（信号与信息处理专业论文）软件无线电中数字上下变频器研究与实现.pdf

软件 ：线i u 中数一l 下变颈器i ! j f 究1 0 实现 摘要 软什尤线i u ( s o l l w a r e ic a d j 0 ) 技术的出现使多载波、多模式等尤线通信成 为呵能，是现代无线通信领域发展的一项重要技术。 本论文讨论服务于以软件无线电为核心技术的铁路安全l i i 控数掂高速移动 接入系统中的数字上卜变频系统，包括数字上下变频基本技术，构成数字卜下变 频器主要芯片a d 6 6 2 3 和a d 6 6 2 4 的硬件介绍，及软硬件实验平台的方案、设计、 研制。沦文在最后给山了在处理机实验i 1 i 台上进 ：的数字上下变频系统的实验皇古 果。结果表明了系统的有效性，并达到了实时处理的要求。 关键嗣： 软件无线电，a d 6 6 2 3 ，a 1 ) 6 6 2 “数字j ：变频，数字f 变频，带通采样，_ f | l i l l 】c ，内 捅 轼件a 线l u 中数j 。i ：下变频器州究，实j i ! l l a b s t r a c t w i t hs o f t w a r er a d i o ( s r i t e c h n i q u ec o m i n gf o r t h ，m u l t i c a r r i e ra n dm u l t i m o d e d i g i t a lc o n n n u n i c a t i o nb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c o m c sp l 。o b a b i l i t y s r b e c o m e sav e r yi m p o r t a n ta n dk e yt e c h n i q u ew i t ham o d e r nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d e v e l o p i n g t h i sp a p e rd i s c u s s e sd i g i t a lu pc o n v e r ta n dd i g i t a ld o w nc o n v e r ts y s t e mu s e di n d a t ah i g h s p e e dm o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rt h es a f e t ym o n i t o r i n go n r a i l w a yw h i c h o s e ss ra sk e y t e c h n i q u e t h ep a p e ri n c l u d et h ep r i n c i p l eo fd i g i t a lu p c o n v e r ta n dd i g i t a ld o w nc o n v e r t ，t h es c h e m e ，r e s e a r c h ，d e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a l h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m t h el a s t p a r tg i v e s t h et e s tr e s u l t so fd i g i t a l u p c o n v e r ta n dd i g i t a ld o w nc o n v e r ts y s t e m ，p r o d u c e db yt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ， f r o mt h e s er e s u l t s w ec a l ls e cc l e a r l yt h a tt 1 1 c s y s t e mi s e f f e c t i v e a n ds u i t a b l ef o r r e a l t i m es i g n a l p r o c e s s i n g t i l ep a p e ra l s o d e s c r i b e st h em a i nc h i p sa d 6 6 2 3a n d a d 6 6 2 4 ，w h i c hm a k eu po ft h es y s t e m k e y w o r d ： s o f t w a r er a d i o ，a d 6 6 2 3 ，a d 6 6 2 4 ，d i g i t a lu pc o n v e r t ，d i g i t a ld o w nc o n v e r t ，p a s s b a n d s a m p l i n g ，i n t e r p o l a t i o n ，d e c i m a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作韵同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：皇! l! 