吳慶國(guó)，臧韞琨

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京21003；2.電信科學(xué)技術(shù)研究院,北京100191）

隨著近20年科技的發(fā)展，移動(dòng)通信已成為通信領(lǐng)域中最活躍和最具市場(chǎng)份額的領(lǐng)域。在當(dāng)前，面臨各種通信系統(tǒng)并存，層出不窮的各種標(biāo)準(zhǔn)和頻率資源短缺的現(xiàn)狀，主要是由硬件主導(dǎo)的通信系統(tǒng)已經(jīng)很難適應(yīng)各種需要，而以不同的方式不同的射頻載波頻率和調(diào)制的新標(biāo)準(zhǔn)，限制裝置與兼容之間的交換，也造成巨大的浪費(fèi)和重復(fù)投資。

面對(duì)這一問(wèn)題，軟件無(wú)線電的研究開始出現(xiàn)并且逐步占據(jù)了人們的視線，大多數(shù)人開始確信，軟件無(wú)線電將是解決這一問(wèn)題的新方法。軟件無(wú)線電技術(shù)來(lái)自軍事需求。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，由于軍用服務(wù)和武器采用系統(tǒng)不同。而每一個(gè)系統(tǒng)互不兼容，其使用的無(wú)線電是單一的，導(dǎo)致了部隊(duì)中不同的電臺(tái)間不能進(jìn)行交流，很難適應(yīng)當(dāng)前軍事系統(tǒng)的需要。當(dāng)時(shí)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，這一弊端十分明顯，為了解決這一問(wèn)題，盟軍采用了增加大量的無(wú)線電臺(tái)的方法，然而即便如此，還是造成了一定程度的混亂?，F(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)軍事乃至多國(guó)部隊(duì)之間的戰(zhàn)爭(zhēng)，為了在不同的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)高效、可靠的合作交流。這樣就衍生出了軟件無(wú)線電的必然出現(xiàn)。

1 軟件無(wú)線電中SSB的傳統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)

軟件無(wú)線電具有靈活，可擴(kuò)展等多種優(yōu)勢(shì)，由于軟件的可編程以及可升級(jí)性，功能軟件化成為軟件無(wú)線電的最大優(yōu)勢(shì)之一。而在當(dāng)前，數(shù)字信號(hào)處理軟件在整個(gè)通信系統(tǒng)中占有重要地位，調(diào)制，解調(diào)，譯碼，采樣等多種功能都可以借由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。文中介紹了軟件無(wú)線電中單邊帶調(diào)制（SSB）所涉及的一些基礎(chǔ)理論，包括其傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法（濾波法，移相法，混合法），以及復(fù)數(shù)濾波法及其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

1.1 單邊帶調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)

就調(diào)制方式而言，分為模擬調(diào)制以及數(shù)字調(diào)制。在模擬調(diào)制技術(shù)中，包含幅度調(diào)制（AM），雙邊帶調(diào)制（DSB），單邊帶調(diào)制（SSB）和殘留邊帶調(diào)制（VSB）等。就產(chǎn)生的信號(hào)而言，單邊帶信號(hào)是由雙邊帶信號(hào)過(guò)渡而來(lái)，雙邊帶信號(hào)雖然已經(jīng)抑制了載波，已經(jīng)將傳送的效率大大提升，但是經(jīng)過(guò)調(diào)制之后的上下兩個(gè)邊帶所包含的信息完全相同，并且調(diào)制之后會(huì)占用兩倍的帶寬，所以就傳送一個(gè)邊帶就已經(jīng)包含了所有信息，這就是單邊帶信號(hào)的優(yōu)勢(shì)所在。盡管很少用于數(shù)據(jù)傳輸，SSB仍廣泛的應(yīng)用于HF和VHF等較為低端的通信中。就調(diào)制方法而言，單邊帶調(diào)制是幅度調(diào)制的一種。幅度調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的幅度，使之隨調(diào)制信號(hào)作線性變化的過(guò)程。在波形上，幅度信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)的規(guī)律而呈正比地變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號(hào)的頻譜在頻域內(nèi)的簡(jiǎn)單搬移（精確到常數(shù)因子）。由于這種搬移是線性的，因此，幅度調(diào)制通常又稱為線性調(diào)制。但應(yīng)注意，這里的“線性”并不意味著已調(diào)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間符合線性變換關(guān)系。事實(shí)上，任何調(diào)制過(guò)程都是一種非線性的變換過(guò)程。

