《軟件無(wú)線電原理與技術(shù)》課件-第6章

6.1上變頻

6.2外差式發(fā)射機(jī)

6.3零中頻發(fā)射機(jī)

6.4低中頻發(fā)射機(jī)

6.5寬中頻發(fā)射機(jī)

6.6正交失配的補(bǔ)償

6.7內(nèi)插的應(yīng)用

6.8信道化發(fā)射機(jī)

6.9射頻線性化

6.10數(shù)字上變頻器DUC6.1上變頻6.1.1實(shí)混頻上變頻實(shí)混頻就是基帶信號(hào)與本振信號(hào)相乘濾波，即s(t)=sB(t)cosωLOt

(6-1)

實(shí)混頻上變頻的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。圖6-1實(shí)混頻上變頻的結(jié)構(gòu)6.1.2復(fù)混頻上變頻

復(fù)混頻上變頻也稱為正交上變頻，由于正交上變頻可以完成多種調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，而一般的實(shí)混頻上變頻不適用于相位調(diào)節(jié)，因此在軟件無(wú)線電中一般采用正交上變頻方式。其結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。圖6-2復(fù)混頻上變頻的結(jié)構(gòu)從解析信號(hào)sA(t)的角度看，進(jìn)行上變頻的過(guò)程就是：sA(t)exp(jωLOt)

(6-2)

最后的輸出需要取實(shí)部，得到：s(t)=Re(sA(t)exp(jωLOt))=sAI(t)cos(jωLOt)-sAQ(t)sin(jωLOt)

(6-3)

這里，sAI(t)和sAQ(t)分別是解析信號(hào)sA(t)的實(shí)部和虛部。這就構(gòu)成了兩路正交上變?nèi)『偷慕Y(jié)構(gòu)。信號(hào)相乘后的濾波器為帶通濾波器，選取和頻信號(hào)(下變頻時(shí)利用低通濾波器選取差頻信號(hào))，帶通濾波可以在正交同相路分別進(jìn)行，也可以在和路后統(tǒng)一進(jìn)行。可以從另一個(gè)角度理解，即sin和cos是正交的，因此可以構(gòu)成正交信道分別攜帶信息，當(dāng)兩路信息不同時(shí)，可以提高頻譜利用率。令輸出基帶正交信號(hào)分別為sI(t)和sQ(t)，則有:(6-4)(6-5)

最終輸出信號(hào)為s(t)=sI(t)cos(ωIF+ωLO)t+sQ(t)sin(ωIF+ωLO)t(6-6)

除了這兩種上變頻方式外，采用采樣速率變換方式——內(nèi)插也可以實(shí)現(xiàn)下變頻。6.1.3內(nèi)插帶通上變頻對(duì)樣點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插，頻譜中不僅含有基帶分量，而且含有頻率大于π/L的高頻鏡像分量。為了從中恢復(fù)原始頻譜，必須對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾波器通帶為π/L，但是如果采用帶通濾波器濾出其鏡像成分，則可以獲得上變頻的作用。若我們需要獲得m倍鏡像頻率成分，則帶通濾波器特性為

(6-7)

其過(guò)程如圖6-3所示。圖6-3內(nèi)插上變頻的過(guò)程圖6-3(a)為原始信號(hào)頻譜，圖6-3(b)為經(jīng)過(guò)3倍內(nèi)插后的信號(hào)頻譜，圖6-3(c)為通過(guò)帶通濾波器后形成上變頻的信號(hào)頻譜。6.2外差式發(fā)射機(jī)外差式發(fā)射機(jī)又稱為多級(jí)變換發(fā)射機(jī)，它具有一個(gè)或若干個(gè)固定中頻，而后從中頻進(jìn)行上變頻調(diào)制發(fā)射出去。外差式發(fā)射機(jī)對(duì)應(yīng)于外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)，中頻采用正交上變頻方式產(chǎn)生，具體有兩種方式：一種是模擬中頻，另一種是數(shù)字中頻。這兩者的差異在于本振信號(hào)的產(chǎn)生，模擬中頻方式的本振是通過(guò)模擬振蕩器產(chǎn)生的，數(shù)字中頻方式的本振是通過(guò)數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生的。由于NCO的性能良好，因此采用數(shù)字中頻方式的結(jié)構(gòu)較為理想。而且，這種結(jié)構(gòu)僅采用一個(gè)DAC，只增加了中頻濾波單元。另外，NCO可以在數(shù)控情況下實(shí)現(xiàn)快速的頻率跳變。長(zhǎng)期以來(lái)，這種發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)都居于主流地位。外差式發(fā)射機(jī)鏡像信號(hào)的產(chǎn)生如圖6-4所示。這種發(fā)射機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生鏡像信號(hào)，鏡像信號(hào)與所需信號(hào)之間間隔兩倍的中頻。為了濾波器設(shè)置方便起見(jiàn)，需要高中頻的設(shè)計(jì)。圖6-4外差式發(fā)射機(jī)鏡像信號(hào)產(chǎn)生示意圖總體上講，外差式發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)。

