王 皓

基于Simulink的高斯脈沖中頻信號的數(shù)字解調(diào)仿真

王 皓

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

在現(xiàn)代導(dǎo)航機載設(shè)備中廣泛使用超外差接收機和數(shù)字中頻的架構(gòu)理念，而Simulink作為一款功能強大的仿真軟件，不僅可以模擬連續(xù)和離散系統(tǒng)，同時能夠提供豐富的數(shù)字信號處理模塊。從實際工程應(yīng)用出發(fā)，通過Simulink快速構(gòu)建數(shù)字中頻處理模型，完成濾波、解調(diào)算法的驗證，使工程研發(fā)人員擺脫繁瑣的公式推導(dǎo)，專注于算法理論的工程實現(xiàn)。

數(shù)字中頻；軟件無線電；Simulink

0 引言

超外差接收機因其靈敏度高、增益高、選擇性好和適應(yīng)性廣等優(yōu)點在現(xiàn)代導(dǎo)航機載設(shè)備中扮演重要的角色，簡易工作原理圖如圖1所示。

射頻部分將高頻信號通過混頻、濾波、自動增益控制后產(chǎn)生頻率相對較低、功率穩(wěn)定的中頻信號。數(shù)字部分通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，AD）對中頻信號進行采樣量化，并由后端現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）共同完成數(shù)字中頻信號的解調(diào)和功能實現(xiàn)。

圖1 超外差接收機原理圖

Simulink是Matlab中一種可視化仿真工具，用于多域仿真以及基于模型的設(shè)計。它支持系統(tǒng)設(shè)計、仿真、自動代碼生成以及嵌入式系統(tǒng)的連續(xù)測試和驗證。

本文將通過Simulink[1]快速搭建某導(dǎo)航體系中機載設(shè)備對中頻信號的采樣、濾波以及解調(diào)仿真，為后期工程化進行快速原理驗證。

1 高斯脈沖中頻信號的產(chǎn)生

本文對圖1中射頻部分的詳細原理不進行闡述，直接給出某導(dǎo)航體系中射頻部分產(chǎn)生的模擬高斯脈沖中頻信號。經(jīng)過混頻后的中頻信號如式（1）所示：

在Simulink中構(gòu)建中頻信號生成的模型如圖2所示。通過Clock模塊產(chǎn)生系統(tǒng)仿真時間觸發(fā)Matlab Function模塊調(diào)用高斯函數(shù)產(chǎn)生高斯基帶波形，并通過Delay模塊延時3 ms反饋至Matlab Function模塊進行疊加，最終產(chǎn)生等間隔的高斯脈沖基帶信號。

圖2 中頻信號生成模型

通過Sine Wave模塊產(chǎn)生頻率為800 kHz的載波與基帶信號相乘完成高斯脈沖幅度調(diào)制，其波形如圖3所示。

圖4 中頻時域信號

2 數(shù)字中頻處理

選用32 MHz的采樣速率對800 kHz中頻信號進行采樣，Zero-Oder模塊采樣時間間隔設(shè)置為0.00000003125 s，數(shù)字中頻處理模型如圖5所示。

圖5 數(shù)字中頻處理模型

2.1 數(shù)字帶通濾波器設(shè)計

AD采樣后通過帶通濾波器可以對帶外干擾信號進行有效抑制。采用Bandfilter模塊對帶通濾波器進行設(shè)計。采用FIR等波紋濾波器模型[3]，f為32 MHz，中心頻率為800 kHz，3 dB帶寬50 kHz，其幅頻特性如圖6所示。

通過頻譜監(jiān)測模塊對通過帶通濾波器前后信號進行頻譜觀測分析，其帶外信號抑制與濾波器設(shè)計指標一致，帶外衰竭達60 dB，如圖7所示。

圖7 帶通濾波效果對比頻譜

2.2 正交解調(diào)原理

圖8 正交解調(diào)原理

圖中()為濾波后的數(shù)字中頻信號，其數(shù)字表達式如式（3）所示：

對上述分量進行平方和后開方可得高斯脈沖基帶信號()。正交前后的頻譜對比如圖9所示，圖中帶*號線條表示正交后的頻譜。

圖9 正交前后頻譜對比圖

2.3 低通濾波器設(shè)計

由圖9可以看出800 kHz中頻經(jīng)過正交后已搬移至零頻和1.6 MHz頻點，需要設(shè)計低通濾波器來保留零頻分量。本文采用LowPass模塊，F(xiàn)IR濾波器設(shè)置起始頻率0.4 MHz，截止頻率0.8 MHz，其頻譜特性如圖10所示。

圖10 低通濾波器頻譜特性

通過頻譜監(jiān)測模塊對通過低通濾波器后信號進行頻譜觀測分析，其帶外信號抑制與濾波器設(shè)計指標一致，帶外衰竭達80 dB，如圖11所示，圖中帶*號線條表示低通濾波后的頻譜。

3 結(jié)論

低通濾波器過后的兩路信號通過簡單的平方求和以及開根號就可將高斯脈沖調(diào)制信號完全復(fù)原，其調(diào)制波形如圖12所示。

通過上述分析及仿真結(jié)果，證明在該類導(dǎo)航信號體制下導(dǎo)航機載接收機按照此架構(gòu)設(shè)計在理論上是可行的，后期可在該模型基礎(chǔ)上增加增益控制以及噪聲信號來進一步優(yōu)化和分析。但在工程實現(xiàn)階段將該算法植入FPGA中必然會因字長效應(yīng)影響一定的精度，此時就需要研發(fā)人員根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的取舍，在本文中就不進行贅述。

[1] 李亮. 基于Smiulink的軟件無線電硬件協(xié)同仿真技術(shù)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2013.

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[3] 陳楊生. 信號估計及濾波若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2009.

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[5] 馮波. 線性濾波估計算法研究及在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 北京：北京理工大學(xué)，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—），陜西榆林人，碩士，工程師，主要研究方向為導(dǎo)航整機設(shè)計。