CN101848038B

CN101848038B - 基于软件无线电滤波的无线传输装置及其方法

Info

Publication number: CN101848038B
Application number: CN2010101571473A
Authority: CN
Inventors: 关新平; 贾静雅; 梁振虎; 陈彩莲; 罗小元
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-04-27
Also published as: CN101848038A

Abstract

一种无线通信技术领域的基于软件无线电滤波的无线传输装置及其方法，装置包括：射频发射器、射频接收器、发射数字信号处理模块和接收数字信号处理模块，其中：发射数字信号处理模块与射频发射器相连传输数字信号，射频发射器与射频接收器无线相连传输无线模拟信号，射频接收器与接收数字信号处理模块相连传输模拟信号。本发明采用基于EMD的滤波预处理方法，考虑到无线信号的特点，在接收天线接收到信号之后采用EMD方法将信号中遍布所有频段的噪声滤除，在保证滤波精度的同时也保证了无线信号传输的可靠性，效果非常好，能够应用于工业无线通信的滤波方案，为工业无线通信的广泛应用奠定基础。

Description

基于软件无线电滤波的无线传输装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的装置及其方法，具体是一种基于软件无线电滤波的无线传输装置及其方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，其在工业中的应用越来越广泛。但是，由于工业电网不稳定、工业现场高频振动、电弧等因素会对无线通信产生严重的干扰，极大地影响了工业无线通信的可靠性，因此无线通信过程中的滤波技术就显得尤为重要。

数字滤波器的实现一般有三条途径：(1)由通用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片编程实现；(2)选用已有的专用滤波器芯片实现；(3)根据系统要求自行设计滤波器，并用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现。随着数字通信高速率需求，对滤波器的运算速度的要求也愈来愈高。如果采用通用DSP来实现高速滤波器，则滤波过程将会占用DSP的大部分运算资源，使其很难承担其他运算任务。

软件无线电(SDR，Software Defined Radio)技术是近年来发展起来的一项新技术，它采用软件控制、数字信号处理的方式，来完成传统模拟无线电功能，可以使通信设备的性能提高，体积、重量和成本等大大降低。同时利用软件编程实现各种功能，使得通信设备更加灵活，并可以在后续的运行中不断增加新功能。因此，它以开放性的最简硬件为通用平台，尽可能地用可升级可重配置的应用软件来实现各种无线电功能，突破了传统无线电功能单一、以硬件扩展为核心的局限性。但如何应用软件无线电实现数字滤波功能，是目前尚待解决的技术问题。现有软件无线电的滤波方案多采用小波变换和傅里叶变换等时频分析方法，然而由于工业环境噪声的复杂性，无线通信信号具有非平稳特性，用傅立叶变换分析时变频率的信号会出现虚假信号和假频等缺陷，用基于傅立叶分析理论的时频联合分析也必然存在同样的局限，使这些方法很难用于处理工业无线信号。而能够表述出信号局部特征的经验模态分解-希尔伯特黄(EMD-HHT)方法则能够更好的分析非平稳信号，其分解过程相当于用窄带滤波器对信号进行自适应滤波，对于获取精确频谱、滤除噪声，有着重要的意义。

经对现有文献的检索发现，中国专利申请号为：200580031397.x，名称为“在多载波系统中改善信道估计的频域滤波”，提供了在无线通信过程中的频域滤波方法。中国专利申请号为：200810060066.4，名称为“一种应用于无线中程传感器网物理层的内插数字滤波器装置”，设计了基于FIR(Finite Impulse Response，有限冲击响应)和CIC(cascade integrator comb，积分梳状)滤波器的内插数字滤波模块。2005年大连理工大学硕士学位论文，论文名称为：软件无线电中高效FIR滤波器的研究与设计，该文献结合软件无线电多抽样率信号处理的基本理论设计窄带FIR滤波器，并对其进行了MATLAB仿真。以上三项技术涉及的滤波装置及其方法实现较为复杂，功能单一，而且扩展性和可重配置性较差，处理速度慢，占用的DSP资源多。

