基于軟件無(wú)線(xiàn)電的數字偵聽(tīng)接收機研究

信息社會(huì )中，作為信息載體的電磁頻譜成為重要的戰略資源?，F代戰爭中對電磁頻譜控制權的爭奪將決定戰爭態(tài)勢的發(fā)展，通常稱(chēng)其為電子戰。偵聽(tīng)接收機在電子戰中起著(zhù)關(guān)鍵作用。民用中對電磁頻譜的監測與管理也需要電子偵聽(tīng)接收機。電子偵聽(tīng)和電磁頻譜監測接收對象都具有頻段寬、信號種類(lèi)多、通信環(huán)境復雜、先驗知識少等特點(diǎn)?；趥鹘y結構的偵聽(tīng)接收機體積龐大、處理功能有限、智能化程度低、升級困難、設備間兼容性差，無(wú)法滿(mǎn)足現代社會(huì )以及現代戰爭的需求。軟件無(wú)線(xiàn)電的基本思想[1，2]符合偵聽(tīng)接收機偵聽(tīng)信號寬頻段、多種類(lèi)等特點(diǎn)，由軟件定義的算法具有高度靈活性。目前在研的數字偵聽(tīng)接收機大多基于軟件無(wú)線(xiàn)電體系，國際市場(chǎng)上已有多種成熟產(chǎn)品，例如澳大利亞萬(wàn)瑞公司的WR-G3系列接收機。

國內的數字偵聽(tīng)接收機研究起步較晚，同時(shí)受器件水平的限制因而較為落后，接收頻段窄、接收帶寬有限。對于盲信號處理技術(shù)的研究也處于起步階段，現有的偵聽(tīng)接收機僅能實(shí)現信號能量檢測以及AM、FM解調，無(wú)法達到電子戰的要求。

結合超大規模集成電路器件水平的提高，以及盲信號處理技術(shù)的進(jìn)步，本文設計了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電的數字偵聽(tīng)接收機。該接收機核心處理器采用TI公司的數字信號處理器TMS320C6416T芯片和Xilinx公司的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列Virtex－II Pro 30；沒(méi)有使用專(zhuān)用芯片，簡(jiǎn)化了系統結構，提高了系統靈活性；采用中頻數字化方案，降低了對AD器件的要求；采用盲信號處理技術(shù)，實(shí)現了對當前常用的模擬調制、數字調制信號的類(lèi)型區分、參數提取、解調等功能。

1 接收機硬件體系結構

本文設計的偵聽(tīng)接收機硬件體系功能框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統功能框圖

1.1 射頻前端

軟件無(wú)線(xiàn)電系統射頻前端信號處理有三種體系結構：射頻低通采樣、射頻帶通采樣、中頻數字化[1]。理想的軟件無(wú)線(xiàn)電體系采用射頻低通采樣結構。受器件水平的限制，目前的軟件無(wú)線(xiàn)電系統大多采用中頻數字化結構：先將射頻信號由本振下變頻到某一固定中頻，例如10.7MHz，然后再進(jìn)行AD采樣，這樣可以降低對AD器件的要求。本系統也采用這樣的結構，如圖1所示。射頻前端采用日本ICOM公司的IC-R8500接收機，如圖1左虛線(xiàn)框。該接收機接收范圍為200kHz～2GHz，10.7MHz中頻輸出。

1.2 自動(dòng)增益控制（AGC）

由于信道的復雜性、時(shí)變性以及信源的不確定性，接收機收到的信號動(dòng)態(tài)范圍非常大，最大最小值可能會(huì )相差100dB甚至更大[3]。固定增益放大電路無(wú)法滿(mǎn)足需求，這時(shí)需要進(jìn)行自動(dòng)增益控制。自動(dòng)增益控制電路包括放大電路和檢波電路兩部分。

檢波電路根據信號的幅值輸出一電壓信號，控制放大電路的放大倍數。傳統接收機大多采用三極管檢波電路?；谲浖o(wú)線(xiàn)電的接收機可以采用數字方式檢波，如圖1所示。在A(yíng)D采樣之后，數據傳給信號處理器件，由程序實(shí)現數字檢波。在本系統中數字檢波工作由FPGA完成。

目前常用的放大電路有兩種：分離器件放大電路和集成放大電路。用于中頻信號放大的集成放大電路有Analog Device公司的AD603、Motorola公司的MC1490等。在信號帶寬較寬時(shí)，大多采用分離器件電路。本設計方案中使用分離器件電路，采用NEC公司的MOSFET管3SK131作為放大器件，該器件增益達23dB。采用ICOM公司的小型變壓器LS476實(shí)現每級放大電路信號的提取和隔離，該變壓器還能實(shí)現濾波作用，防止電路自激振蕩。整個(gè)電路采用五級放大，總放大倍數超過(guò)110dB。放大電路的一級如圖2所示。

1.3 AD采樣電路

AD采樣電路是目前制約軟件無(wú)線(xiàn)電系統的瓶頸之一。例如對于2.4GHz的藍牙信號，如果進(jìn)行射頻低通采樣，則需要4.8Gsps以上的采樣頻率，目前的AD芯片水平離這一要求還有相當大的差距[1]。所以當前軟件無(wú)線(xiàn)電系統大多采用中頻數字化方案。AD芯片的采樣頻率與有效位數成反比關(guān)系。當前14bit的AD芯片水平達到105Msps的采樣頻率，如AD6645；12bit的AD芯片達到400Msps采樣頻率，如AD12400。本接收機方案中采用Analog公司的AD6645芯片，該芯片有效位14bit，采樣頻率達105Msps，工作頻段達200MHz。
AD芯片決定了偵聽(tīng)接收機的接收帶寬可以達到52.5MHz。

