一种短波射频数字化处理系统的制作方法

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种短波射频数字化处理系统，具体来说是一种可以对量化误差进行补偿的短波射频数字化处理系统。

背景技术：

频率范围在1.6mhz～30mhz之间的无线电磁波频率通常称为短波频段，利用短波频率进行世界范围内的广播传输进行单向通信，通常称为短波广播；能够接收到上述某一段频率的收音机称为短波电台。由于短波通信主要依靠电离层与地面间的来回反射和折射进行传播，无论白天黑夜，短波都可以传播很远。如今随着计算机、微电子和无线通信技术的不断发展，短波通信技术有了突破性进展，利用短波进行应急通信、抗灾通信、特别是军事上要求的陆海空统一通信指挥方面发挥着更重要、更广泛的作用。

目前，短波电台已日趋数字化，其工作频段已不限于原有的短波频段范围，因而呈现出多波段、多信道的特征。短波电台数字化过程中，信道数字化技术尤为关键，现有使用的短波电台信道数字化技术仅限于中频信号的处理，还不是真正意义上的软件无线电(英文名称：softwaredefinedradio，英文缩写：sdr)电台。这里，所谓软件无线电就是尽可能靠近天线对信号进行数字化，通过软件编程实现信息处理、动态配置系统功能，采用开放式的结构体系，使用统一的硬件平台，在短波电台中频(甚至射频)部分对信号数字化处理，用软件编程灵活地实现宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字上变频(英文名称：digitalupconverter，英文缩写：duc)，数字下变频(英文名称：digitaldownconverter，英文缩写：ddc)、调制/解调、差错编码、信道均衡、信令控制、信源编码以及加密/解密等功能。这种系统的结构如图1所示，一般包括接收射频模拟前端、接收射频数字前端和接收射频数字前端。

在实际搭建上述系统时，数字模拟转换器(英文名称：analogtodigitalconverter，英文缩写：adc)动态范围将直接决定系统的性能，因此adc只能采用高量化比特数来得到高质量数字信号，进而造成成本增加，并且在小输入信号的情况下，信号经过adc后的输出波形会产生严重畸变。

技术实现要素：

本发明提供一种短波射频数字化系统，能够在不增加硬件成本的基础上解决该系统中数字化处理时adc只能采用高量化比特数来得到高质量数字信号提高系统性能，以及对于小输入信号情况经adc后的输出波形严重畸变的缺陷。因此，本发明提供的系统能够使用很少的量化比特数就得到高质量的数字信号，同时在小输入信号的情况下，信号经过adc后的输出波形不会产生严重畸变。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种短波射频数字化处理系统，包括：接收射频模拟前端、接收射频数字前端以及发射射频数字前端；

其中，接收射频模拟前端的输入端接入短波信号，输出端接至接收射频数字前端的输入端；接收射频数字前端的输出端接至发射射频数字前端的输入端，发射射频数字前端的输出端接至功率放大器。

接收射频模拟前端，用于接收工作频带内的短波信号，滤除短波信号中的谐波，并对滤除谐波后的短波信号进行放大和低通滤波处理，得到滤除杂波干扰后的模拟信号，并输出至接收射频数字前端。

接收射频数字前端，用于对接收射频模拟前端输出的模拟信号依次进行(英文全称：analog/digital，英文缩写：ad)模拟/数字转换、量化误差补偿、混频处理、降数据速率处理，得到数字基带信号，进而对数字基带信号进行相关处理，将相关处理后的数字基带信号输出至发射射频数字前端，同时将相关处理后的数字基带信号转换为对应的音频信号后输出。

发射射频数字前端，用于对经过相关处理后的数字基带信号依次进行升数据速率处理、混频处理、数字/模拟da转换，得到对应的模拟信号，输出至功率放大器。

基于本发明提供的短波射频数字化处理系统包括接收射频模拟前端、接收射频数字前端和发射射频数字前端，其中接收射频数字前端包括adc、量化误差补偿单元、第一混频器、ddc以及数字信号处理器(英文名称：directdigitalsynthesizer，英文缩写：dsp)，短波信号在经过接收射频模拟前端、接收射频数字前端处理之后，分别转换为对应的音频信号输出和输出至发射射频数字前端的输入端，由发射射频数字前端输出端输出至功率放大器，其中，在接收射频数字前端对信号进行处理时，利用实际系统在自然环境下的高斯白噪声情况下，将其设为一种天然的小幅度“抖动”噪声，采用量化误差补偿单元实现对信号的高效量化，使得误差信号更加的接近于随机噪声，因而使得量化噪声不再具有周期性，减少谐波的产生，提高adc的动态范围。如此一来，相比于现有的短波射频数字化系统，本发明提供的系统能够使用很少的量化比特数就得到高质量的数字信号，同时在小输入信号的情况下，信号经过adc后的输出波形不会产生严重畸变。并且本发明短波射频数字化处理系统，能够在不需要改动硬件的基础上实现在数字域的量化误差补偿，后期维护的费用低；该系统采用全数字化处理，基本没有模拟电路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的短波射频数字化处理系统组成示意图；

