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1、中国人民解放军信息工程大学硕士学位论文基于软件无线电的实时信号分析系统的实现姓名：顾善秋申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：江桦20020101信息 i 张大学硕十挲位论文摘要本文论述了蘩予鞍 孛无线奄瑟瑟，在一令逶褥酶数字信号处理硬静平台上，针对重星中频信号，用美圈国家仪器公司提供的开发虚拟仪器的L a b V I E w 平台研制开发了个实时的数字信号处理系统。它主要包括实时数据采集、频谱簸测、信号的巅动搜索等模块。本文涉及了较俘无线电觞戆慧及萁技术。酋先介绥了蘩予较箨无线电思想的硬秘：开发环境：其次论述了可变速率的带通采样原理，采取了分段整合分析的方法，从而降低了信号的藤样率。介
2、绍rL a b V I E w 下如何通过计算机接口获取数据的过程，数据采集过稷中各个参数豹算法选择；同时阐述了l 。a b V I E w 平台下G 语言的姆点及构建纛季蓝仪器的过褥，然后介绍了信号分析处理部分采用的频率扩展与F r T 相结合的频域分析方法；频谱蠊测部分各个模块的算法实现：最后给出了信号搜索郝分的算法实现及其原理挺燃。关键诵：软件无线电( S R ) ；L a b V I 黼：虚掇仪器( V I S ) ；G 语言；带通采群；数字下变频( D 既) ；A D ：频率分辨率矗b s tr a c t第3 页一一一一一一一一一一 ：霎一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一溉
3、_ 蚕茁 叫一耐聊魏 妇妇一 一一一一一一一一一一 一一 一+一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一信息丁程火学硕士学位论文第4 页信息工程大学硕士学位论文第一豢蓊言较嚣无笺毫s o 致黼r e 熟d 。) 是 9 2 年臻秘莛滚予茭髫举方涎S p e a k e a s y ，藤出M I L T 髓公司的J 。m t o a 首次明确提出的概念，这一檄念经提出，立即得到了金世界秃线邀领域熬广泛关注。它戆蒸本壤念凳姆遵璎硬嚣箨为笼缓遁臻煞纂零乎台，瑟霹畿多撼把无线通信及个入透错爝获件实现。这群，无线通信薪臻绫、新产晶酌开发将逐步转副软释主寒，丽无线涟信产晶静髂爨将越
4、来越多： | 囊 奉瑷在较捧，乏。 圭| 于较僚笼线电瓣其有静灵活性、， 款性譬特点，浸其不仅在军、强 秃线遴藩中蓑褥了运鬻，露强在毫孑竣、黎达、髂患纯警领壤褥翁推广。一耱浇鞍蒋遍静褥法试淹，较捧滗线毫怒继无蕊髓信领域澍敬羹要的拽术攀命( 幽攘拟到数字，出固定到移动) 质的第三三次技术革命。它魁计算机晦数字蔼号处理援末赢魔发震茇军事遵荫追协要求缒声灏。软件无线电的理想模型是采样靠近射频端，这样就翁偿号的软处理提供了较大的鲶疆空蚓。目前，软件无线电的基本思想已推广到其它无线电邋信领域，如卫星通信领域。出于墨爨遵售静工捧频率较褰( ，k 个G 赫到是卡G 赫) ，蔼骥怒摸墅君子硬蒋提窭了禳舞蕊要求
5、，很难像软件无线电台那样在天线和数字信号处理单元之间直接进行A D 和D A 变按，只能在中频( 7 0 M H z 成1 4 0 洲z ) 进行A D 和D A 变换。所以本课题中采取了非理想化的软 孛无线患结褪鬻中频带逶采释黎翰，栗薅超外蓉薄裁，将翌星中藜薷号经过数字下变羧( D D c ) ，将高颇多虢宽带信号下变频至中频单路信号，再避行采样处璃，这样，采样率大大地簿低了，采样率的降低给信号的软件处理带来了很大的便利。奁信号分撬处理翁过程孛，频谱分簿致是不可获乡魏浚备。稷霹蕊统翁簸警分辨仪价格昂赣、开发周期长、不易程控游缺点，系统应用G 语言开发完成了性价比高、开发胤端短、操作简单( 借
