一种软件无线电多带通信号接收方法
【专利摘要】本发明提供一种软件无线电多带通信号接收方法，用于对多频段射频带通信号进行先采样、后分离处理，对待处理的多频段射频带通信号通过第一、第二采样流进行二阶带通采样，设置采样频率，使得采样后在同一频域内仅允许两个信号发生混叠；在第一、第二两路采样流间引入延时差，形成两路具有相位差的采样后信号；根据相位差设计抗混叠滤波器，调整两信号相位，使其中一个信号其经过叠加后信号为零，而另一信号不变，实现对两混叠信号的分离。通过采用该方法，使用固定的采样频率就可以实现任意位置信号的无混叠接收，在接收过程中不需要针对不同位置信号频繁的变更采样频率，简化了模拟前端。
【专利说明】
-种软件无线电多带通信号接收方法
技术领域
[0001] 本发明设及软件无线电信号接收领域，尤其是一种软件无线电多带通信号接收方 法。
【背景技术】
[0002] 软件无线电是一种W现代通信理论为基础，W数字信号处理为核屯、，W微电子技 术为支撑的新的无线通信体系结构。软件无线电的核屯、思想是使尽可能多的功能应用软件 实现，尽可能简化模拟部分，因此，软件无线电对射频信号的处理要求具有较高的采样速率 和精度，带通采样定理的应用可W大大降低所需的射频采样速率，为后面的实时处理奠定 了基础。带通采样理论最早由R.G. Vau曲an在1991年提出的，近年来由于AD采样技术的发 展，采样速率和精度不断提高，带通采样成为实现软件无线电的有力理论支撑。但是现有软 件无线电平台应用带通采样理论的并不多，W现在常用的软件无线电通用外设(USRP)为 例，采用的是零中频采样方式，采样器的硬件设计部分较为复杂。并且在数字信号处理部分 只是做了传统的数字下变频等工作，并没有进行抗混叠滤波器的设计，无法对带有混叠的 多带通信号进行接收，限制了软件无线电的通用性。
[0003] 在军事和商业应用中，往往需要同时处理不同频带上的多个射频信号，选择合适 的采样频率是接收多频带信号的一个难点。大多数学者在处理多频段信号时，主要考虑在 频谱不发生混叠的前提下，选择尽可能低的采样频率W减轻后端数字处理的负担。很多学 者也致力于寻找新的算法来简化频率选择过程，但是，运些方法为避免产生混叠必然会限 制采样频率的选择，同时繁琐的计算过程也增加了实现的难度，而且采样频率越低采样精 度对前置模拟RF带通滤波器的要求也越高，所W-味的追求低的采样频率并不是最优的方 法。随着ADC等硬件的发展W及计算机处理能力的增强，能够容许更高的采样频率。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种软件无线电多带通信号接收方 法，实现了软件无线电对多带通信号无混叠接收的要求。
[0005] 技术方案:为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为:一种软件无线电多带 通信号接收方法，该方法同时接收不同频带上的多个射频带通信号，对多频段带通信号进 行先采样、后分离处理，允许采样后在同一频段内有两个带通信号的频谱发生重叠；
[0006] 该方法包括步骤：
[0007] (1)对待处理的多频段射频带通信号通过第一、第二采样流进行二阶带通采样，设 置采样频率，使得采样后在同一频域内仅允许两个信号发生混叠;在第一、第二两路采样流 间引入延时差，形成两路具有相位差的采样后信号；
[000引（2)若采样后的信号没有发生混叠，则对采样后的信号进行下变频转化为基带信 号，并将多频段带通信号中的每个信号逐一分离;若采样后在同一频域内有两个信号发生 混叠，则进入步骤(3);
[0009] (3)针对在同一频域内发生混叠的两个信号设计抗混叠滤波器：
[0010] 定义采样后发生混叠的两个信号分别为R〇(f)和化(f)，第一、第二采样流之间的时 延差为A T;两个信号经过第一采样流采样后的频谱为RA(f)，经过第二采样流采样后的频 谱为化(f);化(f)和Ra( f)满足关系：
[0011]
(1)
[0012] 式中，no和m分别为Ro(f)和Ri(f)在频率区域中的位置索引值；
[0013] 针对两路多频段带通信号经过二阶带通采样后形成的相位差如A Tfsno和如A Tfsm设计立个滤波单元SA(f)、斯/巧日巧(/>，其中，SA(f)和避(/)元满足W下条件：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[001 引