生 日期：如。牛年年月司日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：丝 日期：曲n 午年牛月。q 日 软俐：无线l l 三中数字上+ f 变频器研究与实现 第一章引言 1 1 软件无线电国内外发展动态 现代的无线通信发展迅速，一方面得到越来越广泛的应用，而另一方面又由 于当代无线通信系统很多，决定了其调制方式、波形结构、通信| ；| j j 、议、数字信息 的编码方式和加密方式都不尽相同，因此无线通信系统之间的这些差异极大地限 制了不同系统之间的互连互通，给现代无线通信的发展造成了很大的不便。 现在，无线通信有了长足的进步。通信系统由模拟体制不断向数字化体制过 渡，出现了许多中频数字化接收机。例如，德国r s 公司研制的宽带数字化接收 机e b d9 0 0 ( 文献 1 ) ，主要刷于无线电监视，其工作频率范围为2 0m t t z , 2g h z ， 搜索速度为4g i i z s ( 2 5k h z 带宽) ，动态范围为8 0d b 。英国研制的p v s 3 8 0 0 接 收机( 文献 1 ) ，工作频率范田为0 5m h z 1g h z ，是一种用于电子战环境中 的宽带无线电通信监测接收机，可以实现搜索、监听、分析识别等功能，还可以 根据需要，通过加载不同的软t l ：，灵活地配置成各种不同功能的接收机。这些接 收机尽管能够覆盖多个频段，但它们只能工作于单一的频段和模式，功能相剥较 少，灵活性不够，可扩展能力较差，不同电台之问仍不能完全互通，无法完全满 足现代军事通信的需要。 在海湾战争中，由于美军的军事通信装备无论是工作频段、通信体制还是信 息传输格式等方面，海、陆、空三军都是各自为政，互不兼容。结果导致在作战 时各军兵种问无法进行快速沟通、互传信息情报，充分暴露了军事通信互通性箍、 反应速度慢、带宽太窄、效率太低等问题。 在民用通信中也存在互通性差的问题。在欧洲( 主要是北欧、西欧) 的第一 代模拟网发展过程中，基本上各自为政，加入欧洲邮电会议( c e p t ) 的1 6 个国 家，分别共使用6 种不同的制式。这些模拟通信体系的制式、频率各不相同，不 能互通、兼容。在第二代数字移动通信中，仍有许多种不同的通信体制，如g s m 、 a m p s 、e t a c s 、p o c 、d a m p s 、c t 2 ( 文献 1 ) 等，这些体制互不藏容，无论给用 户还是经营者都带来了极大的不便。 除了互通性的问题外，新的通信体制和标准不断提出，通信产品的生存期缩 短，开发费用上升，使得传统的通信体制很难适应。 此外，现在无线频带越来越拥挤，对通信系统的频带利用率和抗干扰能力要 求不断提高。沿着现代通信系统的发展方向，很难对频带进行重新规划。采用新 的抗干扰方法需要对系统结构傲较大改动，代价太大。 软件无线l 乜中数字上f 变频器研究与实现 目前，硬件工艺水平提高很快，各模块的性能越来越好，这就为新结构的实 现提供了先决条件。 为了解决这些问题，各国都进行了积极的探索，努力使4 i 同设备既能满足互 通的要求，又能满足抗于扰、保密性好的要求：既能使通信设备跟上无线电飞速 发展的步伐，又能延长设备的使片j 寿命。 针对这一种情况，1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j o em i t o l a 在美幽国家远 程系统会议上首次明确提出了软件无线电( s o f t w a r er a d i 0 ) 的概念，这是继模 拟到数字、固定到移动之后，无线通信领域的又一次重大突破。其基本思想是： 将宽带a d 和d a 变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信 号数字化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法， 软件无线电可以实时地配置信号波形，使其能够提供各种语音编码、信道调制、 载波频率、加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台 进行通信，还能在两种不同的f u 台系统间充当“无线电网关”的作用，使两者 能够互连互通。软件无线电充分利用嵌入通信设备里的专用芯片的可编程能力， 提供一种通用的无线电台硬件j | 台，这样既能保持无线电台硬件结构的简单化， 又能解决由于拥有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。这样就能使软 件无线电台多频段多模式多信道多速率多协议等多功能通信成为可能。 由于软件无线电具有模块化、标准化、开放性、实现方便、软件升级和系统 配置灵活等优点，因而被广泛应用在第三代移动通信系统中。