（信号与信息处理专业论文）中频数字化接收机的硬件实现.pdf

摘要 摘要 无线电接收机硬件依赖性强、信号适应能力差，软件无线电技术的出现导致了接收 机的革新。其核心思想是：将a d 转换器尽可能靠近天线，即把a d 从基带移到中频 甚至射频，把接收到的模拟信号尽早数字化。鉴于目前器件水平的限制，现阶段尚难 以对射频直接采样。在保留软件无线电通用、灵活、开放的特点的前提下，目前普遍采 用了中频数字化方案。因此，研究中频数字化接收机技术有重要的意义。 本论文以整个系统的硬件设计为主要研究对象，在综述中频数字化的相关理论的基 础上，介绍了一种基于软件无线电的中频数字化接收机的设计与实现。首先，提出了整 个系统的实现方案，确定以d s p 为系统的核心处理部件。在此基础上，给出系统的硬件 实现框图，然后，详细讨论了主要芯片的选型和功能特性，并对关键部分的硬件连接作 了介绍。最后，详细讨论了系统的部分软件设计工作。 向这个通用硬件平台上加载相应的软件即可完成特定的通信功能，通过对软件的升 级可以对这个系统不断升级，整个系统功能软件化具有高度灵活的可扩展空间。 关键词：中频数字化接收机，软件无线电，通用硬件平台，数字信号处理器， 数字下变频 a b s t t a c t a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lr e c e i v e rd e p e n d so nh a r d w a r e t h ee m e r g e n c eo fs o f t w a r er a d i or e s u l t si n r e c e i v e r sr e n o v a t i o n i t sc o r ei st om a k e 加c o n v e r t e rc l o s et oa n t e n n a w js h o u l dc o n v e r ti f a n a l o gs i g n a li n t od i g i t a ls i g n a l d u et ot h el i m i t a t i o no fd e v i c el e v c l i ti sd i m c u l t t o r e a l i z e r f s i g n a ld i g i t a l i z a t i o n t h e r e f o r e i f s i g n a ld i g i t a l i z a t i o n b e c o m e st h e p r e v a l e n tc h o i c e t o d a y , t h et e c h n o l o g yo fi fs i g n a ld i g i t l i z a t i o ni so n eo ft h et e c h n o l o g i e si n g r e a tp r o g r e s so fs o f t w a r er a d i o i fd i g i t l i z e d r e c e i v e rh a sb e c o m e so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n t p a r t s o fs d r s y s t e m t i l i st h e t i sm a i n l yd e a l sw i t ht h eh a r d w a r ed e s i g no f w h o l er e c e i v e rs y s t e m o nt h eb a s i s o ft h ep r i n c i p l e so fi fd i g i t l i z a t i o n , i t p r e s e n t sad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa ni fd i g i t a l r e c e i v e rb a s e do ns d r f i r s t l y , i tp r o v i d e sas c h e m et or e a l i z et h ew h o l es y s t e m ，d e f i n i n gt h e d s pa st h ek e yp r o c e s s o ri nt h ew h o l es y s t e m ，d i s c u s s i n gt h ed e s i g np r o j e c to fa ni fd i g i t a l r e c e i v e r a n dt h e n , t h ec h o i c e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c e so fm a i ni cc h i p sa n dt h e i r c o n n e c t i o n sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s f i n a l