基于軟件無(wú)線電的數(shù)字偵聽(tīng)接收機(jī)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(zhàn)略資源。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)電磁頻譜控制權(quán)的爭(zhēng)奪將決定戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的發(fā)展，通常稱其為電子戰(zhàn)。偵聽(tīng)接收機(jī)在電子戰(zhàn)中起著關(guān)鍵作用。民用中對(duì)電磁頻譜的監(jiān)測(cè)與管理也需要電子偵聽(tīng)接收機(jī)。電子偵聽(tīng)和電磁頻譜監(jiān)測(cè)接收對(duì)象都具有頻段寬、信號(hào)種類多、通信環(huán)境復(fù)雜、先驗(yàn)知識(shí)少等特點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)的偵聽(tīng)接收機(jī)體積龐大、處理功能有限、智能化程度低、升級(jí)困難、設(shè)備間兼容性差，無(wú)法滿足現(xiàn)代社會(huì)以及現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求。軟件無(wú)線電的基本思想[1，2]符合偵聽(tīng)接收機(jī)偵聽(tīng)信號(hào)寬頻段、多種類等特點(diǎn)，由軟件定義的算法具有高度靈活性。目前在研的數(shù)字偵聽(tīng)接收機(jī)大多基于軟件無(wú)線電體系，國(guó)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(jī)。

國(guó)內(nèi)的數(shù)字偵聽(tīng)接收機(jī)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(duì)于盲信號(hào)處理技術(shù)的研究也處于起步階段，現(xiàn)有的偵聽(tīng)接收機(jī)僅能實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量檢測(cè)以及AM、FM解調(diào)，無(wú)法達(dá)到電子戰(zhàn)的要求。

結(jié)合超大規(guī)模集成電路器件水平的提高，以及盲信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，本文設(shè)計(jì)了一種基于軟件無(wú)線電的數(shù)字偵聽(tīng)接收機(jī)。該接收機(jī)核心處理器采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6416T芯片和Xilinx公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列Virtex－II Pro 30；沒(méi)有使用專用芯片，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)靈活性；采用中頻數(shù)字化方案，降低了對(duì)AD器件的要求；采用盲信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前常用的模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制信號(hào)的類型區(qū)分、參數(shù)提取、解調(diào)等功能。

1 接收機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的偵聽(tīng)接收機(jī)硬件體系功能框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)功能框圖

1.1 射頻前端

軟件無(wú)線電系統(tǒng)射頻前端信號(hào)處理有三種體系結(jié)構(gòu)：射頻低通采樣、射頻帶通采樣、中頻數(shù)字化[1]。理想的軟件無(wú)線電體系采用射頻低通采樣結(jié)構(gòu)。受器件水平的限制，目前的軟件無(wú)線電系統(tǒng)大多采用中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)：先將射頻信號(hào)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(duì)AD器件的要求。本系統(tǒng)也采用這樣的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。射頻前端采用日本ICOM公司的IC-R8500接收機(jī)，如圖1左虛線框。該接收機(jī)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(fù)雜性、時(shí)變性以及信源的不確定性，接收機(jī)收到的信號(hào)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(jù)信號(hào)的幅值輸出一電壓信號(hào)，控制放大電路的放大倍數(shù)。傳統(tǒng)接收機(jī)大多采用三極管檢波電路。基于軟件無(wú)線電的接收機(jī)可以采用數(shù)字方式檢波，如圖1所示。在AD采樣之后，數(shù)據(jù)傳給信號(hào)處理器件，由程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字檢波。在本系統(tǒng)中數(shù)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(hào)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(hào)帶寬較寬時(shí)，大多采用分離器件電路。本設(shè)計(jì)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(dá)23dB。采用ICOM公司的小型變壓器LS476實(shí)現(xiàn)每級(jí)放大電路信號(hào)的提取和隔離，該變壓器還能實(shí)現(xiàn)濾波作用，防止電路自激振蕩。整個(gè)電路采用五級(jí)放大，總放大倍數(shù)超過(guò)110dB。放大電路的一級(jí)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)線電系統(tǒng)的瓶頸之一。例如對(duì)于2.4GHz的藍(lán)牙信號(hào)，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(dāng)大的差距[1]。所以當(dāng)前軟件無(wú)線電系統(tǒng)大多采用中頻數(shù)字化方案。AD芯片的采樣頻率與有效位數(shù)成反比關(guān)系。當(dāng)前14bit的AD芯片水平達(dá)到105Msps的采樣頻率，如AD6645；12bit的AD芯片達(dá)到400Msps采樣頻率，如AD12400。本接收機(jī)方案中采用Analog公司的AD6645芯片，該芯片有效位14bit，采樣頻率達(dá)105Msps，工作頻段達(dá)200MHz。
AD芯片決定了偵聽(tīng)接收機(jī)的接收帶寬可以達(dá)到52.5MHz。

