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1、1 绪论1.1 软件无线电技术简介软件无线电，又称为软件定义无线电，是一种既能兼容多种通信制式的无线通信设备，也能满足个性化通信需求的无线通信体系结构和技术。软件无线电可以将多种硬件单元和软件模块集成在一个物理平台上，通过软硬件的可重构过程，实现多频段、多模块之间的切换，完成无线通信系统的各种功能。它了克服了传统无线电以硬件为核心的设计局限性，增加了系统的灵活性，加快了产品的研发周期，所以它一经提出就受到了广泛的关注。软件无线电的概念是美国MITRE 公司的首席科学家Jeo Mitola在1992年提出的,当初是指宽频段、支持多种通信制式的无线电台。现在，软件无线电是指将模块化、标准化、通用化
2、的硬件单元以总线或交换方式连接起来构成通用平台，通过这个平台实现多种无线通信功能的一种开放的体系结构和技术。按照软件无线电的基本要求，一个理想的软件无线电系统应该是完全数字化的系统，即从天线接收下来的信号，直接进行模数变换（ADC），随后的处理均在数字域内通过配置软件来完成，这样就极大地提高了系统功能的灵活性。软件无线电的技术优势有：（1）灵活性。软件无线电可以通过增加软件模块，很容易地增加新的功能。（2）开放性。软件无线电采用标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或者扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧式体制电台相兼容。这样，既延长
3、了旧体制通信系统的使用寿命,也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。（3）功能单元通用化，设备可互操作。（4）控制和处理软件化，系统生命周期长。软件无线电是随着微电子技术的进步而迅速发展起来的新技术，在军事通信、移动通信、广播、定位、雷达、卫星通信等领域都有广泛的应用前景。1.2 软件无线电应用简介在软件无线电概念提出不久,美军就提出了“易通话”(SPEAKeasy)科研计划,其主要任务是研制多频段多模式无线电台(MBMMR：Multi-Band Multi-Mode Radio)。该计划经历了两期研究，于1999年研制成功了多模多频段军用无线电台SPEAKeasy II。该设备可工作于220
4、00MHz,能同时处理4 种不同的信号波形,兼容美军当时的15 种电台。SPEAKeasy II的研制成功，证明了软件无线电基于总线架构是可行的，基于硬件的软件化无线电也是可行的。美国麻省理工学院的“Spectrum Ware”项目，在软件无线电的发展历程中也具有标志性。它以更加软件化的角度提出了解决无线通信问题的方法，并运行一系列软件加以验证。其基本思路是：以ATM（Asynchronous Transfer Mode：异步传输模式）网络连接的工作站为基础构成，在工作站的用户空间内完成所有的信号处理工作。此后，软件无线电的研究日益深入，如欧洲的灵活的综合无线电技术（FIRST）计划、未来无线
5、宽带多址系统（FRAMES）、SORT计划都使用了软件无线电技术。日本NTT公司研制出基于软件无线电技术的兼容PHS和WLAN的基站。澳大利亚ACT公司研制出可通过软件配置支持GSM、CDMA、UMTS和WCDMA的基站样机，实现了双向话音通话。国内的清华大学承担了国家“863”软件无线电研究项目，研制软件无线电试验平台。武汉大学采用软件无线电技术实现了海洋环境监控雷达收发系统。中兴通讯研制的软件无线电产品荣获了国际电工委员会颁发的InfoVision奖。华为研制的基于软件无线电技术的SingleRAN网络已在欧洲商用。我国的TD-SCDMA无线传输标准也采用了软件无线电技术。 1.3 AM接