(1)發(fā)射的射頻信號(hào)由復(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)信號(hào)是在固定的本地振蕩器頻率上實(shí)現(xiàn)的，因此本地振蕩器僅需要在一個(gè)單一頻率上實(shí)現(xiàn)相位正交和幅度平衡，這很容易實(shí)現(xiàn)，而且可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器用數(shù)字的方法實(shí)現(xiàn)。

(2)整個(gè)系統(tǒng)性能良好。

外差式發(fā)射機(jī)的缺點(diǎn)也非常明顯。

(1)需要多級(jí)變換，系統(tǒng)復(fù)雜度較高。

(2)需要至少兩個(gè)本地振蕩器。

(3)需要特定的中頻濾波器，這樣不可能在單片上實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的接收機(jī)。6.2.1模擬中頻發(fā)射機(jī)

在采用模擬中頻的外差式發(fā)射機(jī)中，數(shù)字基帶I、Q

信號(hào)經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換變換成模擬I、Q信號(hào)，模擬I、Q

信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬低通濾波器濾波后，分別與正交的兩路本振信號(hào)混頻后進(jìn)行疊加，轉(zhuǎn)變成模擬中頻調(diào)制信號(hào)。模擬中頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻濾波器后與射頻本振混頻，轉(zhuǎn)換成射頻調(diào)制信號(hào)。最后射頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器、射頻濾波器后，通過(guò)天線發(fā)射出去。

在這個(gè)結(jié)構(gòu)中需要兩個(gè)DAC，如圖6-5所示。在大多數(shù)應(yīng)用中，DAC工作在基帶，速率較低，而DAC一般在低速率情況下具有高的SFDR特性，且功耗較低，可以有余量進(jìn)一步內(nèi)插，以降低后級(jí)濾波器的難度。圖6-5模擬中頻發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)6.2.2數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)

在數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)中，來(lái)自基帶處理器的基帶I、Q

信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理后，分別與正交的兩路中頻信號(hào)數(shù)字混頻后疊加，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字中頻信號(hào)，然后通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬調(diào)制信號(hào)。中頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻濾波器后與射頻本振混頻轉(zhuǎn)換成射頻調(diào)制信號(hào)。最后，射頻調(diào)制信號(hào)通過(guò)功率放大器、射頻濾波器后由天線發(fā)射。數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)是對(duì)模擬中頻外差式發(fā)射機(jī)的改進(jìn)，改進(jìn)表現(xiàn)為：一是數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)的前端是寬帶收發(fā)信機(jī)前端，處理信號(hào)帶寬大，動(dòng)態(tài)范圍大，可擴(kuò)展性好；二是數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)在中頻實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，可以減少模擬環(huán)節(jié)，使前端引入的噪聲更少，信號(hào)失真更少，電路更簡(jiǎn)潔。同時(shí)這些改進(jìn)對(duì)射頻器件、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理部分提出了更高的要求。

這種結(jié)構(gòu)如圖6-6所示。圖6-6中，DAC的使用數(shù)量?jī)H有一個(gè)，但中頻的頻率范圍約為數(shù)十兆赫茲，這需由DAC產(chǎn)生，因此對(duì)DAC性能的要求更為嚴(yán)格，且需要較高的SFDR等性能。圖6-6數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)6.3零中頻發(fā)射機(jī)

