寬帶數(shù)字接收機(jī)技術(shù)

寬帶數(shù)字接收機(jī)技術(shù)第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字接收機(jī)的概念理想的數(shù)字接收機(jī)可以用以下一段話來描述：“前端的ADC對(duì)天線的全頻段進(jìn)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(jìn)行，采用數(shù)字信號(hào)處理的各種高分辨率算法，實(shí)時(shí)地得到所需的全部信息。”這就是數(shù)字接收機(jī)的發(fā)展方向——寬帶、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理。數(shù)字接收機(jī)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(hào)處理技術(shù)來處理ADC輸出數(shù)據(jù)。圖1?1數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日引言面臨的問題高速ADC采錄大量的數(shù)據(jù)現(xiàn)有的高速DSP的工作速率大約比ADC的采樣速率低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。圖1?1數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日降數(shù)據(jù)率主要方法就是降低高速ADC的輸出數(shù)據(jù)率，使之與高速DSP的處理速度相匹配。降數(shù)據(jù)率的前提是保證信號(hào)信息不丟失。這樣，可以將如圖1?1所示的數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)改為如圖2?1所示的結(jié)構(gòu)：圖2?1數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖

第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣接收信號(hào)相對(duì)于整個(gè)頻段為一個(gè)窄帶信號(hào)，如果按照經(jīng)典的香農(nóng)抽樣定理來抽取信號(hào)，即（其中為帶通信號(hào)的上限頻率），必然造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，在極高的情況下也沒有能夠達(dá)到這個(gè)速率的ADC，即使ADC的速度達(dá)到了要求，后續(xù)DSP也無法實(shí)時(shí)處理如此龐大的數(shù)據(jù)。如果把信號(hào)處理的頻段集中在帶通信號(hào)的帶寬之內(nèi)，而不是在整個(gè)監(jiān)視頻段內(nèi)，就可以大大降低數(shù)據(jù)率，這樣就引入了帶通采樣理論。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣圖2?2經(jīng)典采樣與帶通采樣的比較第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣帶通采樣能大量縮減處理的數(shù)據(jù)量，而且實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。前提：數(shù)據(jù)的中心頻率是已知的。未知情況下：通過短時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)頻估計(jì)得到帶通信號(hào)的中心頻率，將這個(gè)估計(jì)頻率作為帶通采樣的引導(dǎo)頻率，通過帶通采樣定理得到二次采樣率，從而達(dá)到降低數(shù)據(jù)率的目的。第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日均勻帶通采樣定理工程上將帶通信號(hào)作為一種帶限信號(hào)作如下定義：如果m(t)的頻譜則d(t)稱為中心頻率為，帶寬為B的帶通信號(hào)。（2.1）（2.2）第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通均勻采樣定理對(duì)于式（2.1）所定義的帶通信號(hào)1．采樣率滿足如下條件時(shí)不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的頻譜混疊： ， （2.3）