图2为本发明提供的一种短波射频数字化处理系统示意图一；

图3为本发明提供的一种短波射频数字化处理系统示意图二；

图4为图2中的短波射频数字化模块的ddc处理流程图；

图5为图2中的量化误差处理单元处理效果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

图2为本发明提供的一种短波射频数字化处理系统示意图一。

参见图2，本发明实施例提供的短波射频数字化系统包括接收射频模拟前端1、接收射频数字前端2和发射射频数字前端3。

其中，接收射频模拟前端的输入端1接入短波信号，输出端接至接收射频数字前端的输入端2；接收射频数字前端的输出端2接至发射射频数字前端3的输入端，发射射频数字前端3的输出端接至功率放大器的输入端。

进一步的本实施例提供的短波射频数字化处理系统中，各个部分的作用如下：

接收射频模拟前端1，用于接收工作频带内的短波信号，滤除短波信号中的谐波，并对滤除谐波后的短波信号进行放大和低通滤波处理，得到滤除杂波干扰后的模拟信号，并输出至接收射频数字前端2。

接收射频数字前端2，用于对接收射频模拟前端3输出的模拟信号依次进行ad转换、量化误差补偿、混频处理、降数据速率处理，得到数字基带信号，进而对数字基带信号进行相关处理，将相关处理后的数字基带信号输出至发射射频数字前端3，同时将相关处理后的数字基带信号转换为对应的音频信号后输出。

发射射频数字前端3，用于对经过相关处理后的数字基带信号依次进行升数据速率处理、混频处理、数字/模拟da转换，得到对应的模拟信号，输出至功率放大器。

其中，本技术领域的人可以理解，接收射频数字前端2和发射射频数字前端3对数字基带信号的相关处理，在这里是指用dsp对数字信号进行组帧、编码等本技术领域内常规的处理方式，具体如何处理属于现有技术，本实施例对此不做详述和具体限定。

进一步的，本实施例提供的短波射频数字化处理系统中，接收射频数字前端2包括：模拟数字转换器adc21、量化误差补偿单元22、第一混频器23、数字下变频器ddc24、以及dsp25。

其中，adc21的输入端为接收射频数字前端2的输入端，dsp25的输出端为接收射频数字模块2的输出端。

adc21的输出端接至量化误差补偿单元22输入端，量化误差补偿单元22输出端接至第一混频器输入端23，第一混频器输23出端接至ddc24输入端，ddc24输出端接至dsp25输入端。

其中，接收射频数字前端2中各个单元作用如下：

adc21，用于对接收射频模拟前端1输出的模拟信号进行ad转换，输出至量化误差补偿单元。

量化误差补偿单元22，用于根据接收射频模拟前端1输出的模拟信号，消除adc21输出的数字信号中的量化误差，并输出消除量化误差失真后的数字信号至第一混频器23。

第一混频器23，用于对数字信号进行混频，并将混频后的基带信号信号输出至ddc24。

ddc24，用于降低基带信号的数据速率，以便使其与dsp25的数据处理速率相匹配，并实现基带信号的抗混叠，输出至dsp25。

dsp25，用于对ddc24的输出信号进行相关处理，得到音频输出信号和输入发射射频数字前端3的模拟信号。

需要说明的是，本技术领域的人员可以理解，ddc24的信号处理流程如图4所示：将第一混频器23输出的第一混频信号与数控振荡器(英文名称：numericallycontrolledoscillator，英文简称：nco)产生的两路同频正交信号分别通过乘法器进行相乘，产生两路基带信号，即i路和q路，然后将该两路基带信号分别通过两路第零级有限长脉冲响应滤波器(英文全称：finiteimpulseresponse，英文简称：fir)、第一级级联积分器-梳状滤波器(英文全称：cascadedintegrator-combfilter，英文简称：cic)、第一级fir、第二级cic、第二级fir、第三级cic、第三级fir波处理后，再通过多路复用器(英文全称：multiplexer，英文简称：mux)合成为适当数据速率的信号，以供dsp处理后产生音频输出，其中ddc24降速率时会进行信号抽取，会产生频谱混叠，所以这个过程会集成抗混叠功能。

更进一步的，如图3所示，本实施例提供的量化误差补偿单元22包括：本振频率确定模块227、直接数字式频率合成器dds226、第二混频器221、延时器222、加法器223、第三混频器224以及低通滤波器225。

其中，本振频率确定模块227的输入端为量化误差补偿单元22的模拟信号输入端，第二混频器221的一信号输入端为量化误差补偿单元22的数字信号输入端，低通滤波器225的输出端为量化误差补偿单元22的输出端。

