第四章_軟件無線電的硬件實現(xiàn)

1、第四章第四章 軟件無線電的軟件無線電的 硬件實現(xiàn)硬件實現(xiàn) 軟件無線電硬件平臺的基本結構軟件無線電硬件平臺的基本結構 模擬前端模擬前端 寬帶寬帶A/D和和D/A 數字上下變頻器數字上下變頻器 高速數字信號處理器高速數字信號處理器 模擬前端模擬前端寬帶寬帶A/D 數字下變數字下變 頻器頻器DSP處處 理器理器 數字上數字上 變頻器變頻器 寬帶寬帶D /A 4.1 軟件無線電前端電路軟件無線電前端電路 主要任務：主要任務： （1 1）把接收到的信號變換至適合）把接收到的信號變換至適合A/D轉轉 換器處理的信號頻率和電平范圍內。換器處理的信號頻率和電平范圍內。 （2）把寬帶）把寬帶D/A轉換器的輸出信

2、號轉換至轉換器的輸出信號轉換至 能被其他電臺接收的頻率和電平范圍能被其他電臺接收的頻率和電平范圍。 根據軟件無線電的結構不同，前端電路根據軟件無線電的結構不同，前端電路 的結構不同。的結構不同。 傳統(tǒng)模擬接收機的前端電路 特點：模擬器件使用較多；濾波器中心頻率特點：模擬器件使用較多；濾波器中心頻率 和帶寬通常固定；接收通道中使用較多的窄和帶寬通常固定；接收通道中使用較多的窄 帶濾波器，使得信號幅相畸變較大。帶濾波器，使得信號幅相畸變較大。 帶通帶通 濾波濾波 低噪聲低噪聲 放大放大 窄帶窄帶 濾波濾波 中放中放 （窄帶）（窄帶） 窄帶窄帶 濾波濾波 中放中放 （窄帶）（窄帶） 一本振一本振 （

3、小步進）（小步進） AGC 二本振二本振 中頻數字化接收機前端 較較前一種結構有較大改善，帶通濾波器和放前一種結構有較大改善，帶通濾波器和放 大器都是寬帶的，而且一本振的頻率是大步大器都是寬帶的，而且一本振的頻率是大步 進的，實現(xiàn)較方便。進的，實現(xiàn)較方便。 帶通帶通 濾波濾波 低噪聲低噪聲 放大放大 寬帶寬帶 濾波濾波 一中放一中放 (寬帶寬帶) 寬帶寬帶 濾波濾波 二中放二中放 (寬帶寬帶) 一本振一本振 （大步進）（大步進） AGC 二本振二本振 射頻數字化結構 本本結構簡潔明了，隨著結構簡潔明了，隨著A/D器件的發(fā)展，這種器件的發(fā)展，這種 結構性能將不斷提高。射頻前端的接收部分結構性能將

4、不斷提高。射頻前端的接收部分 主要由濾波器、放大器、混頻器、振蕩器、主要由濾波器、放大器、混頻器、振蕩器、 AGC控制等組成。控制等組成。 收收/ /發(fā)發(fā)電調濾波電調濾波放大放大A/DA/D DSPDSP 放大放大 A/DA/D 射頻前端的典型器件介紹射頻前端的典型器件介紹 濾波器濾波器 放大器放大器 鏡像抑制鏡像抑制 中頻信號的線性化中頻信號的線性化 AGC設計設計 4.1.1 軟件無線電中的電調濾波器軟件無線電中的電調濾波器 電調濾波器的主要技術指標：電調濾波器的主要技術指標： 頻段頻段: 1.5 - 4MHz；4 - 10MHz； 10 - 30MHz；30 - 90MHz； 90 -

5、200MHz；200 - 700MHz； 400 - 700MHz；700 - 1000MHz; 輸入輸出阻抗：輸入輸出阻抗：50 濾波器通帶帶覺：中心頻率的濾波器通帶帶覺：中心頻率的2一一5； 軟件無線電中的電調濾波器軟件無線電中的電調濾波器 電調濾波器的主要技術指標：電調濾波器的主要技術指標： 插入損耗：插入損耗：6dB； 調諧碼：調諧碼：8 bits： 調諧速度：調諧速度：10 us ( 30MHz以上）以上） 30dB帶寬 )( fH 軟件無線電中的電調濾波器軟件無線電中的電調濾波器 電調濾波器的應用：電調濾波器的應用： 調諧碼：調諧碼： 11 250ffffC hdd 電調濾波器連接

