高速中頻采樣和數(shù)字下變頻的研究

1、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博 士 學(xué) 位 論 文高速中頻采樣和數(shù)字下變頻的研究張 慶 民_王硯方 教授，安琪 教授_粒子物理與原子核物理_快 電 子 學(xué)_二年五月_論文完成時間_目 錄致謝.1摘要.2Abstract.4第一章 緒 論.6第一節(jié) 軟件無線電及其關(guān)鍵技術(shù).6第二節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器及其在無線電接收機中的應(yīng)用.9第三節(jié) 無線電接收機中的數(shù)字下變頻.14第二章 A/D 變換器的性能與性能指標(biāo).21第一節(jié) 信號的量化與量化噪聲.21第二節(jié) ADC的性能指標(biāo)27第三節(jié) 孔徑時間、孔徑時間晃動及其對ADC精度的影響36第三章 數(shù)字頻譜分析.42第一節(jié) 數(shù)字頻譜法的根本流程.42第二節(jié) 數(shù)字頻譜分析的根底

2、.42第三節(jié) 窗函數(shù)45第四節(jié) 選擇適宜的記錄長度M.48第五節(jié) 采樣頻率與信號頻率的選擇.50第六節(jié) 數(shù)字頻譜分析51第七節(jié) 譜平均53第八節(jié) 幾種“信噪比與有效位公式的說明56第四章 Dither的原理及其在ADC中的應(yīng)用58第一節(jié) Dither信號在ADC中的運用和開展歷史58第二節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的噪聲和失真59第三節(jié) Dither技術(shù)及其應(yīng)用65第四節(jié) 實現(xiàn)Dither的具體電路74第五章 ADC性能仿真77第一節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器的模型77第二節(jié) ADC仿真系統(tǒng).78第三節(jié) ADC仿真結(jié)果79第四節(jié) 仿真結(jié)果總結(jié)86第五節(jié) 仿真結(jié)果分析86第六章 中頻采樣電路的設(shè)計87第一節(jié) 高速

3、高精度A/D轉(zhuǎn)換器87第二節(jié) 模擬信號和采樣時鐘的耦合方式88第三節(jié) Dither信號的發(fā)生電路和接入方法93第四節(jié) 數(shù)字輸出信號的鎖定和驅(qū)動.96第五節(jié) 用于ADC性能測試的數(shù)字輸出接口板.97第六節(jié) AD6644采樣板的設(shè)計97第七節(jié) PCB板布局和走線的考慮.98第七章 高速高精度ADC的測試結(jié)果99第一節(jié) 測試條件.99第二節(jié) 根本測試結(jié)果101第三節(jié) 參加Dither后的測試結(jié)果103第四節(jié) 采樣頻率對ADC指標(biāo)的影響104第五節(jié) 輸入信號頻率對ADC指標(biāo)的影響105第六節(jié) 電源電壓對ADC指標(biāo)的影響106第七節(jié) 輸入信號幅度對ADC性能的影響106第八節(jié) 時鐘抖動對ADC性能的影響

4、107第九節(jié) ADC雙音互調(diào)的測試107第十節(jié) 前端電路對ADC指標(biāo)的影響108第十一節(jié) 測試結(jié)果分析108第八章 數(shù)控振蕩器與數(shù)字濾波器111第一節(jié) 數(shù)控振蕩器111第二節(jié) 線性相位FIR濾波器112第三節(jié) CIC濾波器122第九章 數(shù)字下變頻的設(shè)計125第一節(jié) 主要的數(shù)字下變頻芯片125第二節(jié) 數(shù)字I、Q復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計130第十章 數(shù)字I、Q復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的測試134第一節(jié) 測試原理134第二節(jié) 實際數(shù)字I/Q復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的測試138結(jié)束語141附 錄 無線電RF和IF信號模數(shù)變換中潛在的技術(shù)和方法1431 均勻量化1432. 率量化1443. 自適應(yīng)量化技術(shù)1464. 差分量化技術(shù)147參考