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)移動(dòng)通信設(shè)備小型化、低功耗、多功能需求的不斷增加，基于直接正交上變頻技術(shù)(DQUC，DirectQuadratureUp-Conversion)的零中頻發(fā)射機(jī)得到了迅速發(fā)展，零中頻發(fā)射機(jī)又稱為直接變換發(fā)射機(jī)，它能夠直接將基帶信號(hào)搬移到射頻載頻并消除無(wú)用的邊帶信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，如圖6-7所示。圖6-7零中頻發(fā)射機(jī)的頻譜零中頻發(fā)射機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有中頻、不需中頻放大、濾波、變頻等電路，同時(shí)放寬了對(duì)變頻后濾波器的性能要求，甚至可以不需要濾波器，從而極大地減小了發(fā)射機(jī)的體積、重量、功耗和成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高。但這項(xiàng)技術(shù)也存在很多缺點(diǎn)，如正交調(diào)制信號(hào)和正交本振信號(hào)的相位和幅度不平衡，對(duì)直流偏移失真非常敏感等，因此會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的邊帶和本振泄漏。根據(jù)本振的情況，可以將零中頻發(fā)射機(jī)分為模擬正交直接發(fā)射機(jī)和數(shù)字正交直接變換發(fā)射機(jī)。零中頻發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)系統(tǒng)層次少，復(fù)雜度低，適于集成電路實(shí)現(xiàn)。

(2)由于沒(méi)有中頻，因此鏡像信號(hào)與所需信號(hào)是完全重合的，對(duì)濾波器的需求大為簡(jiǎn)化。零中頻發(fā)射機(jī)的缺點(diǎn)如下：

(1)在使用頻率范圍內(nèi)，本地振蕩器需要保證相位正交和幅度均衡的兩路輸出。另外，I、Q兩路的增益和相位也需要均衡。

(2)有直流偏移失真。

(3)需要寬帶混頻器。

(4)功放線性化電路需要工作在整個(gè)寬的頻帶內(nèi)。

(5)本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)會(huì)通過(guò)天線泄漏出去。

(6)零中頻發(fā)射機(jī)只有一級(jí)APC(自動(dòng)功率控制)控制，因此動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較小。6.3.1模擬正交直接變換發(fā)射機(jī)

模擬正交直接變換發(fā)射機(jī)是常規(guī)外差式發(fā)射機(jī)的改進(jìn)，模擬射頻部分與超外差式發(fā)射機(jī)相同，不同的是省去了模擬中頻級(jí)的處理，直接進(jìn)行上變頻。在這種發(fā)射機(jī)中，數(shù)字基帶I、Q

信號(hào)經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換成模擬I、Q

信號(hào)，該DAC的采樣速率為輸出帶寬的Nyquist速率，模擬I、Q

信號(hào)經(jīng)模擬低通濾波器濾波后，分別與正交的兩路射頻載波信號(hào)混頻，而后進(jìn)行疊加，轉(zhuǎn)換成模擬射頻調(diào)制信號(hào)。

濾波器的作用類同于接收機(jī)中的濾波器，都是濾除鏡像信號(hào)，DAC后面的低通濾波器濾除DAC產(chǎn)生的鏡像信號(hào)。這種發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6-8所示。圖6-8模擬正交直接變換發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)正交混頻器和本地振蕩器正交分解器在大部分軟件無(wú)線電應(yīng)用中一般采用單片集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。單片的集成電路具有好的正交/同相兩路增益和相位匹配特性以及良好的溫度穩(wěn)定特性，同時(shí)也允許低功率的本地振蕩器應(yīng)用，在降低手持端機(jī)的寄生信號(hào)和功率消耗方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

本地振蕩器通常采用以下兩種方式產(chǎn)生。第一種是倍頻而后分路，首先產(chǎn)生兩倍于本振的頻率，然后除2，產(chǎn)生兩路正交本振信號(hào)；第二種是采用90°寬帶移相器(比如多相濾波器)產(chǎn)生正交信號(hào)。

這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：由于采用模擬本振，因此在使用頻率范圍內(nèi)，本地振蕩器需要保證相位正交和幅度均衡的兩路輸出較為困難。6.3.2數(shù)字正交直接變換發(fā)射機(jī)

數(shù)字正交直接變換發(fā)射機(jī)也稱為直接射頻DAC發(fā)射機(jī)。前面介紹的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)都需要本地模擬振蕩器的使用，如果技術(shù)條件允許，能夠采用直接射頻DAC，那么發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)將更為簡(jiǎn)單，更加符合軟件無(wú)線電的需求。這種接收機(jī)一般有兩種結(jié)構(gòu)形式，即單DAC結(jié)構(gòu)和雙DAC結(jié)構(gòu)。