[0019]
[0020]
[0021] 其中，B为多频段带通信号的带宽，R〇A+(f)和RoA-(f)分别表示RA(f)正、负频域中的 频谱;R〇B+(f)和RoB-(f)分别表示Re(f)正、负频域中的频谱;C表示幅值增益。
[0022] (4)采用SA(f)对RA(f)进行滤波，采用得(/巧日4(/)分别对姑(f)进行滤波;将RA(f) 经过SA(f)滤波后的信号分别与化(f)经过巧(/)滤波后的信号和Re(f)经过4(/)滤波后的 信号相叠加，实现两个信号的分离；
[0023] (5)在步骤(4)对两个信号进行抗混叠处理后，对分离后的两个信号分别进行下变 频处理，转化为基带信号。
[0024] 具体的，所述多频段带通信号为:在采样前频谱互不重叠的多个带通信号。
[0025] 进一步的，所述步骤(1)中二阶带通采样的采样频率满足W下条件：
[0026]
[0027]其中，nk为多频段射频带通信号中的第k个信号的位置索引，fs为采样频率，fik和 fuk分别为带通信号k的最低和最高频率，山和扣分别为采样后的两路射频带通信号的处理 带宽，其中Ja和Bb处理带宽内允许存在两个信号;fNca和fNcb分别为采样后的两路带通信号 在第一奈奎斯特区域内的信号中屯、频率。
[002引进一步的，所述步骤(3)中SA(f)、驾(/)和巧(/)的表达式分别为：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 有益效果:与现有软件无线电信号接收技术相比，本发明具有W下优势：由于采用 了二阶带通采样技术，实现了软件无线电中对多带通信号的无混叠接收。使用固定的采样 频率就可W实现任意位置信号的无混叠接收，在接收过程中不需要针对不同位置信号频繁 的变更采样频率，简化了模拟前端。针对不同位置信号只要实时调整抗混叠滤波器的参数 就可W实现两信号分离，不需要更改硬件，提高了软件无线电的通用性和灵活性。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明的实施例的内部原理图；
[0035] 图2为本发明实施例中软件无线电信号接收装置的功能模块结构图；
[0036] 图3为本发明实施例中带通采样信号频谱图；
[0037] 图4为本发明实施例中软件无线电信号接收装置的硬件平台示意图；
[0038] 图5为本发明实施例中二阶带通采样模块的功能模块结构图；
[0039] 图6为本发明实施例中FPGA的内部结构图；
[0040] 图7为本发明实施例中GUN Radio模块的结构图。
【具体实施方式】
[0041] 假设待采样的射频带通信号为R(f)，其带宽为B。采用采样频率fs为fs = 2B。所有在 W下频率区域内的信号都定义为索引为n的信号，我们定义n为位置索引：
[0042] (n-l/2)fs< If I <(n+l/2)fs
[00创经过带通采样，所有索引为n的信号会映射到频率范围-B<f<納。根据带通采样 原理，任意位置的带通信号都可W恢复在0<f<B内。但是，对于位于不同索引位置的多带 通信号，经过带通采样后在0<f<B内可能会产生重叠，如图3所示。现有技术在处理多频段 信号时，主要考虑在频谱不发生混叠的前提下，选择尽可能低的采样频率W减轻后端数字 处理的负担。很多学者也致力于寻找新的算法来简化频率选择过程，但是，运些方法W避免 产生混叠为前提，必然会限制采样频率的选择，同时繁琐的计算过程也增加了实现的难度， 而且采样频率越低采样精度对前置模拟RF带通滤波器的要求也越高。
[0044] 为解决上述技术问题，本发明提出一种软件无线电多带通信号接收方法，同时接 收不同频带上的多个射频带通信号，对多频段带通信号进行先采样、后分离处理，允许采样 后在同一频段内有两个带通信号的频谱发生重叠，能够减轻模拟前端的负担，该方法包括 步骤：
[0045] (1)对待处理的多频段射频带通信号通过第一、第二采样流进行二阶带通采样，设 置采样频率，使得采样后在同一频域内仅允许两个信号发生混叠;在第一、第二两路采样流 间引入延时差，形成两路具有相位差的采样后信号；
[0046] (2)若采样后的信号没有发生混叠，则对采样后的信号进行下变频转化为基带信 号，并将多频段带通信号中的每个信号逐一分离;若采样后在同一频域内有两个信号发生 混叠，则进入步骤(3);