1.4 數(shù)字下變頻（DDC）

一般數(shù)字信號(hào)處理器件很難直接處理AD采樣得到的高速數(shù)據(jù)流。同時(shí)數(shù)據(jù)流中的載波頻率信息對(duì)信號(hào)的解調(diào)沒(méi)有任何作用，所以需要去除數(shù)字信號(hào)中的載頻，并進(jìn)行抽樣率變換以降低數(shù)據(jù)速率，該過(guò)程稱做數(shù)字下變頻(Digital Down Converter)。專用的數(shù)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)法滿足很多場(chǎng)合的要求，如3G信號(hào)。同時(shí)在軟件無(wú)線電系統(tǒng)中，專用芯片越多系統(tǒng)靈活性越差。本接收機(jī)方案中沒(méi)有采用專用集成芯片，而是采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻功能。本接收機(jī)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(xiàn)數(shù)字下變頻功能。

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

1.5 數(shù)字信號(hào)處理器(DSPs)

本接收機(jī)中的數(shù)字信號(hào)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(jié)構(gòu)，內(nèi)部包括8個(gè)處理單元，單指令周期1ns，處理能力達(dá)8 000MIPS。芯片內(nèi)部有16KB的程序緩存區(qū)，16KB的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，1 024KB的單周期RAM區(qū)。該芯片有豐富的外設(shè)接口，包括Viterbi譯碼、Turbo譯碼、PCI通信接口等。本接收機(jī)系統(tǒng)采用了DSPs的PCI通信接口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

DSPs在本接收機(jī)系統(tǒng)中承擔(dān)了主要的信號(hào)處理計(jì)算任務(wù)。

2 處理算法

由于偵聽(tīng)對(duì)象為未知信號(hào)，需要判斷接收信號(hào)的調(diào)制類型、頻偏、數(shù)字信號(hào)的碼元速率等，并對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。本接收機(jī)采用盲信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)這些功能，并假定偵聽(tīng)信號(hào)集合包括AM、FM、DSB、MFSK、MPAM、MPSK和MQAM。

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

目前，對(duì)各種已知參數(shù)信號(hào)的數(shù)字解調(diào)算法已經(jīng)比較成熟，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。關(guān)于盲信號(hào)處理算法的詳細(xì)論述，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

3 系統(tǒng)調(diào)試

本接收機(jī)系統(tǒng)的用戶界面采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用VC++語(yǔ)言編程，如圖4所示。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，采用Agilent公司的E4438C作為信號(hào)源，發(fā)射無(wú)線信號(hào)。接收天線采用ICOM公司的AH-7 000天線，通信頻率433MHz。信號(hào)源發(fā)送信號(hào)集合內(nèi)各種調(diào)制類型的信號(hào)，以測(cè)試系統(tǒng)的性能。圖4為發(fā)送QPSK信號(hào)時(shí)，本系統(tǒng)的用戶界面顯示。圖中上排左為信號(hào)功率譜，以分離AM、MFSK信號(hào)；中為包絡(luò)譜，以估計(jì)碼元速率，分離FM、DSB信號(hào)；右為信號(hào)N次方功率譜，以估計(jì)載波頻偏。下排四幅圖為盲均衡得到的星座圖。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字偵聽(tīng)接收機(jī)系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的靈活性、可擴(kuò)展性，符合軟件無(wú)線電系統(tǒng)要求。接收頻段200kHz～2GHz，接收帶寬52.5MHz。在盲信號(hào)處理算法的支持下，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制類型識(shí)別和相關(guān)參數(shù)辨識(shí)等功能。通過(guò)添加不同的解調(diào)算法可以實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的解調(diào)、解碼功能。將多個(gè)該系統(tǒng)并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)空域信號(hào)處理等任務(wù)。