6、勘鼠标或键盘即可) 、功能灵活的虚拟频潜仪。瀣拟捩器就是怒专矮静软硬臀配合诗舅祝实现专育设器筠功琵，莠霞冀窟魂证、鬻麓化的仪器。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与有限的外部硬件设备有机地融合为体，充分剥用计算机强大豹计算处理能力、存储和控制能力，从而大大缩小了仪器硬件的成本黧俸禳，薅羲了秀发蘧焱。并逶过较 孛实麓怼鼗据静拾取、存诺强及分折叠疆。虞攒仪器救术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且徽容易构建，所以应用耐较为第5 凝信息工程大学硕士学位论文广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的”硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。应工作一线的要求，本课题针对卫星中频信号实现了数据
7、采集、信号分析与处理、频谱显示三大功能。卫星信号中分布着各种带宽和不同调制方式的信号。最宽的信号有几十M H z ，最窄的只有几K H z ：调制方式有A s K 、F s K 、F F s K 、P s K ( B P s K 、Q P s K 、o Q P s K 、D P s K ) 、Q A M 、M S K 等。为了能够对( 5 2 M 8 8 M ) 范围的信号进行采集、分析、处理，本课题采取了分段分析的思想，每段遵循了带通采样原理。本系统运用的软件平台是美国国家仪器公司( N a t i o n a lI n s t r u m e n t s ) 的L a b v l E w
8、。系统的频谱可视化部分实际上是一部虚拟频谱分析仪。它能在特定频段内全景显示各路信号的分布，一次显示最宽可达3 6 M H z 带宽；并能分别对各路信号逐渐进行展开测量，最窄可将窄带信号拉宽至5 K H z ，系统能够自动选择抽样率，根据信号的分析带宽自动调整跟踪滤波器的带宽。精确测量其中心频率、信号带宽，并自动形成文件存入数据库；对S s B 系列的下变频器进行遥控，并对几G H z 范围的信号进行搜索，精确测量其载频与带宽并载入数据库为信号分析人员提供可靠准确的信号列表。本文涉及了软件无线电的思想及其技术，完成了数据采集、信号分析与处理以及虚拟频谱仪的开发研制过程。首先介绍了基于软件无线电思
9、想的硬件开发环境及实现；其次论述了本文采用的关键技术一带通变速率采样原理，在数据采集过程中各个参数的算法选择以及L a b V I E w 下如何通过计算机接口获取数据的过程；然后介绍了本课题中信号分析处理部分采用的分段分析的思想，频率扩展与F F T 相结合频域分析方法；L a b V I E w 平台下G 语言的特点以及构建虚拟仪器的过程；频谱监测部分各个模块的算法实现；最后给出了信号搜索部分的算法实现及其原理框图。第6 页信息T 程大学硕士学位论文第二章系统总体设计方案的提出及实现2 1 方案的提出与意义通信信号分析环境中，变频器和频谱分析仪是不可缺少的设备。卫星信号经过一次变频后，变至
10、7 0 M H z 在或1 4 0 M H z 后，信号分析人员先在s S B 0 5 3 等下变频器上用手工方式置一个载频，再用频谱仪监测变频器带内的信号，然后测量出所需信号的带宽和载频，以供后续的分析处理。由于变频器整个波段内所覆盖的频率范围较宽，例如S s B 0 5 3 的频率范围从3 6 G H z 4 2 G H z 大约有6 0 0 M H z ；S s B 0 7 9 的K u 波段大约有2 0 0 0 M H z 。靠手丁方式对整个波段内的信号进行监测，其效率及测量精度远远不能满足实际工作的需要，特别是当前国际军事斗争日益复杂，技术手段同益更新，各种通信信号特别是非标准信号增
11、多，因此能够实时、准确地监控整个波段内的信号频谱，以便信号侦察人员了解其通信协议、通信类型、信道宽度、调制方式、频谱密度等，并测量通信信号的载频和带宽，进而对信号进行分析、处理，具有十分迫切的需要和重要的意义。如果能够研制出一套系统，它不仅能够取代现在的频谱分析仪，自动测量出信号的带宽和载频：而且能够对卫星整个转发器( C 波段：3 6 G H z 一4 2 G H z ) 内的信号进行自动搜索，让信号分析人员对所有频段内的信号有一个总体的了解：那么，不仅能够提高信号分析效率，而且性价比高。2 2 系统的总体概况本系统即X K 0 1 卫星信号自动调制识别系统就是在这种情况下受空军第六研究所的