其中我們一般表示上邊帶信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

而下邊帶信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式則為：

下面，我們就從單邊帶調(diào)制原理開始，進(jìn)行詳細(xì)的論證。

1.2 濾波法

由上文可知，傳輸單邊帶信號(hào)，是僅傳輸雙邊帶信號(hào)的一個(gè)邊帶，所以產(chǎn)生單邊帶信號(hào)最簡(jiǎn)單而理想的方法就是先產(chǎn)生一個(gè)雙邊帶信號(hào)，并且使其通過(guò)一個(gè)邊帶濾波器，濾掉雙邊帶信號(hào)的一個(gè)邊帶，這就是產(chǎn)生單邊帶信號(hào)的方法之一——濾波法。其原理如圖1。

圖1 利用濾波法產(chǎn)生單邊帶信號(hào)

濾波法，有濾除下邊帶和濾除上邊帶兩種。

按照式（3）濾除上邊帶，可以使得H（ω）具有理想的高通結(jié)構(gòu)。

按照式（4）可以濾除下邊帶，得到具有理想低通特性的單邊帶信號(hào)。

其頻譜如圖2和3所示。

圖2 通過(guò)濾波法得到下邊帶信號(hào)

但是由于在實(shí)際中，由于理想濾波器特性不可能達(dá)到，現(xiàn)實(shí)的濾波器從帶通到帶阻中間總會(huì)有一個(gè)過(guò)渡帶，所以隨著載波頻率的增加，可以通過(guò)采用多級(jí)濾波器的方法來(lái)改善性能，也就是說(shuō)，在低頻中先產(chǎn)生單邊帶信號(hào)，然后將信號(hào)頻譜搬移到高頻，此方法在本文不多做介紹。

這種方法的原理很簡(jiǎn)單明了，然而缺陷也非常的明顯，首先在調(diào)制過(guò)程中會(huì)將大概2/3的功率用在濾波器上，這樣就會(huì)導(dǎo)致效率低下，其次要求矩形窗的濾波器傳輸特性要接近于理想，邊界要十分的陡峭，會(huì)給實(shí)際制作帶來(lái)很大的困難，所以采用濾波法會(huì)產(chǎn)生很大的弊端，下面介紹第二種方法，移相法。

1.3 移相法

SSB移相法原理框如圖4所示。

圖4 SSB移相法原理圖

由希爾伯特變換原理可知，移相-90°即為對(duì)基帶信號(hào)做一個(gè)相應(yīng)的希爾伯特變換，可以看做一個(gè)希爾伯特變換器。相比濾波法而言，這種方法具有可行性更強(qiáng)并且成本低的優(yōu)勢(shì)。但是它的缺點(diǎn)也依然存在，在全頻率中移相實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，所以在應(yīng)用中經(jīng)常采用寬頻帶移相網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替。

1.4 維弗法

SSB調(diào)制混合法（又稱維弗法），這是一種結(jié)合了濾波法和移相法的新方法，所以其兼具了兩者的優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)方面既擁有移相法采用正交調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，避免了其要求精確移相的缺點(diǎn)，只要做到對(duì)載波進(jìn)行移相，這樣更易于用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)完美摒棄了濾波法需要采用實(shí)際中很難達(dá)到的具有陡峭特性的濾波器。

圖5 混合法產(chǎn)生單邊帶信號(hào)框圖

推導(dǎo)過(guò)程如下：

當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF之后，剩余的邊帶信號(hào)

2 單邊帶調(diào)制原理的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法

在電子芯片行業(yè)飛速發(fā)展的今天，數(shù)字信號(hào)處理芯片和數(shù)字專用芯片的開發(fā)與應(yīng)用正逐步成為熱門，在這個(gè)趨勢(shì)下，軟件無(wú)線電行業(yè)也隨之得到了發(fā)展。在短波電臺(tái)中，采用數(shù)字信號(hào)處理芯片和數(shù)字專用芯片可以初步實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字化的背景下，變的更容易實(shí)現(xiàn)。但是采用簡(jiǎn)單的移相法難以達(dá)到預(yù)期性能，這就要求我們對(duì)移相法進(jìn)行一定的改進(jìn)。