本振频率确定模块227的输出端接至直接数字式频率合成器(英文名称：directdigitalsynthesizer，英文缩写：dds)226的输入端，dds226的输出端分别接至第二混频器221的另一信号输入端以及第三混频信号224的一信号输入端；第二混频器221的输出端接至延时器222的输入端，延时器222的输出端接至加法器223的输入端，加法器223的输出端接至第三混频器224的另一信号输入端；第三混频器224的输出端接至低通滤波器225的输入端。

本振频率确定模块227，用于根据接收射频模拟前端1输出的模拟信号的频率，确定对应的本振频率，进而确定本振频率对应的频率控制字，并将本振频率对应的频率控制字输出至dds226。

dds226，用于根据本振频率对应的频率控制字产生对应的本振信号，并将本振信号分别输出至第二混频器和第三混频器。

第二混频器221，用于对本振信号和adc21输出的数字信号进行混频，得到第二混频信号，并将第二混频信号输出至延时器222。

延时器222，用于对第二混频信号进行延时处理，以得到第一混频信号各周期内的数据，并输出至加法器223。

加法器223，用于将第二混频信号各周期内的数据对应相加并求平均，得到对应的数字信号，并输出至第三混频器224。

第三混频器224，用于对本振信号和加法器输出的数字信号进行混频，得到第三混频信号，并将第三混频信号输出至低通滤波器225。

低通滤波器225，用于对第三混频信号进行低通滤波，以滤除数字信号通过dds226时产生的镜像频率，从而得到消除量化误差后的数字信号，并输出至第一混频器23。

在本实施例提供的短波射频数字化处理系统中，第二混频器221、延迟器222、加法器223、第三混频器224低通滤波器225、dds226和本振频率确定模块227构成量化误差补偿单元22，本振频率确定模块227根据低通滤波器13输出的模拟信号确定本振信号的频率及频率控制字并将该频率控制字输出至dds226，dds226根据该频率控制字产生本振信号，第二混频器221将本振信号和adc21输出的数字信号进行混频产生第二混频信号，该信号经过延时器222后，加法器223将第二混频信号各周期内的数据对应相加求平均，并输出至第三混频器1224，第二混频器224将本振信号和加法器223输出的数字信号进行混频，再经过低通滤波器225后输出至第一混频器23。通过上述处理即可消除adc21的量化误差失真，其理论依据如下：

在小输入信号的情况下，由于非线性的作用输出波形已经发生严重畸变，可以采用加入“抖动”噪声的办法，在信号输入端加入小幅度“抖动”噪声，来接近于线性响应。这是由于，当输入信号的幅度小于1lsb时，由于adc的分辨率有限，输出码字只能为0或1，呈现方波性变化。而当输入正弦波加入一个均值为0幅度为-0.5lsb～0.5lsb均匀分布的小幅度“抖动”噪声时，小幅度“抖动”噪声把原本方波输出的信号变为宽度调制的波形，输出的宽度调制的波形里包含了原始输入信号的信息，根据这些信息，对其进行叠加操作后再进行平均即可恢复出原始输入信号。即，将采样点信号与“抖动”噪声相加，多次对结果进行量化，对每一次的量化结果相加，最后求平均，可以分辨出1lsb以下的输入信号。从另一个角度来讲，“抖动”噪声和量化误差处理实际上提高了adc的分辨率，使低于1lsb的信号也能分辨出来，也就使adc的有效位数增加了。

下面从误差累积的角度进一步分析小幅度“抖动”噪声减小量化误差，提高adc分辨率的原理：

假设小幅度“抖动”噪声信号为一个在1lsb内均匀分布的随机信号，则这个小幅“抖动”噪声信号的误差期望值可以由式(1)表示。

式中，e(n)表示随机小幅度“抖动”噪声信号误差期望，p(n)表示小幅度“抖动”噪声概率密度，e(n)表示误差传递函数。

当小幅度“抖动”噪声信号n叠加到输入信号s中时，式(1)可以改写为式(2)来表示输入信号为s时误差的期望值：

式中，e(n+s)表示加入小幅度“抖动”噪声信号n的输入信号s的量化误差。式(2)可以看作误差函数e(n)与概率密度函数的卷积。因此，对于幅度为1lsb的小幅度“抖动”噪声信号，经过长时间的积累后，误差函数即会变为0。

本实施例中的量化误差单元22的仿真结果如图5所示，上面的曲线为量化误差处理前信号的频率特征响应曲线，下面的曲线为量化误差处理后信号的频率特征响应曲线，可见经过量化误差后的频谱对应着最低的噪底，也就对应着在adc对信号高效量化后更高的动态范围。