l y , t h es o f t w a r ed e s i g n sa r ed i s e u s s e di nd e t a i l s s p e c i a lf i m c t i o n sw i l lb ei m p l e m e n t e db yd o w n l o a d i n gs p e c i a ls o f t w a r e i n t ot h e h a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h es y s t e mc a r lb ec o n s t a n t l yu p d a t e db yc o n t i n u a l l yu p d a t i n gt h e s o f t w a r e s y s t e m sa g i l i t yi sv e r yh i g h k e y w o r d s ：i f d s p , d i g i t l i z a t i o nr e c e i v e r , s o f t w a r er a d i o ，p o p u l a rh a r d w a r ep l a t f o r m ， h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 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， 也不包含为获得东南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的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：翩签名五鼢e l 导师签名：兰i ! ! ! ! ： 剜弓 第一章绪论 1 1 软件无线电概述 第一章绪论 1 9 9 2 年，美国m i l t r e 公司的j o e m i t o l a 在美国国家远程会议上首次提出了软件无 线电( s o f t w a r er a d i o ) 的概念。其中心思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台作为 依托，通过软件编程来实现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。其功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤 其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 、d a 变换) 尽量靠近天线。软件无线电强调体 系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新来替代硬件配置结构的变换，实现新 的功能。软件无线电采用标准的，高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升 级和扩展。 软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束缚。在系统结构相 对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能，使得系统的改进和升级非常方便又代 价很小，且不同的系统之间能够互联和兼容。 我们可以把软件无线电的主要特点j 归纳如下； 1 具有很强的灵活性。软件无线电可以通过增加软件模块，很容易地增加新的功能。 它可以与其它任何电台进行通信，并可以作为其它电台的射频中继。可以通过无线加载 来改变软件模块或更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软 件模块。 2 具有较强的开放性。软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以 随着器件和技术的发展而更新或扩展。软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅 能和新体制电台通信，还能与旧式体制电台相兼容。这样，既延长了旧体制电台的使用 寿命，也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。 这是一种全新的思想，它使得通信系统摆脱了面向设计思想，被认为是无线通信从 模拟到数字、从固定到移动之后的又一次突破。 1 2 数字中频技术 软件无线电是一种基于高速、高精度a d 器件、高速d s p 芯片，以软件为核心的 崭新的体系结构。其基本思想就是将高速a d 尽可能地靠近射频天线以便将接收到的模 拟信号尽可能早地数字化，尽量通过软件来实现电台的各种功能。然而，由于受器件水 平的制约，直接对射频采样处理还有一定难度。在保留软件无线电通用、灵活、开放的 特点的前提下，目前普遍采用了中频数字化方案。与模拟技术相比，数字中频技术的优 点主要体现在以下几个方面1 2 j ： ( 1 ) 线性动态范围宽，设备的复杂性低 在许多模拟接收机中采用了模拟自动增益控n ( a g c ) 来增大接收机的线性动态范 围。