一种短波虚拟接收机的设计与实现

张跟全，李广峰，杨迎新，崔 焱

(1.装备工程技术研究实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.中国人民解放军91290部队，北京 102100)

一种短波虚拟接收机的设计与实现

张跟全1,2，李广峰3，杨迎新1,2，崔 焱1,2

(1.装备工程技术研究实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.中国人民解放军91290部队，北京 102100)

根据虚拟无线电技术原理设计了一种短波虚拟接收机，采用了短波宽带接收机和通用服务器实现了对短波信号的接收采集和数字化处理，通过数字信道化实现短波数字信号的窄带抽取和滤波，进而完成窄带信号的识别和解调。给出了短波虚拟接收机应用实例，并与传统接收机进行了对比测试，结果表明短波虚拟接收机与传统短波窄带接收机相比具有明显优势。

软件无线电；虚拟无线电；虚拟接收机；数字信道化

0 引言

现代IT技术飞速发展，通用计算机运算性能越来越高，使人们在通用计算机平台上纯软件化的实时处理数字信号成为可能。这种技术被称为虚拟无线电技术[1]，最早由美国麻省理工大学提出，是软件无线电技术的重要分支和发展趋势。虚拟无线电与传统软件无线电有很大的不同，传统软件无线电是由软件控制的专门数字硬件或DSP芯片实现[2]；而虚拟无线电是从计算机体系的角度出发，充分利用通用计算机平台的编程和计算能力，实现软件无线电功能。接收设备的数字信号处理过程都充分利用现有的计算机平台资源来实现，经过计算处理，既能够充分实现传统功能，也能够扩展新的功能。

虚拟无线电功能处理越靠近天线端越好，通常以变换器作为虚拟无线电的软、硬件划分界线[3]，中频信号经A/D采样后作为硬件部分，送到计算机平台主内存中，后续处理将全部在用户层的软件中完成。

依据虚拟无线电技术设计了一种短波虚拟接收机，在通用计算机平台上通过数字信号处理实现传统接收机的功能。

1 短波虚拟接收系统的设计

系统的设计主要分为2部分：信号采集部分和信号处理部分。信号采集部分由短波宽带接收机实现，完成短波射频信号采样，覆盖频段1.5 MHz～30 MHz，采样后的数字信号网络接口直接输出到通用服务器完成信号处理[4]。信号处理部分完成接收数据的处理分析，主要包括信号的下变频、低通滤波、特征提取和解调分析等，实现接收机的主要功能[5]。

根据系统的设计原理，将短波虚拟接收系统分成2个实现单元：信号接收采集单元和信号处理分析单元。系统的功能组成如图1所示。

图1 短波虚拟接收系统功能组成图

2 信号处理分析单元的设计

图2为信号处理分析单元功能原理，主要实现功能包括3个方面：首先，数字信号正交混频后得到零中频信号，系统选用窗函数法设计FIR 低通滤波器；其次是数字信号信道化，通过DFT 滤波器组完成信号的下变频工作；再次是信号特征的提取及分析，可在此基础上实现解调功能[6]。数据处理完后，用户可以根据需要选择要显示的信号信息，对信号图形进行比对与跟踪分析。

图2 信号处理分析单元功能原理图

2.1 数字信号信道化设计

宽带采样条件下的信号窄带化算法目前比较常用的有DDC(数字下变频)，主要的处理有变频、滤波和抽取，它的实现方法如图3所示。

图3 DDC的实现方框图

DDC算法的优点是针对不同信号可设定不同中心频率及带宽参数，缺点是运算量大且需要确定信号中心频率及带宽参数后完成设计[5]。

与传统DDC相比，多相滤波信道化算法采用信道参数固定，子信道的划分方式如图4所示，滤波器组结构如图5所示。常见的多相滤波信道化方法主要有基于 DFT 滤波器组的复信号信道化和基于余弦调制滤波器组的实信号信道化[7]。多相滤波信道化算法优点是运算量小且由于信道参数固定，无需知道信号参数，可直接运算，缺点是信道覆盖有盲区，且目标信号可能并不落在信道最佳位置[8-9]。相比较而言，多相滤波信道化算法优势明显，缺点也可通过采取措施进行规避。

图4 子信道划分方式图

图5 滤波器组结构图

从运算量看，多相滤波信道化算法完成整个宽带数据信道化近似于DDC完成单个信号的窄带化，通常短波频段内信号数量都在百位数量级[10]，也就是说如果要完成带宽内所有信号的窄带化，DDC与多相滤波信道化的运算量差距约在2个数量级。多相滤波信道化算法的覆盖盲区缺点可以通过重叠半带宽做2次信道化来克服，而信道化之后再对窄带数据进行移频和滤波也可以达到DDC处理效果[11]。此次系统采用了基于DFT 滤波器组信道化算法[12]。

