摘要：

研究軟件無線電技術(shù)解調(diào)方法，針對(duì)通信系統(tǒng)中的解調(diào)系統(tǒng)，通過LabVIEW IDE和G語言的使用完成了軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)調(diào)幅和調(diào)頻信號(hào)包括外部采集到的（通過通用數(shù)據(jù)采集卡完成）和本地文件中的已調(diào)信號(hào)通過綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器技術(shù)完成相應(yīng)的解調(diào)和分析過程。采用軟件脈沖均值標(biāo)記濾波算法和MSK信號(hào)數(shù)字化解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)過程，從而使調(diào)頻波的解調(diào)得以有效實(shí)現(xiàn)。此外該軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)還具備保存、打印實(shí)時(shí)信號(hào)波形數(shù)據(jù)及回放歷史信號(hào)的功能。

關(guān)鍵詞：

軟件無線電; LabVIEW; 數(shù)據(jù)采集; 脈沖均值; MSK信號(hào)

中圖分類號(hào)： TN 925

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Demodulation Method of Software Radio Technology

SUN Zhiyong

（Modern Educational Technology and Information Center， Heilongjiang University of Chinese Medicine， Harbin， Heilongjiang 150040， China）

Abstract：

This paper mainly studies and designs the demodulation method of software radio technology. The design of software radio demodulation system is completed by using LabVIEW IDE and G language. The key technology of the system function such as the amplitude modulation and frequency modulation signals is illustrated. The externally acquired is completed by the universal data acquisition card， through the comprehensive use of data acquisition and virtual instrument technology the modulated signals in the local file is to complete the corresponding demodulation and analysis process. The demodulation process of the FM signal is realized by the software pulse mean label filtering algorithm and the digital demodulation method of the MSK signal， so that the demodulation of the FM wave can be effectively realized. In addition， the software radio demodulation system also has the functions of saving and printing realtime signal waveform data and playing back historical signals.

Key words：

software radio; LabVIEW; data acquisition; pulse mean; MSK signal

0引言

不斷發(fā)展的現(xiàn)代通信技術(shù)在帶來使用便利的同時(shí)提升了通信系統(tǒng)的復(fù)雜程度，傳統(tǒng)硬件電路已經(jīng)難以滿足通信系統(tǒng)的多樣化需求，促使了軟件無線電技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，快速發(fā)展的軟件無線電因具備靈活性與拓展性等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域（包括民用通信、軍事通信、雷達(dá)、工程、電視廣播等），軟件無線電對(duì)射頻模擬信號(hào)（通過天線感應(yīng)獲?。┻M(jìn)行直接數(shù)字化處理后轉(zhuǎn)換成易于處理的數(shù)據(jù)流，并根據(jù)實(shí)際需要選擇計(jì)算機(jī)軟件算法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，提升了可擴(kuò)展性及適應(yīng)具體應(yīng)用環(huán)境的能力[1]。而作為軟件無線電技術(shù)主要功能之一的自動(dòng)調(diào)制識(shí)別技術(shù)在在非協(xié)作通信領(lǐng)域發(fā)揮出了重要作用，已經(jīng)成為明確領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn)之一，為使自動(dòng)調(diào)制識(shí)別與解調(diào)過程的可靠性和準(zhǔn)確性得以相應(yīng)提升，本文完成了軟件無線電技術(shù)解調(diào)方法的設(shè)計(jì)。