例如欧洲的a c l s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e r v i c e s ) 计划中，有三项是将软 件无线电技术应用到第三代移动通信系统中的：f i r s t ( f l e x i b l e 1n t e g r a t e d r a d i os y s t e m st e c h n o l o g y - - a ( ；t s 程序的第5 号规划a c 0 0 5 ) ( 文献 1 、 6 、 2 8 ) 计划将软件无线电技术应并j 到设计多频多模可编程手机( 1 l f 兼容g s m 、 d c s l 8 0 0 、w c d m a 和现有的大多数模拟体制) ；f r a m e s ( f u t u r er a d i ow i d e b a n d m u l t i p l ea c c e s ss y s t e m s a c l s 程序第9 0 号规划a c 0 9 0 ) ( 文献 1 、 2 8 ) 计划目标是定义、研究、评估宽带有效的多址接入方案来满足u m i s ( u n i v e r s a l m o b il et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 一欧洲的第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 的 标准化论坛) 要求，技术方法之。是采用软件无线电技术；r a i n b o w ( r a d i oa c c e s s i n d e p e n d e n tb r o a d b a n do nw ij ，e l e s s a c t s 程序第1 5 号规划a c 0 1 5 ) ，是研讨 面向u m t s 的无线多址系统的协议和体制的规划，也包含软件无线电技术( 文献 2 8 ) 。在美国，除了研究基于软件无线电的第三代无线通信系统的多频段多模 式手机和基站外，同时还注意软件无线电技术与计算机技术的融合，为第三代移 动通信系统提供良好的用户界l | ，如m i t 的s p e c t r u mw a r e ( 文献 5 ) 汁 划和r u t g e r s 大学进行的将软件无线电技术应用于w - c d m a 接收机的研究( 文献 软什无线l u 中数字上r 变频器研究与实现 6 、 1 3 ) ；而且目前按照s t ) e a k e a s y ( 文献 4 、 5 ) 计戈 j j r 发的荚国军用 软件无线电台m b m m r ( m u l t i b a n d m u l t i m o d er a d i o ) ，不仅l j j 以应剥各种调 制方式的通信波，而且还有被叫作“v o i c eb r i d g e ”、町使不同种类无线电台 之恻进行通信的功能，是在充分考虑了相互通用性、信息维护、长期使用性、经 济性之后丽，i ：发的种通信电台。我国对软件无线电技术也相当重视，提出了基 于软件无线电和智能天线技术旧第三代移动通信系统标准t d s c d m a ，并把软件 无线电技术在第三代移动通信叫1 的应用课题列入国家“8 6 3 ”计划，成为我国第 三代移动通信系统的关键技术之一，丌展了大量的研究和应用丌发，也取得了4 i 少阶段性的科研成果。 1 2 项目背景 本论文主要内容为软件无线电中数字上下变频器研究与实现。该系统服务。j 二 电子科技大学7 0 4 教研室和北京首科中系希电信息技术股份有限公司合作) 1 ：发 的项目一铁路安全监控数据高速移动按入系统。整个系统采用国际先进的软件无 线电( s r ) 和嵌入式实h _ j 操作系统( r t o s ) 核心技术，结合高速数掘处理( 数模 转换a d 、模数转换d a 、数字上变频d i g i t a lu pc o n v e r t e r - - d u c 、数字f 变 频d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r d d c 和数字信号处理d s p ) 、现代数字滤波、智能 压缩解压缩、可靠的信道编f | _ 1 5 、弱信号检测、高效数字调制解调等技术，首次 在铁路j f i 有的u h f 频段( 4 5 0 m h z ) 资源下，开发将铁路安全监测信息在移动体 ( 列车) 到固定体( 地面安全监控系统) 双向无线接入系统和设备，实现移动体 与固定体之间实时数据无线传输，为铁路的信息化，特别是为铁路行车指挥提供 安全可靠、高性能的综合调度通信系统；并且在此基础上，最终实现改造v t t f u i t f 频段上传统的无线通信，使其由现在的模拟过渡到数字、由转单一一话音信息过渡 到传话音、数据、文本与图像信息。其中，电子科技大学7 0 4 教研室主要负责数 字中频和基带数字信号处理模块即软件无线电中数字处理部分的研究设计。 本文首先概括性的介绍软件无线电基本结构，然后剐各部分作用、软件无线 电巾关键技术及数字上下变频技术基础( 包括采样定理、多速率信号处理、多相 滤波结构、高效数字滤波和j f 交变换) 进行阐述；第三章是关于数字上下变频器 硬件的介绍，对在设计中构成数字上变频器的芯片a d 6 6 2 3 和构成数字下变频器 的芯片a d 6 5 2 4 的功能及结构特征作一概述性描述；第四章是本论文的重点，对 数字上下变频器在本系统中的实现做出详细的介绍，其中包括系统的设计思路及 详细说明，并在第五章中给出了系统的调试及测试结果。 