第四章軟件無線電的硬件實現(xiàn)

第四章軟件無線電的硬件實現(xiàn)第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電硬件平臺的基本結(jié)構(gòu)模擬前端寬帶A/D和D/A數(shù)字上下變頻器高速數(shù)字信號處理器模擬前端寬帶A/D數(shù)字下變頻器DSP處理器數(shù)字上變頻器寬帶D/A第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三§4.1軟件無線電前端電路主要任務(wù)：（1）把接收到的信號變換至適合A/D轉(zhuǎn)換器處理的信號頻率和電平范圍內(nèi)。（2）把寬帶D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號轉(zhuǎn)換至能被其他電臺接收的頻率和電平范圍。根據(jù)軟件無線電的結(jié)構(gòu)不同，前端電路的結(jié)構(gòu)不同。第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三傳統(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。帶通濾波低噪聲放大窄帶濾波中放（窄帶）窄帶濾波中放（窄帶）一本振（小步進）AGC二本振第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三中頻數(shù)字化接收機前端較前一種結(jié)構(gòu)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進的，實現(xiàn)較方便。帶通濾波低噪聲放大寬帶濾波一中放(寬帶)寬帶濾波二中放(寬帶)一本振（大步進）AGC二本振第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三射頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)本結(jié)構(gòu)簡潔明了，隨著A/D器件的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)性能將不斷提高。射頻前端的接收部分主要由濾波器、放大器、混頻器、振蕩器、AGC控制等組成。收/發(fā)電調(diào)濾波放大A/DDSP放大A/D第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三射頻前端的典型器件介紹濾波器放大器鏡像抑制中頻信號的線性化AGC設(shè)計第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.1.1軟件無線電中的電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)：頻段:1.5-4MHz；4-10MHz；10-30MHz；30-90MHz；90-200MHz；200-700MHz；400-700MHz；700-1000MHz;輸入輸出阻抗：50Ω濾波器通帶帶覺：中心頻率的2％一5％；第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)：插入損耗：＜6dB；調(diào)諧碼：8bits：調(diào)諧速度：10us(30MHz以上）30dB帶寬第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器的應(yīng)用：調(diào)諧碼：電調(diào)濾波器連接：電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器電子開關(guān)控制第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.1.2軟件無線電中的放大器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，有時甚至是寬開的，通帶內(nèi)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、而只能用線性放大器。否則就會引起許多非線性產(chǎn)物。寬帶放大器中常用前饋(Feedforward)和反饋(Feedback)兩種技術(shù)。前者主要用于提高放大器的雜波等指標(biāo)，而反饋用于提高放大器的穩(wěn)定性和帶寬指標(biāo)。第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器電放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率范圍：指放大器滿足各級指標(biāo)的工作頻率范圍。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。功率增益：指放大器輸出功率和輸入功率的比值，單位常用“dB”。增益平坦度：指在一定溫度下，在整個工作頻率范圍內(nèi)，放大器增益變化的范圍。增益平坦度由下式表示:ΔG=±（Gmax-Gmin）/2dB第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器放大器增益窗：寬帶放大器的增益定義采用增益窗的定義方法（不含窄帶功率放大器），是根據(jù)放大器允許的最大增益Gmax，放大器允許的最小增益Gmin，放大器的增益波動ΔG等三個增益指標(biāo)對放大器的增益允許的波動和變化范圍作明確定義。第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)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“dB”。噪聲系數(shù)由下式表示：

NF=10lg輸入端信噪比/輸出端信噪比在放大器的噪聲系數(shù)比較低（例如NF<1）的情況下，通常放大器的噪聲系數(shù)用噪聲溫度（T）來表示。噪聲系數(shù)與噪聲溫度的關(guān)系為：

T=（NF-1）T0或NF=T/T0+1第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器輸入/輸出駐波比：微波放大器通常設(shè)計或用于50Ω阻抗的微波系統(tǒng)中，輸入/輸出駐波表示放大器輸入端阻抗和輸出端阻抗與系統(tǒng)要求阻抗(50Ω)的匹配程度。VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Г|)；其中反射系數(shù)Γ=(Z-Z0)/(Z+Z0)；Z為放大器輸入或輸出端的實際阻抗；ZO為需要的系統(tǒng)阻抗。第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器1分貝壓縮點輸出功率（P1dB）：放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內(nèi)放大器的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G。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸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(yù)計的值。通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器典型情況下，當(dāng)功率超過P1dB時，增益將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P1dB大3-4dB。第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器三階截點（IP3）：測量放大器的非線性特性的一個頗為流行的方法，是利用兩個相距5到10MHz的f1、f2信號加到一個放大器上，此時放大器的輸出不僅包含了這兩個信號，而且也包含了頻率為mf1+nf2的互調(diào)分量（IM）。這里稱m+n為互調(diào)分量的階數(shù)。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。三階截點（IP3）來表征互調(diào)畸變很嚴(yán)重是的輸入電平。三階截點功率的典型值比P1dB高10-12dB。第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的放大器三階截點（IP3）：IP3可以通過測量IM3得到，計算公式為：IP3=PSCL+IM3/2；其中PSCL單載波功率；如三階互調(diào)點已知，則基波與三階互調(diào)抑制比與三階互調(diào)點的雜散電平可由下式估計：

