第三講：軟件無(wú)線電數(shù)字前端_20130321_范玉衡

1、主講人：范玉衡主講人：范玉衡 1 n什么是前端？什么是前端？位于天線和位于天線和DSP之間的信號(hào)處理環(huán)之間的信號(hào)處理環(huán) 節(jié)。包括模擬前端和數(shù)字前端。節(jié)。包括模擬前端和數(shù)字前端。 n模擬前端模擬前端AFE(Analog Front End)是指靠近天線的是指靠近天線的 模擬電路部分。它模擬電路部分。它將天線接收信號(hào)，經(jīng)過將天線接收信號(hào)，經(jīng)過LNA/ 變頻變頻/FILTER，變成可以采樣的信號(hào)?；蛳喾催^，變成可以采樣的信號(hào)?；蛳喾催^ 程將程將DAC信號(hào)經(jīng)過信號(hào)經(jīng)過FLITER/變頻變頻/PHA，變成送，變成送 天線發(fā)射的信號(hào)。天線發(fā)射的信號(hào)。 n數(shù)字前端數(shù)字前端DFE(Digital Front

2、End)是是ADC/DAC到到 DSP可以實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)字信號(hào)（一般零中頻信號(hào)）可以實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)字信號(hào)（一般零中頻信號(hào)） 之間的數(shù)字電路，之間的數(shù)字電路，如數(shù)字濾波、信道選擇、下變?nèi)鐢?shù)字濾波、信道選擇、下變 頻等。頻等。 2 n數(shù)字前端輸入數(shù)字前端輸入/輸出信號(hào)的要求輸出信號(hào)的要求 n數(shù)字前端的輸入信號(hào)數(shù)字前端的輸入信號(hào) n具有固定的帶寬（盡量寬）多信道具有固定的帶寬（盡量寬）多信道 n具有確定的中心頻率（在各種空中接口標(biāo)準(zhǔn)具有確定的中心頻率（在各種空中接口標(biāo)準(zhǔn) 中對(duì)這些參數(shù)都有規(guī)定）對(duì)應(yīng)頻段中對(duì)這些參數(shù)都有規(guī)定）對(duì)應(yīng)頻段 n降低模擬前端降低模擬前端AFE設(shè)計(jì)難度設(shè)計(jì)難度 n數(shù)字前端的輸出信號(hào)數(shù)

3、字前端的輸出信號(hào) n一般零中頻一般零中頻 n信道化的基帶信號(hào)信道化的基帶信號(hào) n低的采樣率低的采樣率 3 nDFE的功能的功能包括：包括：數(shù)字化數(shù)字化、數(shù)字上下變頻數(shù)字上下變頻、信信 道化功能道化功能（將寬帶信號(hào)中的所需信道搬移至基將寬帶信號(hào)中的所需信道搬移至基 帶，并濾除所有鄰道干擾帶，并濾除所有鄰道干擾，以及為實(shí)現(xiàn)信道化，以及為實(shí)現(xiàn)信道化 的的高效的多高效的多信道濾波信道濾波方法方法）。 n通常，通常，DFE功能的算法都在很高的采樣速率下功能的算法都在很高的采樣速率下 面運(yùn)算。所以，當(dāng)信號(hào)處理算法并不要求所依面運(yùn)算。所以，當(dāng)信號(hào)處理算法并不要求所依 托的硬件平臺(tái)非常靈活時(shí)，一般不必使用托的

4、硬件平臺(tái)非常靈活時(shí)，一般不必使用DSP。 n采用參數(shù)化和可重配置的可編程硬件實(shí)現(xiàn)，如采用參數(shù)化和可重配置的可編程硬件實(shí)現(xiàn)，如 FPGA和專用集成電路模塊。和專用集成電路模塊。 n但面臨靈活性的問題但面臨靈活性的問題 n本課程關(guān)心算法和原理本課程關(guān)心算法和原理 4 注意，注意，DFE中的三個(gè)模塊并不是同時(shí)必須的中的三個(gè)模塊并不是同時(shí)必須的 AFEDFE 基帶處理基帶處理 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 前端前端 LO 正交數(shù)字正交數(shù)字 下變頻下變頻 采樣速率轉(zhuǎn)換采樣速率轉(zhuǎn)換基帶處理基帶處理 5 1）數(shù)字下變頻的分析）數(shù)字下變頻的分析 n上變頻（發(fā)射端）和下變頻（接收端）：是指上變頻（發(fā)射端）和下變頻（接收端）：是指