fix：向下取整其中，和分別是帶通信號(hào)的下限和上限頻率。N=1對(duì)應(yīng)的是低通采樣的情況；或者, （2.4），K=0對(duì)應(yīng)的是低通采樣的情況；90-100M第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日重構(gòu)對(duì)于(2.3)或(2.4)確定的采樣率，對(duì)應(yīng)的重構(gòu)公式為(2.5)其中,對(duì)于(2.3)對(duì)于(2.4)第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)勢(shì)帶通均勻采樣定理說明，對(duì)于帶通信號(hào)，并不一定需要采樣率大于信號(hào)最高頻率分量的兩倍。對(duì)于窄帶信號(hào)，只要采用比信號(hào)中心頻率小得多的采樣率，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的無混疊采樣。第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣帶通均勻采樣理論只適用于單信號(hào)情況，在空間同時(shí)有多個(gè)信號(hào)到達(dá)時(shí)，必須尋找新的解決方案。面對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)，可以采取以下兩種措施：ReTurner.D第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣1．在帶通采樣之前對(duì)同時(shí)到達(dá)的每個(gè)帶通信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，然后分別進(jìn)行帶通采樣和重構(gòu)，也就是將同時(shí)到達(dá)的帶通信號(hào)當(dāng)成多個(gè)單信號(hào)來處理。實(shí)現(xiàn)方法如圖2?3所示：圖2?3用分別濾波的方法對(duì)多信號(hào)帶通采樣第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)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(shí)對(duì)多個(gè)帶通信號(hào)進(jìn)行欠采樣并能夠準(zhǔn)確恢復(fù)原信號(hào)。這就是下面將要介紹的內(nèi)容。假設(shè)N個(gè)實(shí)帶通信號(hào)，它們的邊界滿足：（2.6）第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@2N個(gè)邊帶重新作如下命名：（2.7）任取兩個(gè)邊帶(這里假設(shè)是第i個(gè)和第j個(gè))，與單信號(hào)的帶通直接采樣類似，可以推導(dǎo)出第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣任取兩個(gè)邊帶(這里假設(shè)是第i個(gè)和第j個(gè))，與單信號(hào)的帶通直接采樣類似，可以推導(dǎo)出其中

第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@2N個(gè)邊帶重新作如下命名：（2.7）任取兩個(gè)邊帶(這里假設(shè)是第i個(gè)和第j個(gè))，與單信號(hào)的帶通直接采樣類似，可以推導(dǎo)出第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣其中（2.8）第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣這樣第1個(gè)邊帶與其余2N-1個(gè)邊帶共有2N-1組如式的不等式約束，第2個(gè)邊帶與第3～(2N-1)個(gè)邊帶共有2N-3組如式的不等式約束(第2個(gè)邊帶無需與第2N個(gè)邊帶產(chǎn)生約束，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)帶通信號(hào)的對(duì)稱性，這相當(dāng)于第1個(gè)邊帶與第2N-1個(gè)邊帶產(chǎn)生的約束)……依此類推，2N個(gè)邊帶共有個(gè)如式的不等式約束。將這所有個(gè)區(qū)間求交集，就是所需的的合理取值范圍。第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號(hào)情況下的帶通采樣

因?yàn)槿鄙俳禂?shù)據(jù)率前的帶通濾波，降數(shù)據(jù)率(抽取)后信噪比將惡化。同時(shí)由于的取值范圍是多個(gè)單獨(dú)信號(hào)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(duì)于各個(gè)單信號(hào)降低。第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)目前，帶通采樣理論已經(jīng)廣泛運(yùn)用于通信接收等領(lǐng)域。對(duì)于中心頻率和帶寬已知的窄帶信號(hào)，利用帶通采樣理論能夠在無損信號(hào)信息的情況下大大降低信號(hào)數(shù)據(jù)率，有利于對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：需要先驗(yàn)知識(shí)有人試圖將帶通采樣理論引入到電子戰(zhàn)接收機(jī)中來。但是在電子對(duì)抗領(lǐng)域，由于ADC采集的敵方信號(hào)是非合作信號(hào)，事前沒有對(duì)信號(hào)的中心頻率和帶寬的任何先驗(yàn)知識(shí)，也就無法確定一個(gè)合理的二次采樣率來進(jìn)行降數(shù)據(jù)率處理。文獻(xiàn)提出了短時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)頻算法來快速得到信號(hào)頻率參數(shù)，但在ADC采樣率極高(GHz)的情況下，很難找到能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確得到信號(hào)頻率參數(shù)的有效算法。第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：面對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)