單DAC結(jié)構(gòu)如圖6-9所示，由數(shù)字信號(hào)處理器輸出已調(diào)的正交基帶輸出信號(hào)，采用數(shù)控振蕩器(NCO)進(jìn)行正交上變頻，并合并輸出數(shù)字實(shí)信號(hào)，隨后采用射頻DAC直接形成模擬射頻信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器并放大輸出。系統(tǒng)的模擬部分完成的工作僅有帶通濾波器和功率放大器。圖6-9單DAC結(jié)構(gòu)雙DAC結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。雙DAC結(jié)構(gòu)在整體上與單DAC結(jié)構(gòu)類似，只不過(guò)射頻D/A是在正交兩路分別完成的，形成兩路正交模擬信號(hào)，而后相加輸出。圖6-10雙DAC結(jié)構(gòu)6.3.3影響性能的幾個(gè)因素

1.本振泄漏抑制

由于本振頻率就是輸出載波頻率，因此本振信號(hào)很容易泄漏出去，會(huì)出現(xiàn)在輸出頻譜的中心位置。這個(gè)信號(hào)是不能被濾波器濾除的，本振泄漏占用了發(fā)射機(jī)功率，降低了發(fā)射效率，且單峰本振譜線會(huì)形成強(qiáng)干擾或特殊的示標(biāo)信號(hào)，對(duì)零中頻接收機(jī)會(huì)造成直流失調(diào)，如圖5-23所示，必須予以充分重視。本振泄漏的產(chǎn)生有三個(gè)來(lái)源。

(1)本振與射頻端口之間隔離度不好。

(2)在混頻器中由于中頻自混頻而產(chǎn)生直流分量，該分量與本振相乘后輸出。

(3)在混頻器輸入端出現(xiàn)直流偏移。

所有這些原因產(chǎn)生的本振泄漏的影響都是相同的，因此可以用一種方式予以補(bǔ)償。因?yàn)閺腄AC產(chǎn)生的直流泄漏會(huì)在混頻中產(chǎn)生本振泄漏，所以輸入一個(gè)相應(yīng)的補(bǔ)償用的直流泄漏就可以消除中頻泄漏，這個(gè)補(bǔ)償用的直流分量同樣需要從發(fā)射數(shù)據(jù)中計(jì)算得到。這種發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6-11所示。另外，僅對(duì)于混頻器輸入端出現(xiàn)的直流偏移可以通過(guò)電容耦合濾除。圖6-11本振泄漏的補(bǔ)償

2.本振牽引

本振牽引是指由于本振和功放之間隔離度不好，造成功放輸出功率較大的信號(hào)回饋到本振，形成虛假的本振信號(hào)而對(duì)發(fā)射信號(hào)的頻率造成偏移。本振牽引的嚴(yán)重程度與本振和功放之間的隔離度以及本振信號(hào)和功放輸出頻率之間的差異有關(guān)。在非零中頻結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)中，由于本振和發(fā)射頻率相差較大，因此本振牽引問(wèn)題并不明顯，但是在零中頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)中必須關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。在零中頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)中，本振牽引問(wèn)題可以通過(guò)一個(gè)低VCO頻率進(jìn)行倍頻，或是通過(guò)一個(gè)高的VCO頻率進(jìn)行分頻來(lái)獲得最終的本振信號(hào)。但是，在這種情況下還需要考慮功放的非線性產(chǎn)生的諧波分量所引起的本振牽引。

如圖6-12所示，若本振信號(hào)fLO由VCO信號(hào)二分頻得到，中頻信號(hào)為fIF，則上變頻輸出為fLO+fIF，由于功放的非線性特性產(chǎn)生二階互調(diào)分量2fLO+2fIF，因此該成分可以通過(guò)某些渠道(比如電源線等)饋入VCO，而分頻后得到fLO+2fIF，該信號(hào)在混頻器中與fIF混頻得到fLO+fIF和fLO+3fIF。圖6-12本振牽引示意圖6.4低中頻發(fā)射機(jī)由前面的介紹可以看到，外差式發(fā)射機(jī)性能較好，但無(wú)法集成化；零中頻發(fā)射機(jī)易于集成，但是面臨中頻泄漏等問(wèn)題。為了結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，低中頻結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)得到了應(yīng)用。低中頻結(jié)構(gòu)的發(fā)射機(jī)采用Weaver上變頻結(jié)構(gòu)，如圖6-13所示。這種結(jié)構(gòu)于1956年首先被提出并被用于SSB信號(hào)的調(diào)制方式，即所謂的相移法調(diào)制。圖6-13低中頻發(fā)射機(jī)低中頻發(fā)射機(jī)中有兩個(gè)本振信號(hào)，本振1頻率較低，形成所謂的低中頻復(fù)調(diào)制信號(hào)，該中頻復(fù)信號(hào)在數(shù)字域通過(guò)輸出的基帶信號(hào)與復(fù)的本振1信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)，實(shí)部和虛部分別構(gòu)成I路和Q路信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)DAC變換為模擬信號(hào)，而后通過(guò)頻率可變的本振2正交上變頻，形成最終的射頻輸出信號(hào)。與傳統(tǒng)的外差式發(fā)射機(jī)相比，低中頻發(fā)射機(jī)的兩次上變頻過(guò)程均采用正交上變頻，很好地抑制了鏡像信號(hào)的產(chǎn)生，大大降低了后級(jí)濾波器的設(shè)置難度，這也是可以采用低中頻的主要原因；與零中頻發(fā)射機(jī)相比，低中頻發(fā)射機(jī)采用兩次變頻，本振泄漏現(xiàn)象得以消除，而且同樣適于集成實(shí)現(xiàn)，因此這種發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)也非常適合軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)。低中頻發(fā)射機(jī)的頻譜變換情況如圖6-14所示。

