寬帶數(shù)字接收機技術(shù)ppt課件

1、寬帶數(shù)字接收機技術(shù)數(shù)字接收機的概念l理想的數(shù)字接收機可以用以下一段話來描述：“前端的ADC對天線的全頻段進行高速數(shù)字化，所有的處理工作全在后續(xù)的高速DSP上進行，采用數(shù)字信號處理的各種高分辨率算法，實時地得到所需的全部信息?！边@就是數(shù)字接收機的發(fā)展方向?qū)拵?、高速實時信號處理。數(shù)字接收機盡量減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的模擬環(huán)節(jié)，利用數(shù)字信號處數(shù)字接收機盡量減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的模擬環(huán)節(jié)，利用數(shù)字信號處理技術(shù)來處理理技術(shù)來處理ADC輸出數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)。圖圖 1 1 數(shù)字接收機實現(xiàn)框圖數(shù)字接收機實現(xiàn)框圖引言引言面臨的問題面臨的問題高速高速ADC采錄大量的數(shù)據(jù)采錄大量的數(shù)據(jù)現(xiàn)有的高速現(xiàn)有的高速DSP的工作速率大約的工作

2、速率大約比比ADC的采樣速率低的采樣速率低12個數(shù)個數(shù)量級。量級。圖圖 1 1 數(shù)字接收機實現(xiàn)框圖數(shù)字接收機實現(xiàn)框圖降數(shù)據(jù)率降數(shù)據(jù)率主要方法就是降低高速主要方法就是降低高速ADC的輸出數(shù)據(jù)率，的輸出數(shù)據(jù)率，使之與高速使之與高速DSP的處理速度相匹配。降數(shù)的處理速度相匹配。降數(shù)據(jù)率的前提是保證信號信息不丟失。這樣據(jù)率的前提是保證信號信息不丟失。這樣，可以將如圖，可以將如圖 1 1所示的數(shù)字接收機結(jié)構(gòu)所示的數(shù)字接收機結(jié)構(gòu)改為如圖改為如圖 2 1所示的結(jié)構(gòu)：所示的結(jié)構(gòu)：圖圖 2 1數(shù)字接收機實現(xiàn)框圖數(shù)字接收機實現(xiàn)框圖 帶通采樣帶通采樣接收信號相對于整個頻段為一個窄帶信號，如果按照經(jīng)典接收信號相對于整

3、個頻段為一個窄帶信號，如果按照經(jīng)典的香農(nóng)抽樣定理來抽取信號，即其中為帶通信號的上的香農(nóng)抽樣定理來抽取信號，即其中為帶通信號的上限頻率），必然造成系統(tǒng)資源的浪費，在極高的情況下限頻率），必然造成系統(tǒng)資源的浪費，在極高的情況下也沒有能夠達到這個速率的也沒有能夠達到這個速率的ADC，即使，即使ADC的速度達的速度達到了要求，后續(xù)到了要求，后續(xù)DSP也無法實時處理如此龐大的數(shù)據(jù)。也無法實時處理如此龐大的數(shù)據(jù)。如果把信號處理的頻段集中在帶通信號的帶寬之內(nèi)，而如果把信號處理的頻段集中在帶通信號的帶寬之內(nèi)，而不是在整個監(jiān)視頻段內(nèi)，就可以大大降低數(shù)據(jù)率，這樣不是在整個監(jiān)視頻段內(nèi)，就可以大大降低數(shù)據(jù)率，這樣就引

4、入了帶通采樣理論。就引入了帶通采樣理論。帶通采樣帶通采樣cffH(f)經(jīng)典采樣理論所要處理的頻段帶通采樣理論所要處理的頻段0BsF /2sF：ADC采樣率圖圖 2 2 經(jīng)典采樣與帶通采樣的比較經(jīng)典采樣與帶通采樣的比較帶通采樣帶通采樣帶通采樣能大量縮減處理的數(shù)據(jù)量，而且實現(xiàn)較帶通采樣能大量縮減處理的數(shù)據(jù)量，而且實現(xiàn)較為簡單。為簡單。前提：數(shù)據(jù)的中心頻率是已知的。前提：數(shù)據(jù)的中心頻率是已知的。未知情況下：未知情況下：通過短時數(shù)據(jù)測頻估計得到帶通信號的中心頻率通過短時數(shù)據(jù)測頻估計得到帶通信號的中心頻率，將這個估計頻率作為帶通采樣的引導頻率，將這個估計頻率作為帶通采樣的引導頻率，通過帶通采樣定理得到二