经对现有文献的检索又发现，中国专利申请号为：200920003500.5，名称为“一种无线传输装置”，提供了无线通信系统的结构。但是该技术中的无线通信装置没有考虑到外界干扰及消噪过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于软件无线电滤波的无线传输装置及其方法。本发明采用EMD(经验模态分解)方法将信号的低频噪声滤除，在保证滤波精度的同时可以确保无线信号传输的可靠性，且运算简单，处理速度快，占用DSP资源少，为无线数字信号在工业环境中可靠、稳定传输奠定基础。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的基于软件无线电滤波的无线传输装置，包括：射频发射器、射频接收器、发射数字信号处理模块和接收数字信号处理模块，其中：发射数字信号处理模块与射频发射器相连传输数字信号，射频发射器与射频接收器无线相连传输无线模拟信号，射频接收器与接收数字信号处理模块相连传输模拟信号。

所述的发射数字信号处理模块实现信号的发射前的数字信号处理，包括：信号调制模块、数字上变频模块和D/A(数/模)转换器模块，其中：信号调制模块与数字上变频模块相连传输低频无线数字信号，数字上变频模块与D/A转换器模块相连传输中频无线数字信号，D/A转换器模块与射频发射器相连传输无线模拟信号。

所述的信号调制模块包括：数字信号生成模块、FIFO(First In First Out，先进先出)模块、信道编码模块和信道合成模块，其中：数字信号生成模块与FIFO模块相连传输数字信号，FIFO模块与信道编码模块相连传输数字信号，信道编码模块与信道合成模块相连传输编码后的数字信号，信道合成模块与数字上变频模块相连传输低频无线数字信号。

所述的数字信号生成模块是由DSP和FPGA实现的。

所述的射频发射器实现无线模拟信号的发射，包括：低通滤波模块、频率合成模块、前置放大器、带通滤波模块、功率放大器和发射天线，其中：低通滤波模块与发射数字信号处理模块相连传输无线模拟信号，低通滤波模块和频率合成模块相连传输中频模拟信号，低通滤波模块与前置放大器相连传输高频模拟信号，前置放大器与带通滤波模块相连传输经预放大的高频无线信号，带通滤波模块与功率放大器相连传输所需频率范围内的无线频率分量，功率放大器与发射天线相连传输功率放大后的高频模拟信号，发射天线将高频无线模拟信号发射出去。

所述的射频接收器实现无线模拟信号的接收，包括：接收天线、低噪声放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)模块、混频器模块和放大器模块，其中：接收天线与低噪声放大器相连传输接收的高频无线信号，混频器模块分别与压控振荡器模块和低噪声放大器相连生成混合信号，混频器模块与放大器模块相连传输中频模拟信号，放大器模块与接收数字信号处理模块相连传输放大后的中频信号。

所述的接收数字信号处理模块实现接收后的数字信号处理，包括：A/D(模/数)转换器、数字下变频模块和滤波分信道模块，其中：A/D转换器与射频接收器相连传输放大后的中频信号，A/D转换器与数字下变频模块相连传输数字信号，数字下变频模块与滤波分信道模块相连传输低频数字信号，滤波分信道模块输出去噪后的数字信号。

所述的滤波分信道模块由DSP和FPGA实现。

本发明涉及的上述基于软件无线电滤波的无线传输装置的无线传输方法，包括以下步骤：

第一步，分别给发射数字信号处理模块和接收数字信号处理模块配置工作频率、波特率及通信带宽。

第二步，当发射天线有待发射的无线信号时，进行数字信号的QPSK(四相相移键控信号)调制和上变频，得到中频数字信号；否则，继续扫描。

所述的QPSK调制是使数字信号调制到射频载波上。

所述的上变频是使低频数字信号变成中频数字信号。

第三步，将上变频后的中频数字信号进行数模转换，得到中频的模拟信号，该模拟信号经低通滤波和频率合成处理后变成高频模拟信号，通过发射天线进行高频模拟信号的无线发射。

所述的频率合成处理，具体是：中频模拟信号A和另一个频率信号B进入频率合成模块，合成后得到中频模拟信号A和另一个频率信号B的和频信号C和差频信号D，保留和频信号C，滤除差频信号D，从而使中频模拟信号A变成高频模拟信号C。