12、委托，针对卫星通信数字调制不明信号( 不明调制体制、载波频率、调制带宽及速率) 实时完成对信号频谱监测显示，对几G H z 赫兹带宽内的信号进行搜索，自动测量出信号的载频与带宽，并对信号调制方式进行自动识别及测量出各种调制参数，然后对信号进行解调。系统总体框图如图2 1 示。系统是针对卫星信号经过变频至7 0 M H z ( 或1 4 0 M H z ) 后，即对卫星中频信号进行一系列分析和处理的。本系统将卫星中频信号做信道预处理，然后经过高速A D 采样( 采样率由5 0 K 3 0 M H z 任意可选) 后，经由计算机对其进行分析、处理、显示，并根据设置的参数对硬件进行控制。第7 页信息
13、工程大学硕士学位论文本课题是基于系统硬件与计算机硬件的基础上，在L a b V l E w 平台下所实现的实时信号分析处理系统。它主要包括通过计算机的总线或端口对硬件设备的控制模块、数据采集模块、信号分析与处理模块、频谱监测模块和信号搜索模块。通过计算机的接口对下变频器和A D 板的参数( 本振、采样率、滤波器等) 进行控制，还可以对S s B 0 5 3 、s s B 0 7 9 、s s B 0 8 8等下变频器进行遥控。具体实现框图如图2 2 示。图2 1X K 一0 1 系统总体框图图2 2 课题实现框图其中信号频谱监测部分能在特定频段内全景显示各路信号的分布，并能分别对各路信一一第8
14、 页信息工程大学硕士学位论文号进行展开测量，精确测量其中心频率、信号带宽，并自动形成文件传递给信号识别系统。相对频谱分析仪来说，其频率分辨率较高，最高可达5 H z 。信号搜索模块可对几G H z 赫兹带宽内的信号自动搜索，准确地测量信号的载频和带宽，使得信号侦察人员对卫星信号整个波段内的信号有个整体的了解，此模块是对频谱分析模块的补充与完善。2 3 课题的总体设计思想本系统的总体设计思想是以计算机为核心，以软件无线电技术思想为指导，研究丌发了个通用的通信信号数字处理平台，其中包括中频信号先期处理( A G c 放大、变频、滤波) ；高速A D ( 最高可达6 0 M H z ) ；采用D D
15、 S ( 直接数字频率合成器) 技术的N C 0 ( 数控时钟发生器) 。计算机通过总线和计算机接口对各部分进行控制，对信号在中频段采用了可变速率的重采样技术，完成了数字下变频，然后在数字域完成一系列变换、滤波、平滑、逼近，采用了频率扩展与F F T 相结合的频域分析方法。该系统的设计方案采用了当前在通信和信号分析领域的新技术，在一个开放的通用数字信号处理平台上，系统已开发完成了数据采集、信号分析处理、频谱实时监测、信号自动搜索等功能。设备在性能方面达到了设计要求，在突发信号的处理上也独具特色。突发信号在时间上是随机间断的，一直没有有效的方法对其进行识别判断，也就无法有效地侦收解调这类信号。经
16、过多次对此类信号采集、分析、比较，使系统能够在频谱上抓住突发信号，并开发了多通道比较、信号的自动跟踪功能，完善了系统的性能。要完成这些功能，首先要求系统具有频谱分析仪的功能，能全景显示特定频段的信号分布特征，搜索出待识别信号，然后在对特定被测信号的载波，信号带宽作精确测量，在此基础上根据信号的带宽及载波频率，采用亚零中频欠采样方法r 计算出一个合适的采样速率，从而控制由D D S 构成的数控时钟发生器( N C O ) 完成数据采集和数字下变频，为了提高系统的效率，在中频部分采用一组数控滤波器组对中频信号进行预处理，压缩了信号带宽，从而大大减少对系统运算分析能力的要求。根据信号带宽选择滤波器，根据载频控制D D s 产生本振，将中心频率变换到4 6 M H z 上，然后对信号进行放大和A G C 控制，保持信号具有合