数字中频接收机则采用高速高精度a d 器件，并配合先进的中频算法获得很高的灵 敏度及很宽的线性动态范围，从而降低了设备的复杂性。随着a d c 技术的发展，其线 性动态范围还可大大提高。 ( 2 ) 低漂移、低失真 我们知道，在模拟接收机中，本振频率漂移、相位噪声、混频产生的虚假信号、放 大时产生的谐波以及互调、机内噪声等是长期困扰设计者的难题。尽管设计人员想方设 法，但结果并不能令人满意。而数字化技术有效地解决了这些问题。在数字化之后，本 第一章绪论 振、混频、放大、滤波都是数字线性运算，不会产生谐波、互调等虚假信号。 1 3 中频数字化接收机 模拟接收机的结构如图1 1 所示，接收信号经射频前端放大后与本振混频产生中频 信号，经滤波放大后，在中频进行解调滤波，然后经中频混频后的基带信号，经低通滤 波器输出。 中频数字化接收机在中频采样，它的结构如图1 2 所示。接收信号经射频前端放大 后与本振混频产生中频信号，经a d 带通采样、p d c 下变频至基带，送到数字处理器 进行解调滤波。 与模拟接收机相比，中频数字化接收机有以下的优点： ( 1 ) 模拟接收机的动态范围受模拟器件的限制，中频数字化接收机的动态范围取 决a ，d 的动态范围，要获得较大的动态范围相对容易。 ( 2 ) 模拟接收机由于模拟器件多，电路比较复杂，幅相畸变大，而且接收机的体 积、重量、功能等不能令人满意。而中频数字化接收机中的混频器、低通滤波器均由数 字电路构成，在现在的技术背景下，往往采用a s i c ，f p g a 或d s p 实现。由于这些器件 都具有可配置或可编程的特点，因此可以很方便地更改混频器和低通滤波器的参数，构 成新的系统，具有很大的灵活性。 因此，研究和设计中频数字化接收机具有重要的意义。 1 4 课题及论文的内容 图1 2 啊襄徽羧收瓤结构 作者在软件无线电理论的基础上，结合当今的硬件工艺水平，实现了一个中频数字 化接收机的硬件平台设计，并进行了部分软件设计。这个系统具有软件无线电的基本特 点，即具有可再配置和再编程特性，系统硬件平台具有通用性，系统完成的通信功能是 由加载的软件来完成的。论文中，假设输入信号就是经过处理后的中频信号，重点研究 中频后的信号处理部分。 本文的研究内容分为以下几个部分： 第一章：介绍了软件无线电的概念，提出了目前可实现的软件无线电即软件无线电 中频数字化方案；讨论了中频数字化技术的优点，并给出了相应的模型框图。 第二章：介绍中频数字化的理论基础，主要包括：信号采样理论、降速率处理技术、 高效数字滤波器以及正交变换等理论； 第三章：考虑到系统实现的难易程度、开发成本和灵活性等因素，通过对几种中频 兰二皇堡堡 数字化系统硬件平台方案的比较，最终确定了基于d s p 的总体设计方案，并给出了中 频数字化接收机系统结构框图，描述了系统的工作过程： 第四章：根据总体设计方案，选择了实现相应功能的主要芯片，并分别对其结构、 功能进行了介绍，重点设计了a d c 器件的外围电路，并对p d c 的应用设计进行了分析； 第五章：阐述了本系统涉及到的主要芯片的电路连接设计； 第六章：给出部分软件设计，其中包括利用m a t l a b 进行滤波器设计、f i r 滤波器在 d s p 上的实现和d s p 程序自举加载的实现等。 第七章：对全文的工作做一总结，指出了设计中存在的问题和有待改进的地方。 第二章中频数字化理论基础 第二章中频数字化理论基础 本章介绍中频数字化的理论基础，主要包括：信号采样理论、降速率处理技术、高 效数字滤波器以及数字正交变换等理论。 2 1 信号采样理论 2 1 1 基本信号采样理论一n y q u i s t 采样定理 对中频数字信号数字化，采样速率多大? 如何进行? 数字化后的信号能无失真的重构 原信号吗? 这就是模数变换的问题，其理论依据是采样定理p l 【4 】。 n y q u i s t 采样定理：设有一个频率带限信号x 渺，其频带限制在( o ，扇) 内，如果以不小 于石= 珈的采样速率对x 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号x 例爿伽t o ( 其中 珏= ，为采样间隔) ，则原信号x ( o 将被所得到的采样值x 俐完全确定。 根据n y q u i s t 采样定理，采样频率卮应该至少大于信号最高频率角的两倍，信号才 可以无失真的重构。这样，随着a d c 往射频端推移，正的取值将很高，这将引入以下 问题： ( 1 ) 高速a d c 器件难以实现； ( 2 ) f i n 采样孔径抖动造成的信噪比恶化严重； ( 3 ) a d c 速率过高，对d s p 处理速度要求高，适时处理困难。 但在实际应用中，常常遇到窄带信号。所谓的窄带信号是指信号的频谱集中在信号 的中心频率附近的一个窄的频率范围内。对这类信号，在不产生混叠的情况下，采样频 率，；并不需要最高频率的两倍，即，；盈后。这就是带通采样定理要讨论的问题。 2 1 2 带通信号采样理论 n y q u i s t 采样定理讨论了频谱分布在( 0 扫) 上的基带信号的采样问题，而在适用的软 件无线电模式，我们从中频开始全数字化，因为有用信号只是占据了整个中频带宽的一 部分，所以如果我们将整个带宽进行采样，不仅数据非常大，而且也包含很多无用信息， 我们只需要进行带通采样p j1 4 p j 。 