基波與三階互調(diào)抑制比=2[IP3-(PIN+G)]三階互調(diào)雜散電平=3（PIN+G）-2IP3第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.1.3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1和環(huán)路2組成。對于雙頻信號通過非線性放大器時所產(chǎn)生的失真，可以通過前饋對消。第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.2軟件無線電中的A/D/A技術(shù)軟件無線電的基本思想就是讓模擬電路盡量簡單，將A/D和D/A盡量靠近射頻前端。要求A/D器件具有適中的采樣速率和很高的工作帶寬。本部分主要討論如何A/D、D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)軟件無線電中的模/數(shù)和數(shù)/模變換。第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.2.1A/D轉(zhuǎn)換器原理A/D轉(zhuǎn)換器功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個最低有效位第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三A/D轉(zhuǎn)換器原理ADC工作過程與結(jié)構(gòu)A/D電路模擬輸入三態(tài)門數(shù)字輸出寄存器精密穩(wěn)壓電源電源主機讀取命令時序控制電路A/D轉(zhuǎn)換命令（來自主機）轉(zhuǎn)換完成信號由主機檢測或申請中斷A/D轉(zhuǎn)換器第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.2.2A/D轉(zhuǎn)化器的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換靈敏度信噪比（SNR）有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB）孔徑誤差無雜散動態(tài)（SFDR）非線性誤差互調(diào)失真（IntermodulationDistortion）總諧波失真（TotalHarmonicDistortion）第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器選擇原則1）采樣速率選擇2）采用分辨率較好的A/D器件3）一般說來A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高越好4）根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的環(huán)境參數(shù)5）根據(jù)接口特征選擇適合的A/D轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三A/D轉(zhuǎn)換器分類－－基于變換原理1）逐次比較式2）并行式A/D轉(zhuǎn)換器3）ADC轉(zhuǎn)換器4）采樣ADC5）電子雪堆技術(shù)ADC典型的A/D轉(zhuǎn)換器

參見書P112－115常見的AD轉(zhuǎn)換器件的結(jié)構(gòu)。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.2.4數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計（略）參見書P115－118各部分電路的設(shè)計。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成信號采樣/保持器模擬輸入讀取數(shù)據(jù)命令計算機接口A/D板A/D轉(zhuǎn)換命令第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.2.5DA轉(zhuǎn)換器的基本原理D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三輸入4位二進制數(shù)輸出模擬電壓S0~S3:模擬電子開關(guān)D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF電阻網(wǎng)絡(luò)求和運算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D3++-3R3R/2UO第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.3軟件無線電中的數(shù)字下/上變頻器在超外差式軟件無線電接收機中，數(shù)字下變頻DDC技術(shù)是核心技術(shù)之一。數(shù)字下變頻器的組成結(jié)構(gòu)：數(shù)字混頻器，數(shù)字控制振蕩器NCO和低通濾波器。高抽取濾波器高抽取濾波器FIR格式轉(zhuǎn)換NCOx(n)FIR第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三軟件無線電中的數(shù)字下/上變頻器由NCO產(chǎn)生兩路正交信號做混頻用，NCO可以通過直接數(shù)字合成技術(shù)DDS實現(xiàn)。其基本原理框圖見下。Nbit相位累加器ROM正弦查詢表時鐘信號fc頻率控制碼NbitMbit第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三從原理上講，DDC與模擬下變頻實現(xiàn)相同的功能，不過其實現(xiàn)是通過數(shù)字運算來進行的。影響數(shù)字下變頻性能的主要因素：（1）表示數(shù)字本振、輸入信號以及混頻乘法運算的樣本數(shù)值的有限字長所引起的誤差。（2）數(shù)字本振相位的分辨率不夠而引起數(shù)字本振樣本數(shù)值的近似取值。軟件無線電中的數(shù)字下/上變頻器第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三DDC的組成部分：數(shù)字控制振蕩器的原理，參見書P123－126。典型的數(shù)字下變頻器，參見書P125－137。軟件無線電中的數(shù)字下變頻器的應(yīng)用軟件無線電中的數(shù)字下/上變頻器ADCDDC1DDC2DDC3DDCn第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三4.4高速數(shù)字信號處理器概述典型DSP器件DSP器件的軟件開發(fā)流程（略）應(yīng)用舉例（略）第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三高速數(shù)字信號處理器典型DSP器件目前主要DSP生產(chǎn)商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，