6、：電調濾波器連接： 電調濾波器電調濾波器 電調濾波器電調濾波器 電調濾波器電調濾波器 電電 子子 開開 關關 控制控制 4.1.2 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 電放大器的工作模式：電放大器的工作模式： 由于軟件無線電的接收通道是寬帶的，有時由于軟件無線電的接收通道是寬帶的，有時 甚至是寬開的，通帶內的信號可能有很多，甚至是寬開的，通帶內的信號可能有很多， 因此，在軟什無線電中不能用非線性放大器、因此，在軟什無線電中不能用非線性放大器、 而只能用線性放大器。否則就會引起許多非而只能用線性放大器。否則就會引起許多非 線性產物。線性產物。 寬帶放大器中常用前饋寬帶放大器中常用前饋 (F

7、eedforward) 和反和反 饋饋 (Feedback) 兩種技術。前者主要用于提兩種技術。前者主要用于提 高放大器的雜波等指標，而反饋用于提高放高放大器的雜波等指標，而反饋用于提高放 大器的穩(wěn)定性和帶寬指標。大器的穩(wěn)定性和帶寬指標。 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 電放大器的主要技術指標：電放大器的主要技術指標： 工作頻率范圍：工作頻率范圍：指放大器滿足各級指標的指放大器滿足各級指標的 工作頻率范圍。放大器實際的工作頻率范工作頻率范圍。放大器實際的工作頻率范 圍可能會大于定義的工作頻率范圍。圍可能會大于定義的工作頻率范圍。 功率增益：功率增益：指放大器輸出功率和輸入功率指放大器

8、輸出功率和輸入功率 的比值，單位常用的比值，單位常用“dB”。 增益平坦度：增益平坦度：指在一定溫度下，在整個工指在一定溫度下，在整個工 作頻率范圍內，放大器增益變化的范圍。作頻率范圍內，放大器增益變化的范圍。 增益平坦度由下式表示增益平坦度由下式表示: G=（Gmax-Gmin）/2 dB 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 放大器增益窗：放大器增益窗：寬帶放大器的增益定義采寬帶放大器的增益定義采 用增益窗的定義方法（不含窄帶功率放大用增益窗的定義方法（不含窄帶功率放大 器），是根據放大器允許的最大增益器），是根據放大器允許的最大增益 Gmax，放大器允許的最小增益，放大器允許的最小增

9、益Gmin，放，放 大器的增益波動大器的增益波動G等三個增益指標對放等三個增益指標對放 大器的增益允許的波動和變化范圍作明確大器的增益允許的波動和變化范圍作明確 定義。定義。 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 噪聲系數：噪聲系數：噪聲系數是指輸入端信噪比與放噪聲系數是指輸入端信噪比與放 大器輸出端信噪比的比值，單位常用大器輸出端信噪比的比值，單位常用“dB”。 噪聲系數由下式表示：噪聲系數由下式表示： NF = 10 lg 輸入端信噪比輸入端信噪比/輸出端信噪比輸出端信噪比 在放大器的噪聲系數比較低（例如在放大器的噪聲系數比較低（例如NF1） 的情況下，通常放大器的噪聲系數用噪聲溫的情

10、況下，通常放大器的噪聲系數用噪聲溫 度（度（T）來表示。噪聲系數與噪聲溫度的關）來表示。噪聲系數與噪聲溫度的關 系為：系為： T=（NF-1）T0 或或 NF=T/T0+1 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 輸入輸入/輸出駐波比：輸出駐波比：微波放大器通常設計或微波放大器通常設計或 用于用于50阻抗的微波系統(tǒng)中，輸入阻抗的微波系統(tǒng)中，輸入/輸出駐波輸出駐波 表示放大器輸入端阻抗和輸出端阻抗與系統(tǒng)表示放大器輸入端阻抗和輸出端阻抗與系統(tǒng) 要求阻抗要求阻抗(50)的匹配程度。的匹配程度。 VSWR = (1 + | ) / (1-| ) ； 其中反射系數其中反射系數= ( Z-Z0 )/(

11、Z+Z0 )；Z為放為放 大器輸入或輸出端的實際阻抗；大器輸入或輸出端的實際阻抗；ZO為需要為需要 的系統(tǒng)阻抗。的系統(tǒng)阻抗。 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 1分貝壓縮點輸出功率（分貝壓縮點輸出功率（P1dB）：）：放大器有放大器有 一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內放大器的一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內放大器的 輸出功率隨輸入功率線性增加，這兩個功率輸出功率隨輸入功率線性增加，這兩個功率 之比就是功率增益之比就是功率增益G。隨著輸入功率的繼續(xù)。隨著輸入功率的繼續(xù) 增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不 再隨輸入功率的增加而線性增加，也就是說，再隨輸