软什无线电中数字上i - 变频器研究与实现 第二章数字上下变频技术基础 软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处耻为核心，以微电 子技术为支撑的新的无线通信体系结构。它的实现是以一个通用、标准、模块化 的硬件平台为依托，通过软件编程来完成无线电台的各种功能，从基于硬件、面 向用途的电台设计方法中解放出来。软件无线电强调体系结构的丌放性和全面可 编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构实现新功能，并有利于硬件模块 的不断升级和扩展。 2 1软件无线电结构框图 多波束天线阵列 |ii葫带毒警?i二l l ? 。“7 。、。7 “转孥1 l - 。叠”。叠。i l 掌鼍：| lf 多处凳0 d s p 及 软 件 设 计 图2 1软件无线电结构框图 过去，无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使 用专用调制器、编码器和信道m 议。即使是双频、三频蜂窝电话也只在预先定义 的两个或三个标准之间切换。静态设计通常足根据最坏情况的设计，在情况良好 软什无线电t i 数字上卜变频器研究与实现 时就不能充分利用射频频谱。例如，若背景噪声比最恶劣的情况小，就可能出现 许多不必要的纠错编码，这样就不能获得最高的比特率。这种情况对无线应用系 统的影响比有线应用系统更j “j e - ，因为无线传输更易于受噪声、干扰和衰减的影 响。理想的软件无线电能动念适应传输系统的任一环节的变化，如调制、编码、 信道协议以及带宽等等，并能够适应实时性变化，最大程度地利用有效频谱。 如果说频谱的分配会在宏观上提高频谱的利用效率，那么软件无线电台就可 在微观上提高频谱的利片j 效率。任何两个理想的软件无线电设备都可以动态地调 节其滤波和凋制以适应信道实际条件下的要求。例如，假设有个很强的干扰出 现在信道附近，在a d h o c 网络罩，设备会动态调整滤波器，甚至会转至不同的 频带以提高设备性能。实现这剥，调整的方案在c h i u 9 9 中提出( 文献 1 4 ) 。 从上可以看出理想的软件无线电能够适用于任意一种调制器、编码器、指定 信道带宽的射频信道协议。那么，软件无线电中软件的处理就必须延伸至宽基带 ( 或中频) 信号。 作为一种软件化了的无线蛆信技术，理想软件无线电的结构框图如图2 1 所 示。它主要由宽带多频段天线、多频段射频转换器、宽带的a d 和d a 变换器、 中频处理、调制解调、比特流和基带处理以及信源编码这几个部分组成。由结构 图可以看出，软件无线电最突出的特点有：首先，软件无线电具有完全的可编程 特性，无线波段、接入方式、调制方式和数据速率等都可以通过软件来加以控制； 其次，对整个中频频带甚至射频进行采样，增大了处理的带宽，利用高速d s p 和 软件处理，完成被传输信号从基带到射频之间的整个处理过程。 对于一个理想的软件无线电系统，软件化的程度是一个重要的衡量标准。j o e m i t o l a 建议用一个矢量( n ，p i ) a ，l i m ，s f a ) 来表示“软件化”的程度：其l jn 表示空中接口所能支持的频道数，分为4 种类型：( 0 ) 单一频道，( 1 ) 双频道， ( 2 ) 多频道，( 3 ) r f 中所有频道；p d a 表示可编程数字化程度，也分为4 种类 型：( 0 ) 无可编程性，( 1 ) 基带可编程，( 2 ) 中频可编程，( 3 ) 射频可编程； m 表示硬件可编程程度，有4 种类型：( 0 ) 无可编程性，( 1 ) 可编程专用模 块，( 2 ) 系统采用d s p ，( 3 ) 系统采用f p g a 等：而s f a 指的是软件模块化程 度，分为( o ) 无定义空中接口的软件，( i ) 一个硬件平台只能运行一个厂商的 软件，( 2 ) 一个硬件平台运行多个厂商的软件，( 3 ) 多个厂商的软件町加载到 多个硬件平台上。按照矢量的分布，不同的软件无线电系统可分为0 3 级。 2 2 软件无线电中的关键技术 目前，软件无线电中所涉及的关键技术主要有以下几项 软件无线l 毡中数字上f 变频器研究与实现 1 ) 宽带多频段天线与宽带低噪声前置放大器、功率放大器 软件无线电的天线一般要覆盏比较宽的频段，例如1m h z 2 6 1 1 z ，要求每 个频段的特性均匀，以满足各种业务的需要。例如，在军事通信中，可能需要 v i f u i i f 的视距通信、u i | f 卫星通信，i i f 通信作为备用通信方式。但是山于覆盏 全部频段的宽带天线在目前的【：艺水平下研制比较困难，效率也低，因此当前大 多数系统采用的是组合式多频段天线的方案。覆盖不同频段的几个窗口而不是全 频段在技术上是完全可行的。 2 ) a d 部分 在射频变换部分，宽带、线性、高效射频放大器的设计和电磁兼容问题的处 理是比较困难的。