5、文獻150攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文153摘 要隨著數(shù)模轉(zhuǎn)換器硬件的快速開展和DSP處理能力及處理速度的逐步提高，軟件無線電技術(shù)在商用和軍用無線電通信領(lǐng)域也越來越顯示出其強大的吸引力。本文研究的高速中頻采樣和數(shù)字下變頻技術(shù)是目前蓬勃開展的軟件無線電領(lǐng)域的兩項關(guān)鍵技術(shù)。在論文的第一章介紹了軟件無線電的概念及其由來、軟件無線電的根本結(jié)構(gòu)和主要特點。隨后，總結(jié)了軟件無線電中的幾項關(guān)鍵技術(shù)，即信號的干擾、寬帶射頻天線、寬帶A/D/A、高速數(shù)字信號處理和高速總線和高速I/O接口；概括了A/D轉(zhuǎn)換器在無線電接收機中的應(yīng)用；并介紹了無線電接收機中的各種采樣方式：奈奎斯特采樣、過采樣、正交采樣和帶通采樣。又從

6、正確接收信號的角度出發(fā)，分析了用抗混疊濾波器濾除帶外能量，并且討論了量化噪聲、諧波失真和接收機噪聲之間的關(guān)系。最后，介紹了數(shù)字接收機的根本原理，并重點介紹了其中的數(shù)字下變頻局部，還比擬了幾種不同的數(shù)字下變頻芯片并對數(shù)字下變頻作一簡單總結(jié)。第二章從量化器的根本原理出發(fā)，分析了量化過程和ADC的輸入/輸出特性曲線，進而推導(dǎo)出ADC的量化噪聲、信噪比和有效位數(shù)。接著從ADC的傳遞函數(shù)的角度出發(fā)，定義了ADC的靜態(tài)性能指標(biāo)。因動態(tài)性能指標(biāo)是衡量高速高精度ADC的重要指標(biāo)，所以，本章還重點介紹了ADC的動態(tài)性能指標(biāo)。最后，分析了ADC的孔徑時間和孔徑誤差，由此推出孔徑抖動對ADC性能主要是SNR的影響。

7、第三章介紹了數(shù)字頻譜分析方法，分析了相干采樣和非相干采樣，由此提出用加窗的方法改善頻譜的泄漏。此外，還探討了如何選擇適宜的信號記錄長度以及采樣頻率和輸入信號頻率。最后，推導(dǎo)了各項ADC指標(biāo)的計算公式、譜平均算法，并對幾種常見的信噪比公式進行了說明。第四章是本文重要的一章。它回憶了dither在ADC中的應(yīng)用和開展歷史，分析了理想量化、相干采樣和ADC的非線性特性引起的諧波失真。接著介紹了dither的三種形式及其應(yīng)用方法，在分析諧波失真的根底上，分析了dither對ADC性能的影響，指出dither能改善因理想量化、相干采樣和ADC的非線性特性而造成的諧波失真，并對改善的機理作了說明。最后，列

8、舉了多種產(chǎn)生dither信號的方法和電路。第五章是關(guān)于ADC的性能仿真。在這一章里，首先分析了高速高精度ADC的結(jié)構(gòu)，在此根底上建立了一個ADC的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)這個模型開發(fā)了一個ADC仿真軟件。隨后，運用這個仿真系統(tǒng)仿真了白噪聲、窄帶Dither和時鐘抖動對ADC性能指標(biāo)的影響。仿真結(jié)果說明：dither可以對理想量化、相干采樣和ADC的非線性特性而造成的諧波失真有良好的改善作用。第六章探討了高速中頻采樣電路的設(shè)計，這也是本文中重要的一章。本章首先比擬了各種高性能的中頻采樣芯片，并特別介紹了AD6644芯片。針對這些高性能的ADC芯片，提出了各種模擬輸入信號和采樣時鐘的耦合方法。這一章還介紹

9、了dither電路的設(shè)計和dither信號的耦合、ADC輸出數(shù)據(jù)接口電路的設(shè)計考慮。最后，介紹了兩種用于分析研究高性能AD6644的電路設(shè)計，并對PCB的布局和走線進行了說明。第七章是對高性能A/D 轉(zhuǎn)換器AD6644的測試和結(jié)果測試分析。本章節(jié)介紹了測試根本框架結(jié)構(gòu)和測試必須具備的根本條件。隨后，測試了不同輸入頻率、不同采樣頻率、不同dither信號、不同模擬供電電壓等多種情況下AD6644的性能指標(biāo)。測試結(jié)果說明了各種條件下的ADC的性能指標(biāo)，同時驗證了ADC的仿真結(jié)果。在本章的最后對測試結(jié)果進行了分析。 第八章從理論上分析了數(shù)字下變頻中的數(shù)控振蕩器和數(shù)字濾波器，導(dǎo)出了FIR濾波器的頻率響