[0047] (3)针对在同一频域内发生混叠的两个信号设计抗混叠滤波器：
[0048] 定义采样后发生混叠的两个信号分别为Ro(f)和化(f)，第一、第二采样流之间的时 延差为A T;两个信号经过第一采样流采样后的频谱为RA(f)，经过第二采样流采样后的频 谱为化(f);化(f)和Ra( f)满足关系：
[0049]
[0050」式中，no和m分别为Ro(f)和Ri(f)在频率区域中的位葺索引值；
[0051]针对两路多频段带通信号经过二阶带通采样后形成的相位差如A Tfsno和如A Tfsm设计S个滤波单元SA(f)、驾(/巧日义(/)，其中，SA(f)和马(/)满足W下条件：
[0化2]
[0化3]
[0化4]
[0化5]
[0化6]
[0化7]
[0化引
[0059]其中，B为多频段带通信号的带宽，R〇A+(f)和RoA-(f)分别表示RA(f)正、负频域中的 频谱;R〇B+(f)和RoB-(f)分别表示化(f)正、负频域中的频谱;C表示幅值增益。
[0060] (4)采用SA(f)对RA(f)进行滤波，采用鸣(/巧日巧(/:)分别对姑(f)进行滤波;将RA(f) 经过SA(f)滤波后的信号分别与化(f)经过巧(/)滤波后的信号和Re(f)经过巧(/)滤波后的 信号相叠加，实现两个信号的分离；
[0061] (5)在步骤(4)对两个信号进行抗混叠处理后，对分离后的两个信号分别进行下变 频处理，转化为基带信号。
[0062] 为了充分、清楚的说明本发明的技术方案，下面结合具体实施例和附图对本发明 作更进一步的说明。
[0063] 实施例：为实现上述技术方案，本实施例设计一个用于实现该方案的软件无线电 多带通信号接收装置，该装置的结构框图如图2所示，包括:射频前端模块Ul，二阶带通采样 模块U2、抗混叠滤波器U3、GUN Radio模块U4和时钟发生器U5;该装置实施上述技术方案的 内部原理图如图1所示。应用两个ADC(分别定义为ADC A和ADC B)和时钟发生器呪组成二阶 带通采样系统，时钟发生器为ADC B提供时间延时，采样后信号送入FPGA进行中频处理，本 实施例中通过FPGA实现抗混叠滤波器、数字下变频W及下变频后信号的并串转换。转换后 的信号经由USB接口送入GNU Radio进行进一步处理，如解调等。其中，GNU Radio中通过自 定义模块获取USB接口信息并进行串并转换分离出各路信号。抗混叠滤波器和数字下变频 的参数可W通过SPI总线由GNU Radio中的自定义模块设计。
[0064] (一)射频前端模块Ul
[0065] 射频前端模块Ul接收外部设备发出的多频段射频带通信号，并将多频段射频带通 信号发送给二阶带通采样模块肥进行采样。
[0066] (二)二阶带通采样模块U2
[0067] 二阶带通采样模块U2包括两个ADC(分别定义为ADC A和ADC B)和一个时钟发生器 呪，两个ADC分别产生两路采样通道，定义为通道A和通道B。两个ADC在操作时设置有时延差 AT,时延差A T会在两路ADC的采样信号中引入差异，在频域中表现为相角的延迟。
[0068] 二阶带通采样模块U2的采样频率应遵循W下公式：
[0069]
[0070] 其中，Dk ? fs-fs/2<bk<fuk<nk ? fs+fs/2中，Dk为多频段射频带通信号中的第k个 信号的位置索引，fs为采样频率，flk和fuk分别为带通信号k的最低和最高频率，此公式限制 采样后信号镜像混叠；
[0071] 同时，对于多带通信号还应满足
，此公式可用于避免采样 后信号出现两个W上信号重叠。其中，Ba和Bb分别为采样后的两路射频带通信号的处理带 宽；fNca和fNcb分别为采样后的两路带通信号在第一奈奎斯特区域内的信号中屯、频率，本发 明允许Ba或化内存在两个混叠信号。
[0072] 若采样后的信号没有发生混叠，则对采样后的信号进行下变频转化为基带信号， 并将多频段带通信号中的每个信号逐一分离;若采样后在同一频域内有两个信号发生混 叠，则进行W下分析处理：
[0073] 我们将两路采样后的信号分别定义为RA(f)和RB(f)。运两者满足：
[00741
[00