1需求分析

在迅速發(fā)展完善的通信技術(shù)的支撐下軟件無線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，軟件無線電由通用硬件和配套軟件構(gòu)成，使通信功能的實(shí)現(xiàn)不再局限于硬件發(fā)展格局。具有靈活及可移植優(yōu)勢(shì)的軟件使設(shè)計(jì)開發(fā)通信系統(tǒng)的難度和成本得以顯著降低，從而使傳統(tǒng)硬件設(shè)施對(duì)通信系統(tǒng)的影響程度不斷降低，硬件無線電通信設(shè)備只需為無線通信提供簡(jiǎn)單的基本支撐平臺(tái)，對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)難度較大的通信功能更多通過采用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)的純硬件電路，軟件無線電技術(shù)通過現(xiàn)代化軟件的應(yīng)用完成對(duì)其無線通信的操縱和控制。軟件無線電技術(shù)是軟件化、計(jì)算密集型的操作形式。在軟件無線電通信接收系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集和處理是其關(guān)鍵技術(shù)[1]。在儀器控制和數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)軟硬件促使具備成本低廉、高精度、通用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)的虛擬儀器技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，大多由傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成的處理分析功能通過虛擬儀器實(shí)現(xiàn)，在提高程序可擴(kuò)展性及可復(fù)用性的同時(shí)使用戶軟件的開發(fā)周期得以顯著縮短。為此本文針對(duì)軟件無線電完成了基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

軟件無線電通過將A/D和D/A（即寬帶模數(shù)變換器和數(shù)模變換器）向射頻天線最大程度的靠近實(shí)現(xiàn)具備通用開放優(yōu)勢(shì)的硬件平臺(tái)的建立，且包含A/DDSPD/A模型的該平臺(tái)上的各功能模塊（包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、控制終端功能、保密結(jié)構(gòu)等）主要通過使用相應(yīng)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如，通過軟件編程完成傳送信息的處理后（包括抽樣、量化、變換、編/解碼、運(yùn)算等）即可實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)功能;選擇各通信頻段時(shí)可通過使用數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)完成軟件編程，信道的分離過程可通過使用具備編程數(shù)字濾波器的寬帶ADC完成。選擇包括單邊帶、調(diào)幅、調(diào)頻、跳頻和擴(kuò)頻等在內(nèi)的信道調(diào)制方式時(shí)同樣以軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)。不同于傳統(tǒng)采用文本語言編程的文本語言，LabVIEW（NI公司，一種圖形化編程開發(fā)平臺(tái)）作為具有代表性的虛擬儀器，其所使用的編程語言為G語言（圖形化語言），通過保存LabVIEW中的子程序以供其他函數(shù)調(diào)用使層次化、模塊化編程功能在LabVIEW中得以實(shí)現(xiàn)，使傳統(tǒng)開發(fā)語言的繁瑣性得以有效避免。主要由包括圖標(biāo)、端口和連線在內(nèi)的節(jié)點(diǎn)、前面板、框圖程序構(gòu)成LabVIEW程序，節(jié)點(diǎn)間通過接線端口傳遞數(shù)據(jù)。此外其所包含的測(cè)控功能平臺(tái)顯著提升了系統(tǒng)的靈活性。

本文所說的解調(diào)系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成的總體框架，如圖1所示。

系統(tǒng)的主界面主要由6個(gè)選項(xiàng)卡構(gòu)成即參數(shù)設(shè)置、解調(diào)處理與分析、保存、打印和歷史查看，需進(jìn)行處理的信號(hào)由相應(yīng)的外部設(shè)備負(fù)責(zé)完成，外部信號(hào)主要通過使用采集卡完成采集過程，通過驅(qū)動(dòng)通信程序完成采集卡的識(shí)別后實(shí)現(xiàn)同LabVIEW間的高效通信過程。虛擬儀器軟件平臺(tái)功能在于：對(duì)包括放大倍數(shù)、采樣頻率及點(diǎn)數(shù)、需進(jìn)行解調(diào)的已調(diào)波來源及類型、所使用濾波器的類型及階數(shù)等在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)已調(diào)波的解調(diào)進(jìn)行解調(diào)處理以及解調(diào)前后波形的頻譜分析（顯示解調(diào)前后的波形），對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存，數(shù)據(jù)打印使用報(bào)表工具包（LabVIEW自帶）完成，歷史記錄文件通過TDMS查看器完成查看過程[2]。

3軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1LabVIEW同采集卡間通信過程的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW的數(shù)據(jù)采集子程序雖然較多，但受到數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）的限制（只支持NI公司提供的DAQ），為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求兼顧采集卡的使用性能和成本，本文選用了小型的USB集成普通采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡具備較為完善的功能，通過對(duì)DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)程序）進(jìn)行調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡同LabVIEW間高效的數(shù)據(jù)通信過程，某一程序通過運(yùn)用該采集卡即可實(shí)現(xiàn)該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中函數(shù)的共享使用，在運(yùn)行狀態(tài)下可執(zhí)行代碼通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)同數(shù)據(jù)模塊的有效鏈接，從而將所需的數(shù)據(jù)、代碼和資源提供給相應(yīng)的進(jìn)程。共享庫(kù)可通過LabVIEW中自帶的工具完成自動(dòng)批量導(dǎo)入，開發(fā)人員可根據(jù)實(shí)際需要在工具/導(dǎo)入/共享庫(kù)dll中對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行選擇、導(dǎo)入和封裝，庫(kù)中函數(shù)的參數(shù)數(shù)據(jù)類型通過自動(dòng)封裝工具完成到LabVIEW數(shù)據(jù)類型的自動(dòng)映射，在函數(shù)選板可對(duì)庫(kù)中封裝好的函數(shù)進(jìn)行查看。不支持指針類型的LabVIEW在庫(kù)中出現(xiàn)指針時(shí)會(huì)進(jìn)行將其封裝成雙精度的浮點(diǎn)型（通過自動(dòng)封裝工具）這一錯(cuò)誤操作，因此需對(duì)相關(guān)設(shè)置進(jìn)行手動(dòng)更改，例如庫(kù)中函數(shù)int AD_continu（）的返回參數(shù)屬于指向內(nèi)存地址（存放采集信號(hào)數(shù)據(jù)）的單精度浮點(diǎn)型數(shù)組指針的數(shù)據(jù)類型，在控件類型中對(duì)其映射控件（映射于LabVIEW前面板）進(jìn)行選擇，對(duì)其輸入輸出方式的許可性進(jìn)行配置，其中一項(xiàng)非常重要設(shè)置在于將默認(rèn)為指針傳遞的傳遞類型更改為數(shù)組傳遞，以確保從采集卡中成功讀取到數(shù)據(jù)[3]。

3.2軟件功能的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心功能在于采集和處理功能的實(shí)現(xiàn)，在使用單一順序結(jié)構(gòu)的情況下的分析和處理過程需采集完數(shù)據(jù)后才能進(jìn)行，并且下次采集需在完成處理分析后進(jìn)行，阻礙了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及執(zhí)行效率的有效提升，為解決這一問題本文選用了生產(chǎn)者消費(fèi)者的模式，采用隊(duì)列操作在LabVIEW中完成此模式，系統(tǒng)的生產(chǎn)者對(duì)應(yīng)采集，消費(fèi)者對(duì)應(yīng)處理和分析。在生產(chǎn)者循環(huán)I中每次通過任何渠道循環(huán)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列時(shí)均需通過“入隊(duì)列”操作完成，在消費(fèi)者循環(huán)J中提取采集數(shù)據(jù)時(shí)（從同一隊(duì)列中）則通過“出隊(duì)列”操作完成以供后續(xù)處理。由于生產(chǎn)者和消費(fèi)者具有不同的生產(chǎn)速度和消費(fèi)速度，易出現(xiàn)部分VI在消費(fèi)者模塊中出現(xiàn)隊(duì)列中無可用數(shù)據(jù)的情況下就會(huì)報(bào)錯(cuò)，在停止條件端子上（消費(fèi)者循環(huán)）連線超時(shí)或錯(cuò)誤輸出的情況下導(dǎo)致發(fā)生消費(fèi)者循環(huán)停止“消費(fèi)”的概率較大。最嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存崩潰，即程序在執(zhí)行完消費(fèi)者后再執(zhí)行生產(chǎn)者，因隊(duì)列無可用數(shù)據(jù)而導(dǎo)致消費(fèi)者初始時(shí)從循環(huán)中徹底跳出，使由生產(chǎn)者采集的數(shù)據(jù)無法被分析和處理，最終大量數(shù)據(jù)積壓到隊(duì)列中，內(nèi)存因無法通過執(zhí)行“消費(fèi)銷毀”釋放而崩潰[4]。本文采用了獲取“隊(duì)列狀態(tài)”的方式以使數(shù)據(jù)在兩個(gè)循環(huán)間的共享（特別是在消費(fèi)者分支當(dāng)中），采集和處理流程，如圖2所示。