5、把信號(hào)搬移到更高和更低的頻率上。把信號(hào)搬移到更高和更低的頻率上。 n實(shí)現(xiàn)辦法：將信號(hào)與一個(gè)復(fù)旋轉(zhuǎn)向量相乘：實(shí)現(xiàn)辦法：將信號(hào)與一個(gè)復(fù)旋轉(zhuǎn)向量相乘： 式中，式中， 代表搬移的頻率。代表搬移的頻率。 n 可以是復(fù)信號(hào)，復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)部和虛部分可以是復(fù)信號(hào)，復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)部和虛部分 別稱做同相分量和正交分量。別稱做同相分量和正交分量。 2 ( )( ) c jf t ba x tx t e c f ( ) a x t 6 n由上下變頻模塊構(gòu)成的信號(hào)處理鏈由上下變頻模塊構(gòu)成的信號(hào)處理鏈 ADC 信道信道 xTx,BB(t) Re. xTx (t)xTx (t) xRx (t) xdig,BB(kT) Lo

6、( fc - fI) xdig, IF(kT) Lo fc Lo fI xRx, IF(t) 7 n這個(gè)信道可位于帶寬為這個(gè)信道可位于帶寬為Band的頻帶的頻帶(波段波段)內(nèi)的任內(nèi)的任 何位置，頻帶內(nèi)包含所需信道加上干擾鄰道。何位置，頻帶內(nèi)包含所需信道加上干擾鄰道。 帶寬帶寬B 感興趣信道感興趣信道 鄰道干擾鄰道干擾 - f c 0 f c-B/2 f c f c-B/2 n接收的信號(hào)形式接收的信號(hào)形式 看頻率下變頻看頻率下變頻 n經(jīng)過經(jīng)過ADC正交采樣，得到數(shù)字化的信號(hào)為：正交采樣，得到數(shù)字化的信號(hào)為： 2 , 1 ()()() 2 IF jfkT dig IFTx BBdig xkTxkT

7、 eakT 8 n將接收到的信號(hào)與相應(yīng)的指數(shù)函數(shù)相乘將接收到的信號(hào)與相應(yīng)的指數(shù)函數(shù)相乘 這樣，就可以得到所發(fā)射的信號(hào)這樣，就可以得到所發(fā)射的信號(hào) 的的 數(shù)字化形式。鄰道干擾可以通過信道化濾波器數(shù)字化形式。鄰道干擾可以通過信道化濾波器 來(lái)濾除。來(lái)濾除。 2 , 2 , ()() 1 ()() 2 IF IF jfkT dig BBdig IF jfKT Tx BBdig xkTxkT e xkTakT e , () Tx BB xkT 鄰道干擾鄰道干擾 n接收的信號(hào)形式接收的信號(hào)形式 看頻率下變頻看頻率下變頻 9 n如果如果ADC采用的中頻信號(hào)是實(shí)信號(hào)采用的中頻信號(hào)是實(shí)信號(hào) ，復(fù)，復(fù) 數(shù)相乘數(shù)相

8、乘 的實(shí)現(xiàn)：需要把復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)的實(shí)現(xiàn)：需要把復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí) 部和虛部當(dāng)做兩個(gè)單獨(dú)的實(shí)信號(hào)來(lái)處理。部和虛部當(dāng)做兩個(gè)單獨(dú)的實(shí)信號(hào)來(lái)處理。 n模擬下變頻實(shí)現(xiàn)方法模擬下變頻實(shí)現(xiàn)方法 2 , 2 , Re( )Re( )( )cos(2) Im( )Im( )( )sin(2) I I jf t Rx IFRxRxI jf t Rx IFRxRxI xtxt extf t xtxt extf t 結(jié)論：結(jié)論：實(shí)數(shù)下變頻可以利用接收到的實(shí)信號(hào)與余實(shí)數(shù)下變頻可以利用接收到的實(shí)信號(hào)與余 弦信號(hào)和正弦信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。弦信號(hào)和正弦信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ( ) Rx xt 2 I jf t e 10 n利用利用IIR振蕩