第四步，接收天线接收高频模拟信号，对该高频模拟信号进行模拟下变频处理，得到中频模拟信号，该中频模拟信号经放大后又通过A/D转换器模块变成中频数字信号。

所述的模拟下变频处理是：压控振荡器模块的信号与高频模拟信号在混频器模块混合，只取两个信号的差频信号，从而高频模拟信号变成中频模拟信号。

第五步，对第四步得到的中频数字信号进行下变频处理，得到低频数字信号，并进行信号解调。

所述的下变频处理是由并行直接输出模式下的数字下变频器(Digital Down Converter，DDC)实现的。

第六步，对解调后的信号进行软件无线电滤波处理，得到去噪后的无线数字信号，滤波后的信号传给DSP和FPGA组成的滤波分信道模块，实现信号的分信道处理。

所述的软件无线电滤波处理，是：采用现有的EDM方法对解调后的信号进行EDM分解，得到第一阶固有模态分量和第二阶固有模态分量，再对固有模态分量进行信号重构，得到滤波后不含噪声的信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用基于EMD的滤波预处理方法，考虑到无线信号的特点，在接收天线接收到信号之后采用EMD方法将信号中遍布所有频段的噪声滤除，在保证滤波精度的同时也保证了无线信号传输的可靠性，传输效果明显提高。

附图说明

图1是实施例的装置连接示意图；

其中：1-发射数字信号处理模块；2-射频发射器；3-射频接收器；4-接收数字信号处理模块；5-信号调制模块；6-数字上变频模块；7-D/A转换器模块；8-低通滤波模块；9-频率合成模块；10-前置放大器模块；11-带通滤波模块；12-功率放大器模块；13-发射天线；14-接收天线；15-低噪声放大器模块；16-压控振荡器模块；17-混频器模块；18-放大器模块；19-A/D转换器；20-数字下变频模块；21-滤波分信道模块。

图2是信号调制模块的连接示意图；

其中：22-数字信号生成模块；23-第一FIFO模块；24-第二FIFO模块；25-第一信道编码模块；26-第二信道编码模块；27-信道合成模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例涉及的基于软件无线电滤波的无线传输装置，包括：发射数字信号处理模块1、射频发射器2、射频接收器3和接收数字信号处理模块4，其中：发射数字信号处理模块1与射频发射器2相连传输经信号处理后的中频模拟信号，射频发射器2与射频接收器3通过无线相连传输无线高频低功率的模拟信号，射频接收器3与接收数字信号处理模块4相连传输经A/D转换后的数字信号，接收数字信号处理模块4进行信号的数字处理。

所述的发射数字信号处理模块1实现信号的发射前的数字信号处理，包括：信号调制模块5、数字上变频模块6、D/A转换器模块7，其中：信号调制模块5与数字上变频模块6相连传输低频无线数字信号，数字上变频模块6与D/A转换器模块7相连传输中频无线数字信号，D/A转换器模块7与射频发射器2相连传输无线模拟信号。

如图2所示，所述的信号调制模块5包括：数字信号生成模块22、第一FIFO模块23、第二FIFO模块24、第一信道编码模块25、第二信道编码模块26和信道合成模块27，其中：数字信号生成模块22分别与两个FIFO模块相连传输数字信号，第一FIFO模块23与第一信道编码模块25相连传输数字信号，第二FIFO模块24与第二信道编码模块26相连传输数字信号，两个信道编码模块分别与信道合成模块27相连传输编码后的数字信号，信道合成模块27与数字上变频模块6相连传输低频无线数字信号。

所述的数字信号生成模块22是由DSP和FPGA实现的。

所述的射频发射器2包括：低通滤波模块8、频率合成模块9、前置放大器模块10、带通滤波模块11、功率放大器模块12和发射天线13，其中：低通滤波模块8和频率合成模块9相连传输中频模拟信号，频率合成模块9与前置放大器模块10相连传输高频数字信号，前置放大器模块10与带通滤波模块11相连传输经预放大的高频无线信号，带通滤波模块11与功率放大器模块12相连传输所需的频率范围内的无线频率分量，功率放大器模块12与发射天线13相连传输功率放大后的高频数字信号，发射天线13将高频无线模拟信号发射出去。

所述的射频接收器3包括：接收天线14、低噪声放大器模块15、压控振荡器模块16、混频器模块17和放大器模块18，其中：接收天线14与低噪声放大器模块15相连传输从空中接收的高频无线信号，混频器模块17分别与低噪声放大器模块15和压控振荡器模块16相连生成混合信号，混频器模块17与放大器模块18相连传输中频模拟信号，放大器模块18与接收数字信号处理模块4相连传输经放大器模块放大后的中频信号。

所述的接收数字信号处理模块4实现接收后的数字信号处理，包括：A/D转换器19、数字下变频模块20和滤波分信道模块21，其中：A/D转换器19与放大器模块18相连传输放大后的中频信号，A/D转换器19与数字下变频模块20相连传输数字信号，数字下变频模块20与滤波分信道模块21相连传输低频数字信号，滤波分信道模块21输出去噪后的数字信号。