当然，也可以简化射频前端的功能，但棚应的也就会大大提高 对数字处理的要求，这样一来必须要求a d 转换器有足够的工作带宽( 2 6 t t z 以上) ，较高的采样速率( 一般来说，采样速率要高于2 5 倍的信号带宽，具体 的数值要综合考虑采样后系统的处理能力和a o 的速度以及系统的要求末决定。 一般要求在6 0 m h z 以上) ，而且要有较高的转换位数以满足动念范围和数字处理 精度的要求。 3 ) 数字下变频 数字下变频( d d c ) 是紧接着a d 变换后所完成的数字信号处理工作，包括 数字下变频、二次采样和滤波，其主要功能是将数字中频信号解凋为基带信号， ： 同时降低数据流速率，是整个系统中数字运算量最大的部分。 一般认为，要进行较好的滤波处理，对每个采样点要进行1 0 0 次操作。那么， 对于一个系统带宽2 0 m i t z ，采样率大于5 0 m i i z 的系统就需要5 0 0 0 m i p s 以上的处 理能力，而目前单片可编程d s i 的处理速度最快可达到6 0 0 m if s 左右( b l a c k f i n i ) s p 文献 3 0 ) 。很显然，在日前这种情况下想使用d s p 通过软件来完成数字中 频段的处理从而实现理想的软件无线电功能足存在很大困难的。因此，我们叮以 采取一种折中的方案，即放弃在中频段使用通用d s p ，代之使用高效可编程专用 硬件，在快速逻辑电路中完成数字中频段的处理。只要电台结构设计合理，使用 的专用器件灵活方便，且受控于软件，一旦d s p 器件在运算速度上能够满足需要， 这种过渡阶段的软件无线电就能够很容易改成理想的软件无线电。 4 ) 高速数字信号处理 这一部分主要完成基带处理、调制解调、编码解码和比特流处理的工作。如 有跳频和扩频，还需完成解扩和解跳的处理，但在d s p 中完成解扩和解跳的功能， 会给单片d s p 造成很大的压力，这一部分功能，我们也可以用可编程的专用：出片 来完成，同时也能保持软件无线电的结构通用性和适应性。 6 软件无线i b 中数字上下变频器研究与实现 5 ) 数字上变频 数字上变频( d u c ) 主要完成将基带信号( 频率较低信号) 凋制为数字中频 信号( 频率较高信号) 的功能，即对输入数据进行各种调制和频率变换，在数字 域内实现调制和混频。目前，i 亓jd d c 类似，这一部分功能通常采用利用了直接频 率合成技术( d d s - - d i r e c td ig i t a ls y n t h e s i s ) 的数字上变频专用芯片来实现。 6 ) 信令处理 当用软件无线电实现多梭互联时，必须实现通用信令处理。这就需要把现有 的各种无线信令按软件无线f i 的要求划分为几个标准的层次，研究出标准的信令 模块和通用的信令框架，以完成软件无线电在实际中的应用。 从上所述可以看出，目前要实现理想的软件无线电，高速数字处理( d s p ) 部分是个瓶颈，作为过渡阶段的软件无线电我们可以使用专用可编程芯片一数 字上下变频器来完成数字中频段的处理，以实现整个系统的功能。 2 3 数字上下变频技术基础 2 3 1 带通采样理论 由n y q u i s t 采样定理：知有一个带限信号x ( t ) ，其频带限制在( 0 ，frr ) 内，若以不小于f 。= 2 fl ，的采样速度对x ( t ) 进行等间隔采样，得到时问离散的 采样信号x ( n ) = x ( n t 。) ( 其r 1 it 。= 1 f 。为采样间隔) ，则原信号x ( t ) 将可以被 所得到的采样值x ( n ) 完全地确定。也就是说，如果以不低于信号最高频率两倍 的采样速率对带限信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信 号。 在实际的无线电信号中，其信号频率往往分布在一有限频带( ，。，。) 上， 而且信号本身带宽并不一定很宽，如果根据n y q u i s 采样定理仍然按照f ， 2 f 。的采样率来进行采样，则其采样频率太高，以致很难实现，或者后续处理的 速度也满足不了要求。因此我们就可以根据带通采样理论来对带通信号进行处 理。 带通采样定理 设x ( t ) 为一个频率带限信号，其频带限制在( f 。，f 。) 内( 带宽b = f - f 。) ，如果采样频率f 。( f 。= l t 。) 满足： 兀= 掣 ( 23 1 ) z ，玎+ j 式中，m 取满足f ；2 b 的最大正整数( 0 ，l ，2 ，) ，则用f 。进行等削隔采 软件无线电t f i 数字上一f 变频器研究与实现 样所得到的信号采样值x ( n t 。) 能无失真地确定原信号x ( t ) 。 也可表示为 鲁f ss 三争，渤刚。( 争 ( 23 2 ) m + l，” 。 廿 其中，1 9 0 表示耿不大于括号内数值的整数。 式( 2 3 1 ) 可用带通信号的中心频率表示为： f s = 熹 ( 2 3 3 ) 其中，f 。：( f 。，+ f 。，) 2 ，m 取能满足f ；2 b 的最大j f 整数。 1 ) 当f 。= f 。2 ，b = f 。并取m = 0 时，式( 2 3 3 ) 即为n y q u i s t 采样 定理。 