10、應(yīng)，提出了FIR濾波器的設(shè)計方法。最后，介紹了一種在數(shù)字下變頻中常用的一種特殊的FIR濾波器CIC濾波器。第九章介紹了數(shù)字下變頻系統(tǒng)的設(shè)計。本章首先介紹了常用的數(shù)字下變頻芯片，并對AD6620和GC1012A作了重點介紹。之后，介紹了一個基于GC1012A、用于雷達系統(tǒng)的數(shù)字復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的電路設(shè)計，同時分析了AD6620數(shù)字接收器電路板。最后，介紹了用FPGA來設(shè)計數(shù)字下變頻芯片的方法，并提出了一個基于FPGA的數(shù)字下變頻系統(tǒng)方案。第十章從IQ復(fù)解調(diào)的傳輸函數(shù)出發(fā)，介紹了數(shù)字I/Q復(fù)解調(diào)的測試原理和測試方法，說明并推導(dǎo)了專門用于測試I/Q復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的三個根本參數(shù)：幅度誤差、相位誤差和鏡像抑制比。

11、利用測試公式對設(shè)計的數(shù)字復(fù)解調(diào)系統(tǒng)進行了測試。測試結(jié)果說明：本文設(shè)計的數(shù)字復(fù)解調(diào)板到達設(shè)計目標(biāo)，超過了合同的要求。在最后的附錄里介紹了一些非均勻量化方法。盡管目前的技術(shù)還不能用這些方法來制造出高速的中頻采樣芯片，然而這些非線性壓縮算法在理論上確實能大大地改ADC的性能指標(biāo)，特別是SFDR指標(biāo)。這對無線電接收機來說是非常有意義的。這種技術(shù)必將被新一代ADC芯片所采用。Abstract As advances in technology provide increasingly faster and less expensive digital hardware, more of the trad

12、itionally analog functions of a radio receiver will be replaced with software or digital hardware. The software radio has show its fascinating functions in both commercial and military wireless communication. The high speed and high resolution analog-to-digital converter and digital down-converter w

13、hich are researched in this thesis are two of the key technologies in the field of software radio that is vigorously developing recently.In chapter one, the author makes a systematic exposition of the origin and concept of the software radio which includes the basic structure and main features of so

14、ftware radio, summarizes several key technologies of software radio, such as signal interference, wideband RF antenna, wideband A/D/A converter, high speed digital signal processing, high speed buses and high speed I/O. This chapter also brings in various sampling methods which involve Nyquist sampl

15、ing, undersampling, quadrature sampling and oversampling. The anti-aliasing filter and out of band energy are analyzed from the point of view about correctly receiving signal. At the same time, the effects of quantization noise, distortion and receiver noise are discussed. At the end of this chapter

16、, we clarify the basic concept of digital receiver and especially the digital down-converter, we also compare several different digital down-converter chips and simply summarize the digital down-converter.Base on the basic concept of quantizer, the quantization process and the input-output function

17、of the A/D converter are discussed in the chapter two. According to the transfer function of the A/D converter, we define the static specifications of it. The dynamic specifications are emphasized in this chapter because they are more important for high speed and resolution A/D converters. At last,

18、we analyze the aperture time and aperture error, and deduce the relationship between aperture jitter and SNR.The third chapter is about digital spectrum analysis. The coherent sampling and non-coherent sampling are discussed here. In addition, the windowing method is used to improve spectrum leakage

19、. The FFT length for analysis of signal and frequency rate of input signal and sampling clock are also discussed in this chapter. Further more, we expound several formulas for calculating A/D converters specification, and spectrum averaging method. We explain several common-used formulas for SNR &am

20、p; ENOB at the end of the chapter.The fourth chapter is an important one. The application and development of dither in A/D converter are reviewed at first. Then we elucidate three kinds of dither and their application. By analyzing the harmonic distortion of ideal quantizer, coherent sampling and DN

21、L of A/D converters, we investigate the effect of dither on A/D converter. We reach the conclusion that dither can improve the harmonic distortion caused by quantization, coherent sampling and DNL of A/D converters. We also explain the reason of such improvement and give a list of several methods an

22、d circuits for dither generation.The fifth chapter is concerning simulation of A/D converter. We probe into the structure of high speed and resolution A/D converter at first. Based on the structure of A/D converter, we set up a mathematics model of A/D converter and develop a simulation software sys