2.2 信号特征提取和识别解调

通过数字信道化处理，得到信号的I、Q分量。将得到的正交基带信号I(m)、Q(m)数据送到瞬时特征提取模块进行处理，分别得到瞬时幅度α(m)、瞬时相位φ(m)和瞬时频率f(m)等特征信息。把α(m)、φ(m)、f(m)3个瞬时特征信息和正交基带信号I(m)、Q(m)数据输入到识别解调模块，完成信号的分析、识别与解调等功能，其中：

f(m)=φ(m)-φ(m-1) 。

3 短波虚拟接收机的应用实例

3.1 短波虚拟接收机的主要功能

以一个短波宽带接收机输出的宽带采样数据为例，介绍该短波虚拟接收机在实际项目中的开发应用[12]。设备组成如图6所示。

图6 设备组成图

宽带接收机实现的主要功能：

① 信号采样：宽带信号A/D采集；

② 时统功能：能够接收B码和秒脉冲，转换为时标打入采样数据帧；

③ 自检功能：按照自检指令控制主控板、时钟分路板、自校源进行自检，读取自检结果回传上位机。

信号处理服务器配置：

① 型号：华为RS2288H V3；

② CPU：Xeon E5-2680 v3 12核，2颗， 主频2.50 GHz；

③ 内存：128 G；

④ 硬盘容量：2块600 GB SAS磁盘；

⑤ GPU卡：Tesla k20c 2块；

⑥ 操作系统：Red Hat Enterprise Linux Server 6.5，内核 2.6.32.x86_64。

信号处理服务器实现的主要处理功能：

① 对宽带采样数据下变频、滤波、抽取，处理能力不低于300 MB/s；

② 数字信道化：带宽12 kHz，信道化路数不低于4 750路；

③ 信号解调处理能力：不低于32路。

在实际开发过程中，截取了一段宽带采样数据进行分析处理，生成音频信号如图7所示。

图7 音频信号显示截图

3.2 与实体窄带接收机对比试验

为检测短波虚拟接收机的实际效果，选择某国外知名公司的一款窄带接收机，进行实际信号接收对比试验，设备连接关系如图8所示。

图8 对比试验设备连接关系图

从1.5～30 MHz频段内，分别选取了10个频点进行实际信号接收。限于篇幅，本文只选取2个具有代表性的频点，分别是2.668 MHz与8.121 MHz。

对2.668 MHz信号接收情况，该信号为Morse信号，图9是虚拟接收机和实体接收机相同时频分辨率下的信号瞬时频率图。

图9 虚拟与实体接收机2.668 MHz信号瞬时频率图

对8.121 MHz信号接收情况，该信号为数据链信号，图10是虚拟接收机和实体接收机相同时频分辨率下的信号瞬时频率图。

3.3 与实体窄带接收机对比试验小结

信号接收测试表明，在绝大数情况下，虚拟窄带接收机性能指标优于实体窄带接收机。在微弱信号信号接收方面，实体窄带接收机可以通过高增益实现更高的灵敏度。在实际应用中，2种体制的窄带接收机相互配合使用，发挥各自优势，获得更高的效益。

4 结束语

采用了宽带接收机和服务器实现宽带采样和数字信号处理的虚拟接收机，能够在1台服务器上实现多达32路信号接收与控守，如系统需要扩充接收信号路数，增加处理服务器即可。从体积、功耗与可靠性等方面衡量，虚拟接收机系统都具有很大优势。

短波虚拟接收机系统突破了传统硬件的束缚，主要优点有：开发周期短，易于改进性能，易于提升计算效率，具有灵活的可扩充性和良好的通用性。通过集中进行信号处理算法研究，重点提高信号处理效率、提高信号的识别正确率，短波虚拟接收机就可更好地为用户提供信号检测和接收服务。短波虚拟接收机具有广阔的应用前景，未来完全有可能替代实体接收机。

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Design and Implementation of an HF Virtual Receiver

ZHANG Gen-quan1,2,LI Guang-feng3,YANG Ying-xin1,2,CUI Yan1,2

(1.Equipment Engineering Technology Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;3.Unit 91290,PLA,Beijing 102100,China)

Based on the principal of virtual radio,an HF virtual receiver is designed,which uses an HF broadband receiver and a general server to realize the receiving and DSP(digital signal processing)of HF signals.Through digital channelization,the narrowband extraction and filtering of HF digital signals are realized;then the recognition and demodulation of narrowband signals are accomplished.An example of the HF virtual receiver is provided and compared with the traditional receiver.The results prove that the HF virtual receiver has obvious advantages over traditional HF narrowband receivers.

software radio;virtual radio;virtual receiver;digital channelization

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.23

张跟全，李广峰，杨迎新，等.一种短波虚拟接收机的设计与实现[J].无线电通信技术，2017，43(2)：90-93.

2016-10-24

国家自然科学基金项目(81370038)

张跟全(1973—)，男，高级工程师，主要研究方向：通信对抗、信号处理。李广峰(1972—)，男，高级工程师，主要研究方向：通信技术。

TN911

A

1003-3114(2017)02-90-4