基于软件无线电的数字扫频接收机设计

摘要

传统接收机对接收信号的调谐、滤波、衰减、下变频、正交解调等环节都通过模拟电路完成，电路调试困难、设计复杂，接收机带宽窄、灵活性低，受外界干扰大、难于标准化和模块化，一旦硬件电路设计完成，其接收频段即固定，要想修改将非常困难。软件无线电技术可搭建一个开放的、标准的、通用无线电硬件平台，将上述各环节用软件编程实现，将 A/D、D/A模块尽量接近天线，将射频或者中频降至基带。软件无线电技术应用于数字接收机后，可替代传统无线电接收机，能够很好地解决传统接收机的不足，是未来接收机发展的必然趋势。
　　软件无线电数字接收机中所涉及的信号正交变换和数字下变频技术是软件无线电通信研究的关键技术。本文首先根据数字接收机的特性，进行理论推导和仿真，寻找最佳的脉冲压缩编码方式，最终确定采用13位巴克码进行压缩编码。在深度研究数字下变频工作原理的基础上，对数字下变频中的关键技术积分级联梳状（CIC）滤波器和半带（Half-Band, HB）滤波器进行了原理演算，并用MATLAB进行了不同级联级数和延迟因子下幅频响应特性的仿真分析，得到了合适的滤波器设计因子，并通过设计实例进行结果仿真，验证了影响因子设计的合理性和适用性。
　　其次，设计了一套满足电离层探测需要的基于软件无线电技术的数字扫频接收机模型，天线接收到的射频信号通过射频前端将各种空间无线电干扰和噪声滤除，并将接收到的微弱有用信号进行放大，提高接收机前段信噪比，使得接收到的信号适合 A/D采样并转换为数字信号。再通过软件算法对数字信号进行一系列数据处理，通过软件的方式设计数控振荡器产生本振信号，进行数字下变频，正交解调，设计数字高效滤波器进行采样率抽取和滤波以及调整两路信号的幅相。通过对抽取因子、阻带衰减和通带衰减，级联级数的合理设计，利用MATLAB进行了仿真验证，得到了较优化的软件无线电数字扫频接收机设计参数模型。
　　第三，在海曼USRP N210（Universal Software Radio Peripheral）平台上，利用GNU Radio开源软件无线电环境控制主板对13位巴克码脉冲压缩信号进行BPSK调制，并完成D/A转换，然后通过发射子板（LFTX Low Frequency Transmission）发射调制信号。在接收端，调制信号通过接收子板（LFRX Low Frequency Reception）完成信号接收，并通过主板完成A/D转换，利用C++结合python混合编程技术在GNU Radio软件环境完成信号的发送、接收、编码、调制、数字下变频、解调解码等功能。实验结果表明，软件无线电数字扫频接收机可以软件化，重构化；调制解调、数字滤波、降频、编码解码等都可以在 USRPN210硬件平台上动态地运用GNU Radio中数字信号处理库来灵活地重构软件部分实现。
　　本文最后将GNU Radio软件环境结合USRPN210硬件平台构成软件无线电平台应用于现有的电离层测高仪，实现了软件无线电式的探测，得到了清晰的数字频高图。软件无线电式接收机在数字测高仪上的实现验证了基于软件无线电平台的电离层探测技术的可行性，为更进一步提高电离层无线电探测与诊断技术提供了重要的技术路线。
　　总之，本文系统地介绍了信号的正交变换技术，数字下变频技术，推导了基于软件无线电的数字扫频接收机数学设计模型，得到合适的参数设计，利用MATLAB仿真并验证了具体设计因子的频谱，得到了幅相较好的基带信号。然后在平台USRPN210上利用GNU Radio软件环境做实验，实现了扫频信号的发射接收，以及混频数字下变频等数字信号处理。最后设计了软件无线电式数字扫频接收机，得到了良好的测试结果，达到了预期设计指标。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 软件无线电国内外研究现状

1.3 接收机的发展历程

1.4 GNU Radio和USRP平台简介

1.5 本论文选题来源及主要研究内容

第2章 接收机中各模块关键技术

2.1 数字正交变换

2.2 采样率的设计

2.3 本章小结

第3章 高效数字滤波器的设计

3.1 积分级联梳状滤波器

3.2 半带滤波器

3.3本章小结

第4章 数字扫频接收机设计

4.1 接收机设计目标

4.2 接收机的数学推导

4.3 不同射频频点的具体设计及仿真

4.4本章小结

第5章 数字扫频接收机在平台上的验证

5.1 该平台环境的安装及测试

5.2 数字信号处理模块设计及平台测试

5.3 接收机系统测试

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