5、次采樣率，從而達到通過帶通采樣定理得到二次采樣率，從而達到降低數(shù)據(jù)率的目的。降低數(shù)據(jù)率的目的。均勻帶通采樣定理均勻帶通采樣定理工程上將帶通信號作為一種帶限信號作如下定義：cd(t)Re m(t)exp(j2 (f t)如果m(t)的頻譜B0, fM(f)20, 其他cBf2則d(t)稱為中心頻率為，帶寬為B的帶通信號。cf（2.1）（2.2）帶通均勻采樣定理帶通均勻采樣定理對于式對于式2.1所定義的帶通信號所定義的帶通信號1采樣率滿足如下條件時不會出現(xiàn)信號的頻譜混疊采樣率滿足如下條件時不會出現(xiàn)信號的頻譜混疊： ， （2.3） f i x ：向下取整向下取整其中其中 ， 和和 分別是帶通信號的下

6、限和上限頻分別是帶通信號的下限和上限頻率。率。N=1對應的是低通采樣的情況；對應的是低通采樣的情況；或者或者 , （2.4） ，K=0對應的是低通采樣的情況；對應的是低通采樣的情況； 90-100Muls2f2ffNN 1umaxf1NfixNBNZlfufuls2f2ffK1Klmaxf0KfixKBKZ重構(gòu)重構(gòu)對于對于(2.3)或或(2.4) 確定的采樣率，對應的重構(gòu)公式為確定的采樣率，對應的重構(gòu)公式為 (2.5)scnfsin(tnT)2d(t)2d(nT)cos2 f (tnT)(tnT)其中其中 ,對于對于(2.3) s1Tfscf1f(N)22對于對于(2.4)scf1f(K)22

7、帶通采樣的優(yōu)勢帶通采樣的優(yōu)勢 帶通均勻采樣定理說明，對于帶通信號，并帶通均勻采樣定理說明，對于帶通信號，并不一定需要采樣率大于信號最高頻率分量的兩不一定需要采樣率大于信號最高頻率分量的兩倍。對于窄帶信號，只要采用比信號中心頻率倍。對于窄帶信號，只要采用比信號中心頻率小得多的采樣率，就能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的無混疊小得多的采樣率，就能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的無混疊采樣。采樣。多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣帶通均勻采樣理論只適用于單信號情帶通均勻采樣理論只適用于單信號情況，在空間同時有多個信號到達時，況，在空間同時有多個信號到達時，必須尋找新的解決方案。面對同時到必須尋找新的解決方案。面對同時到達信號

8、，可以采取以下兩種措施：達信號，可以采取以下兩種措施：ReTurner.D多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣1在帶通采樣之前對同時到達的每個帶通信號進在帶通采樣之前對同時到達的每個帶通信號進行帶通濾波處理，然后分別進行帶通采樣和重行帶通濾波處理，然后分別進行帶通采樣和重構(gòu)，也就是將同時到達的帶通信號當成多個單構(gòu)，也就是將同時到達的帶通信號當成多個單信號來處理。實現(xiàn)方法如圖信號來處理。實現(xiàn)方法如圖 2 3所示：所示：帶通濾波器1帶通濾波器2帶通濾波器NN個帶通信號同時到達帶通信號N帶通信號2帶通信號1帶通采樣，重構(gòu)帶通采樣，重構(gòu)帶通采樣，重構(gòu)圖圖 2 3 用分別濾波的方法對多信號帶通采