9、器產(chǎn)生數(shù)字正振蕩器產(chǎn)生數(shù)字正/余弦函數(shù)，可以節(jié)余弦函數(shù)，可以節(jié) 省查表開銷。其原理：省查表開銷。其原理：設(shè)一個(gè)傳遞函數(shù)為正弦設(shè)一個(gè)傳遞函數(shù)為正弦 序列序列sin(kT)，其其z變換變換 其中，其中，A = 2cosT，B = -1，C = sinT。設(shè)設(shè) 初始條件為初始條件為0，求出上式的反，求出上式的反Z變換得：變換得： yk=Ayk-1+Byk-2+Cxk-1 這是一個(gè)二階差分方程，其單位沖擊響應(yīng)即為這是一個(gè)二階差分方程，其單位沖擊響應(yīng)即為 sin(kT)。 1 12 ( ) 1 Cz H z AzBz 11 00 00 0 11 1 0 12 0 1 ( )sin() 2 111 211

10、 sin() 1 2cos() jnjn jj h nnee j jezez z zz ：當(dāng)：當(dāng)A=2cosT, B=-1, C=sinT時(shí)，差分時(shí)，差分 方程方程 yk=Ayk-1+Byk-2+ Cxk-1單位沖擊單位沖擊 響應(yīng)輸出為響應(yīng)輸出為sinT。 12 n利用利用CORDIC算法產(chǎn)生正余弦表，不但可以節(jié)省算法產(chǎn)生正余弦表，不但可以節(jié)省 查表，還可以節(jié)省乘法器。查表，還可以節(jié)省乘法器。 原理：利用復(fù)數(shù)的復(fù)相位旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。通過把復(fù)信原理：利用復(fù)數(shù)的復(fù)相位旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。通過把復(fù)信 號(hào)號(hào) 變換成對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)，并用變換成對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)，并用 旋旋 轉(zhuǎn)這些樣本，直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字上下變頻。轉(zhuǎn)這些樣本，直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字

11、上下變頻。 2 IF f kT , () dig IF xkT 13 nCORDIC算法的基本思想算法的基本思想 一種迭代算法，通過移位、累加和減法運(yùn)算可計(jì)一種迭代算法，通過移位、累加和減法運(yùn)算可計(jì) 算一個(gè)矢量旋轉(zhuǎn)了任意角度后的笛卡兒坐標(biāo)。算一個(gè)矢量旋轉(zhuǎn)了任意角度后的笛卡兒坐標(biāo)。 nCORDIC算法的用途算法的用途 各種三角函數(shù)計(jì)算；坐標(biāo)變換；通用矢量旋轉(zhuǎn)；各種三角函數(shù)計(jì)算；坐標(biāo)變換；通用矢量旋轉(zhuǎn)； 各種線性函數(shù)計(jì)算各種線性函數(shù)計(jì)算 14 將矢量將矢量v0 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) ，得到旋轉(zhuǎn)后矢量：，得到旋轉(zhuǎn)后矢量： 0 j e 00 00 Re Re cos()Im sin() Im Im cos()Re

12、 sin() 分別計(jì)算它的實(shí)部和虛部：分別計(jì)算它的實(shí)部和虛部： 00 00 Re 13 Re Im tan();,. cos()22 Im 13 Im Re tan();,. cos()22 整理化簡(jiǎn)：整理化簡(jiǎn)： 15 n對(duì)上式而言，直接進(jìn)行計(jì)算代價(jià)很高。對(duì)上式而言，直接進(jìn)行計(jì)算代價(jià)很高。COR- DIC算法思路：算法思路：利用較小角度的基本旋轉(zhuǎn)，通利用較小角度的基本旋轉(zhuǎn)，通 過迭代接近真正的角度過迭代接近真正的角度 的旋轉(zhuǎn)。的旋轉(zhuǎn)。 n將基本旋轉(zhuǎn)的角度選為將基本旋轉(zhuǎn)的角度選為i ，使，使 tan (i ) = 1/2 i （i = 1, 2, ）。則上式中的乘法可以用則上式中的乘法可以用 移