低中頻發(fā)射機(jī)集中了外差式接收機(jī)和零中頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既能夠?qū)崿F(xiàn)集成化，也能消除中頻泄漏以及中頻牽引等問(wèn)題，綜合性能較好。圖6-14低中頻發(fā)射機(jī)的頻譜變換情況6.5寬中頻發(fā)射機(jī)寬中頻發(fā)射機(jī)如圖6-15所示。這種發(fā)射機(jī)具有一個(gè)寬帶的中頻，這個(gè)中頻可以包含多個(gè)信道，隨后進(jìn)行上變頻發(fā)射出去。這種結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，但是信道的劃分是通過(guò)數(shù)字中頻實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)信道分別設(shè)置不同的NCO。由于射頻可以相對(duì)固定，不再涉及頻道選擇，因此這種發(fā)射機(jī)相應(yīng)減少了射頻模擬器件的要求。需要注意的是，DAC的響應(yīng)特性可能會(huì)引入不可接受的頻帶內(nèi)幅度的不平衡，對(duì)于窄帶系統(tǒng)可能不是問(wèn)題，但是對(duì)于寬帶或多載波系統(tǒng)就會(huì)造成很大的影響。圖6-15寬中頻發(fā)射機(jī)6.6正交失配的補(bǔ)償若采用正交上變頻，則同樣存在正交失配的影響。所謂正交失配，就是指正交上變頻的I、Q兩路的增益和相位不平衡，即增益相同，相位正交。從前面的論述中可以了解到，正交上變頻不會(huì)產(chǎn)生鏡像成分，但是類同于接收機(jī)出現(xiàn)正交失配的情況，本振會(huì)分裂為兩個(gè)部分，分別位于正、負(fù)頻率段上，以零中頻發(fā)射機(jī)為例，如圖6-16所示。這個(gè)新增的本振分量會(huì)造成一個(gè)和所需信號(hào)同頻的鏡像信號(hào)，形成對(duì)所需信號(hào)的干擾。因此需要解決正交失配問(wèn)題。圖6-16由于正交失配造成射頻信號(hào)出現(xiàn)鏡像信號(hào)干擾這些正交失配的誤差有兩個(gè)成分：靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量。

對(duì)于靜態(tài)分量，可以采用兩路預(yù)失真來(lái)補(bǔ)償，其方式為采用DSP內(nèi)部或外部模擬硬件。補(bǔ)償?shù)男问脚c接收機(jī)的正交失配的預(yù)失真補(bǔ)償完全相同，參看圖5-35。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)跟隨具體情況動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償，需要提供一個(gè)參考反饋支路，如圖6-17所示。該支路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行提取并送入信號(hào)處理器中，通過(guò)補(bǔ)償算法計(jì)算所需要的補(bǔ)償系數(shù)。在這里，補(bǔ)償支路的增益和相位的均衡性要求更為精確，一般采用數(shù)字形式。

正交失配在零中頻發(fā)射機(jī)中影響較大。對(duì)于有固定中頻的發(fā)射機(jī)，由于中頻固定，因此失配問(wèn)題易于解決。圖6-17自動(dòng)正交誤差補(bǔ)償6.7內(nèi)插的應(yīng)用內(nèi)插是軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其主要目的是實(shí)現(xiàn)上變頻和過(guò)采樣。內(nèi)插上變頻的原理在前面已經(jīng)介紹過(guò)了，即內(nèi)插后通過(guò)帶通濾波器濾出高頻鏡像分量來(lái)實(shí)現(xiàn)上變頻。圖6-18給出一種基于帶通內(nèi)插的模擬正交上變頻發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，基帶信號(hào)首先通過(guò)帶通內(nèi)插進(jìn)行上變頻，然后通過(guò)相乘混頻進(jìn)一步上變頻?？梢哉J(rèn)為這是外差式發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)的一種特例，只不過(guò)中頻是通過(guò)內(nèi)插得到的而已。