带通采样定理：对一中心频率为而，带宽为b = f m 五的带通信号，由采样值不失真 地恢复原信号的均匀采样率可表示为： 盗sf 墨丝 ( 2 1 ) 聍一。一”一1 。 其中，”是由式j 勤g ( f n b ) 确定的整数，i x l 为小于等于x 的最大整数。当f n b 刚好为整数，且n = f n b 时，就可以用最低采样速率即两倍带宽速率对带通信号进行采 样。此时，带通信号的中心频率必须满足f o = ( 2 n - d b 2 或五t 届= ( 2 n + 1 ) b ，也即信号的 最高或最低频率是带宽的整数倍。 由于受a d 器件水平的限制，采样率不可选得太高；而过低的采样率又会有效转 换位数减少。所以，采样率的选取，要在满足公式( 2 1 ) 的前提下，综合考虑。 值得指出的是，上述带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中的一个频带上 存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号的混叠。 带通采样前后信号的频谱如图2 1 所示。 4 第二章中频数7 化理论基础 翻2 i 带通采样前后信号的频谱图 2 2 降速率信号处理 多速率数字信号处理【l 】嘲，就是指一个系统中存在两个或两个以上的采样速率，目 的是为了减少运算量和存储量，便于信号的存储、传递和处理。它实际上是对采样后的 序列进行重新采样的过程，主要包括抽取和内插两大内容，其中抽取是降速率信号处理， 是本节介绍的重点。 所谓整数d 倍抽取，是指原始采样序列x ( n ) 每隔( d 1 ) 个样本数据取一个，以形成 一个新的序列x d ( m ) ，即x o ( m 产- x ( m d ) ，抽取的时域过程如图2 2 所示。 图2 2 整数悟抽职的b 寸塌雠 设x ( n ) 的频谱为x ( e l ( o ) ，x d ( m ) 的频谱为x d ( e i m ) ，则有： ，、1d 1 x 。l p j m ) ：二y x ( e 一k - 2 一归 ( 2 2 ) d 篇、 7 由上式可得，抽取序列的频谱是抽取前原始序列的频谱经频移和d 倍展宽后d 个 频谱的叠加和。当序列x 例的最高频率大于m d 时，抽取后的频谱就会发生严重的混叠， 完整的抽取器之前应该加上一个抗混叠的低通滤波器，提前滤除r , d 以外的信号，其结 构如图2 3 所示，频谱结构如图2 4 。由于抽取前后的频率成分一一对应，不但可以用 而 恢复 中小于m i d 的频率，而且抽取后的数据速率只有原来序列的1 d ，大大 降低了对后面各种信号处理速率的压力，所以在现代信号处理中应用十分广泛。 第二章中频数字化理论摹础 f 幽幽幽， - f i f ，c而。-!lji拇，ncm，：；：!哗， 图2 3 走整的抽取结构图2 4 抽职喜后的凝灌结构图 2 3 高效滤波器 2 3 1 半带滤波器( h b ) 半带滤波器在多速率信号处理中有着特别重要的作用，它适合于实现d = 的抽取， 而且计算效率高，实时性强。如图2 5 所示，半带滤波器满足以下关系： ? 2 ：一悠 ( 2 3 ) 【& = 讳= j 、 由图2 ，5 可以看出，虽然经过2 倍抽取后，原始信号的部分发生了混叠，但是位于 通带内的信号仍然可以被恢复，所以就其通带信号而言完全可以采用半带滤波器进行2 倍抽取，只需要根据抽取前后的抽样速率和信号带宽对其进行设计【1 0 j 。 骨- ，) 口。口 oe 1 2- 3 ，22 f t “， 。幻 0 ，2 f 2 j r w l u o c ) d ( ) g 鞠2 5 半骷渣浚器的频率特性 同时，不难证明半带滤波器的频谱和冲激响应分别具有以f 性质 日g ”) = 1 一日0 ，k 1 皿h ( f 7 1 = 0 5 ( 2 。4 ) f 05 k ：0 矗( 甩) 2 1 0 。k ：垃，4 ， 半带滤波器的特点是：冲激响应h ( n ) 除了零点以外，在其余偶数点上全为零，在实 现采样率变换时，只需一半的计算量，有很高的计算效率，特别适合进行实时信号处理。 6 第二章中频数字化理论基础 2 3 2 积分梳状滤波器( c i c ) 单级c i c 滤波器的冲激响应的形式川是： 删= ：；眶刀其 d 它- 1 z 变换为：h ( z ) = 萎d - i _ 1 2 。) = 再l - - z - d c i c 的频率响应为： 础士器 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 6 给出了它的幅频特性，通过计算可得单级c i c 的最大旁瓣衰减约为一 1 3 4 6 d b 。这样的衰减难以满足实用的要求，可采用多级级联的方法降低旁瓣电平，从 而满足大抽取滤波器的要求。 c i c 抽取滤波器实现起来有以下几个优点： 1 ) 只需要加法器，无需一般的f i r 滤波器所需的乘法运算： 2 ) 无需存储滤波器的系数； 3 ) 抽取器可以放到梳状部分的左侧，减少计算量； 4 ) 结构规则易于拓展。 这些优点说明：c i c 抽取滤波器实现简单，无论是对提高实时性，还是简化硬件都 有重要意义。