9、樣用分別濾波的方法對多信號帶通采樣多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣2改造帶通均勻采樣定理。 使其能夠同時對多個帶通信號進行欠采樣并能夠準確恢復原信號。這就是下面將要介紹的內(nèi)容。 假設(shè)N個實帶通信號，它們的邊界滿足：l1u1l2u2lNuNffffffiuiliBff ,i1,2,N（2.6）多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@2N個邊帶重新個邊帶重新作如下命名：作如下命名：1LuN1uLN2Lu(N 1)2uL(N 1)(2N)LLN(2N)uuNff,ff;ff,ff;ff,ff; （2.7）任取兩個邊帶任取兩個

10、邊帶(這里假設(shè)是第這里假設(shè)是第i個和第個和第j個個)，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣任取兩個邊帶任取兩個邊帶(這里假設(shè)是第這里假設(shè)是第i個和第個和第j個個)，與單信，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出號的帶通直接采樣類似，可以推導出i,jjuiLjLiusjijifffffk1k其中其中 jLiujimaxsminff0kfixKfNsminii 1f2B多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@2N個邊帶重新個邊帶重新作如下命名：作如下命

11、名：1LuN1uLN2Lu(N 1)2uL(N 1)(2N)LLN(2N)uuNff,ff;ff,ff;ff,ff; （2.7）任取兩個邊帶任取兩個邊帶(這里假設(shè)是第這里假設(shè)是第i個和第個和第j個個)，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導出多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣i,jjuiLjLiusjijifffffk1k其中其中 jLiujimaxsminff0kfixKfNsminii 1f2B（2.8）多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣 這樣第這樣第1個邊帶與其余個邊帶與其余2N-1個邊帶共有個邊帶共有2N-1組組如式的不等式約束，

12、如式的不等式約束， 第第2個邊帶與第個邊帶與第3(2N-1)個邊帶共有個邊帶共有2N-3組如組如式的不等式約束式的不等式約束(第第2個邊帶無需與第個邊帶無需與第2N個邊帶個邊帶產(chǎn)生約束，因為根據(jù)實帶通信號的對稱性，這產(chǎn)生約束，因為根據(jù)實帶通信號的對稱性，這相當于第相當于第1個邊帶與第個邊帶與第2N-1個邊帶產(chǎn)生的約束個邊帶產(chǎn)生的約束)依此類推，依此類推，2N個邊帶共有個邊帶共有 個如式的不等個如式的不等式約束。式約束。 將這所有個區(qū)間求交集，就是所需的的合理取將這所有個區(qū)間求交集，就是所需的的合理取值范圍。值范圍。2N多信號情況下的帶通采樣多信號情況下的帶通采樣 因為缺少降數(shù)據(jù)率前的帶通濾波，

13、降因為缺少降數(shù)據(jù)率前的帶通濾波，降數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率(抽取抽取)后信噪比將惡化。后信噪比將惡化。 同時由于的取值范圍是多個單獨信號同時由于的取值范圍是多個單獨信號采樣率范圍的交集，必然使的范圍變小采樣率范圍的交集，必然使的范圍變小，從而使降數(shù)據(jù)率的倍數(shù)相對于各個單，從而使降數(shù)據(jù)率的倍數(shù)相對于各個單信號降低。信號降低。帶通采樣的優(yōu)缺點l優(yōu)點優(yōu)點l 目前，帶通采樣理論已經(jīng)廣泛目前，帶通采樣理論已經(jīng)廣泛運用于通信接收等領(lǐng)域。對于中運用于通信接收等領(lǐng)域。對于中心頻率和帶寬已知的窄帶信號，心頻率和帶寬已知的窄帶信號，利用帶通采樣理論能夠在無損信利用帶通采樣理論能夠在無損信號信息的情況下大大降低信號數(shù)號信息的情