1.4 數字下變頻（DDC）

一般數字信號處理器件很難直接處理AD采樣得到的高速數據流。同時(shí)數據流中的載波頻率信息對信號的解調沒(méi)有任何作用，所以需要去除數字信號中的載頻，并進(jìn)行抽樣率變換以降低數據速率，該過(guò)程稱(chēng)做數字下變頻(Digital Down Converter)。專(zhuān)用的數字下變頻器件有Intersil公司的HSP50214B、Gray－Chip公司的GC1011系列等。Analog Device公司推出了集成AD采樣功能與DDC功能的AD6654。

專(zhuān)用芯片處理帶寬一般很有限，例如HSP50214B處理帶寬最高982kHz，無(wú)法滿(mǎn)足很多場(chǎng)合的要求，如3G信號。同時(shí)在軟件無(wú)線(xiàn)電系統中，專(zhuān)用芯片越多系統靈活性越差。本接收機方案中沒(méi)有采用專(zhuān)用集成芯片，而是采用FPGA芯片實(shí)現數字下變頻功能。本接收機采用Xilinx公司的FPGA芯片Virtex－II Pro 30，使用了Xilinx公司的IP Core-Digital Down Converter V1.0，實(shí)現數字下變頻功能。

采用了FPGA芯片后，大大增加了系統的靈活性。FPGA還完成了數字頻率合成（DDS）功能，以提供AD芯片的采樣時(shí)鐘。數字包絡(luò )檢波也由FPGA芯片實(shí)現，同時(shí)FPGA芯片還承擔了部分算法的計算工作，例如FFT變換、FIR濾波等。FPGA在系統中所處的位置及實(shí)現的功能如圖1所示。

1.5 數字信號處理器(DSPs)

本接收機中的數字信號處理器采用TI公司的TMS320C6416T，該芯片為基于90納米工藝的定點(diǎn)型芯片，采用VLIW體系結構，內部包括8個(gè)處理單元，單指令周期1ns，處理能力達8 000MIPS。芯片內部有16KB的程序緩存區，16KB的數據緩存區，1 024KB的單周期RAM區。該芯片有豐富的外設接口，包括Viterbi譯碼、Turbo譯碼、PCI通信接口等。本接收機系統采用了DSPs的PCI通信接口實(shí)現與主機間的數據交換，如圖1所示。

DSPs在本接收機系統中承擔了主要的信號處理計算任務(wù)。

2 處理算法

由于偵聽(tīng)對象為未知信號，需要判斷接收信號的調制類(lèi)型、頻偏、數字信號的碼元速率等，并對模擬信號進(jìn)行解調。本接收機采用盲信號處理算法實(shí)現這些功能，并假定偵聽(tīng)信號集合包括AM、FM、DSB、MFSK、MPAM、MPSK和MQAM。

首先分析信號的功率譜，根據功率譜中是否存在線(xiàn)譜，分離出AM、MFSK信號。根據線(xiàn)譜之間的距離可以判斷出MFSK信號的碼元速率。對于功率譜中無(wú)線(xiàn)譜的信號，求取信號的包絡(luò )譜。如果信號的包絡(luò )譜中存在線(xiàn)譜，則該信號為二維數字調制信號，線(xiàn)譜對應位置為碼元速率點(diǎn)。如果不存在線(xiàn)譜，則該信號為模擬調制信號，包括FM、DSB。對于FM、DSB信號，可根據信號包絡(luò )的起伏情況區分出來(lái)。對于二維數字信號，根據信號n次方譜可以求出信號的載波頻偏。例如對于QPSK信號，信號4次方譜中存在線(xiàn)譜，線(xiàn)譜的位置標明了信號的頻偏。在求出碼元速率和載波頻偏的前提下，對二維數字信號進(jìn)行盲均衡，本系統采用基于高階累積量的整數階均衡方法。根據均衡后的星座圖，采用極大似然法，判斷出二維數字調制信號的調制類(lèi)型[4]。算法處理流程如圖3所示。

目前，對各種已知參數信號的數字解調算法已經(jīng)比較成熟，見(jiàn)參考文獻[1]。關(guān)于盲信號處理算法的詳細論述，見(jiàn)參考文獻[4]。

3 系統調試

本接收機系統的用戶(hù)界面采用PC機實(shí)現，使用VC++語(yǔ)言編程，如圖4所示。系統調試時(shí)，采用Agilent公司的E4438C作為信號源，發(fā)射無(wú)線(xiàn)信號。接收天線(xiàn)采用ICOM公司的AH-7 000天線(xiàn)，通信頻率433MHz。信號源發(fā)送信號集合內各種調制類(lèi)型的信號，以測試系統的性能。圖4為發(fā)送QPSK信號時(shí)，本系統的用戶(hù)界面顯示。圖中上排左為信號功率譜，以分離AM、MFSK信號；中為包絡(luò )譜，以估計碼元速率，分離FM、DSB信號；右為信號N次方功率譜，以估計載波頻偏。下排四幅圖為盲均衡得到的星座圖。

本文設計的數字偵聽(tīng)接收機系統硬件體系結構簡(jiǎn)單，具有很強的靈活性、可擴展性，符合軟件無(wú)線(xiàn)電系統要求。接收頻段200kHz～2GHz，接收帶寬52.5MHz。在盲信號處理算法的支持下，實(shí)現了調制類(lèi)型識別和相關(guān)參數辨識等功能。通過(guò)添加不同的解調算法可以實(shí)現多種信號的解調、解碼功能。將多個(gè)該系統并聯(lián)，可以實(shí)現空域信號處理等任務(wù)。