无线电平台进行开发的基础理论，利用开发环境NILabVIEW对设备NIUSRP-2944进行控制，实现PC、板载FPGA、末端RFlC三者之间的数据传输与控制。3.1 总体设计由于NIUSRP-2944具备多个独立收发信道与天线接口，因此，可以利用这两个信道同时实现无线信号发送与接收，总体框架结构如图3-1o图31短波电台总体系统框图就具体系统设计而言，PC端软件系统的设计框图如图3-2。图3-2PC端系统设计框图文件读写模块实现顶层数据协议转换，SSB调制模块负责将基带信息信号转换为SSB调制下的复解析信号,SSB解调模块负责将接收的复解析

35、信号转换为对应的基带信息信号，而控制模块负责将包括DQ信号、载波频率、采样速率、收发功率等配置信息转发至NIUSRP-2944种对应的FPGA接口，以便实现后续的数据传输与控制。3.2 控制模块就控制模块而言，该模块旨在实现发送与接收链路通信参数的配置，将各项参数正确地传递给对应的板载FPGA接口，并实现主控PC与FPGA的双向DQ信号传输。在数字信号处理的环境下，上述所有模拟信号都以时域采样序列的形式呈现，具体软件流程如图3-3o图3-3控制模块流程图USRP-2944拥有多个收发信道（RF0、RFI）与天线接口（RX1、RX2、TXl）,进行数据传输时需要将包括载波频率、功率等级、采样速率

36、、采样数目等信道配置信息，通过对应的FPGA接口，传递给FPGA与对应开启的天线接口，由FPGA实现数字信号处理功能，由对应的RFlC与天线接口构建出符合设定要求的模拟链路。整个过程涉及到对功能配置信息的判断与处理。就发送端而言，基带I/Q信号会被按序送入FPGA接口，并被传输至指定的板载先入先出(FIFO)缓存区，并经历后续数字信号处理；就接收端而言，板载FIFO缓存区的数据由相应的FPGA接口被按序读出，回传至主控PC,形成基带I/Q信号。为了更好地进行人机交互，用户界面需要展现出收发双端的I/Q信号的时域信息与频域信息。3.3 SSB调制模块就SSB调制功能的实现而言，该模块旨在根据基带

37、信号，得到其SSB调制下的复解析信号，进而将复解析信号实部与虚部拆分，得到主控PC送入软件无线电平台的I/Q信号，在数字信号处理的环境下，上述所有模拟信号都以时域采样序列的形式呈现，具体软件流程如图3-4。低通滤波器半频域流波器复解析形式图3-4SSB调制模块理想情形下，对于任意基带信号m(z),其SSB调制下的复解析信号Um)的表达式为：u(n)=m(n)+Apilot+;n(n)(3-1)其中方5)=m()*既(几)，丽”(九)代表数字希尔伯特变换，*代表线性卷积，为导频信号分量幅度(导频信号在复解析信号中一般表现为直流分量)。3.3.1 单边带滤波器前文已然提及，模拟滤波器往往不易制作，

38、性能较差，而数字滤波器则具备设计方法多样、可软件实现等诸多优点，在信号处理领域得到了广泛的应用。边带滤波器h(n)涉及以下设计参数：阶数N,最大通带截止频率结，最小阻带截止频率处,频偏值叫。首先，选取合适的N、3p、处构建出一个阻带衰减足够大的低通滤波器hs5),接着，由离散时间傅里叶变换(DTFT)性质可知，若对pf5)进行复数域相位变化，即h(n)=h,p(n)%则其DTFT计算结果将呈现频谱平移的效果,因此幅频响应H(3)=IHlPf可以想象，上述低通滤波器的中心截止频率为0.5,即通带范围为(-O.5,+0.5),其频率响应如图3-5,选取合适窗长N=161时边带抑制幅度可达60dB。

39、这是一个实数系数字滤波器，因此幅频响应恒0(/3)|关于y轴对称。若在数字角频域中对其进行%=+0.5n的频率偏移，则构成了上边带滤波器(通带范围为(0,+),其通带为全部正频域，频率响应如图3-6；若进行岭=-0.5的频率偏移，则构成了下边带滤波器(通带范围为(-,0),其通带为全部负频域，频率响应如图3-70值得一提的是，由于对低通滤波器%p5)进行了复数域相位变化，因此上述两种边带滤波器都是复数系滤波器，频率响应将失去关于y轴对称的特性。图3-5半频域低通滤波器频率响应Filterspectrum20-IoO-3.14-80-0-2-Owo246一OP-dE4-101Frequency3

40、.14Filterspectrum20-图3-6下边带滤波器频率响应(P-dEOO-4060-1-3.14-2-10123.14Frequency图3-7上边带滤波器频率响应3.3.2导频信号单边带信号解调一般采用相干解调法，导频信号在SSB解调中提供了相干相位参考，用于执行载波频率偏移与相位偏移的校正。导频信号分量一般添加在射频信号的载波频率处，对该射频信号的复解析信号而言，导频信号分量对应于复解析信号中同相分量的直流偏置，即u(n)=Reus5(11)+与3+jImuSSB(n)(3-2)3.4 SSB解调模块就SSB解调功能的实现而言，该模块旨在根据软件无线电平台回传的I/Q信号,恢复出