14、況下大大降低信號數(shù)據(jù)率，有利于對信號的實時處理據(jù)率，有利于對信號的實時處理。帶通采樣的優(yōu)缺點l缺點：需要先驗知識缺點：需要先驗知識l 有人試圖將帶通采樣理論引有人試圖將帶通采樣理論引入到電子戰(zhàn)接收機中來。但是入到電子戰(zhàn)接收機中來。但是在電子對抗領(lǐng)域，由于在電子對抗領(lǐng)域，由于ADC采采集的敵方信號是非合作信號，集的敵方信號是非合作信號，事前沒有對信號的中心頻率和事前沒有對信號的中心頻率和帶寬的任何先驗知識，也就無帶寬的任何先驗知識，也就無法確定一個合理的二次采樣率法確定一個合理的二次采樣率來進行降數(shù)據(jù)率處理。來進行降數(shù)據(jù)率處理。l 文獻提出了短時數(shù)據(jù)測頻文獻提出了短時數(shù)據(jù)測頻算法來快速得到信號頻

15、率參數(shù)算法來快速得到信號頻率參數(shù)，但在，但在ADC采樣率極高采樣率極高(GHz)的情況下，很難找到能實時準的情況下，很難找到能實時準確得到信號頻率參數(shù)的有效算確得到信號頻率參數(shù)的有效算法。法。帶通采樣的優(yōu)缺點l缺點：面對同時到達信號缺點：面對同時到達信號 l 面對同時到達信號，帶通面對同時到達信號，帶通采樣也缺乏完善的解決方案采樣也缺乏完善的解決方案：以增加設(shè)備量為代價顯然：以增加設(shè)備量為代價顯然會增大設(shè)計成本；通過多帶會增大設(shè)計成本；通過多帶通信號的采樣定理確定的采通信號的采樣定理確定的采樣率可以回避這個問題，但樣率可以回避這個問題，但會使降數(shù)據(jù)率倍數(shù)降低，同會使降數(shù)據(jù)率倍數(shù)降低，同時無法克

16、服抽取帶來的信噪時無法克服抽取帶來的信噪比惡化這一問題。比惡化這一問題。 數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻的主要思想是在中頻采樣對ADC的輸出數(shù)據(jù)進行數(shù)字正交混頻，用正交的兩個中頻本振把信號頻譜搬移到基帶，然后通過低通濾波器濾除數(shù)字混頻時產(chǎn)生的本振的二次諧波，再進行抽取以滿足后續(xù)DSP實時處理的要求。 這種方法目前在軟件無線電中被廣泛使用，其具體實現(xiàn)如圖 2 4所示：數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻低通濾波低通濾波抽取抽取0cosn0sinnx(n)Qx (m)Ix (m)圖圖 2 4 數(shù)字下變頻方案框圖數(shù)字下變頻方案框圖數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻信號經(jīng)信號經(jīng)A/ D A/ D 變換后可表示為變換后可表示為 0

17、x ( n) = A cos n +n（2.9）經(jīng)混頻器得到經(jīng)混頻器得到0000 x (n)cos n=Acos n+ (n)cos n=A/2cos2n+ (n)+A/2cos (n) 0000 x (n)sin n = Acos n+ (n)sin n=A/2sin2n+ (n)-A/2sin (n) （2.10）（2.11）再經(jīng)過數(shù)字低通濾波器后就可以得到基帶信號的再經(jīng)過數(shù)字低通濾波器后就可以得到基帶信號的I、Q分量。分量。 數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻-具體實現(xiàn)具體實現(xiàn) 圖圖 2 5 數(shù)字下變頻的一種具體實現(xiàn)數(shù)字下變頻的一種具體實現(xiàn)對于低通濾波的運算，可以采用各種高效濾波器來提高系統(tǒng)的運算實時

18、性，圖 2 5所示結(jié)構(gòu)是一種數(shù)字下變頻的具體實現(xiàn)方案，這種方案目前被廣泛應用于各種專用的數(shù)字下變頻芯片中。CICCICNCOHFHFFIRFIR0cosn0sinnx(n)Qx (m)Ix (m)數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻-具體實現(xiàn)具體實現(xiàn)數(shù)字下變頻方案框圖中的低通濾波器位于抽取之前，其速度難以滿足實時濾波要求，采用如上圖中CIC級聯(lián)積分梳狀濾波器）、HF半帶濾波器和普通FIR濾波器級聯(lián)的形式，可以大大降低對每一級濾波器階數(shù)的要求，同時由于CIC和HF濾波器的特殊結(jié)構(gòu)，能有效地降低對于運算量的要求。CIC濾波器圖 2 6 CIC濾波器DZ-1Z-1-1-1x(n)y(m)H1(Z)H2(Z)圖圖 2