所述的滤波分信道模块21由DSP和FPGA实现。

所述的发射数字信号处理模块1采用的是由Xilinx V4 FPGA(LX100)、TI C6416 DSP(1GHz)和128MB SDRAM(同步动态随机存储器)存储器组成的信号处理平台。

所述的D/A转换器模块7由8路同步AD(模数)采集、Xilinx V4 FPGA(LX100)板载及进行数据存储和回放128MB SDRAM模块组成。

所述的射频发射器2采用的是SRW1022。

所述的发射天线13采用的是MICRF103芯片。

所述的接收天线14采用的是MICRF005芯片。

所述的射频接收器3采用的是SRW1033L。

所述的A/D转换器模块19由八通道同步DAC(数字/模拟转换)、Xilinx V4FPGA(LX100)板载和128MB SDRAM模块组成。

所述的数字下变频模块20是专用数字下变频器HSP50214B。

所述的DSP和FPGA组成的滤波分信道模块21用的是由Xilinx V4 FPGA(LX100)、TI C6416DSP(1GHz)和128MB SDRAM存储器组成的硬件平台。

本实施例涉及的上述基于软件无线电滤波的无线传输装置的无线传输方法，包括以下步骤：

第一步，分别给发射数字信号处理模块1和接收数字信号处理模块4配置工作频率、波特率及通信带宽。

第二步，当发射天线13有待发射的无线信号时，进行数字信号的QPSK调制和上变频，得到中频数字信号；否则，继续扫描。

所述的QPSK调制是使数字信号调制到射频载波上。

所述的上变频是使30MHz低频数字信号变成70MHz中频数字信号。

第三步，将上变频后的70MHz中频数字信号进行数模转换，得到70MHz中频的模拟信号，该模拟信号经低通滤波和频率合成处理后变成370MHz高频模拟信号，通过发射天线13进行高频模拟信号的无线发射。

所述的频率合成处理，具体是：70MHz中频模拟信号A和另一个300MHz频率信号B进入频率合成模块9，合成后得到中频模拟信号A和另一个频率信号B的370MHz和频信号C和230MHz差频信号D，保留和频信号C，滤除差频信号D，从而使70MHz中频模拟信号A变成370MHz高频模拟信号C。

第四步，接收天线14接收370MHz高频模拟信号，对该高频模拟信号进行模拟下变频处理，得到70MHz中频模拟信号，该中频模拟信号经放大后又通过A/D转换器模块19变成70MHz中频数字信号。

所述的模拟下变频处理是：压控振荡器模块16的300MHz信号与370MHz高频模拟信号在混频器模块17混合，只取两个信号的70MHz的差频信号，从而370MHz高频模拟信号变成70MHz中频模拟信号。

第五步，对第四步得到的70MHz中频数字信号进行下变频处理，得到30MHz低频数字信号，并进行信号解调。

所述的下变频处理是由并行直接输出模式下的数字下变频器实现的，数字下变频器输出I、Q两路正交分量，当DSP响应数字下变频器产生的中断时，FPGA分时并行接收数据，依次在数字下变频器的两个输出端接收同相与正交分量。

第六步，对解调后的30Mhz信号进行软件无线电滤波处理，得到去噪后的无线数字信号，滤波后的信号传给DSP和FPGA组成的滤波分信道模块21，实现信号的分信道处理。

本实施例方法简单、易于实现，所设计的装置解决了工业干扰对无线信号传输的影响，较现有的无线传输装置滤波效果好，低信噪比条件下，第二阶固有模态分量含有绝大部分发射信号，高信噪比条件下，第一阶固有模态分量含有绝大部分发射信号，只需对感兴趣分量进行滤波，最后对滤波后信号进行重构，发射信号与重构后信号比较可知滤波效果较好。将该方法应用于搭建的软件无线电平台，实现无线信号的可靠传输，并且可在方法进一步升级后，利用软件升级该平台，节省硬件资源，对软件无线电在工业通信中的应用有较好的指导意义实现可靠的无线通信，通用性广，成本低廉，可以大规模应用于工业无线通信，使无线技术大范围应用于工业生产成为可能。