2 ) 若带通信号中心频率满足： 局= 掣四 则能够使用两倍频带宽度速率的最低采样速率( fs 样，而不会引起混叠。 或 + f u = ( 2 m + 1 ) 占 ( 2 3 4 ) 2 b ) 来剥带通信号进行采 ( 2 3 5 ) 也即信号的最高或最低频率是带宽的整数倍。这样，任何一个满足式2 3 4 或式 2 3 5 要求的带通信号均可以用同样的采样频率f 。= 2 b 对信号进行采样，采样 后得到的信号均能准确地表示位于中心频率不同的原信号。 带通采样时，只允许在一对频带上存在信号，若不同频带上存在信号，采样 后犏引起信号的混叠。因此，在软件无线电的应用中就先使用抗混叠滤波器滤出 感兴趣的一个信号，然后再进行采样。 3 )带通采样的结果是把位于 m b ，( m + 1 ) b ( m = 0 ，1 ，2 ，) 频带上的信 号都用位于( o ，b ) 上相同的基，带信号频谱来表示，但这时若m 为奇数时，则采 样后的基带谱相对于其中心频率反折。 4 ) 软件无线电中，经过a d 转换器的采样、量化和编码就可以将模拟信号 转换成数字信号。一个实际的无线电信号一般都是带宽为几十千赫兹到几兆赫兹 的带通信号，在经过a o 的带通采样后，在低频段也会出现和原信号被采样后相 同的数字信号。也就是况，从某种意义上讲，使用带通采样的a d c 也具有下变频 的作用。利用这一性质，我们就- 叮以优化后续数字下变频模块的设计，使其能够 达到更佳的效果。 例如：在6 0 m t t z 的频点上韵一个需要处理的信号，如图2 2 所示，根据式 ( 2 3 3 ) 可知，采样频率 软件无线l 乜中数字上下变频器研究与实现 f s = 羔 此时f 。= 6 0 m h z ，当取m = 2 时， fs = 4 8 m h z x ( ，) r t l圉 一 一6 006 0 b l t t z 图22 原始信号频谱 国厂 囡r 厂 ，j 图2 3 带通采样后的频谱图 因此，在使用4 8 m i l z 采样频率的a i ) c 经过带通采样后的频谱分由i 如图2 3 所 示( 只考虑正频率的情况) 这样采样后在1 2 m l l z 的频点上也出现了一个与原信号采样后相同的信号，相 当于信号的中心频率从6 0 m t t z 搬移到1 2 m h z ，实现了混频功能。因此我们在后续 的数字下变频处理中完全可以利用这个信号，采用频率较低、性能更高的晶体来 提高系统的性能。 ( 2 3 2 ) 式将采样频率划分成若干个区闻，由m 确定。m 越小，频率区间 范围越大，也就是说对输入信 ，频率或采样频率偏差的要求越小。并且随着m 下 降，采样频率越高，量化信号的频谱重复间距越大，对抗混叠滤波器带外能量抑 制特性要求降低；同时处理增益也越高，输出信噪比增加 s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 d b + 1 0 1 0 9 ( f ；2 b ) 理想a i ) c 信噪比计算公式，其中，n 为a i ) c 转换位数 ，但后 级处理负荷也越大。在设计时应当根据系统电路结构和应用场合折衷确定m 的耿 值。 2 3 2 多速率信号处理 9 软件无线l u 中数字上下变频器研究与实现 带通采样定理的应用大大降低了所需的射频或中频采样速率，为后面的信号 实时处理奠定了基础。但是对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽应该越宽 越好，这样对不同信号会有更女r 的适应性，而且采样速率越高，在相同工作频率 范围内所需的“盲区”采样频率数量就越少，并对提高采样量化的信噪比电是有 利的，所以在可能的情况下，带通采样速率应该尽可能地选的高一些，使瞬时采 样带宽尽可能的宽。 但是随着采样速率的提高带来一个问题就是采样后的数据流速率很高，导致 后续的信号处理速度跟不上，所以对a d 处理后的数据流进行降速处理或叫：次 采样是完全必要的。多速率信号处理技术为这种降速处理的实现提供了理论依 据，其中最为重要的理论是抽取干内插，它们为数字上下变频的成功实现奠定了 重要的基础。 2 3 2 1 抽取 所谓抽驳( m 倍抽取) 就是把原始采样序列x ( n ) 每隔m 1 个数据耿一个， 以形成一个新序列y ( n ) ，其中： 输入输出函数时域关系，= 伪圳( 2 3 6 ) l m 一1 ，c o - 2 k t c 一，一2 r e 输入输出函数频域关系y ( e j “s ) = 古x ( w p 。肼) ，w = p 。m ( 2 3 7 ) “ = 0 从式( 2 3 7 ) 中可知，就归一频率而占，抽取后频带扩大了m 倍，而且是m 个 相位差为丝m 的谱的总和，除非原始归一频带小于吾，否则将发生谱的混叠。 由此可见，抽取后的频谱y ( u ) 很可能产生严重混叠，使得从y ( u ) 中无法 恢复出x ( u ) 中所感兴趣的信号频谱分量，所以可以首先用一数字滤波器( 滤波 器带宽为寺对x ( 。) 进行滤波，使x ( “) 中只含有小于寺的频率分量( 对应 的模拟频谱为兰f 。) ，再进行m 倍抽取，则抽取后的频谱就不会发生混替。