23、tem for A/D converter. By using this system to determine the effect of white noise, narrow-band dither and coherence sampling on A/D converters specifications, we obtain the simulation results that dither can improve greatly the harmonic distortion caused by quantization, coherent sampling and DNL o

24、f A/D converters.The design of high speed IF sampling is introduced in chapter six. This is also an important point of the thesis. We firstly illustrate several high performance chips for IF sampling and specially introduce AD6644. In order to use these chips perfectly, we suggest many methods for c

25、oupling analog input signal and encoding clock signal. In additional we introduce the circuit design of dither as well as coupling of dither. The design of A/D converters I/O interface is also considered. Lastly, two kinds design of evaluation board are mentioned and PCB consideration is included to

26、o.The seventh chapter is the testing result of AD6644 evaluation boards. At the first state, we introduce the test bench and test condition, and then the different testing results under the different conditions. The testing results match the theoretical analysis and simulation results. At last we ex

27、plain and analyze the testing results. In chapter eight, we interpret the numerical controlled oscillator (NCO) and digital filter. By deducing the frequency response of FIR filter, we recommend the design method of FIR filter. In the end, we set forth a special FIR filter which is often used in dig

28、ital down-converter -Cascaded Integrator Comb FIR Filter (CIC filter).The chapter nine presents the design of digital down-converter system. We first compare several different digital receiver chips and then emphasis on AD6620 and GC1012A, and we describe circuit design of digital down-converter boa

29、rd used in radar system. At the same time, we introduce AD6620 digital receiver board and a digital FIR filter design based on FPGA. Finally we give a scheme of digital down-converter system based upon FPGA.In tenth chapter, we introduce the test theory and test method by studying the transfer funct

30、ion of I/Q demodulation, and deduce the formulas for calculating three basic parameters for I/Q demodulation. We test our GC1012A digital down-converter system by these formulas, and the testing results show that our system meets the design requirement.The final appendix is regard to other potential

31、 non-uniform quantization methods employed in RF and IF digitization. Although these methods cant be used in current IF A/D converters, they may be found in the new generation of IF or RF ADCs, since they can improve ADCs specifications magnificently, especially for SFDR. 第一章 緒 論 本文研究的高速中頻采樣和數(shù)字下變頻技術(shù)

32、是目前蓬勃開展的軟件無線電領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。在本章中將介紹軟件無線電及其關(guān)鍵技術(shù)、無線電接收機中的A/D變換器和數(shù)字下變頻的根本原理。第一節(jié) 軟件無線電及其關(guān)鍵技術(shù)軟件無線電最初是在軍事通信中提出來的。未來高技術(shù)戰(zhàn)爭的指揮自動化體系要求通信保障具備協(xié)同、機動、保密、抗干擾和抗毀五種能力，而現(xiàn)在的無線電臺都是根據(jù)特定的用途進行設(shè)計的，存在著工作頻段、調(diào)制方式的差異，導(dǎo)致不同部隊以及同一部隊內(nèi)部不同軍事目的的電臺無法實現(xiàn)互通，形成了軍事通信裝備品種雜、系列多、互通差、協(xié)同難的局面，很難適應(yīng)未來海、陸、空三軍一體化作戰(zhàn)的需要。美國在1991年的海灣戰(zhàn)爭中也遇到同樣的問題，于是在戰(zhàn)后美國軍方和民間通

33、信科技人員開始研究解決方法。1992年5月，Joe Mitola在美國國家遠程系統(tǒng)會議上首次提出了“Software Radio的概念。希望用這種新技術(shù)來解決三軍無線電電臺多頻段、多工作方式的互通問題，并得到美國軍方的一致認(rèn)可。在民用方面，隨著通信技術(shù)的迅猛開展，新的通信體制與標(biāo)準(zhǔn)不斷提出，通信產(chǎn)品的生存周期減小，開發(fā)費用上升，導(dǎo)致以硬件為根底的傳統(tǒng)通信體無法適應(yīng)這種新局面。同時，不同的體制間互通的要求日趨強烈，并且隨著通信業(yè)務(wù)的不斷增長，無線頻譜變得越來越擠，對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻帶利用率及抗干擾能力提出了更高的要求。但是，沿著現(xiàn)有通信體制的開展，很難對頻帶重新規(guī)劃。同時，假設(shè)采用新的抗干擾方法