所以c i c 滤波器在多速率信号处理中具有特别重要的位置i 引。 图2 6c i c 滤捩器的幅频特性 多速率信号处理的抽取和高效滤波器的应用，其目的都是为了减少信号处理过程中 的乘法运算次数，降低数据速率，减轻对数字处理芯片的压力。 2 4 数字信号正交变换理论 软件无线电中所处理的信号是带通信号，即是在( d ，力整个数字频带中某一带宽( 7 2 ， 矗) 内的信号。对带通信号抽取时，往往先采用频谱搬移，把带通信号搬移到基带，然后 利用低通信号的抽取方法进行抽取。这种方法叫做正交变换法【1 】 9 11 1 0 1 。 软件无线电的输入信号x ( 0 为实信号，其频谱具有共扼对称性，即满足： 硼) - ( 们 ( 2 7 ) 如果对输入信号进行单边化，即对信号进行正交分解，使用复解析信号z 表示实 信号，那么复信号z 似可以表示为： s ( f ) = 口( ，) e j 9 0 ) = a ( t ) e o s q d ( t ) + 豇( t ) s i n 口o ( t ) ( 2 8 ) = r e b ( ，) j + jl m s ( t ) j 式中，是口的z m 瞬时包络。 7 第二苹中频数字化理论基础 下面我们介绍一种软件无线电中的实信号正交分解方法数字混频正交变换。所 谓数字混频正交变换实际上就是先对模拟信x o ) 通过a d 采样数字化后形成数字序列 x m ，然后与两个正交本振序列c o s (打)玎)相乘，再通过数字低通滤波器来实_oon)$(1l s i n 现，如图2 8 所示。图中由于两个正交本振序列的形成和相乘都是数学运算的结果，所 以其正交性是完全可以得到保证的，只要确保运算精确即可。图中所示的正交变换方法 随着高速集成电路的发展将会得到越来越广泛的应用。这种方法的主要特点是对a d 采 样的要求比较高，需在高频或中频进行采样数字化。 z 肼i 劬 z p t - 图2 8 实信号的数字混频正交基带变换 图2 8 中所示的数字正交变换，虽然可以实现精度较高的正交混频，但是在采样速 率很高时，后续的数字低通滤波器很可能就会成为瓶颈，特别是当阻带衰减要求比较大， 而导致滤波器阶数很高时，实现起来就会更加困难。后续的低通滤波器可以使用前面介 绍的级联的c i c 滤波器实现。 2 5 本章小结 本章从理论上对信号采样理论进行论述。在基本采样定理的基础上，给出了带通采 样定理，为软件无线电带通采样提供了理论基础。同时对多速率数字信号处理作了详细 的阐述，这是软件无线电中频数字化接收机的基础理论，为软件无线电中数据的下变频 提供了理论依据。 第三章中频数字化接收机的设计方案 第三章中频数字化接收机的设计方案 前文介绍了中频数字化接收机的理论基础，三、四、五章将结合实际介绍中频数字 化接收机的硬件实现方法。本章着重介绍中频数字化接收机的整体方案设计。 3 1 中频数字化接收机的技术指标 现在需要实现一种中频数字化接收机，要求的技术指标如下： 1 输入信号： 中频：4 1 4 4 m h z ： 带宽：1 2 k h z ； 2 输出信号：两路独立音频l s b 和u s b ，一路模拟a g c 电压。音频信号衰减范围 为0 0 2 d b ，模拟a g c 的控制范围为0 - - , 7 0 d b 。 3 接收机解调样式：a m ，c w f m ，d s b ，l s b ，u s b ，i s b ，f s k 等。 4 系统标频：1 0 m h z 。 3 2 中频数字化接收机硬件平台方案的选择 现在对软件无线电的研究，一方面集中在新技术的研究上；另一方面，更多的是在 现有的技术条件下，研究如何最大程度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将 软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。 现阶段，实用的软件无线电系统的硬件平台方案主要有四类：数字信号处理器( d s p ) 方案、客户定制的集成芯片( a s i c ) 方案、现场可编程逻辑器件( ( f p g a ) 方案以及计算机 工作站方案。 在通用p c 微机上主要是软件实现信号处理，能够提供很强的处理能力，同样成本 也很高。 在独立机型设计中一般采用其他三种方式。基于可编程f p g a ，近年来也有较大的 发展，虽然其处理速度较快，灵活性较强，设计比较复杂而且难度较人，成本往往较高， 目前在高端通信中应用较多。在一些新型应用的前期工作可能采用f p g a ，至于转入批 量生产，则需要考虑a s i c 或是d s p 。 而从成本上来看，a s i c 似乎更适合于产品化，但是高昂的前期投入费用还伴随着 一定的风险，便使得a s i c 的应用需要有特别的针对性。其产品一旦确定就无法修改， 至于产品更新换代也就需要重新设计生产。 相比之下，d s p 应用上的灵活性较f p g a 和a s i c 都略胜一筹。当然d s p 会涉及软 件开发资源，不过如果解决得好，d s p 的优势会充分展示出来。d s p 软件有极强可维护 性和再利用性，既可以更新已有产品，也可以轻松地升级到新的产品。 四种方案的特点比较如表3 1 所示i l l j 。 