而 m 此时y ( u ) 可以准确地表示i ( u ) 中小于兰或兰f 。的频率分量信号，所以这时 朋肘 对y ( u ) 进行处理等同于对x ( ”) 的处理，但前者的数据流速率只有j 舌者的m 分 之一，大大降低了对后续信号处理速度的要求。 当抽取率m 很大时，所需要的低通滤波器阶数就非常高，乃至无法实现， 通常通过级连的方式实现：m = m 。 m 。丰。带通信号的抽取通常采用频谱搬移，先 把位于中心频率f 。处的带通信号搬移到基带，然后再利用低通信号的抽取方法 进行抽取。? 这是因为对于带通信号的抽耿只能实行采样率的“整带”抽耿，即带 通信号必须满足( 2 3 8 ) 和( 2 3 9 ) 式 软件无线电中数字上卜- 变频器研究与实现 舻鼍粤= 竽s ( 2 - 3 8 ) 式中，m 为正整数，f 。为经m 倍抽取后的采样率。 厂s 2 嚣2 2 ( 知+ 凡) = 2 b ( 2 3 9 ) 将( 2 ，3 9 ) 式代入( 2 3 ，8 ) 式i ，可得： 几+ t h = ( 2 m + 1 ) b ( 2 3 1 0 ) 或： ，f = ( + 1 ) b 或几= m b ( 2 3 1j ) b 为信号带宽，即带通信号的最高或最低频率是信号带宽的整数倍，这时抽取倍 数m 应满足： m ：堕( 2 3 1 2 ) 2 廿 而这在很多场合是无法满足的，所以一般采用将带通信号进行频谱搬移至基带， 然后再进行抽取。 在实际的实现过程中，通常通过c i c 滤波器、 l b 滤波器和f lr 滤波器级连 实现信号的抽取和整形。 2 3 2 2 内插 所谓( m 倍) 内插就是指在两个原始抽样点之间插入m 1 个零值。原始采样 序列x ( n ) 形成一一个新序列y ( n ) ，其中： 输入输出函数时域关系 输入输出函数频域关系y ( e j 。) = x ( e j m 。) 当旦；整数 其m 他 ( 2 3 1 3 ) 即经m 倍插值后新序列y ( 【1 ) 的间隔是原序列x ( n ) 间隔的m 倍。山式( 2 3 1 4 ) 可知，对以采样间隔为参考值的归一频谱而言，插值后频带压缩了m 倍，并以等 m 为周期重复。只要原始采样满足采样定理，插值后便不会发生频谱的混叠。 另外，内插不仅可以提高时域分辨率，而且也可以提高输出信号的频率。只 要用一个带通滤波器取出经j i 1 5 插值后频谱中的高频分量即可，带通滤波器h i ，( u ) 的频率特性为； 当云一i ) _ c e i l ( 4 l 0 9 2l c i c 5 + l 0 9 2l r c t c 2 ) ( 4 6 ) 0 s c t c1 5 8 软什无线i u 中数字上下变频器研究与实现 f ) 代入k m 和k 。可得：s 。= 2 3 ，c i cg a i n = 0 0 0 1 2 2 。将s 。写入内部寄存 器0 x 0 6 的b i t 4 0 位。 4 3 5 配置 1 a d 6 6 2 4 1 ) m i c r op o r t a d 6 6 2 4 主要通过m i c r op o r t 接口进行内部寄存器的配置，以此来完成 a d 6 6 2 4 各种功能的设置。m i c l op o r t 接口出3 一b i t 地址线、8 一bj t 数据线和一 组控制管脚组成。使用这3 - h i l ，地址线和8 一b i t 数据线可直接读写8 个8 _ b n 的 外部寄存器，通过这8 个外部寄存器对内部寄存器的映射就可以读写所有的内部 寄存器从而完成对a d 6 6 2 4 功能的设置。8 个外部寄存器的映射关系如图4 1 6 所 示。 a 1 2 d 1n a m c c o r 日r n e n t a c c t c o n l “3 1 i r ( a c l l ) 7蛐l o n a m c nl 6h i 硼d 订n 21 n 灯u c l i o n 口：oj l o ：a p j l 哺m n t i d d w m m l k r 【c n 7 _ m p ：0 l s o n ：s y n cc o n 佃l 妇啦r 唧i n o n l ，) 7 ：l m 6 ：n q 1 u x _ 吼 ，l 椰 - i ：乳t ，s y n c z ：“n c2 l ：s y n c i d ：鲥n co i l n 一耵n ( ：。n 帅l 陆西s 甜 ( 时l 【c o n 吣 7 ： l 婚b 】“n 向r h i 研1 6 ：f s y n cn n i v ，：l i a d 正n t i ： s t 砒j ；n 3 ：针n ( l e n ， 2 ：耵n c l 瀚2 i ：甜n e e n i ms y n 己e n o s u - e p ( 竹0 n 7 6 ：n c 坼n 蜘 ，： 吡h l n 呲l b n c e n t r e | m 脚b ，j ：s 州1 1 r 口d0 3 ： s u i m 2 ： s l 目j p 2 i s n 冲1 0 ：s 】j 讲p o j n l l r e , i sl e t 2 ( d 妇) 7 _ d ：i h w r 删 ，d ：d i i g ：t 刚 d a h