34、，也要求對現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做出很大的調(diào)整，代價很大。而軟件無線電那么提供了一種很好的解決方案。軟件無線電的根本思想是以硬件作為其通用的根本平臺，把盡可能多的無線及個人通信功能用軟件來實現(xiàn)。從而將無線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開發(fā)逐步轉(zhuǎn)移到軟件上來，其產(chǎn)值也在軟件上表達出來。其最終目的是使通信系統(tǒng)擺脫硬件布線結(jié)構(gòu)的束縛，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對通用和穩(wěn)定的情況下，通過軟件來實現(xiàn)各種功能，使系統(tǒng)的改良和升級都非常方便、代價小，同時不同系統(tǒng)之間很容易互連與兼容。 1-1-1 軟件無線電的根本結(jié)構(gòu) 理想的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1-1-1。軟件無線電的工作過程是在射頻(RF)或中頻(IF) 圖1-1-1 理想的軟件無線電

35、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對接收信號進行數(shù)字化，通過軟件編程來靈活實現(xiàn)各種寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字下變頻、調(diào)制解調(diào)、過失編碼、信令控制、信源編碼及加解密功能。在接收時，來自天線的信號經(jīng)過RF處理和變換，由寬帶A/D數(shù)字化，然后通過可編程數(shù)字信號處理器DSP模塊實現(xiàn)所需的各種信號處理，并將處理后數(shù)據(jù)送至多功能用戶終端；同樣，在發(fā)送時，通過類似接收信號處理的流程將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去。利用在線和離線軟件，可以實現(xiàn)通信環(huán)境的分析、管理以及業(yè)務(wù)和性能的升級。軟件無線電技術(shù)的主要特點是：靈活性：工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號接入方式和可編程調(diào)制方式等。所以可任意更換信道接入方式，改變調(diào)

36、制方式或接收不同系統(tǒng)的信號；可通過軟件工具來擴展業(yè)務(wù)、分析無線通信環(huán)境、定義所需增強的業(yè)務(wù)和實時環(huán)境測試，升級便捷。集中性：多個信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A變換器以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能。模塊化：模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標(biāo)符合開放標(biāo)準(zhǔn)，在硬件技術(shù)開展時，允許更換單個模塊，從而使軟件無線電保持較長的使用壽命。1-1-2 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)1 信號干擾由于射頻信號頻率高達幾個GHz，即使是中頻頻段的處理也達幾十MHz，因此，信號的干擾是一個非常嚴(yán)重的問題。現(xiàn)有系統(tǒng)所用的VME總線、基于PCI的總線或GuPPI接口，其抗干擾能力遠不能到達要求。為此，在靠近天線的RF段應(yīng)該

37、采取信號隔離和屏蔽措施。此頻段的抗干擾假設(shè)未處理好，那么系統(tǒng)根本無法工作。在IF頻段，除了選擇高質(zhì)量抗干擾力強的元件之外，更需要規(guī)劃好元件的布局和電路布線?？傊?，軟件無線電中的抗干擾技術(shù)應(yīng)該引起大家的注意，值得花大力氣來研究該領(lǐng)域中的特種抗干擾技術(shù)。2 寬帶射頻天線根據(jù)軟件無線電的概念，天線接收的信號應(yīng)該能夠橫跨1MHz 3GHz的頻段例如Speakeasy MBMMR跨2MHz 2GHz，歐洲ACTS FRIST使用100MHz2.3GHz?？紤]到天線的物理尺寸和增益等因素，這種寬帶天線跨3000倍頻程也許將來也不能實現(xiàn)。但現(xiàn)在需要這樣的天線，可以采用組合式多頻段天線。雖然各個頻段的天線所跨

38、的頻程不寬，但組合起來可以形成寬頻帶。而且，各個頻段的天線可以各自獨立地調(diào)節(jié)增益、信噪比等參數(shù)。3 寬帶A/D/A真正的軟件無線電能直接對RF段的信號進行處理。因此，希望A/D和D/A轉(zhuǎn)換器能直接置于天線端，射頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送數(shù)字信號處理局部。根據(jù) RF頻率和奈奎斯特采樣定理，要直接射頻采樣，ADC的最高采樣速率至少為6GHz。雖然有報道中提到有采樣速率為8GSa/s的ADC，但是，其分辨率還是比擬低，為8位?？梢姡壳盁o論是低分辨率還是高分辨率的ADC，都無法到達直接射頻采樣。如果考慮ADC的信噪比SNR、無偽波動態(tài)范圍SFDR和互調(diào)失真IMD等因素，就更無法實現(xiàn)直接射頻采樣