Claims

1.一种基于软件无线电滤波的无线传输装置的无线传输方法，其特征在于，所述无线传输装置包括：射频发射器、射频接收器，其特征在于，还包括：发射数字信号处理模块和接收数字信号处理模块，其中：发射数字信号处理模块与射频发射器相连传输数字信号，射频发射器与射频接收器无线相连传输无线模拟信号，射频接收器与接收数字信号处理模块相连传输模拟信号；

所述的发射数字信号处理模块实现信号的发射前的数字信号处理，包括：信号调制模块、数字上变频模块和D/A转换器模块，其中：信号调制模块与数字上变频模块相连传输低频无线数字信号，数字上变频模块与D/A转换器模块相连传输中频无线数字信号，D/A转换器模块与射频发射器相连传输无线模拟信号；

所述的接收数字信号处理模块实现接收后的数字信号处理，包括：A/D转换器、数字下变频模块和滤波分信道模块，其中：A/D转换器与射频接收器相连传输放大后的中频信号，A/D转换器与数字下变频模块相连传输数字信号，数字下变频模块与滤波分信道模块相连传输低频数字信号，滤波分信道模块输出去噪后的数字信号；

所述无线传输方法包括以下步骤：

第一步，分别给发射数字信号处理模块和接收数字信号处理模块配置工作频率、波特率及通信带宽；

第二步，当发射天线有待发射的无线信号时，进行数字信号的QPSK调制和上变频，得到中频数字信号；否则，继续扫描；

第三步，将上变频后的中频数字信号进行数模转换，得到中频的模拟信号，该模拟信号经低通滤波和频率合成处理后变成高频模拟信号，通过发射天线进行高频模拟信号的无线发射；

第四步，接收天线接收高频模拟信号，对该高频模拟信号进行模拟下变频处理，得到中频模拟信号，该中频模拟信号经放大后又通过A/D转换器模块变成中频数字信号；

第五步，对第四步得到的中频数字信号进行下变频处理，得到低频数字信号，并进行信号解调；

2.根据权利要求1所述的无线传输方法，其特征是，所述的信号调制模块包括：数字信号生成模块、FIFO模块、信道编码模块和信道合成模块，其中：数字信号生成模块与FIFO模块相连传输数字信号，FIFO模块与信道编码模块相连传输数字信号，信道编码模块与信道合成模块相连传输编码后的数字信号，信道合成模块与数字上变频模块相连传输低频无线数字信号。

3.根据权利要求1所述的无线传输方法，其特征是，所述的射频发射器实现无线模拟信号的发射，包括：低通滤波模块、频率合成模块、前置放大器、带通滤波模块、功率放大器和发射天线，其中：低通滤波模块与发射数字信号处理模块相连传输无线模拟信号，低通滤波模块和频率合成模块相连传输中频模拟信号，低通滤波模块与前置放大器相连传输高频模拟信号，前置放大器与带通滤波模块相连传输经预放大的高频无线信号，带通滤波模块与功率放大器相连传输特定频率范围内的无线频率分量，功率放大器与发射天线相连传输功率放大后的高频模拟信号，发射天线将高频无线模拟信号发射出去。

4.根据权利要求1所述的无线传输方法，其特征是，所述的射频接收器实现无线模拟信号的接收，包括：接收天线、低噪声放大器、压控振荡器模块、混频器模块和放大器模块，其中：接收天线与低噪声放大器相连传输接收的高频无线信号，混频器模块分别与压控振荡器模块和低噪声放大器相连生成混合信号，混频器模块与放大器模块相连传输中频模拟信号，放大器模块与接收数字信号处理模块相连传输放大后的中频信号。

5.根据权利要求1所述的无线传输方法，其特征是，所述的频率合成处理，具体是：中频模拟信号A 和另一个频率信号B进入频率合成模块，合成后得到中频模拟信号A和另一个频率信号B的和频信号C和差频信号D，保留和频信号C，滤除差频信号D，从而使中频模拟信号A变成高频模拟信号C。

6.根据权利要求1所述的无线传输方法，其特征是，所述的模拟下变频处理是：压控振荡器模块的信号与高频模拟信号在混频器模块混合，只取两个信号的差频信号，从而高频模拟信号变成中频模拟信号。

7.根据权利要求1所述的无线传输方法，其特征是，所述的软件无线电滤波处理，是：采用现有的EDM方法对解调后的信号进行EDM分解，得到第一阶固有模态分量和第二阶固有模态分量，再对固有模态分量进行信号重构，得到滤波后不含噪声的信号。