圖6-18基于帶通內(nèi)插的模擬正交上變頻發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)是：本地振蕩器的泄漏現(xiàn)在不再是所需輸出頻譜的一部分，因此可以很容易地被模擬高通濾波器濾掉。

除了可以直接進(jìn)行上變頻外，內(nèi)插的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣。過(guò)采樣的目的是使鏡像信號(hào)距需要信號(hào)盡可能遠(yuǎn)，以確保由DAC產(chǎn)生的混疊成分可以充分和所需要的信道相分離，這樣它們就可以通過(guò)一個(gè)性能并沒(méi)有太高要求的濾波器將鏡像信號(hào)衰減到一個(gè)可接受的水平，否則必須采用具有理想“磚墻”特性的濾波器。這個(gè)過(guò)程如圖6-19所示。圖6-19(a)是未內(nèi)插的頻譜?？梢钥吹?，為了能有效地抑制鏡像頻率，需要性能極好的濾波器，當(dāng)進(jìn)行4倍內(nèi)插后，數(shù)據(jù)速率提高，鏡像頻率遠(yuǎn)移，使濾波器的設(shè)置難度降低。圖6-19單頻信號(hào)內(nèi)插后的效果為了能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)采樣，可以令處理器本身的數(shù)據(jù)輸出速率高出Nyquist速率，但是這會(huì)增加數(shù)字信號(hào)處理器的工作負(fù)擔(dān)，并不可取，一般采用在數(shù)據(jù)輸出后進(jìn)行內(nèi)插的方式實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣。圖6-20表示了內(nèi)插前后DAC的輸出變化情況。圖6-20(a)表示一個(gè)單正弦信號(hào)的每周期采樣數(shù)為5。圖6-20(b)是4倍過(guò)采樣的圖形，可以認(rèn)為原來(lái)的樣點(diǎn)被4個(gè)新樣點(diǎn)所代替，采樣時(shí)間間隔也就下降為原來(lái)的1/4。DAC輸出的效果如圖6-20(c)、(d)所示。顯然，后者更為逼真，其譜更為純凈。圖6-20內(nèi)插前后DAC的輸出變化情況(a)輸出正弦信號(hào)，每周期5個(gè)樣點(diǎn)；(b)4倍內(nèi)插后，每周期20個(gè)樣點(diǎn)；(c)來(lái)自(a)的DAC未濾波輸出；(d)來(lái)自(b)的DAC未濾波輸出單純?cè)黾觾?nèi)插過(guò)程(即不進(jìn)行內(nèi)插上變頻)對(duì)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)影響不大。圖6-21給出了一個(gè)帶內(nèi)插的正交模擬上變頻直接變換發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖，讀者可以與圖6-5和圖6-6進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比。

一般內(nèi)插后的新的采樣速率可以達(dá)到原來(lái)采樣頻率的4~8倍，這顯然對(duì)DAC提出了更高的要求。圖6-21帶內(nèi)插的正交模擬上變頻直接變換發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)6.8信道化發(fā)射機(jī)前面介紹的發(fā)射機(jī)主要用于單信道。在軟件無(wú)線電中，要求發(fā)射機(jī)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的發(fā)射，甚至是全信道發(fā)射，這就需要采用信道化發(fā)射機(jī)。實(shí)現(xiàn)發(fā)射信道化的主要方式有兩種：上變頻和多相濾波。這里需要注意DAC的sinx/x響應(yīng)特性(見(jiàn)圖4-71)可能引入不可接受的頻帶內(nèi)幅度的不平衡。6.8.1多載波上變頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)