6、收机简介提到“AM”这个缩略语，通信专业的人自然会明白它是“幅度调制（Amplifier Modulation）”英文单词的缩写，说到调幅制式的无线系统，家喻户晓的收音机是调幅技术最成功的应用案例，调幅收音机经历了近百年的发展历程，到现在仍在广泛地使用，可见这项技术的生命力是多么的强大。1913年法国人吕西安、莱维利用超外差电路制作成了收音机，并申请了专利。1924年超外差收音机投放市场。收音机经历了矿石收音机、电子管、晶体管、集成电路收音机阶段，目前正朝着DSP收音机、网络收音机、数字音频广播收音机的方向发展。收音机的发展史也从一个侧面反映了世界电子技术的发展历史。在收音机发展历史中，超外差
7、电路结构占有极其重要的地位，世界上99%的无线电收音机、电视、卫星地面站等都是利用超外差电路的工作原理进行工作的。超外差电路是美国工程师阿姆斯特朗于1913年发明的，所谓超外差是指通过输入谐振回路把发射台发射的高频调幅波频率选择并接收下来，再和本地振荡回路产生的本振信号一起送入混频电路中进行非线性变换，产生出两个频率相减后的差频信号，再经过中频谐振回路选择出差频频率，得到一个固定的中频调制波。调幅中频国际上统一固定为465kHz或455kHz。该固定中频频率比发射台发射的高频信号低，又比音频信号高，该固定中频被称为超音频信号，所以将这种接收方式称为超外差接收方式。另一种说法是：本地振荡电路产生
8、的振荡信号比接收端的信号频率高一个固定中频，当接收信号频率变化时，本振信号也随之改变，时刻保持两者频率之差为固定中频，所以称为超外差。超外差AM接收机的工作是：从天线接收到的广播高频调幅信号，通过输入并联谐振回路选频，选出所需要的电台频点送到变频电路，高频调幅信号在变频电路中与本机振荡器产生的高频等幅本振信号进行非线性变换，得到固定频率的中频调幅信号（固定中频为465kHz或455kHz）。在变频环节，被改变的只是接收到的调幅波的载波频率，调幅波振幅的变化规律（调制信号，即发送的声音）并未改变。输入回路的调谐与本振频率的自动改变是通过同轴双联可变电容实现的。双联可变电容的一联接入输入谐振回路中
9、，另一联接入本振谐振回路中，这两个谐振频率能同步变化，从而使两者的频率差值始终保持近似一致，该差值就是固定中频值。本振频率比输入谐振回路频率高一个固定中频值。变频之后的固定中频信号再通过选频回路选出，被送到中频放大电路中放大。放大后的中频信号接下来送入检波器进行幅度检波，从而还原出音频信号，然后再通过低频电压放大和后级的功率放大，推动扬声器工作，从而还原出被发射的声音。超外差式接收机由输入调谐、本振电路、变频、选频、中频放大、检波、低频放大、自动增益控制、功率放大等部分组成。超外差式接收机的优点是：灵敏度高、选择性好、通频带宽、工作稳定。缺点是：有镜频干扰（比接收信号高两个中频的干扰信号）、线
10、性度差。超外差接收机的框图如图1.1所示：图1.1 超外差收音机原理框图1.4 软件无线电技术用于AM接收机设计的可行性分析按照软件无线电的基本要求，一个理想的软件无线电系统应该是完全数字化的系统，即从天线接收下来的信号，直接进行模数变换（ADC），随后的处理均在数字域内由软件进行各种处理。比如在模拟域设计同时具有线性相位和陡峭下降沿的滤波器是相当困难的，而在数字域中用软件很容易就能实现，在数字域实现信号处理功能是不需要经过复杂的调谐过程，也不需要多级同步。理想软件无线电接收系统如图1.2所示。这种理想的软件无线电接收机在工作频率达几百兆赫兹以上的无线系统中是不可能实现出来的，主要原因是：对射
11、频信号进行带通采样所需的采样速率至少是射频工作带宽的两倍，为了降低量化噪声，要求ADC有较高的采样位数和较宽的无失真动态范围，目前的ADC器件还不容易这些要求。另外，能覆盖多个频段的宽带天线，目前的技术水平下也无法实现。解决问题的办法就是在天线和ADC之间加入射频前端模块，原因如下：现代民用及军用设施使用电子设备繁多，导致电磁环境复杂，相互干扰严重。接收天线收到的射频信号非常复杂，接收到的信号强弱有很大的差别，信号最强的并不一定是需要的信号，需要接收的信号幅度可以很微弱。以短波通信设备为例，发射机的残余信号在接收机输入端产生的电平达120dBV（即13dBm）或更高。而接收机所需接收的微弱信号