l m l ( i ) m ) ”一rj ) i t t 哪 ”目i i i h i l n d ( d i 7 - o ：u l t _ o j 圈4 1 6a d 6 6 2 4 外部寄存器映射关系图 外部寄存器7 ( a c r ) 的bl t 7 位如果被置1 ，其主要完成控制读写时内部寄 存器地址的自动加l ，这对配疆地址连续的内部寄存器时特别方便；b i t 6 2 位 为片选信号位，如果b i t 6 位置0 ，那么b i t s 2 就相当于a d 6 6 2 4 芯片的片选管 脚c i t i p _ i d 3 ：0 ，由于可允许最多1 6 个a d 6 6 2 4 芯片连接在同一个配黄端口， ， 3 5 软件无线电中数字上f 变频器研究与实现 所以通过管脚c h i i 】- i d 和b 1 t 6 2 位的匹配可完成对选定芯片的配置。如果1 3 jr j 6 位嚣1 ，那么就可完成多个：占片或不i 司芯片的多个通道的配置，一共有1 0 种情 况可进行选择，如图4 。1 7 所示。这种功能可应用于智能天线系统，在多个芯片 的多个通道连接于一个天线时u j 进行同时配置。由于本系统只使用一个a d 6 6 2 4 ：卷片，所以将c h i p i d 管脚连接为低电平，在配置时，将b i t 6 2 均设为0 时表 示选中该芯片；b i t l o 为通道选择位，o o 表示选中0 通道进行配置，0 1 表示 选中1 通道。l o 表示选中2 通道，1 1 表示选中3 通道。另外，当系统完成图4 1 7 所示的功能时，也必须通过b 1 1 i l o 来进行选择从而实现具体通道的配嚣。 外部寄存器6 ( c a r ) 的b l t r 7 o 位表示内部寄存器的地址。 | n s t t u c t l o nc 0 1 1 1 t i l e i t 0 0 0 0a l id l i psa n da i ld l a n n e h 硼ig e tt h ea c s 0 1 3 0 lc h a t ) r i d0 ，l ，2o fa l lc h i p sw i | tg e tt h ei i c c e 0 0 1 0 c h a n n e l1 ，2 ，3o fa l lc h j p $ w i lj 鼎t h et i c c e s s 0 1 0 0 a u 出i p sw i hg e tt h ea c c e s s 3 1 0 0 0a l ld u p sw i t hc h i p _ i d 【3 ：o l = x k x o l lg e t 1 1 1 ea c c e s | ? 1 0 0 la l ld f i p lw i t hc 1 1 i p j d d ：o l = x n l g e t t h ea c t u a l 3 1 1 0 0a l lc h i psw i t hc h i p j d o ：0 = x x 0 0 、柚lg e t t h ea c c e s s 3 1 1 0 i a l lc h i p tw i t hc h j p j d d ：o l = x x o ! w i l lb e t t h ea c c e s s j 1 1 1 0a i ld l i p lw i t hc h i p j d d ：o 】= y 。x l ow i l l 衅l t h ea c c e s s j 儿1 1a l lc h i pw i t h c h i p j d 口：0 】= x , x l l w i l lg e t t h ea c c e s s j 图4 1 7a c r 商存器b l q 、6 为1h 、jb i t s 2 功能图 外部寄存器f 镘件同步控制寄存器) 的b i t 7 6 位和外部寄存器4 ( 硬件 同步控制寄存器) 的b i q 7 位一起完成a d 6 6 2 4 的j t a 6 口的测试功能；如果a d 6 6 2 4 需要处理跳频信 ，则将外部寄存器5 的b i t 5 位置l 来完成跳频控制的软件同 步：b i t 4 位的功；毙是当芯片配筒完成后将该位置l 来激活被选通道从而使系统 开始工作；b i t 3 ，0 是激活4 个通道的软件同步功能。 山于水豸、镜的设计采用软俐同步的功能，所以外部寄存器4 均置0 。 外部寄彳f 器3 ( s l e e p 状态) 主要功能是将所选通道鼹于s l e e i ，状态束进行 芯片的配置，配胃+ 成后再将所选通道的s l e e p 位置0 ，从而来激活通道。 外部寄麓器2 ( 1j r 2 ) 、1 ( d r l ) 和0 ( d r o ) 控制内部寄存器的数据渎写。 有效位从d r ：的b i t 3 到d i o 们1 3 i t o 位。 从上面的描述可知。虽i 然a 0 6 6 2 4 只有8 个8 - b i t 的外部寄存器可供读写， 但实际上通il 外部寄存鲥，控制的每一通道内部寄存器地址线共有8 位，数据线 2 0 位，最多呵读写2 5 b 个2 0 _ b it 的内部寄存器。既结构简单，便于控制，又口r 软什无线i u 中