13、位運(yùn)算來(lái)代替。移位運(yùn)算來(lái)代替。 n為了把一個(gè)矢量為了把一個(gè)矢量 v0 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) ，其中，其中| /2 ， CORDIC算法要進(jìn)行一系列逐次遞減的基本旋算法要進(jìn)行一系列逐次遞減的基本旋 轉(zhuǎn)，基本的旋轉(zhuǎn)角度為轉(zhuǎn)，基本的旋轉(zhuǎn)角度為i 。 16 迭代過程可以用下面等式來(lái)描述（迭代過程可以用下面等式來(lái)描述（i = 0, 1 n-1） 1 1 1 2 2 arctan(2 ) 1 0 1 0 i iiii i iiii i iii i i i xxd y yyd x zzd z d z 時(shí) 時(shí) 0 0 0 Re() Im() Re() Im() o o nn nn xv yv z xv yv 17 2 c

14、os()1/ 12 i i 由由于于 000 000 1 2 0 cos()sin()Re cos()sin()Im 12 nnon nnon n i n i xAxzyzA v yAyzxzA v A 經(jīng)過經(jīng)過 n 次迭代得到結(jié)果：次迭代得到結(jié)果： 18 上式中，考慮了上式中，考慮了CORDIC的放大因子。所以的放大因子。所以 CORDIC的迭代結(jié)果是矢量旋轉(zhuǎn)后的放大形式。的迭代結(jié)果是矢量旋轉(zhuǎn)后的放大形式。 需要注意：需要注意：CORDIC算法有初始旋轉(zhuǎn)角度的限制。算法有初始旋轉(zhuǎn)角度的限制。 可以通過象限判定完成。可以通過象限判定完成。 19 n要實(shí)現(xiàn)高速迭要實(shí)現(xiàn)高速迭 代，可以對(duì)每代，可以

15、對(duì)每 級(jí)迭代用特定級(jí)迭代用特定 的硬件實(shí)現(xiàn)。的硬件實(shí)現(xiàn)。 nCORDIC算法算法 的這種實(shí)現(xiàn)所的這種實(shí)現(xiàn)所 需的總硬件量需的總硬件量 大約相當(dāng)于相大約相當(dāng)于相 應(yīng)字長(zhǎng)的應(yīng)字長(zhǎng)的3個(gè)個(gè) 乘法器。乘法器。 20 n傳統(tǒng)的并行多通道接收機(jī)數(shù)字模型是通過多個(gè)并傳統(tǒng)的并行多通道接收機(jī)數(shù)字模型是通過多個(gè)并 聯(lián)的單通道接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。聯(lián)的單通道接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 n在每個(gè)信道處理時(shí)通過先乘上載波搬移到零中頻，在每個(gè)信道處理時(shí)通過先乘上載波搬移到零中頻， 然后低通濾波進(jìn)行抽取得到各信道的數(shù)據(jù)流然后低通濾波進(jìn)行抽取得到各信道的數(shù)據(jù)流 單信道處理法單信道處理法 n單信道化法的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)涡诺阑ǖ膬?yōu)點(diǎn)： n信道完全獨(dú)立

16、，并可以具有不同的帶寬；系統(tǒng)信道完全獨(dú)立，并可以具有不同的帶寬；系統(tǒng) 的規(guī)?？梢院?jiǎn)單地通過增加和減少信道來(lái)控制；的規(guī)?？梢院?jiǎn)單地通過增加和減少信道來(lái)控制； 單個(gè)信道壞了不會(huì)影響其他信道。單個(gè)信道壞了不會(huì)影響其他信道。 21 )(X )( fA f 寬寬 帶帶 采采 樣樣 )(X 各各 個(gè)個(gè) 信信 道道 22 n顯然除顯然除 h h0 0 (n) (n) 可能是低通濾波器外，其他的數(shù)字可能是低通濾波器外，其他的數(shù)字 濾波器都是帶通濾波器或單邊帶濾波器。濾波器都是帶通濾波器或單邊帶濾波器。 h 0 (n) h1 (n) h M-1 (n) x (n) y0 (n) y1 (n) yK-1 (n)