最后一種方法混合法，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)起來(lái)過(guò)于困難，所一般不采用這種方法。

2.1 單邊帶調(diào)制原理的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)步驟

對(duì)單邊帶調(diào)制進(jìn)行數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，需要經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟。

（1）確定指標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)在技術(shù)上有如下技術(shù)要求：

邊帶濾波性能：?jiǎn)芜厧б种?、載頻抑制為55 DB左右，帶內(nèi)波動(dòng)小于0.5 DB。

在滿足帶內(nèi)波動(dòng)、過(guò)渡帶、帶外抑制與邊帶抑制性能要求的前提下，獲得最小的運(yùn)算量。

（2）確定算法

根據(jù)以上技術(shù)要求，以及后文的原理，使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，確定程序算法。

（3）仿真與性能分析

確定算法之后，在CCS2.2版本下進(jìn)行仿真，由算法得到仿真結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，確定是否滿足前文提到的技術(shù)指標(biāo)。

2.2 單邊帶調(diào)制原理的復(fù)數(shù)濾波法

經(jīng)過(guò)前文的分析，要達(dá)到相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)該采用的方法是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的移相法。因?yàn)橐葡嗑W(wǎng)絡(luò)跟對(duì)稱濾波網(wǎng)絡(luò)是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，所以移相法的改進(jìn)，就是增加其階數(shù)，只有這樣，才可以使得改進(jìn)的移相法達(dá)到近乎相同的幅頻特性，但是也就導(dǎo)致了運(yùn)算量的大幅度增加。技術(shù)指標(biāo)要求中，帶內(nèi)波動(dòng)是小于0.5 DB，但是為了獲得較小的幅頻誤差，必須使得帶內(nèi)誤差小于0.02 DB。而為了達(dá)到一個(gè)理想的邊帶抑制，就必須使得兩網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性盡可能相近，相差小于0.0056 DB。這顯然是不滿足要求的，所以我們需要探尋一種新的方法，可以在滿足帶內(nèi)波動(dòng)、過(guò)渡帶、帶外抑制與邊帶抑制性能要求的前提下，獲得最小的運(yùn)算量。

該式中，δ（t）為沖激函數(shù)，現(xiàn)在使得g(t)=δ(t)±(-j)h(t)

當(dāng)取負(fù)號(hào)的時(shí)候，g(t)對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)是：

反之，取正號(hào)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)結(jié)果為：

因此可得單邊帶信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式為：

G(t)為復(fù)數(shù)濾波器響應(yīng)函數(shù)，得到單邊帶信號(hào)的復(fù)數(shù)表示形式對(duì)于后文所用到的復(fù)數(shù)濾波法有著極為重要的意義。

上文已經(jīng)得到了單邊帶信號(hào)的復(fù)數(shù)形式，那么接下來(lái)所要做的就是取實(shí)部，即進(jìn)行RE運(yùn)算，前一步操作我們通過(guò)一個(gè)復(fù)數(shù)邊帶濾波器進(jìn)行復(fù)數(shù)濾波來(lái)得到單邊帶信號(hào)的復(fù)數(shù)形式，之后進(jìn)行取實(shí)部操作，最終可以得到單邊帶信號(hào)，其原理圖6所示。

圖6 復(fù)數(shù)濾波法框圖

而相應(yīng)的信號(hào)頻率變換則如圖7所示。

圖7 用復(fù)數(shù)濾波法產(chǎn)生SSB信號(hào)的頻率域變化圖

圖7中，圖a是基帶信號(hào)的頻譜圖，而圖b則是已經(jīng)通過(guò)了復(fù)數(shù)濾波之后得到的復(fù)數(shù)信號(hào)的頻譜圖，然后經(jīng)過(guò)圖c即取實(shí)部操作，即可得到經(jīng)過(guò)復(fù)調(diào)制之后取實(shí)部的頻譜圖，也就是最終的SSB信號(hào)。

現(xiàn)將原理圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖8系統(tǒng)框圖所示。

圖8 通過(guò)復(fù)數(shù)濾波法得到單邊帶信號(hào)