12、电平可能仅-60dBV（即-117-113dBm）。因此，要求接收机处理的信号动态范围高达120126dB。另外，高电平干扰信号与所接收信号频率仅相距数十千赫，所以，高电平干扰信号和它们在接收机中产生的互调产物会严重影响接收机的输出信噪比。为了降低这种影响，就要求在接收机天线后面增加射频前端模块。射频前端模块一般都要具有以下性能：（1）较高的选择性，使接收机的动态范围尽可能大；（2）高线性度，在信道滤波之前，降低带外高电平干扰信号在信道滤波器通带内产生的互调产物；（3）极低的本振相位噪声，以免邻近频点的干扰信号将本振噪声转换到接收机信道带宽内。接收机射频前端模块是实现接收机动态性能的关键部件，
13、它工作于中频放大器之前，其关键技术指标有：动态范围、互调失真、-1dB压缩点和三阶互调截获点等。但对于工作频率较低、信号带宽较窄的无线系统，比如AM、FM广播系统，采用理想的软件无线电接收机是却有可能实现的。AM广播频段的最高频率是1710kHz，每个电台的频带宽度是9kHz，故对AM信号从天线输入口直接进行模数变换，对ADC器件的要求并不高，实现模拟到数字信号的变换，对ADC器件的要求并不高。只要ADC器件的无失真动态范围足够大，实现AM接收机直接数字化是完全可行的。在数字域内进行数字、变频、滤波、AGC、解调都是较容易实现的，数字到模拟变换（DAC）及音频前级放大也很容易在单个芯片内部实现
14、。图1.2 理想软件无线电接收机框图从理论上讲，采用软件无线电技术设计的AM接收机在性能指标上比模拟接收机更好，但实际使用时还会受到中波传播环境、天线匹配等因素的制约，这些因素直接决定着设计方案的优势能否在听觉效果上体现出来。中频广播的电波传播途径主要是靠地波传播，只有一小部分以天波形式传播。无线电波碰到导体时，就在在导体中产生感应电流，从而损耗掉一部分能量。这种使电波能量变弱的现象，称为对电波的吸收。大地是导体，对中波有较强的吸收作用，故地波传播的中波广播传播距离不远。白天时由于阳光照射使电离层密度增大，电离层变成良导体，致使以天波形式传播的一小部分中波进入电离层就被强烈地吸收掉了，难以返回
15、地面，于是就造成白天难以收到远处的中波电台。夜晚时电离层变薄，密度变小，导电性能变差，对中波的吸收作用降低，中波的传播距离会更远些。所以夜晚收听到的中波电台数量就多些。城市的高层建筑越来越多，对广播信号的屏蔽作用越来越强，严重地减弱了中波信号的场强，使接收到的广播信号极其微弱。实验时，可以把接收装置放置在空旷的场地，在楼内实验时，要放置在凉台、窗台处。造成中波广播接收效果差的另一个重要因素是电磁环境恶化。现在，各种家用电器用具（日光灯、电视机、电脑、微波炉、电磁炉、充电器）越来越多，工业用的电动机、电焊机也随处可见，无线通信有多种制式的网络在运行，还有多种专网通信设备在运行，这些因素都会导致中
16、波广播的电磁环境严重恶化。采用软件无线电技术的AM接收机，在天线输入端口并不采用输入谐振电路，对天线进来的信号没有经过选频，会有多种频率的干扰信号进来，这也会导致接收效果变差。1.5 本文的工作本文承担课题的设计任务要求是：（1）能接收到150kHz1710kHz的AM广播节目。（2）要求ADC尽量靠近天线。（3）设计并实现AM接收机。本文就是按照课题的要求，设计并实现基于软件无线电技术的AM接收机。本文采用美国芯科实验室生产的支持AM/SW/LW/FM频段广播的无线接收专用芯片Si4734，作为接收主芯片，通过单片机对Si4734进行参数设置，把AM接收所需的基本参数设置进去。再通过LCD液晶屏把Si4734的工作状态显示出来。Si4734的输出经过音频功率放大芯片放大，