12、入功率的增加而線性增加，也就是說， 其輸出功率低于小信號增益所預計的值。通其輸出功率低于小信號增益所預計的值。通 常把增益下降到比線性增益低常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出時的輸出 功率值定義為輸出功率的功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用壓縮點，用 P1dB表示。表示。 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 典型情況下，當功率超過典型情況下，當功率超過P1dBP1dB時，增益將時，增益將 迅速下降并達到一個最大的或完全飽和的迅速下降并達到一個最大的或完全飽和的 輸出功率，其值比輸出功率，其值比P1dBP1dB大大3-4dB3-4dB。

13、軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 三階截點（三階截點（IP3）：）：測量放大器的非線性特測量放大器的非線性特 性性的一個頗為流行的方法，是利用兩個相距的一個頗為流行的方法，是利用兩個相距 5到到10MHz的的f1、f2信號信號加到一個放大器上，加到一個放大器上， 此時放大器的輸出不僅包含了這兩個信號，此時放大器的輸出不僅包含了這兩個信號， 而且也包含了頻率為而且也包含了頻率為 mf1 + nf2 的互調分量的互調分量 （IM）。這里稱。這里稱m+n為互調分量的階數。為互調分量的階數。 在中等飽和電平時，通常起支配作用的是最在中等飽和電平時，通常起支配作用的是最 接近基音頻率的三階分量接

14、近基音頻率的三階分量。三階截點（。三階截點（IP3） 來表征互調畸變很嚴重是的輸入電平。三階來表征互調畸變很嚴重是的輸入電平。三階 截點功率的典型值比截點功率的典型值比P1dB高高10-12dB。 軟件無線電中的放大器軟件無線電中的放大器 三階截點（三階截點（IP3）：）：IP3可以通過測量可以通過測量IM3得得 到，計算公式為：到，計算公式為：IP3 = PSCL + IM3/2； 其中其中PSCL 單載波功率；如三階互調點已知，單載波功率；如三階互調點已知， 則基波與三階互調抑制比與三階互調點的雜則基波與三階互調抑制比與三階互調點的雜 散電平可由下式估計散電平可由下式估計： 基波與三階互調

15、抑制比基波與三階互調抑制比 = 2 IP3-(PIN+G) 三階互調雜散電平三階互調雜散電平 =3（PIN+G）-2IP3 4.1.3 前饋放大器前饋放大器 前饋放大器原理可用下圖來描述。該放大器由環(huán)路前饋放大器原理可用下圖來描述。該放大器由環(huán)路 1 和環(huán)路和環(huán)路2 組成。對于雙頻信號通過非線性放大器組成。對于雙頻信號通過非線性放大器 時所產生的失真，可以通過前饋對消。時所產生的失真，可以通過前饋對消。 4.2 軟件無線電中的軟件無線電中的A/D/A技術技術 軟件無線電的基本思想就是讓模擬電路軟件無線電的基本思想就是讓模擬電路 盡量簡單，將盡量簡單，將A/D和和D/A盡量靠近射頻前盡量靠近射頻

16、前 端。端。 要求要求A/D器件具有適中的采樣速率和很高器件具有適中的采樣速率和很高 的工作帶寬。的工作帶寬。 本部分主要討論如何本部分主要討論如何A/D、D/A轉換器實轉換器實 現(xiàn)軟件無線電中的?，F(xiàn)軟件無線電中的模/數和數數和數/模變換。模變換。 4.2.1 A/D轉換器原理 A/D轉換器轉換器功能功能: 將模擬電壓成正比地轉將模擬電壓成正比地轉 換成數字量換成數字量 A/D UI 輸入模擬電壓輸入模擬電壓 D7D0 輸出數字量輸出數字量 0 5V 00000000 11111111 分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/ 每每1個最低有效位個最低有效位 A/D轉換器原理 ADCADC

17、工作過程與結構工作過程與結構 A/D電電 路路 模擬模擬 輸入輸入 三態(tài)門三態(tài)門 數字數字 輸出輸出 寄存器寄存器 精密穩(wěn)精密穩(wěn) 壓電源壓電源 電源電源 主機讀取主機讀取 命令命令 時序控時序控 制電路制電路 A/D轉換命令轉換命令 （來自主機）（來自主機） 轉換完成信號轉換完成信號 由主機檢測由主機檢測 或申請中斷或申請中斷 A/D 轉換器轉換器 4.2.2 A/D轉化器的性能指標 轉換靈敏度轉換靈敏度 信噪比（信噪比（SNR） 有效轉換位數（有效轉換位數（ENOB） 孔徑誤差孔徑誤差 無雜散動態(tài)（無雜散動態(tài)（SFDR） 非線性誤差非線性誤差 互調失真（互調失真（Intermodulatio