41、对应的基带信号，并纠正信道传输所带来的频率偏移与相位偏差，在数字信号处理的环境下，上述所有模拟信号都以时域采样序列的形式呈现，具体软件流程如图3-8。攵解析信号IF中频段IF中频段信道损伤估计m(n)图3-8SSB解调模块对于主控PC而言，由于导频信号分量的存在，即使射频信号经历的是理想信道传输，也无法直接根据软件无线电平台回传的复解析信号还原出基带信号，又因为导频信号用于进行频偏与相偏的校正，因此对于SSB解调过程而言，需要设计一个导频提取滤波器和导频抑制滤波器，提取出的导频用于信道损伤估计，并服务于滤除导频后信号的频偏与相偏的纠正。由于解调过程中将复解析信号上变频至中频段(具体中频段频率值

42、由I/Q采样频率定义),因此导频提取滤波器的导频定位搜索参数PSeamI与I/Q采样速率人直接相关,二者关系如下：Psearch=V(3-3)3.5 文件读写模块文件读写模块旨在实现从外部文件(txt格式)读取数据作为基带信号进行传输，并将接收端的恢复信号保存至外部文件（txt格式），具体软件流程如图3-9o字符串变量形式将扫描到的字符串变量转换为双精度变量输出图3-9文件读写模块对于保存在外部数据源txt文件中的有限长度采样序列，首先需要以字符串变量的形式依次按行读出，并送入缓存空间区，接着将缓存空间区中正确长度的字符串变量依次转换为双精度变量，构成常规波形数据，最后将波形数据送入SSB调制

43、模块。3.6 本章小结本章基于软件无线电平台NlUSRP-2944与开发环境NILabVlEW,提出了一种短波电台设计方案。首先介绍了短波电台总体系统框图与PC端的设计框图，接着将各个主体模块的设计流程依次进行了详细的阐述，内容包括控制模块、SSB调制模块、SSB解调模块、文件读写模块的具体实现方案。第4章仿真与无线链路测试前文已然详细地描述了所提出的短波电台设计方案，为了衡量该设计方案的优劣,本文给出了系统仿真测试与实际无线链路调试的环境条件与测试结果，并予以一定的分析，以展现出本方案地可行性与优劣。4.1 测试环境搭建仿真测试所利用的测试软件为NlLabVIEW2017,仿真测试时，在顶层

44、Vl的前面板中，可以直接观察到基带信号m(),复解析信号Um),恢复信号的(九)的时频域信息，以此判断与计算出各项性能指标。由于NIUSRP-2944拥有两个独立的信道RFO与RFl,因此可以利用这两个信道完成无线链路调试。具体而言，USRP-2944设备由主控PC利用标准PCIe连接进行控制,在信道RFO上选择发送天线接口TXl,在信道RFl上选择接收天线接口RX2,每个天线接口连接一根特易通(TYT)公司TH9800短波天线。无线链路测试时，在顶层Vl的前面板中，可以直接观察到基带信号m(),复解析信号u(n),恢复信号的(九)的时频域信息，以此判断与计算出各项性能指标。图4-1无线链路测

45、试环境示意图4.2 仿真测试利用LabVIEW进行仿真测试，核心工作是将SSB调制模块与SSB解调模块直接相连，即SSB调制模块的基带复解析信号输出端口与SSB解调模块的基带复解析信号输入端口直接相连，并在连接处添加一个信道传输失真模块，该信道传输失真模块定义了由于真实信道传输而可能产生的频率失真与相位失真。仿真所选用的三音频基带信号表达式为m(t)=cos(21t)+cos(2f2t)+cos(2r启在时域采样(采样速率为6)之后将信号幅度归一化至-11V,上述工作利用MATLAB予以实现，得到归一化的有限长度信号时域采样序列。添加的导频信号幅度为设置的因信道传输可能产生的频率偏移为Af,相

46、位偏移为A,各个信号时域采样序列的纯净程度由信噪比(SNR)来描述。4.2.1 无信道传输失真测试测试条件：A=300Wz,f2=1500Hz,f3=3400Hz,fs=8cSs,Apilot=0.5叭f=0Hz,=0o测试结果如图4-2所示。Modulated SignalOSPUt Signal-40 -5O-.;:Mft9ntudeFre (Hz +Hg I图4-2无信道传输失真时复解析信号US)与恢复信号宿()时频域信息由图4-2可见，SSB调制解调收发效果正常，复解析信号Us)的边带抑制程度约为60dB；恢复信号E(九)所有音频信号分量恢复正确，信噪比约为66dB没有降低，仅存在一定的时延，这是由于进行边带滤波器设计时使用了具备线性相位特征的有限冲激响应(FIR)滤波器，引起的时延长度与滤波器阶数N成正比。4.2.2 存在信道传输失真测试测试条件：f1=300Hz,f2=1500Hz,f3=3400Hz,fs=8cSs,Apilot=0.5心f=65Hz,=25o测试结果如图4-3所示。Modulated SignalMagnitude4-BW JOutput SignalMagnitude图4-3存在信道传输失真时复解析信号U(Tl)与恢复信号帝S)时频域信息由图4-3可见，SSB调制解调收发效果