表3 - 1 四种硬件平台的特点比较 能 现场可开发系统 方案 功能尺寸成本 编程性工具扩展性 高速d s p多适中适中强较少适中 a s l c 一般大局无一般强 f p g a 少小适中强一般较强 计算机工作站很多很大l 曷强很丰富很强 9 兰三里! 丝茎兰些堡! ! 竺墨堕垡生查墨 可见，基于d s p 硬件平台的设计方案，通用性、灵活性比较好，开发比较容易， 性能比较好，且成本适中，是目前可实现的一种设计。本文即采取这种方案。 3 3 中频数字化接收机整体设计方案 本文以d s p 为核心，采用通用数字信号处理器件和可编程专用器件相结合的设计 方法，给出了一种基于软件无线电的中频数字化接收机的硬件设计和实现方法。 3 3 1 系统工作过程： 中频数字化接收机系统结构框图，如图3 1 所示： 图3 1 中频数字化接收机系统结构框图 系统工作过程为：从接收模拟前端来的窄带中频信号( 疗= 4 1 4 4 m h z ) ，输入到模数 转换器a d c ，进行带通采样和模数转换，采样速率为= 1 0 m h z 。a d c 产生的数字信号， 送入数字下变频器p d c ( p r o g r a m m a b l ed o w nc o n v e r t e r ) 处理，p d c 将中频信号的频谱搬 移至零频( 基带信号) ；同时逐次滤波，使带宽达到我们想要的值。与此同时，将采样率从 1 0 m h z 逐次降低，最后用3 9 0 6 2 5 k h z 的速率，输出i 、q 两路基带数据到后端的数字信 号处理器件d s p 中，调用不同的软件模块对信号进行相应处理。d s p 处理后的数字信 号，经数模转换器d a c ，做内插和数模转换，最终输出两路独立的音频信号( 上边带u s b 、 下边带l s b ) 和模拟增益控制电压( a g c 、m g c 、a + m 等) 。整个系统完成a d 、下变 频、滤波、解调、增益控制、d a 等功能。 3 3 2 系统频谱分析 中频数字化接收机是基于带通采样定理和数字信号正交变换理论的，其信号流程图 如图3 2 所示。 i o 第三章中频数字化接收机的设计方案 出 采样频率五 图3 2 中频数字化接收机的信号漉程图 下面我们完整地看一下系统的频谱变化【1 2 】【1 3 】，见图3 3 。 图3 3 ( a ) 为输入信号a 点的频谱，输入信号是中心频率为4 1 4 4m h z 的上、下边带信 号，采样率户1 0 m h z 。图3 3 ( b ) 是将输入信号带通采样后b 点的频谱。可见，带通采样 后的频谱包含了输入信号被搬移到f 士。f 伽为整数) 处的结果。图3 3 ( c ) 显示了混频后 c 点的频谱，n y q u i s t 频率之外的伪信号，不满足n y q u i s t 采样定理，可以不加理会。在 基带n y q u i s t 内的信号( i t l 三f ) 包含了所需要的信号和一个偏离理想信号的在 ”2 j 2 8 8 m h z 处的一个倒谱。信号接下来通过梳状滤波器( c i c ) 时，2 8 8 m h z 附近的频谱 成分被滤掉了。c i c 后的d 点信号频谱如图3 3 ( d ) 所示。其抽取、低通滤波后e 点的频 谱如图3 3 ( e ) 所示，经过抽取后，信号的采样率降低为f s = 3 9 0 6 2 5 k h z 。与此同时，量化 噪声的高频部分几乎全部被滤掉。 ( ) 中蜘翩 f 言号鲍缔i 带通黼附售号频谱 02 8 吼f f l 砸f ( c ) 混频后的信号频谱 ( d ) c i c 后的信号频谱 第三章中频数字化接收机的设计方案 3 4 小结 一3 9 0 6 2 5 k0 f s = ：3 9 0 6 2 酞f ( e ) 抽取( d = 2 5 6 ) 、低通滤波后的信号频谱 国3 3 中频数字化接收机工作过程频谱分析 本章根据系统指标要求，制定了一种中频数字化接收机的系统方案，并给出了系统 的频谱分析。从系统结构框图可知，信号从中频数字化后，经过数字下变频器的处理， 送入高速信号处理器，通过软件编程实现解调等各种信号处理。 1 2 第四章主要芯片的选择及介绍 第四章主要芯片的选择及介绍 中频后的处理主要包括a d 转换、数字下变频、d s p 基带处理及d a 等转换四部 分。下面针对各部分电路所需的主要芯片，作具体设计与分析。 4 1 柚转换器 4 1 i a d 转换器选择的原则 在软件无线电的设计中，a d 器件的选择应保证软件无线电功能和性能的实现，其 选择原则为【1 1 ： 1 采样速率选择： 由于受a d 器件水平的限制，采样率五不可选得太高；而过低的采样率又会有效转 换位数减少。所以，采样率的选取，要在满足带通采样定理的前提下综合考虑。 2 采用分辨率较好的a d 器件。因为器件的分辨率越高，所需的输入信号的幅度越 小，对模拟前端的放大量的要求也越小，它的三阶截点就可以做得较高。& ，d 分辨率主 要取决于器件的转换位数和器件的信号输入范围。转换位数越高，信号输入范围越小， 则a d 转换器的性能越好，但对制作工艺要求也越高。在选择a ，d 器件时一定要注意 信号输入范围，尽可能选择范围小的佃器件，这样可以减轻前端放大器的压力，有利 于提高动态范围。 3 一般来说，a d 转换位数越高越好。由于a d 的动态范围指标主要取决于转换位 数，a d 器件的转换位数越多，其动态范围越高。 