39、特別是高分辨率的ADC。信噪比SNR的公式如下： 1-1-1式1-1-1中，B為ADC的位數(shù)，fs 為采樣頻率。要獲得高信噪比SNR(dB)，就必須提高速率?？梢圆捎萌N來解決ADC的問題。一是使用高速低分辨的ADC多片，并聯(lián)連接。這樣，既利用了低分辨率ADC的轉(zhuǎn)換速度，同時又到達了轉(zhuǎn)換精度的要求。二是在天線端，連接射頻前端，將信號速度降低到ADC能夠到達的范圍。三是利用帶通濾波劃分頻帶，對于感興趣的頻段利用帶通采樣原理降低采樣頻率。后兩種方法使得軟件無線電系統(tǒng)的“軟件化程度有所降低。要徹底解決這個問題，還有待于硬件技術(shù)的突破。4 高速數(shù)字信號處理 要合理地構(gòu)建軟件無線電硬件系統(tǒng)，就需要預(yù)先估

40、計系統(tǒng)所需要的資源。它包括：數(shù)字信號處理能力、存儲容量及存儲類型分配、I/O處理能力等。其中的數(shù)字信號處理能力顯得尤為重要，它是構(gòu)建整體系統(tǒng)的根底。然而，數(shù)字信號處理能力的計算又與許多因素有關(guān)，難以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。假定數(shù)字信號處理可從中頻開始，依次處理基帶、比特流和信源段，可得信號處理需求為： 1-1-2式1-1-2中，Dif為IF段處理的需求；N是同時訪問該節(jié)點的最大可能用戶數(shù)；Dbb為基帶需求；Dbs 為比特流處理需求；Ds為信源段需求；最后Do 為管理開銷，它與信令系統(tǒng)、無線訪問網(wǎng)絡(luò)等因素有關(guān)。假定是GSM蜂窩移動系統(tǒng)，其頻率為25MHz，過采樣的速率為62 .5MHz，精度為10比特，

41、那么單是此項的速率就到達625Mbps。目前的數(shù)字信號處理器的速率如表1-1-1表示。表1-1-1 局部數(shù)字信號處理器的主要性能指標(biāo) 制造商 型 號 速 度位 數(shù)片內(nèi)ROM,RAM價格(USD)TITMS320C80200MOPS 120MFLOPS40/50MHz324K´8RAM4K´8ROM$270430MotorolaDSP56309100MIPS2420480´24TISM320C6201B1600MIPS8/16/321Mb>$612MotorolaDSP9600290MFLOPS60MHz322K Word RAM1K Word ROMS50由

42、此可見，雖然TI公司的DSP芯片速度能到達要求，但假設(shè)將中頻以后的處理需求也包括進來的話，那么也需注意其處理能力。其他DSP芯片顯然不能直接對此頻段進行處理。對此，可在系統(tǒng)中先使用信道隔離器和頻率變換器以及專用芯片對中頻段進行處理。對于中頻段以下各段，能滿足要求的DSP芯片就更多些。但是，當(dāng)把多個用戶的信號流復(fù)接到單片DSP芯片時，應(yīng)該注意其存儲器緩沖能力、總線帶寬、I/O速度以及接口間的數(shù)據(jù)傳輸率。當(dāng)要照顧到系統(tǒng)的性能價格比時，可以采用多片DSP芯片并行處理的方法。例如，Speakeasy就采用TI的Quad-C40 MCM模塊4片C40 DSP組成來提高系統(tǒng)的處理能力。 5高速總線和高速I

43、/O接口 系統(tǒng)的總線和I/O接口是軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，系統(tǒng)的開放性、靈活性、可重新配置能力和升級能力均與此有關(guān)。目前，由于VME總線是工業(yè)界開放的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、支持總線寬度1664位、有多達21個插槽供系統(tǒng)擴展，有很多廠家支持，因此，軟件無線電系統(tǒng)多采用VME總線。至于I/O接口，目前為人們所接受的是GuPPI接口，一種通用的基于PCI總線的I/O接口。GuPPI接口的原理圖如下圖1-1-2。它包括4個32位寬 FIFO，其中2個用于緩沖PCI總線 圖1-1-2 GuPPI接口和后臺總線的入/出數(shù)據(jù)流，另外2個用于保存總線主存儲器讀寫操作的頁面地址。圖中的PCI-PCI 橋用于電氣隔離，