針對(duì)隊(duì)列中不存在元素的情況，在不允許結(jié)束“消費(fèi)”循環(huán)的前提下停止任何程序的執(zhí)行，直到隊(duì)列出現(xiàn)元素再完成相應(yīng)的操作處理。

3.3解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)

（1） 調(diào)頻波的解調(diào)算法

調(diào)頻信號(hào)主要可劃分為兩大類即寬帶調(diào)頻和窄帶調(diào)頻（WBFM、NBFM），窄帶調(diào)頻可完成同相分量與正交分量之和的分解，對(duì)于寬帶信號(hào)寬帶調(diào)頻信號(hào)因無法進(jìn)行此類分解而僅能使用非相干解調(diào)方法，該方法最大的優(yōu)勢(shì)在于本地?zé)o需提供與發(fā)送端相同頻相的載波，考慮到傳統(tǒng)的非相干解調(diào)硬件電路較為復(fù)雜，解調(diào)的過程需經(jīng)過復(fù)雜的操作才可實(shí)現(xiàn)（包括低通濾波、半波整流、限幅放大、微分等），為彌補(bǔ)傳統(tǒng)

方法需進(jìn)行繁瑣操作的不足，本文通過使用脈沖均值濾波法來完成調(diào)頻波的解調(diào)過程，在LabVIEW的循環(huán)中對(duì)于FM信號(hào)該方法僅需對(duì)當(dāng)前由x（n）表示的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，在滿足x（n）和x（n-1）分別為正數(shù)和負(fù)數(shù)兩個(gè)條件的情況下（需用到上次x（n-1）采樣值）即可實(shí)現(xiàn)脈沖序列的快速提取，x（n-1）通過開啟移位寄存器（在系統(tǒng)中的循環(huán)邊框上用三角圖標(biāo)表示，復(fù)雜對(duì)上次循環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)）即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)記錄過程以供下次循環(huán)使用，僅在同時(shí)滿足兩個(gè)條件的情況下才完成一個(gè)脈沖的刻標(biāo)記，LabVIEW會(huì)對(duì)連接到移位寄存器的數(shù)據(jù)（包括輸入輸出）進(jìn)行自動(dòng)編譯，形成占用同一塊內(nèi)存的同址操作。輸出端數(shù)據(jù)會(huì)占用在結(jié)束循環(huán)時(shí)被自動(dòng)釋放的輸入端數(shù)據(jù)內(nèi)存，據(jù)此實(shí)現(xiàn)LabVIEW同址操作進(jìn)而有效節(jié)省內(nèi)存[5]。包括DSB和SSB在內(nèi)的調(diào)幅信號(hào)均能夠通過使用相干解調(diào)的方法完成解調(diào)過程，用本地載波乘以接收到的調(diào)幅波，在此基礎(chǔ)上通過低通濾波獲取原調(diào)制信號(hào)。