[0076] 二阶带通采样两通道的频谱图分别如图3(a)，（b)所示，从图中可W看出，通道A中 两个信号频谱没有相角差异，而通道B中由于ADC B引入采样延迟的原理，两个信号Ro(f)和 Ri(f)的频谱都分别产生了相角差房"巧日公"1。我们利用两通道不同的相角差设计抗混叠滤 波器SA(f)、4(乃和端(/)，调整两信号相位，使得SA(f)和遊(/)的输出信号叠加后信号Ro (f)为零，而另一信号Ri(f)不变，实现信号Ri(f)的分离;SA(f)和4(/)的输出信号叠加后 信号Ri(f)为零，实现信号R〇(f)的分离。
[0077] (S)抗混叠滤波器
[0078] 二阶采样模块得到的两路数字信号经过在FPGA内设计的抗混叠滤波器实现消除 混叠处理。抗混叠滤波器设计原理如下：
[0079] 将抗混叠滤波器SA(f)和SB(f)设计并分别应用于通道A和通道B。于是，恢复的信号 频谱变为：
[0080] R(f)=B ? [SA(f) ? RB(f)+SB(f) ?化（f)] (4)
[0081 ]通过拆分信号的正频谱和副频谱，公式(I)可W变换为：
[0082] R(f)=B ? [SA(f) ? (RA+(f)+RA-(f))+SB(f) ? (I?B+(f)+RB-(f))] (5)
[0083] 对每路通道来说，都存在来自no和m频率位置的信号，因此，公式(I)可W进一步分 解为：
[0084]
(6)
[0085] 同时接收两路信号Ro(f)和Ri(f)的接收器包括两个可调的射频滤波器用来选择两 带通信号，经过叠加后输入到采样器，两路信号R〇(f)和化(f)被同时采样，=个可重新配置 的滤波器SA(f)、马(/)、《(/)用来消除信号混叠，并并列的输出R〇(f)和Ri(f)。
[0086] 其中，滤波器SA(f)和进(/)设计用于恢复Ro(f)而消除Ri(f)。因此，滤波器SA(f)和 巧(/)应该满足：
[0090] 我们选择SA(f)为最简单的形式，即：
[0087] 讯 [008引
[0089] 曲
[0091]
?9)
[0092] 峨(/)如下式：
[0093] (10)
[0094] ，需要设计另一滤波器&(/)<利用式(7)，（8)和 (9)所示 ：(11)所示：
[0095] (11)
[0096] 財或内的表达式，通过式(9)、（10)、（11)可W得到 它们的I ：
[0097]
[009引
[0099]
[0100] 其中，fi、fh分别为抗混叠滤波器的最低频率和最高频率。通过对上述两式Wfs = 2B进行采样，得到采样值可用来作为滤波器参数。如果我们确定最低频率和最高频率的数 值为最宽的信号带宽，当信号位置索引发生变化时，仍可W采用同一Sa。但是对于Sb,当位置 索引发生变化时，需对参数进行调整。可采用FIR Compiler的系数分析工具来产生一系列 的滤波器系数，并且通过外界参数控制来选取不同的滤波器系数。在FPGA运行过程中可通 过SPI总线通过GNU Radio对滤波器系数进行实时调整。
[0101] 在设计抗混叠滤波器时，通过加入群延时补偿，选取较大的时间延时使抗混叠效 果更优。本发明装置采用121tap的滤波器设计滤波器使其对混叠的滤除效果高于30d B。同 时本发明采用幅值补偿的办法对处于不同位置的信号输出幅值进行补偿，W使输出增益保 持在1左右。解决了因两输入信号位置差值的不同对抗混叠性能产生的影响。
[0102] (四）基于FPGA设计抗混叠滤波器
[0103] 本实施例利用FPGA实现抗混叠滤波器，消除两路信号的混叠，并通过下变频转化 为基带信号，图6为FPGA内部结构图。本实施例中设计了4路数字下变频通道，因此可W实现 同时对4路带通信号的接收，允许其中两路带通信号在采样后发生混叠。每路信号的I和Q信 号经过并串转化经由USB控制器传输给GNU Radio。同时，抗混叠滤波器和数字下变频的参 数也可通过USB控制器经SPI总线控制。
[0104] 在信号分析中，我们常把信号进行矢量分解，也就是将信号分解为频率相同、峰值 幅度相同但相位相差90的两个分量I和Q分量。通过用矢量表述信号，可W完整地描述信号 的幅度、频率和相位。孤C(数字下变频)主要完成对采样信号的数字混频、抗混叠滤波、降采 样(抽取)滤波等，W得到低采样率的基带信号输出。图6中四个DDC可W实现对4路采样信号 的下变频处理，处理后每路信号可分为I支路（同向分量)和Q支路(正交分量）。