4 根据环境条件选择a d 转换芯片的环境参数，例如功耗、工作温度。剐d 转换器 的功耗应尽可能低，因为器件的功耗太大会带来供电、散热等许多问题。 5 根据接口特征考虑选择合适的a d 转换器输出状态。例如a d 转换器是并行输出 还是串行输出；输出是t r l 电平、c m o s 电平，还是e c l 电平；输出编码是偏移码方 式，还是二进制补码方式；有无内部基准源；有无结束状态等等。 从性能、价格以及前后电路的接口等各方面综合考虑，本系统选用的刖d 转换器是 a d 公司的a d 9 2 4 0 。 4 1 2 a d 9 2 4 0 芯片介绍及外围电路设计 a d 9 2 4 0 是高速1 4 位并行模数转换集成电路，具有极高的采样速率和转换速率， 适用于视频采集和图像处理以及数字仪器仪表的信号采集。a d 9 2 4 0 内部结构紧凑、集 成度高，工作性能好，因而可以大大减少印制板的面积，降低系统成本。 1 a d 9 2 4 0 基本特点和参数如下； ( 1 ) 带有可在内部采样保持的1 4 位分级型( s u b r a n g i n g ) 模数转换器、并行输出接口和 数据缓冲器； ( 2 ) 转换速率为1 0 m h z ； ( 3 ) 信噪比s n r 为7 7 5 d b ； ( 4 ) 无杂散动态范围为9 0 d b ； ( 5 ) 积分线性误差为2 5 l s b ； ( 6 ) 功耗仅为2 8 5 m w ； ( 7 ) 采用单电源5 v 供电； 第四章主要芯片的选择及介绍 ( 8 ) 可与3 v 或5 v 等c m o s 电路接口； ( 9 ) 具有四种单级或双级电压输入范围，分别为士5 v ；士2 v ；o 5 v ；o 2 v ； ( 1 0 ) 可选用2 5 v 或l v 外部或内部参考电压； ( 1 1 ) 带有输出溢出指示；同时可判断结果是高溢还是低溢； ( 1 2 ) 数据输出采用直接二进制输出格式。 a d 9 2 4 0 高达1 0 m h z 的转换速率，以及1 4 位并行数字接口，低的功耗能够满足本 系统中的要求。 2 a d 9 2 4 0 内部结构： 图t 1 k d 9 2 4 0 的内部结构图 a d 9 2 4 0 的内部结构框图如图4 1 所示。a d 9 2 4 0 是一个完整的单片a d c 电路，内 部有c m o s 结构的宽带采样保持放大器和可编程基准电压源。为了满足直流精度和温 漂要求，允许外接基准电压源。a d 9 2 4 0 采用带有数字输出校正的多级差动流水线结构， 确保在宽温环境下不丢码。 a d 9 2 4 0 的输入级有很大的灵活性，对于各种不同输入距离，它的差动输入结构允 许组成单端或双端的输入接口。它的采保放大器( s h a ) 也适合于多路系统。该系统能 连续打开满量程信号电压通路，就如同工作在n y q u i s t 频率之上的单个取样通路输入级 一样。因为差动输入模式下的s h a ，即使在额定的n y q u i s t 频率( 5 m h z ) 之外，仍有 良好的动态性能。 3 a d 9 2 4 0 的工作时序： a d 9 2 4 0 的时序完全依靠时钟来控制采样、转换和数据输出。其定时电路要同时用 到上升沿和下降沿，在时钟的上升沿，a d 对模拟输入信号采样。在时钟的低电平期间 ( 下降沿和上升沿之间的时间) ，s h a 为采样模式；在时钟的高电平期间，s h a 为保持 模式。流水线结构，意味着要三个时钟周期完成转换的整个过程。即：在第一个时钟的 上升沿开始采样转换，当第三个时钟的上升沿到来时，数据出现在d 1 4 d l 端口上。数 据转换时序如图4 2 所示。 柚峨l o a l 喇，坍 拊p u t c d c k d t o u t p r r 图4 26 i ) 9 2 4 0 时序图 1 4 第四章主要芯片的选择及介绍 4 1 3a d 9 2 4 0 芯片的外围电路 根据本系统的要求，a d 9 2 4 0 芯片的外围电路原理图如图4 3 所示1 1 5 j 。 采用内部基准源：a d 9 2 4 0 的电压转换范围由v r e f 决定。将器件的v r e f 管脚与 s e n s e 管脚短路，将内部基准放大器设置为单位增益模式，v r e f 输出为l v ，这样有 效输入电压范围为o 2 v 。 输入耦合方式：由于差动输入方式在整个频率范围内能提供撮好的t h d 和s f d r ， 所以，本系统采用此方式输入。采用带中间抽头的射频变压器进行差动交流耦合，可以 保证得到差动工作模式下a d 的所有优良性能而不会附加噪声和失真。此外，射频变压 器将信号源和a d c 隔离，提高了抗干扰能力。而且，采用变压器抽头可以满足一个偏 置所要求的共模电压，中间抽头接到c m l 端可得到最佳性能。 c a p b 、c a p t ：匹配电容接入端，采用的内部参考电压将会显现在c a p t 端和c a p b 端，使用时必须连接成如图4 3 所示的电容去耦电路。 电源：a d 9 2 4 0 是一数模混合器件，所以在系统设计时，数字电源和模拟电源分开。 数字电源与模拟电源由磁珠分隔开，并都在离电源引脚尽可能近的地方使用高质量电容 接地去耦并旁路高低频噪声。