44、EEPROM內(nèi)容允許用戶更改、允許軟件重配置。盡管VME總線和GuPPI接口有其優(yōu)點，能支持現(xiàn)有的某些應(yīng)用，但它們并不是專為軟件無線電設(shè)計的，因此，在軟件無線電中應(yīng)用必然存在其局限性。GuPPI接口號稱到達830930Mbps的傳輸率，但連續(xù)的數(shù)據(jù)速率卻達不到此指標(biāo)或不能保證此速率。這就可能產(chǎn)生I/O間數(shù)據(jù)流的抖動，對于有時間同步要求的系統(tǒng)來說，這是不能容忍的。再如，軟件無線電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流速率可高達幾個Gbps的速率，VME總線結(jié)構(gòu)要到達如此高的速率是有困難的。另外，GuPPI接口往往需要改造才能為特定的軟件無線電系統(tǒng)所應(yīng)用。況且，軟件無線電急需它自己的開放的、可伸縮的、能軟件配置的通用高速

45、總線和接口。這一步極其重要，一旦實現(xiàn)，必將對軟件無線電產(chǎn)生深遠影響，大大促進軟件無線電技術(shù)的開展。就象PC機一樣，一旦有了自己的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)功能的擴展、配置的更改，只需增減符合接口標(biāo)準(zhǔn)的插件板或應(yīng)用軟件就行了。由于軟件無線電中有許多關(guān)鍵的技術(shù)，本文不能一一加以討論。在本論文中將重點討論和研究在無線電接收機中所要用到的中頻采樣ADC和數(shù)字下變頻技術(shù)。第二節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器及其在無線電接收機中的應(yīng)用 隨著技術(shù)的進步，出現(xiàn)許多更快、更廉價的硬件，使得傳統(tǒng)無線電接收機中的模擬方法被軟件和數(shù)字硬件所替代。無線電接收機的最終目標(biāo)是直接射頻采樣從而使整個接收機的功能由軟件或數(shù)字硬件來完成。接收機的開展趨勢和目標(biāo)

46、是使數(shù)字化部件有更高的頻率和更寬的頻帶，從而更加靠近接收天線。這種接收機將廣泛應(yīng)用于蜂窩 及其基站、個人通信系統(tǒng)PCS中。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC是這種無線電接收機中的一個關(guān)鍵部件。圖2-1-1顯示了ADC在射頻圖2-1-1 ADC的應(yīng)用或中頻寬帶數(shù)字化中的應(yīng)用。ADC的電路特性決定了ADC的關(guān)鍵指標(biāo)，例如：采樣/保持電路決定了ADC的精度和線性；采樣時鐘的抖動將增加噪聲；量化器決定了ADC的分辨率；輸出緩沖器決定了輸出速率等。本節(jié)將討論在無線電接收機中ADC的一些關(guān)鍵指標(biāo)，討論對ADC的要求；實際ADC存在的問題及其局限性。1-2-1采樣方式和模擬濾波對無線電接收機來說，在射頻或中頻采樣中，采樣過程

47、就是一個非常重要的環(huán)節(jié)。被采信號的內(nèi)容取決于采樣時鐘速率和模擬輸入通道的帶寬。常規(guī)的采樣技術(shù)是等間隔采樣，包括奈奎斯特采樣；過采樣；正交采樣；帶通采樣也被稱為欠采樣或下變換采樣。非等間距采樣也存在，不過不在這里介紹見附錄。當(dāng)一個連續(xù)的模擬信號被均勻地采樣時， 原始信號的頻譜F(f )按照采樣頻率的整數(shù)倍周期地重復(fù)。這是采樣的固有特性并且不可防止。這個現(xiàn)象由圖1-2-1來說明。圖1-2-1(a)是原始信號F(f )的頻譜，圖1-2-1(b)是采樣后的頻譜Fs(f )，這里采樣頻率fs = 2fmax (信號帶寬)。圖1-2-1 采樣前及采樣后信號的頻譜1-2-2奈奎斯特采樣按照采樣定理，被采信號

48、應(yīng)該是一個有限帶寬的信號信號的最大頻率分量為fmax,采樣率至少是模擬信號帶寬的兩倍2fmax。這樣就確保原始信號可以由采樣信號重建。模擬信號最大頻率分量的兩倍采樣速率被稱為奈奎斯特采樣速率。圖1-2-1(b)顯示的是一個有限帶寬信號在奈奎斯特采樣頻率fs=2fmax下的頻譜圖。請注意采樣后的頻譜Fs(f)中的模擬信號F(f)的頻譜并不重疊。當(dāng)采樣頻率增大時，模擬信號F(f)的頻譜仍然重復(fù)地出現(xiàn)在采樣后的頻譜Fs(f)中，而且相間的距離也增大，如圖1-2-1(c)所示。以大于或等于奈奎斯特采樣頻率來采樣一個有限帶寬的信號就能確保頻譜重疊也稱混疊、折疊不會發(fā)生，確保原始模擬信號可以被重建。1-2