优选的，在图3所示的短波射频数字化处理系统中，本振频率确定模块227具体用于：

确定本振频率flo和本振频率对应的频率控制字fcwlo；

根据低通滤波器13输出的模拟信号的频率fin，确定频率fin对应的频率控制字fcwin，并根据频率控制字fcwin从预设的三个采样点倍数挡位nl、nm和nh中选择采样点倍数n。

根据所选的采样点倍数n计算得到本振频率确定本振频率flo对应的频率控制字fcwlo，并将本振频率对应的频率控制字fcwlo输出至dds226。

其中，根据频率控制字fcwin从预设的三个采样点倍数档位nl、nm和nh中选择采样点倍数n，具体包括：当频率控制字fcwin小于预设的低档位采样点倍数nl时，选择低档位采样点倍数nl作为采样点倍数n，即n＝nl；当频率控制字fcwin大于预设的低档位采样点倍数nl且小于预设的中档位采样点倍数nm时，选择中档位采样点倍数nm作为采样点倍数n，即n＝nm；当频率控制字fcwin大于预设的中档位采样点倍数nm且小于预设的高档位采样点倍数nh时，选择高档位采样点倍数nh作为采样点倍数n，即n＝nh。

其中，nl＜nm＜nh，fs表示adc21的采样频率。

进一步的，如图2所示，本实施例提供的短波射频数字化处理系统，接收射频模拟前端1包括：谐波滤波器11、宽带低噪声放大器12以及低通滤波器13。

其中，谐波滤波器11的输入端为接收射频模拟前端1的输入端，低通滤波器13的输出端为接收射频模拟前端1的输出端。

谐波滤波器11的输入端输入短波信号，谐波滤波器11的输出端接至低噪声放大器的输入端12，低噪声放大器12的输出端接至低通滤波器13，低通滤波器13的输出端接至发射频数字前端2。

谐波滤波器11，用于减少短波信号进入低噪声放大器12之前信噪比的损失和对频带外的信号进行有效的抑制。

低噪声放大器12，用于减少短波信号在电离层变化时信号衰落的影响，并起到自动增益控制电路的作用，以满足短波信号动态范围大的要求。

低通滤波器13，用于进一步滤除所需工作频段以外的干扰噪声信号。

更进一步的，如图2所示，本实施例提供的短波射频数字化处理系统，发射射频数字前端2包括：dsp25、数字上变频器duc31、第四混频器32和数字模拟转化器dac33。

其中，dsp25的输入端为发射射频数字前端3的输入端，dac33的输出端为发射射频数字前端3的输出端；发射射频数字前端3的输出端接至功率放大器。

dsp25的输出端接至duc31的输入端，duc31的输出端接至第四混频器32的一输入端，第四混频器32的输出端接至dac33的输入端。

dsp25，用于对ddc24的输出信号进行相关处理，得到音频输出信号和输入duc31的模拟信号。

duc31，用于将基带信号数据率提高至与dds226子模块相同的数据速率，以便两者进行数字混频处理，得到数字混频信号；

第四混频器32，用于将数字本振信号与duc31处理后的数字信号进行混频。

dac33，用于将数字混频信号进行da转换输出模拟信号，供功率放大器使用。

如图2所示，本实施例提供的短波射频数字化处理系统中，接收射频模拟前端、接收射频数字前端和发射射频数字前端，其射频信号数字化处理流程为：

从天线接收的短波信号经过谐波滤波器11滤除短波信号中的谐波，滤除了谐波的短波信号再经过宽带低噪声放大器12和低通滤波器13进行放大和低通滤波处理，得到滤除杂波干扰后的模拟信号，该模拟信号依次进行ad转换、量化误差补偿、混频处理、降数据速率处理，得到数字基带信号，dsp25对所述数字基带信号进行相关处理，数字基带信号输出至duc31，同时将相关处理后的数字基带信号转换为对应的音频信号后输出，接着duc31将基带信号数据率提高至与dds226子模块相同的数据速率，以便两者进行数字混频处理，得到数字混频信号，第四混频器32将这个数字混频信号和数字本振信号进行混频，经过第四混频器32的数字混频信号再经过数字/模拟da转换后供后续的功率放大器使用。由于该系统中的量化误差补偿单元22利用实际系统在自然环境下的高斯白噪声情况下，将其设为一种天然的小幅度“抖动”噪声，采用量化误差补偿，实现对信号的高效量化，使得误差信号更加的接近于随机噪声，因而使量化噪声不在具有周期性，减少谐波的产生，提高adc21的动态范围。因此，相比于现有的短波射频数字化处理系统，本发明提供的系统能够使用很少的量化比特数就得到高质量的数字信号，同时在小输入信号的情况下，信号经过adc21后的输出波形不会产生严重畸变。并且本发明短波射频数字化处理系统，能够在不需要改动硬件的基础上实现在数字域的量化误差补偿，后期维护的费用低；该系统采用全数字化处理，基本没有模拟电路。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。