通過(guò)這種方法可以很輕松的得到獨(dú)立的上邊帶或者下邊帶，在上圖中取負(fù)號(hào)，進(jìn)入虛部濾波網(wǎng)絡(luò)則等同于，在單邊帶信號(hào)表示式中取了負(fù)號(hào)，可以得到上邊帶信號(hào)，所以對(duì)應(yīng)的，取正號(hào)則可以得到下邊帶信號(hào)。

通過(guò)這種方法得到單邊帶信號(hào)方法簡(jiǎn)單明了，具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)，并且摒棄了原有方法的缺點(diǎn)，如濾波法的難以實(shí)現(xiàn)以及移相法的在全頻率中移相2/π實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)弱勢(shì)，并且在性能上也完全達(dá)到了指標(biāo)的相關(guān)要求。弱勢(shì)則在于成本問(wèn)題。采用這種方法的成本相對(duì)于其他方法成本略高。

3 基于DSP平臺(tái)和matlab進(jìn)行仿真

適合本次研究的芯片TM320VC5509。在選擇了合適的芯片之后，應(yīng)當(dāng)考慮軟件實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。根據(jù)前文所述數(shù)字化實(shí)現(xiàn)步驟，在確定算法進(jìn)行模擬之后，就可以進(jìn)行結(jié)果評(píng)估。

采用復(fù)數(shù)濾波法時(shí)關(guān)于復(fù)數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)可以根據(jù)前文指標(biāo)，進(jìn)行靈活的考慮，采用了復(fù)數(shù)等波紋濾波器（cremez）。只要階數(shù)為10階，即可滿足相關(guān)要求，濾波器的幅頻響應(yīng)見圖9。

圖9 復(fù)數(shù)濾波器的幅頻響應(yīng)

我們采用matlab程序進(jìn)行仿真，模擬，同時(shí)對(duì)比了時(shí)域波形和頻域波形，得到結(jié)果如圖10。

圖10 調(diào)制信號(hào)的時(shí)域及頻域?qū)Ρ?/p>

可見該方法具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本次1kW的數(shù)字化中頻調(diào)制。實(shí)現(xiàn)了載頻抑制大于75 DB，并且?guī)?nèi)的波動(dòng)也小于0.5 DB。

圖11 單邊帶抑制模擬數(shù)

伴隨著美國(guó)軍方開始的易通話（speakeasy）的研發(fā)，也標(biāo)志著軟件無(wú)線電登上了歷史的舞臺(tái)，在易通話經(jīng)歷了第一個(gè)階段的并完成其理論驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)入第二個(gè)階段，研制出了演示系統(tǒng)，達(dá)到了功能軟件可編程，結(jié)構(gòu)開放，能與多種電臺(tái)互通，支持多個(gè)頻段等功能。如今軟件無(wú)線電在人們的日常生活中，正扮演著越來(lái)越重要的角色。

本次研究旨在探尋一種符合當(dāng)前技術(shù)指標(biāo)，并且耗能低，效率高的新的適合數(shù)字化的SSB調(diào)制方法，我們分別對(duì)三種不同的傳統(tǒng)SSB調(diào)制方法（移相法，濾波法和混合法）進(jìn)行了總結(jié)和歸納，從原理上分析這三種方法的優(yōu)勢(shì)與不足，最終提出復(fù)數(shù)濾波法并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。

在編程時(shí)采用了恰當(dāng)?shù)腄SP芯片，TMS320VC5509，這是TI公司生產(chǎn)的一款性能極為優(yōu)越的產(chǎn)品，具有能耗低，精度高和前代相比有更為高效的信息處理能力。并且采用了目前十分強(qiáng)大的集成編譯環(huán)境CCStudio v2.2，該版本專為C55x系列芯片設(shè)計(jì)，搭載WINXP系統(tǒng)，支持多種編程語(yǔ)言，在適用性上特別適合于本次研究所用DSP芯片。在編寫算法時(shí)采用了匯編語(yǔ)言，非常適合DSP芯片編程的一種語(yǔ)言。

4 結(jié)束語(yǔ)

軟件無(wú)線電屬于近年來(lái)新興起的熱門技術(shù)，靈活性高，同時(shí)吸收了時(shí)下熱門的IT編程技術(shù)，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，能夠改變?dāng)前通信格局，相信在不久以后的未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)在人們的視野中大方光芒。

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