多載波上變頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)如圖6-22所示。這種發(fā)射機(jī)具有一個(gè)寬帶的中頻，每個(gè)信道占據(jù)該寬帶中頻的一段，各個(gè)信道的中頻信號(hào)組合在一起構(gòu)成寬帶中頻信號(hào)，隨后進(jìn)行上變頻發(fā)射出去。由于M路多載波系統(tǒng)的總帶寬為原窄帶系統(tǒng)的M倍，因此最終輸出數(shù)據(jù)的速率是加倍的，這里通過(guò)內(nèi)插來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此一般的多載波上變頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)的工作過(guò)程為“內(nèi)插+低通濾波+上變頻”。圖6-22多載波上變頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)這種結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，即由多個(gè)數(shù)字中頻發(fā)射機(jī)并行構(gòu)成，每個(gè)發(fā)射機(jī)擁有自己的NCO，各個(gè)發(fā)射機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字疊加，然后進(jìn)行DAC。因?yàn)楫a(chǎn)生的是多載波信號(hào)，因此信號(hào)的峰均比會(huì)增加，對(duì)DAC的性能要求特別是動(dòng)態(tài)范圍的要求提高了。另外，對(duì)后級(jí)濾波器要求帶寬足夠?qū)?，后?jí)混頻器、放大器等器件的動(dòng)態(tài)范圍必須較大，以適應(yīng)較大的峰均比需求。6.8.2多相濾波器組發(fā)射機(jī)

多載波上變頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)非常簡(jiǎn)單，但是每路都有各自獨(dú)立的濾波器、調(diào)制器和本振，因此整個(gè)系統(tǒng)較為龐雜。如果系統(tǒng)的信道分布是規(guī)則的，則可以采用多相濾波器組實(shí)現(xiàn)高效的信道化發(fā)射機(jī)。信道的分布與圖5-44相同。

我們把圖6-22重新畫一下得到圖6-23。圖6-23多載波上變頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)的另一種畫法根據(jù)等效原理，低通濾波+上變頻等效為上變頻+帶通濾波,如圖6-24所示。圖6-24等效原理如果把上變頻移到內(nèi)插前面，則上變頻時(shí)樣點(diǎn)速率減小，本振的數(shù)字域頻率相應(yīng)乘以M，頻率相乘項(xiàng)就消去，如圖6-25所示。這樣，圖6-23的等效形式如圖6-26所示。圖6-25內(nèi)插與上變頻位置變換的等效形式圖6-26多載波上變頻結(jié)構(gòu)發(fā)射機(jī)(內(nèi)插+帶通濾波)根據(jù)多相濾波器的知識(shí)可知，原型低通濾波器可以用其M相表示：

(6-8)由圖4-62知，包含內(nèi)插的原型低通濾波器可以用多相濾波器實(shí)現(xiàn)，如圖6-27所示。圖6-27濾波器的多相結(jié)構(gòu)對(duì)于第k個(gè)信道，中心頻率為2πk/M，取WM=e-j2π/M，有

(6-9)

這樣第k個(gè)信道相應(yīng)的帶通濾波器的多相結(jié)構(gòu)如圖6-28所示。圖6-28第k個(gè)信道相應(yīng)的帶通濾波器的多相結(jié)構(gòu)如果考慮全部信道，那么進(jìn)入第k個(gè)多相分支的是輸入的第k點(diǎn)IDFT，這通常采用IFFT計(jì)算。因此，多相濾波器組發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6-29所示。

與多載波上變頻發(fā)射機(jī)相比，這種發(fā)射機(jī)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但是要求系統(tǒng)的頻譜分配是均勻規(guī)律的。

同樣，若子信道頻譜是相互混疊的，即OFDM中發(fā)射端各子信道為Ak(t)exp(j2πfkt)，則總輸出為。圖6-29多相濾波器組發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)仍以進(jìn)行采樣，每個(gè)符號(hào)內(nèi)有N個(gè)樣點(diǎn)，M≤N，為滿足正交性，有，取f0=0，不失一般性，則總輸出為

(6-10)