18、n Distortion） 總諧波失真（總諧波失真（Total Harmonic Distortion） 4.2.3 A/D轉換器的選擇 A/D轉換器選擇原則轉換器選擇原則 1）采樣速率選擇）采樣速率選擇 2）采用分辨率較好的）采用分辨率較好的A/D器件器件 3）一般說來）一般說來A/D轉換位數越高越好轉換位數越高越好 4）根據環(huán)境條件選擇）根據環(huán)境條件選擇A/D轉換芯片的環(huán)轉換芯片的環(huán) 境參數境參數 5）根據接口特征選擇適合的）根據接口特征選擇適合的A/D轉換器轉換器 輸出狀態(tài)輸出狀態(tài) A/D轉換器分類基于變換原理轉換器分類基于變換原理 1）逐次比較式）逐次比較式 2）并行式）并行式A/D轉

19、換器轉換器 3） ADC轉換器轉換器 4）采樣）采樣ADC 5）電子雪堆技術）電子雪堆技術ADC 典型的典型的A/D轉換器轉換器 參見書參見書P112115 常見的常見的AD轉換器件的結構。轉換器件的結構。 A/D轉換器的選擇 4.2.4 數據采集模塊的設計（略）數據采集模塊的設計（略） 參見書參見書P115118各部分電路的設計。各部分電路的設計。 A/D 轉換器轉換器 轉換完成信號轉換完成信號 采樣采樣/ 保持器保持器 模擬模擬 輸入輸入 讀取數據命令讀取數據命令 計算機計算機 接口接口 A/D板板 A/D轉換命令轉換命令 4.2.5 DA轉換器的基本原理轉換器的基本原理 D/A功能功能:

20、 將數字量成正比地轉換成模擬量將數字量成正比地轉換成模擬量 D/A n = 4位位 8位位 10位位 12位位 16位位 n位位 數字量數字量 模擬量模擬量 05V或或 010V 輸入輸入4位二進制數位二進制數 輸出輸出 模擬模擬 電壓電壓 S0S3: 模擬電子開關模擬電子開關 D=0, S倒向地倒向地 D=1, S倒向倒向VREF 電阻網絡電阻網絡 求和運算放大器求和運算放大器 VREF 2R2R2R2R2R RRR 2R S0S1 S2S3 精密參精密參 考電壓考電壓 D0D1D2D3 3R 3R/2 UO 4.3 軟件無線電中的數字下軟件無線電中的數字下/上上 變頻器變頻器 在超外差式軟

21、件無線電接收機中，數字下在超外差式軟件無線電接收機中，數字下 變頻變頻 DDC 技術是核心技術之一。數字下變技術是核心技術之一。數字下變 頻器的組成結構：數字混頻器，數字控制振頻器的組成結構：數字混頻器，數字控制振 蕩器蕩器NCO和低通濾波器。和低通濾波器。 高抽取高抽取 濾波器濾波器 高抽取高抽取 濾波器濾波器 FIR格格 式式 轉轉 換換 NCO x(n) FIR 軟件無線電中的數字下軟件無線電中的數字下/上變頻器上變頻器 由由NCO產生兩路正交信號做混頻用，產生兩路正交信號做混頻用，NCO 可以通過直接數字合成技術可以通過直接數字合成技術 DDS 實現(xiàn)。其實現(xiàn)。其 基本原理框圖見下?；驹砜驁D見下。 Nbit 相位累加器 ROM 正弦查詢表 時鐘信號時鐘信號fc 頻率控制碼頻率控制碼 Nbit Mbit 從原理上講，從原理上講，DDC與模擬下變頻實現(xiàn)相同與模擬下變頻實現(xiàn)相同 的功能，不過其實現(xiàn)是通過數字運算來進的功能，不過其實現(xiàn)是通過數字運算來進 行的。行的。 影響數字下變頻性能的主要因素：影響數字下變頻性能的主要因素： （1）表示數字本振、輸入信號以及混頻乘）表示數字本振、輸入信號以及混頻乘 法運算的樣本數值的有限字長所引起的誤法運算的樣本數值的有限字長所引起