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数字中频接收机关键技术研究

杨水旺  
【摘要】: 由于现代电子接收设备正处于越来越恶劣的电磁环境中,对接收系统的抗干扰性能提出了更高要求,所以对于抗干扰能力和灵活性较差的模拟接收系统来说已变得越来越不能适应。20世纪80年代后,为充分利用可靠性高、抗干扰能力和灵活性强的数字处理技术,模拟接收系统逐渐向数字化方向发展。而从90年代开始,提出了软件无线电概念。但由于受到模数转换器和数字信号处理等技术发展水平限制,研究数字中频接收机成了一种折衷方案。因此,研制高效的遥测数字接收机对于完成遥测通信接收系统数字化改造,提高遥测通信接收系统性能,实现最终软件无线电接收系统具有重要意义。 现有遥测通信接收系统存在以下问题:多种型号并存,且彼此不兼容;接收设备体积较大,不利于野外灵活作业;各种型号接收设备参数不同,在已知信号参数前提下进行接收;接收设备的升级换代需要更换硬件设备,周期长,成本高。解决上述问题的唯一技术途径就是在软件无线电技术基础上研制能够自动识别遥测信号的调制制式和调制参数,并可以实现多种调制制式解调的新型遥测通信接收设备。即使用数字化技术、软件无线电技术、片上系统技术、现场可编程技术、动态可重构技术构建具有开放性、标准化、模块化的通用遥测平台,实现新一代遥测系统的一体化、智能化设计。随着数字信号处理技术的快速发展,实现这种设备是可行的。 为此本课题将研究的重点放在数字化接收的关键技术上,即通过对遥测系统的数字调制制式自动识别技术、数字调制的调制参数估计技术、数字调制信号的信噪比估计技术等进行深入研究,构建一个能实现各种型号兼容的遥测通用接收系统。 首先,为了实现遥测数字接收机的多制式解调,需对接收到的不同制式调制信号进行调制方式的自动识别。本文先深入研究了文献中提出的各种调制识别方法,提出了一种基于决策树的识别算法。与传统识别算法相比,本文提出的算法识别率更高,且算法复杂度更小,有较好应用价值。通过对基于小波变换的自动识别技术进行研究,提出一种利用小波变换幅度、频率和相位信息来进行数字遥测通信调制类型分类的方法。仿真结果表明,在高斯噪声信道环境下,在信噪比较低情况下仍可获得较高识别率。 其次,为了在未知调制载波参数条件下接收遥测数字调制信号,考虑到实际工程应用,本文提出两种针对实信号并且适合硬件实现的短数据快速载波频率估计算法,即基于扩展的PRONY的载波频率估计算法和基于线性拟合的载波频率估计算法。仿真结果表明,在同等条件下,线性拟合频率估计算法有相对较好的频率估计性能,但从硬件实时实现角度来说,基于改进的扩展Prony频率估计算法有较小的运算量,实时性较好。 为了在未知码速率参数条件下接收遥测数字调制信号,提出利用最佳尺度因子信号作为特征信号的基于Haar小波的码速率估计算法。与传统算法相比,其具有更好抗噪效果和精度,采样率可任意选择,不用设定门限,消除了门限的影响。另外还提出一种基于模板匹配的码速率估计算法,该方法估计精度较高,无需先验知识,运算量介于常规延迟相乘法和周期相关法之间。 然后,为了实现极化分集接收,本文对信噪比估计技术进行了深入研究,提出两种不需要辅助数据的信噪比估计算法。一种是改进的MDL-SVD算法,此算法不依赖于接收信号调制制式。仿真结果表明,在AWGN信道中能对信噪比进行精确估计。另外一种是基于吉布斯抽样的信噪比估计算法。该算法不需先验知识,只需较短数据就可实现信噪比估计。仿真结果表明,在AWGN信道中的性能优于传统算法。 最后,在对传统极化分集合并方案进行分析基础上,提出一种改进型合并方案,与传统双环锁相结构相比,实现更简单,控制更方便。在现有器件条件基础上,设计并实现一个基于FPGA的PCM-FM遥测数字分集接收机系统。实际系统测试结果表明,该系统能较好地进行遥测通信接收,具有重要实用价值。


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