面對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)，帶通采樣也缺乏完善的解決方案：以增加設(shè)備量為代價(jià)顯然會(huì)增大設(shè)計(jì)成本；通過多帶通信號(hào)的采樣定理確定的采樣率可以回避這個(gè)問題，但會(huì)使降數(shù)據(jù)率倍數(shù)降低，同時(shí)無法克服抽取帶來的信噪比惡化這一問題。第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻的主要思想是在中頻采樣對(duì)ADC的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字正交混頻，用正交的兩個(gè)中頻本振把信號(hào)頻譜搬移到基帶，然后通過低通濾波器濾除數(shù)字混頻時(shí)產(chǎn)生的本振的二次諧波，再進(jìn)行抽取以滿足后續(xù)DSP實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)如圖2?4所示：第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻圖2?4數(shù)字下變頻方案框圖第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻信號(hào)經(jīng)A/D變換后可表示為（2.9）經(jīng)混頻器得到（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(hào)的I、Q分量。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻---具體實(shí)現(xiàn)圖2?5數(shù)字下變頻的一種具體實(shí)現(xiàn)對(duì)于低通濾波的運(yùn)算，可以采用各種高效濾波器來提高系統(tǒng)的運(yùn)算實(shí)時(shí)性，圖2?5所示結(jié)構(gòu)是一種數(shù)字下變頻的具體實(shí)現(xiàn)方案，這種方案目前被廣泛應(yīng)用于各種專用的數(shù)字下變頻芯片中。第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻---具體實(shí)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(shí)時(shí)濾波要求，采用如上圖中CIC（級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器）、HF（半帶濾波器）和普通FIR濾波器級(jí)聯(lián)的形式，可以大大降低對(duì)每一級(jí)濾波器階數(shù)的要求，同時(shí)由于CIC和HF濾波器的特殊結(jié)構(gòu)，能有效地降低對(duì)于運(yùn)算量的要求。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器圖2?6CIC濾波器圖2?6CIC濾波器第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器CIC濾波器無乘法運(yùn)算，其運(yùn)算速度相當(dāng)可觀，其幅頻響應(yīng)為（2.12）10倍抽取的CIC濾波器幅頻響應(yīng)圖如圖2?7所示。第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器圖2?7CIC濾波器的幅頻響應(yīng)第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器圖2?8級(jí)聯(lián)CIC濾波器一級(jí)CIC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(jí)聯(lián)的形式，n級(jí)CIC濾波器的第一旁瓣衰減為n*13.46dB。其實(shí)現(xiàn)如圖2?8所示：第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日半帶濾波器半帶濾波器的沖激響應(yīng)h(k)除了h(0)以外，其余偶數(shù)點(diǎn)均為0，所以其計(jì)算量相對(duì)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：圖2?9半帶濾波器幅頻特性第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1．濾波器易于實(shí)現(xiàn)；2．能得到正交的兩路信號(hào)，可以快速得到信號(hào)的幅度、相位、頻率等信息，：圖2?10由正交輸出得到信號(hào)各項(xiàng)信息第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)3．技術(shù)成熟，已經(jīng)在軟件無線電中得到廣泛應(yīng)用，并已有專門的數(shù)字芯片推出，如intersil公司的HSP50214、HSP50216等。第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)字下變頻的主要局限在于NCO及乘法器直接工作在ADC的高速輸出數(shù)據(jù)率下，在ADC采樣率非常高的情況下難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算。目前市場(chǎng)上專用的數(shù)字下變頻芯片，最高工作頻率也只有150MHz（ADI公司：AD6636）。在ADC輸出數(shù)據(jù)率達(dá)到幾百兆字節(jié)每秒甚至GHz級(jí)別的時(shí)候，前端的乘法器和NCO無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的運(yùn)算。已有文獻(xiàn)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(shí)到達(dá)信號(hào)。缺點(diǎn)1速度的限制第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)與帶通采樣一樣，數(shù)字下變頻需要得到信號(hào)的中心頻率，這樣才能確定NCO產(chǎn)生的本振頻率，而在ADC采樣率極高的情況下，很難找到能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地得到信號(hào)頻率參數(shù)的有效算法。缺點(diǎn)2需要先驗(yàn)知識(shí)第三十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日結(jié)論1

帶通采樣技術(shù)與數(shù)字下變頻技術(shù)在面對(duì)合作信號(hào)時(shí)，能有效地降低數(shù)據(jù)率，有利于后續(xù)DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。