（2） 改進(jìn)型MSK解調(diào)原理

MSK信號(hào)最顯著的特點(diǎn)在于其波形正交于0碼和1碼，本文針對(duì)軟件無線電提出了一種數(shù)字化解調(diào)方法，該方法基于MSK信號(hào)，在獲取各碼元周期內(nèi)采樣值的基礎(chǔ)上，以載波頻率（包括1碼和0碼）為依據(jù)進(jìn)行運(yùn)算從而獲取對(duì)應(yīng)頻率信息的計(jì)算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上完成數(shù)字基帶信號(hào)的判斷和恢復(fù)。此方法在大幅減少了包括本振和濾波器等環(huán)節(jié)在內(nèi)的外圍硬件構(gòu)成的同時(shí)減少了解調(diào)過程中的計(jì)算量及模擬電路被干擾的可能性，使解調(diào)過程得以有效簡(jiǎn)化。在具體設(shè)計(jì)過程中對(duì)解調(diào)算法進(jìn)行了改進(jìn)（以軟件無線電相關(guān)思想為依據(jù)），在通過使用軟件實(shí)現(xiàn)軟件無線電大部分功能的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字相干解調(diào)方法的使用完成對(duì)解調(diào)算法的改進(jìn)，接收的信號(hào)在移動(dòng)通信過程中會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)重衰落的現(xiàn)象，尤其是受頻偏環(huán)境（由多普勒效應(yīng)等引起）的影響導(dǎo)致提取的載波質(zhì)量無法滿足要求，采用正交解調(diào)法使這些弱點(diǎn)得以有效可分。所有調(diào)制針對(duì)多種不同種類的調(diào)制樣式均對(duì)載波的某一個(gè)參數(shù)通過采用調(diào)制信號(hào)完成控制過程，使該參數(shù)隨著調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化。對(duì)于連續(xù)波調(diào)制（即載波以正弦型信號(hào)進(jìn)行調(diào)制），假設(shè)載波的角頻率由ωc 表示，則針對(duì)已調(diào)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)式[6]如式（1）。

展開式（1）可得同相和正交兩個(gè)分量，具體表達(dá)式如式（2）。

其中幅值的表達(dá)式如式（3）。

相位表達(dá)式如式（4）。

MSK解調(diào)原理如下（調(diào)頻解調(diào)的一種）如式（5）。

對(duì)于瞬時(shí)頻率（由f （n）表示）則通過使用相位差分完成計(jì)算，除法和反正切運(yùn)算需在f （n）=φ（n）-φ（n-1）的情況下進(jìn)行，為降低其對(duì)數(shù)字芯片的復(fù)雜程度，本文將瞬時(shí)頻率根據(jù)微分方法完成計(jì)算，f （n）的表達(dá)式如式（6）。

考慮到MSK信號(hào)的振幅基本不變，假設(shè)X2Q（n）+X2I（n）的值近似為1，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化f（n）可得如下表達(dá)式如式（7）。

從而簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，使 f （n）僅通過乘減運(yùn)算即可獲取計(jì)算結(jié)果，在獲取瞬時(shí)頻率后通過對(duì)其進(jìn)行抽樣判決即可完成碼元高效準(zhǔn)確的恢復(fù)。

4系統(tǒng)性能測(cè)試

為檢測(cè)本文所設(shè)計(jì)的軟件無線電技術(shù)解調(diào)方案的有效性進(jìn)行了性能測(cè)試，需要解調(diào)的包括來自采集卡或來自系統(tǒng)已有的信號(hào)采用該解調(diào)方案有效實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻波的解調(diào)以及調(diào)幅波的解調(diào)，且相比于傳統(tǒng)相干解調(diào)方法該方法的抗干擾性能得以顯著提升，經(jīng)過解調(diào)后，圖3和4所示為來自采集卡的調(diào)頻波的波形和頻譜分析結(jié)果，圖5所示為來自本地已有DSB信號(hào)的波形結(jié)果。測(cè)試結(jié)果證明了該系統(tǒng)能夠使軟件無線電的功能得以有效實(shí)現(xiàn)[7]。

5總結(jié)

目前在軟件無線電領(lǐng)域的研究工作中，數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)出了強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，本文在研究軟件無線電解調(diào)方法時(shí)應(yīng)用了虛擬儀器技術(shù)和圖形化語言，使用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)完成了一套軟件無線電解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用正交解調(diào)法，該系統(tǒng)能夠完成對(duì)采集到的已調(diào)信號(hào)的處理和分析過程（包括本地文件中的已調(diào)信號(hào)），在此基礎(chǔ)上完成對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)波形數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理（包括保存、打印及回放歷史信號(hào)等）。為提升無線電領(lǐng)域的應(yīng)用水平提供參考。

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（收稿日期： 2019.07.08）

基金項(xiàng)目：

黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題（GBC1317168）

作者簡(jiǎn)介：

孫志勇（1984），男，碩士，工程師，研究方向：數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析。

文章編號(hào)：1007757X（2020）08005903