基于Simulink的高斯脉冲中频信号的数字解调仿真

王 皓

基于Simulink的高斯脉冲中频信号的数字解调仿真

王 皓

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

在现代导航机载设备中广泛使用超外差接收机和数字中频的架构理念，而Simulink作为一款功能强大的仿真软件，不仅可以模拟连续和离散系统，同时能够提供丰富的数字信号处理模块。从实际工程应用出发，通过Simulink快速构建数字中频处理模型，完成滤波、解调算法的验证，使工程研发人员摆脱繁琐的公式推导，专注于算法理论的工程实现。

数字中频；软件无线电；Simulink

0 引言

超外差接收机因其灵敏度高、增益高、选择性好和适应性广等优点在现代导航机载设备中扮演重要的角色，简易工作原理图如图1所示。

射频部分将高频信号通过混频、滤波、自动增益控制后产生频率相对较低、功率稳定的中频信号。数字部分通过模数转换（Analog to Digital，AD）对中频信号进行采样量化，并由后端现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）和数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）共同完成数字中频信号的解调和功能实现。

图1 超外差接收机原理图

Simulink是Matlab中一种可视化仿真工具，用于多域仿真以及基于模型的设计。它支持系统设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。

本文将通过Simulink[1]快速搭建某导航体系中机载设备对中频信号的采样、滤波以及解调仿真，为后期工程化进行快速原理验证。

1 高斯脉冲中频信号的产生

本文对图1中射频部分的详细原理不进行阐述，直接给出某导航体系中射频部分产生的模拟高斯脉冲中频信号。经过混频后的中频信号如式（1）所示：

在Simulink中构建中频信号生成的模型如图2所示。通过Clock模块产生系统仿真时间触发Matlab Function模块调用高斯函数产生高斯基带波形，并通过Delay模块延时3 ms反馈至Matlab Function模块进行叠加，最终产生等间隔的高斯脉冲基带信号。

图2 中频信号生成模型

通过Sine Wave模块产生频率为800 kHz的载波与基带信号相乘完成高斯脉冲幅度调制，其波形如图3所示。

图4 中频时域信号

2 数字中频处理

选用32 MHz的采样速率对800 kHz中频信号进行采样，Zero-Oder模块采样时间间隔设置为0.00000003125 s，数字中频处理模型如图5所示。

图5 数字中频处理模型

2.1 数字带通滤波器设计

AD采样后通过带通滤波器可以对带外干扰信号进行有效抑制。采用Bandfilter模块对带通滤波器进行设计。采用FIR等波纹滤波器模型[3]，f为32 MHz，中心频率为800 kHz，3 dB带宽50 kHz，其幅频特性如图6所示。

通过频谱监测模块对通过带通滤波器前后信号进行频谱观测分析，其带外信号抑制与滤波器设计指标一致，带外衰竭达60 dB，如图7所示。

图7 带通滤波效果对比频谱

2.2 正交解调原理

图8 正交解调原理

图中()为滤波后的数字中频信号，其数字表达式如式（3）所示：

对上述分量进行平方和后开方可得高斯脉冲基带信号()。正交前后的频谱对比如图9所示，图中带*号线条表示正交后的频谱。

图9 正交前后频谱对比图

2.3 低通滤波器设计

由图9可以看出800 kHz中频经过正交后已搬移至零频和1.6 MHz频点，需要设计低通滤波器来保留零频分量。本文采用LowPass模块，FIR滤波器设置起始频率0.4 MHz，截止频率0.8 MHz，其频谱特性如图10所示。

图10 低通滤波器频谱特性

通过频谱监测模块对通过低通滤波器后信号进行频谱观测分析，其带外信号抑制与滤波器设计指标一致，带外衰竭达80 dB，如图11所示，图中带*号线条表示低通滤波后的频谱。

3 结论

低通滤波器过后的两路信号通过简单的平方求和以及开根号就可将高斯脉冲调制信号完全复原，其调制波形如图12所示。

通过上述分析及仿真结果，证明在该类导航信号体制下导航机载接收机按照此架构设计在理论上是可行的，后期可在该模型基础上增加增益控制以及噪声信号来进一步优化和分析。但在工程实现阶段将该算法植入FPGA中必然会因字长效应影响一定的精度，此时就需要研发人员根据实际情况进行相应的取舍，在本文中就不进行赘述。

[1] 李亮. 基于Smiulink的软件无线电硬件协同仿真技术[D]. 成都：电子科技大学，2013.

[2] 张朝晖. 数字接收机中频采样数字正交解调器的研制[D]. 南京：南京理工大学，2007.

[3] 陈杨生. 信号估计及滤波若干关键技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2009.

[4] 廖锐. 复杂动态环境中导航接收机卡尔曼解算技术实现及优化[D]. 北京：北京邮电大学，2018.

[5] 冯波. 线性滤波估计算法研究及在惯性导航系统中的应用[D]. 北京：北京理工大学，2007.

Digital Demodulation Simulation of Gaussian Pulse IF Signal Based on Simulink

WANG Hao

In modern navigation airborne equipment is widely used in the super heterodyne receiver and digital if architecture concept and Simulink as powerful simulation software can not only simulate continuous and discrete systems, but also provide rich digital signal processing modules. From the actual engineering application, through Simulink to quickly build digital if processing model, complete filtering, demodulation algorithm verification. It makes engineering researchers get rid of tedious formula derivation and focus on the engineering realization of algorithm theory.

Digital IF; Software Radio; Simulink

TN713

A

1674-7976-(2022)-01-071-04

2021-11-04。

王皓（1988.07—），陕西榆林人，硕士，工程师，主要研究方向为导航整机设计。