[0105] FPGA模块U3将处理好的数据流通过USB传输给GNU Radio模块U4,由于来自DDC并 通过USB连续传输到PC端的数据经过了并/串传输变换，GNU Radio模块U4的自定义模块具 备数据分离能力。
[0106] (五)GUNRadio 模块 U4
[0107] 图7为本实施例中所设计的GNU Radio信号接收模块，该模块可W通过设定采样信 号个数(1、2或4)选择接收的信号的个数，并通过串并转换实现信号分离。在GNU Radio内可 通过软件包内其他模块对信号进行进一步处理，如信号解调等。
[0108] 所述射频前端模块Ul可采用Ettus公司射频子板DBSRX2,接收频段范围为500M-2.35細Z。二阶带通采样模块U2中的ADC采用TI公司ADS54RF63系列，时钟发生器采用FPGA采 用AD9513系列，可提供最大时钟信号800MHz，均方差抖动小于0.化S，可调延迟2250PS dUSB 接口控制器采用CYPRESS公司CY7C68013A-100AXC FX2控制器。GNU Radio可在Iinux系统下 安装GNU Radio-3.4.2版本。硬件平台示意图如图4所示。
[0109] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种软件无线电多带通信号接收方法，其特征在于，该方法同时接收不同频带上的 多个射频带通信号，对多频段带通信号进行先采样、后分离处理，允许采样后在同一频段内 有两个带通信号的频谱发生重叠； 该方法包括步骤： (1) 对待处理的多频段射频带通信号通过第一、第二采样流进行二阶带通采样，设置采 样频率，使得采样后在同一频域内仅允许两个信号发生混叠;在第一、第二两路采样流间引 入延时差，形成两路具有相位差的采样后信号； (2) 若采样后的信号没有发生混叠，则对采样后的信号进行下变频转化为基带信号，并 将多频段带通信号中的每个信号逐一分离;若采样后在同一频域内有两个信号发生混叠， 则进入步骤(3); (3) 针对在同一频域内发生混叠的两个信号设计抗混叠滤波器： 定义采样后发生混叠的两个信号分别为R〇(f)和Ri(f)，第一、第二采样流之间的时延差 为A T;两个信号经过第一采样流采样后的频谱为RA(f)，经过第二采样流采样后的频谱为Rb (門；化(門和1?4(門满足关系：式中，no和m分别为R〇(f)和化(f)在频率区域中的位置索引值； 针对两路多频段带通信号经过二阶带通采样后形成的相位差如A Tfsn日和如Δ Tfsm设 计；个滤波单元SA(f)、马(/巧日巧(/)，其中，SA(f)和巧(/)满足W下条件：其中，B为多频段带通信号的带宽，R〇A+(f)和RoA-(f)分别表示RA(f)正、负频域中的频谱； R〇B+(f)和RoB-(f)分别表示化(f)正、负频域中的频谱;C表示幅值增益。 (4) 采用SA(f)对RA(f)进行滤波，采用S自(/巧日皂(/)分别对RB(f)进行滤波;将RA(f)经过 SA(f)滤波后的信号分别与RB(f)经过巧(/)滤波后的信号和化(f)经过巧(/)滤波后的信号 相叠加，实现两个信号的分离； (5) 在步骤(4)对两个信号进行抗混叠处理后，对分离后的两个信号分别进行下变频处 理，转化为基带信号。2. 根据权利要求1所述的一种软件无线电多带通信号接收方法，其特征在于，所述多频 段带通信号为:在采样前频谱互不重叠的多个带通信号。3. 根据权利要求2所述的一种软件无线电多带通信号接收方法，其特征在于，所述步骤 (1)中二阶带通采样的采样频率满足W下条件：其中，祉为多频段射频带通信号中的第k个信号的位置索引，fs为采样频率，f化和fuk分 别为带通信号k的最低和最高频率，山和扣分别为采样后的两路射频带通信号的处理带宽， Ba和化处理带宽内允许存在两个信号;fNca和fNcb分别为采样后的两路带通信号在第一奈奎 斯特区域内的信号中屯、频率。4. 根据权利要求2所述的一种软件无线电多带通信号接收方法，其特征在于，所述步骤 (3)中SA(f)、诗(/巧P鸟(/)的表达式分别为：
【文档编号】H04B1/00GK105846835SQ201610151754
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】王洪梅, 王法广, 李世银, 杨雪
【申请人】中国矿业大学