模拟地与数字地也是分开的，同时模拟地和数字地也应该 单点共地，并将整个电路的数字部分和模拟部分分别布置在电路板的两个不相交错的部 分，以更有效地降低两者之间的干扰。 4 2 可编程数字下变频器p i n 2 可编程数字下变频器的设计是中频数字化处理的核心电路之一，使用专门的p d c 可以减小数字信号处理部分的运算量和难度。本系统采用专用的可编程数字下变频器芯 片h t e r s i l e 公司的h s p 5 0 2 1 6 来完成。 4 2 1 可编程数字下变频器的组成及工作原理： 数字下变频器【1 1 实际上就是一个专门用途的d s p ，它承担了频率变换、抽取和滤波 第四章主要芯片的选择及介绍 的任务，把d s p 资源解放出来用于后续的基带处理。 1 可编程数字下变频器的组成： 如图4 4 所示，正交结构的数字下变频器由一个数字控制振荡器( n c o ) 、一对正交 数字混频器和两个高效的低通滤波器( ( l p f ) 组成。其中，n c o 用于产生两路正交的正， 余弦载波样本值，数字混频器使正余弦样本与采样样本混频相乘，进行频谱搬移，低通 滤波器则是为了滤除混频过程中产生的带外信号。 图4 4 可编程数字下变频器的组成 p d c 的工作过程为：首先由n c o 产生两路正交的所需频率的正，余弦载波样本序列， 在数字混频中分别与输入信号的样本序列混频相乘，进行频谱搬移，然后把乘积送入到 低通滤波器中，滤除掉混频过程中产生的带外信号，输出的就是两路正交的基带信号， 完成数字信号的下变频。 2 p d c 的性能特点： 由于p d c 的三个部分采用的都是数字信号处理技术，所以在频率稳定度、相对噪 声、温度漂移和转换速度等方面表现的良好性能是模拟下变频器无法比拟的。总体上讲， p d c 具有以下几个突出的优点： ( 1 ) 载波和滤波器系统具有可编程性，容易修改，方便控制； ( 2 ) 数字混频不存在非线性失真，互调小； r 的最小的整数。例如，长度为r = 3 1 的循环缓冲区必须 从地址x x x xx x x xx x x 0 0 0 0 0 2 ( 地址的最低5 位为o ) 开始。若块长为，此时滤波器 指针初始化时指向 口讧 ，数据缓冲区指针指向将要更新的数据xr 砂，如图2 所示。在写 入新数据并完成f i r 运算后，滤波器指针仍指向h ( n - ) ，而数据区指针指r 甸x ( n - o ，新采 样来的数据替换最早的数据。然后继续循环寻址，保持数据的更新。 韧帕果栉最终稚障 t 旱袖八 晨j 叵输入 x n - ( n 0 i ( r - t ) z 0 0 图6 2 用m 茁指令来实现f i 尉雹坡器 本设计中，用m a c 指令来实现f i r 滤波器的程序如下： f i l t t a s k l s i c x u l ds t o r es i c x a s t l ma a t 4 s t m 撑1 a r o s t m# 2 8 b k l dd e mo u t a s t la * a r 4 + s t m群c o e ft l b l a r 5 l d# 0 a s t m 勉7 b r e r p t bs i c x u 1 m a c + a r 4 + o ，+ a r 5 + a l da 1 6 a l dc 7 f f f - b m i na n e gb m a xa s t la d e m0 u t l d ma r 4 a s t la 。s t o r es i c x r e t ：问址 ；输入信号：实部 ；滤波器实部系数地址 ：低通滤波结果 第六章中频数字仡接收机的软件设计 c o e ft b b l w o r d w o r d 1 1 - 4 8 ；h ( o ) ；h ( 1 ) w o r d - 4 8 w o r d1 1 ；h ( n 1 ) e n d ( 2 ) 当系数对称时，使用特殊指令f i r s 来实现 由上式( 6 1 ) 可知，当系数对称时，长度为的线性相位f i r 滤波器可以表示为： n 2 - 1 y o ) = 矗 ) b 0 一i ) + 工如一( 一1 一硼 1 1 0 若是利用f i r s 指令，需要将输入数据缓冲区分为大小相同的两个，每个循环缓冲区 大小设为n 2 。这里以n = 8 为例来说明，如图6 - 3 所示1 2 3 1 。 让辅助寄存器a r 2 指向缓冲区l 的顶部x 伽一动，而辅助寄存器a r 3 指向缓冲区2 的 底部x ( n 刀。每次滤波之前，将xn - 鳓移到a r 3 所指的区域，而最新的采样数据将存储到 a r 2 所指的空间同时对a r 2 使用循环寻址。然后使用f i r s 指令进行乘加操作。完成4 次循环之后，需要对两个缓冲区的指针a r 2 和a r 3 进行修正，使它们分别指向各自缓冲 区数据序列的最后，为下一次采样计算作准备。 量祈吐八 坪冲匠l董冲匹2 i 【n 3 jt 【n 4 j z 【n 一2 jz 【r r ” z h - 1 )l n 一曲 i ( n ) t 6 r 7 ) 图6 3 用f i r s 指令来实习咿i 鼬雪渡器 本设计中，用f i r s 指令来实现f i r 滤波器的程序如下： s t m树3 7 5 b k s t m排1 a t 0 l di niu s b b m