17、M M M 23 n濾波器組就是把多個(gè)濾波器并行連接，用濾波器組就是把多個(gè)濾波器并行連接，用 于輸出信號(hào)的不同頻譜分量。于輸出信號(hào)的不同頻譜分量。 X ( f ) Y0 ( f ) Y1 ( f ) YD-1 ( f ) 0( ) Hf 0 ff 0( ) Hf 1 ff ( ) D Hf 1D f f 24 n如果這如果這 D D 個(gè)濾波器是把寬帶信號(hào)個(gè)濾波器是把寬帶信號(hào)x ( kT ) x ( kT ) 均分成均分成 D D 個(gè)子頻帶信號(hào)輸出，那么就把這種濾波器叫個(gè)子頻帶信號(hào)輸出，那么就把這種濾波器叫 做信道化濾波器。由于濾波器組中濾波器是復(fù)做信道化濾波器。由于濾波器組中濾波器是復(fù) 系數(shù)的

18、，稱為復(fù)信道化濾波器組。系數(shù)的，稱為復(fù)信道化濾波器組。 D/ () j D He 2+1+0D-1 D-2 0D/3D/D/3 25 n可以得到濾波器組的各個(gè)濾波器可以得到濾波器組的各個(gè)濾波器 D ni j lp nTj lpi t DT i j lp tj lpi D i j lp j i enhenhnh ethethth DieHeH 2 2 ) 2 ( )()()( )()()( , 2 , 1)( 0 0 n先設(shè)計(jì)一低通濾波先設(shè)計(jì)一低通濾波 器，如右圖所示：器，如右圖所示： 0 )( j lp eH D/2 26 n顯然以上濾波器組可以表示如下，這就是傳統(tǒng)顯然以上濾波器組可以表示如下

19、，這就是傳統(tǒng) 的并行處理算法實(shí)現(xiàn)框圖，其中：的并行處理算法實(shí)現(xiàn)框圖，其中： No Image ( ) LP Hn ( ) LP Hn 0 jn e 1 jn e x (n) y0(m) D D y1(m) ( ) LP Hn 1D jn e D yD-1(m) 1, 2 , 1 , 0/2DiDi i 27 n上面數(shù)字濾波器組和后面進(jìn)行的抽取可上面數(shù)字濾波器組和后面進(jìn)行的抽取可 以借助多相分解算法減少運(yùn)算量。以借助多相分解算法減少運(yùn)算量。 l D li j lp l iii D ni j lpi lnxelh lnxlhnhnxny enhnh )()( )()()()()( )()( 2 2

20、 抽取后：抽取后： l D li j lp mDn ii lmDxelhnymy)()()()( 2 28 nhlp (l )多相分解表示：多相分解表示： l = l*D +k，k = 0, 1, , D -1 代入： 1 0 2 * 1 0 * )(2 * * * * )()( )()()( D k D ki j l lp D kl D kDli j lpi ekDlmxkDlh kDlmDxekDlhmy )()( 1, 1 , 0)()()( * * * kmDxmx DkzkDlhzEl k l l lplpk n由定義可知有：由定義可知有： 29 n代入上面兩個(gè)定義式：代入上面兩個(gè)定義式： 1 0 2 , 1 0 2 * )( )()()( * D k D ki j ki D k D ki j l klpki emy elmxlmy * * )()( )()()( * * , l klpk l lpki lmxl kDlmxkDlhmy n其中：其中： 30 nElpk (z )為為hlp (l )多相表示，而多相表示，而xk (m)為為x (n) 的多的多 路延遲抽取的結(jié)果，因此處理結(jié)構(gòu)為：路延遲抽取的結(jié)果，因此處理結(jié)構(gòu)為： D 1 Z 1 Z )( 0 zE )( 1 zE )( 1 zED D D )( 0