19、 6 CIC濾波器濾波器CIC濾波器CIC濾波器無乘法運算，其運算速度相當可觀，其幅頻響應為jDH esinsin22（2.12）10倍抽取的CIC濾波器幅頻響應圖如圖 2 7所示。CIC濾波器圖 2 7 CIC濾波器的幅頻響應CIC濾波器DZ-1-1x(n)y(m)Z-1-1Z-1-1Z-1-1圖圖 2 8 級聯(lián)級聯(lián)CIC濾波器濾波器一 級一 級 C I C 濾 波 器 的 第 一 旁 瓣 衰 減 為濾 波 器 的 第 一 旁 瓣 衰 減 為13.46dB，為降低旁瓣電平，可以采樣級，為降低旁瓣電平，可以采樣級聯(lián)的形式，聯(lián)的形式，n級級CIC濾波器的第一旁瓣衰減濾波器的第一旁瓣衰減為為n*

20、13.46dB。其實現(xiàn)如圖。其實現(xiàn)如圖 2 8所示所示：半帶濾波器半帶濾波器半帶濾波器的沖激響應h(k)除了h(0)以外，其余偶數(shù)點均為0，所以其計算量相對于相同階數(shù)的普通FIR濾波器，要減少一半。其幅頻特性如圖 2 9所示：jH(e )j()H(e)11/20cA/2圖 2 9 半帶濾波器幅頻特性數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：1濾波器易于實現(xiàn)；濾波器易于實現(xiàn)；2能得到正交的兩路信號，能得到正交的兩路信號，可以快速得到信號的幅度、相位、頻率等信息，：可以快速得到信號的幅度、相位、頻率等信息，：22a(m)I (m) Q (m)Q(m

21、)(m)arctanI(m)f(m)(m)(m 1)I(m)f(m)(m)a(m)Q(m)I(m)Q(m)圖圖 2 10 由正交輸出得到信號各項信息由正交輸出得到信號各項信息數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點3技術(shù)成熟，已經(jīng)在軟件無線電中得到廣泛應用，并技術(shù)成熟，已經(jīng)在軟件無線電中得到廣泛應用，并已 有 專 門 的 數(shù) 字 芯 片 推 出 ， 如已 有 專 門 的 數(shù) 字 芯 片 推 出 ， 如 i n t e r s i l 公 司 的公 司 的HSP50214、HSP50216等。等。數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點數(shù)字下變頻的主要局限在于數(shù)字下變頻的主要局限在于NCO及乘法器直接工

22、作在及乘法器直接工作在ADC的高速輸出數(shù)據(jù)率下，在的高速輸出數(shù)據(jù)率下，在ADC采樣率非常高的情況采樣率非常高的情況下難以實現(xiàn)實時運算。目前市場上專用的數(shù)字下變頻芯片下難以實現(xiàn)實時運算。目前市場上專用的數(shù)字下變頻芯片， 最 高 工 作 頻 率 也 只 有， 最 高 工 作 頻 率 也 只 有 1 5 0 M H z A D I 公 司 ：公 司 ：AD6636）。在）。在ADC輸出數(shù)據(jù)率達到幾百兆字節(jié)每秒甚輸出數(shù)據(jù)率達到幾百兆字節(jié)每秒甚至至GHz級別的時候，前端的乘法器和級別的時候，前端的乘法器和NCO無法實現(xiàn)實時無法實現(xiàn)實時的運算。已有文獻提出了一種基于多相濾波技術(shù)的高效數(shù)的運算。已有文獻提出了一種基于多相濾波技術(shù)的高效數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)無法處理同時到達信號。字下變頻結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)無法處理同時到達信號。缺點缺點1 速度的限制速度的限制數(shù)字下變頻的