49、-3帶外能量奈奎斯特采樣會帶來兩個實際問題：一是如何確定一個實際信號的頻率；二是在ADC前加模擬濾波器。理論上一個有限帶寬信號定義為在某一頻率以上沒有頻率成分。而對于一個實際的信號，如無線電接收機的射頻輸入信號，它幾乎具有所有的頻率成分。確定所有的頻率成分中的有用局部是很重要的。實際上無用信號成分和有用信號成分相對幅度是重要的。在無線電接收機中當(dāng)以奈奎斯特頻率來采樣中頻或射頻信號時，無用信號大于1/2采樣頻率的成分就會折疊到有用信號中從而使有用信號發(fā)生畸變，如下圖1-2-2。圖1-2-2a顯示了具有無用和有用頻率成分的模擬信號頻譜。如果采樣頻率是有用信號最高頻率fd的兩倍，采樣后的信號頻譜如圖

50、1-2-2(b)所示。注意這里發(fā)生了頻譜混疊，無用信號的頻譜折疊到有用信號的頻譜中，這就導(dǎo)致信號重建時的畸變。圖1-2-2 信號的頻譜(a) 有用信號和無用信號的頻譜 (b)采樣率為 fs=2fd時的頻譜這一效應(yīng)提出了一個重要的問題：超過1/2采樣頻率的信號幅度是多大時，由頻譜混疊產(chǎn)生的畸變超過由ADC非線性產(chǎn)生的畸變而主宰ADC的性能？ADC的非線性會在ADC的輸出頻譜中產(chǎn)生寄生響應(yīng)，當(dāng)混疊到奈奎斯特域DC到1/2奈奎斯特采樣頻率的頻率成分超過由ADC非線性產(chǎn)生的最大寄生響應(yīng)時，這是混疊畸變超過由ADC非線性產(chǎn)生的畸變。所以，因混疊而出現(xiàn)在奈奎斯特域的無用信號必須小于最大的ADC非線性畸變。

51、換句話說，對ADC輸出頻譜畸變的主要奉獻者應(yīng)該是ADC的非線性而不是頻譜混疊。這是非常根本的要求?；诟鞣N無線電接收機的具體情況，這種要求容易被滿足。要滿足這種要求就必須知道有用信號能容忍多大的畸變；奈奎斯特域的有用信號和超過奈奎斯特域無用信號的頻率成分和帶寬是如何影響信號的畸變的。要答復(fù)這一問題就必須了解特定的通信系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，如信號的類型語言、數(shù)據(jù)、視頻等；有用信號的帶寬；調(diào)制和編碼技術(shù)；無用信號的特性帶寬、功率、信號類型；最后是評估被接收的有用信號質(zhì)量的準(zhǔn)那么。1-2-4可實現(xiàn)的反混疊濾波器ADC前端的濾波器和定義的帶寬密切相關(guān)，而帶寬又和信號成分相關(guān)。濾波器相當(dāng)于一個信號處理環(huán)節(jié)把某些頻率成分濾除。必須注意，有用信號和無用信號都出現(xiàn)在濾波器之前，濾波器對不同的信號有不同的衰減。有了這個概念，就能決定被數(shù)字化信號的真正頻譜。奈奎斯特采樣對濾波器的要求是不切合實際的。理想情況下，ADC前的反混疊濾波器應(yīng)該讓截止頻率前的所有頻率分量通過，而對截止頻率后的頻率分量的衰減為無窮大。奈奎斯特采樣要求濾波器在1/2采樣頻率處有一個直角的衰減曲線，而實際的濾波器的頻率響應(yīng)是從截止頻率逐步過度到阻帶的。因此，對于給定截止頻率的實際濾波器來說，兩倍于截止頻率的采樣一定會產(chǎn)生頻譜折疊。濾波器的過渡帶越陡、阻帶衰減越大，由于頻譜折疊而產(chǎn)生的畸變就越小。一般來說，濾波器的過渡帶越陡、阻帶衰減越大，其