該表達(dá)式與IDFT相同，具體可采用IFFT實(shí)現(xiàn)，如圖6-30所示。圖6-30基于IFFT的OFDM發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)6.9射頻線性化軟件無(wú)線電發(fā)射機(jī)必須適應(yīng)不同的調(diào)制方式和寬的工作頻率范圍。為了追求更高的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率，通信系統(tǒng)普遍采用線性調(diào)制方式，如QPSK、16QAM。另外，在多載波系統(tǒng)中峰均比較大，信號(hào)包絡(luò)變化，因此系統(tǒng)必須支持線性調(diào)制方案，需要能夠?qū)崿F(xiàn)線性的放大過(guò)程。非線性放大過(guò)程會(huì)產(chǎn)生兩種不希望得到的結(jié)果。其一是帶內(nèi)信號(hào)失真，信號(hào)的失真導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降，達(dá)不到信號(hào)可靠傳輸?shù)哪康?；其二是帶外互調(diào)分量，帶外輻射功率將對(duì)發(fā)射機(jī)載頻的鄰近信道產(chǎn)生干擾，影響其他用戶的正常使用，不能滿足發(fā)射機(jī)頻譜特性指標(biāo)。因此線性功率放大技術(shù)是非常重要的，否則功率放大器會(huì)抵消由于線性調(diào)制方法的應(yīng)用而得到的頻譜效率的任何優(yōu)點(diǎn)。與接收機(jī)情況不同，發(fā)射機(jī)輸出功率是很大的，因此線性放大的難度也較高。如果簡(jiǎn)單地要求功率放大器本身必須線性，則意味著要有相當(dāng)高的功耗，因此需要使用一些線性化方案。迄今已研究出了多種對(duì)發(fā)射機(jī)功率放大器進(jìn)行線性化的技術(shù)，常見(jiàn)的主要有5種：輸出功率回退法(OutputPowerBack-Off)、負(fù)反饋法(NegativeForward)、前饋法(Feed-forward)、具有非線性元件的線性放大器(LINC)和預(yù)失真法(Pre-distortion)。這些線性化方法都有自己的性能優(yōu)勢(shì)，較為常用的是輸出功率回退法、預(yù)失真法和前饋法。6.9.1輸出功率回退法

輸出功率回退法(OutputPowerBack-Off)是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小功率管使用，實(shí)際上是以犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線性度。具體就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)向后回退幾個(gè)dB，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的性能。一般情況下，當(dāng)基波功率降低1dB時(shí)，三階交調(diào)失真IM3改善3dB，如圖6-31所示。圖6-31輸出功率回退法示意圖功率回退法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善放大器線性度行之有效的方法，其缺點(diǎn)是功率放大器的效率大為降低，特別在手持設(shè)備中是非常不適用的。

另外，當(dāng)功率回退到一定程度，即當(dāng)IM3達(dá)到-40dBc以下時(shí)，繼續(xù)回退將不再改善放大器的線性度。因此，在線性度要求很高的場(chǎng)合，完全靠功率回退是不夠的。6.9.2預(yù)失真法

預(yù)失真(Pre-distortion)就是在功率放大器前增加一個(gè)非線性電路，以補(bǔ)償功率放大器的非線性，兩者構(gòu)成的組合電路整體表現(xiàn)為線性，從而減少線性調(diào)制信號(hào)放大后的交調(diào)失真，如圖6-32所示。

該法的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，有更寬的信號(hào)頻帶，能夠處理含多載波的信號(hào)。預(yù)失真技術(shù)成本較低，由幾個(gè)仔細(xì)選取的元件封裝成單一模塊，連在信號(hào)源與功放之間就構(gòu)成了預(yù)失真線性功放。圖6-32預(yù)失真器原理示意圖由于功率放大器的特性可能會(huì)隨所處工作環(huán)境的變化而變化，因此預(yù)失真器的特性也必須隨之進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。通常采用自適應(yīng)估計(jì)器來(lái)連續(xù)不斷地跟蹤功放的特性變化，實(shí)時(shí)修正預(yù)失真器的參數(shù)，使預(yù)失真器和功率放大器組合電路的特性始終保持線性。

預(yù)失真技術(shù)分為RF預(yù)失真和數(shù)字基帶預(yù)失真兩種基本類型。RF預(yù)失真一般采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于高頻、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是頻譜再生分量改善較少，高階頻譜分量抵消較困難。數(shù)字基帶預(yù)失真由于工作頻率低，因此可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，而且可以通過(guò)增加采樣率和增大量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。數(shù)字基帶預(yù)失真器由一個(gè)矢量增益調(diào)節(jié)器組成，根據(jù)查找表LUT的內(nèi)容來(lái)控制輸入信號(hào)的幅度和相位，預(yù)失真的大小由查找表LUT的輸入來(lái)控制。矢量增益調(diào)節(jié)器一旦被優(yōu)化，將提供一個(gè)與功放相反的非線性特性。在理想情況下，這時(shí)輸出的互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)該與雙音信號(hào)通過(guò)功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊就是要調(diào)節(jié)查找表的輸入，從而使輸入信號(hào)與功放輸出信號(hào)的差別最小。另外，輸入信號(hào)的包絡(luò)也是查找表LUT的一個(gè)輸入，通過(guò)反饋