（信号与信息处理专业论文）中频数字化接收机中的数字信号处理技术.pdf

摘凄 摘要 中频数字化接收机中的数字信号处理技术 硕士研究生薛继华导师郭学雷 东南大学无线电工程系 无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，被广泛应用于商业、气象、 军事、民用等领域。传统的模拟接收机已难以适应现代通信的需求，随着数字信 号处理技术和硬件水平的迅猛发展，具有高灵敏度、高选择性、高信噪比等优点 的数字化接收机成为研究热点。传统的模拟接收机的许多功能将被用软件数字化 硬件所取代。 本论文系统阐述了中频数字化接收机中的数字信号处理技术。首先从模拟通 道入手，介绍了超外差式模拟通道组织方案。接下来重点论述了带通采样理论、 数字下变频技术、基带数字解调技术、自动增益控n i ( a g c ) 原理。鉴于目前硬件 水平的限制，直接对射频信号进行数字化存在困难，只能先将射频信号与本振频 率混频得到中频信号。数字中频接收机是对中频信号带通采样数字化。带通采样 的运用，使得在降低采样频率的同时还将信号频谱向下复制到零频附近；为减小 d s p 芯片的处理压力，接收机的信道化功能由数字下变频器完成，包括数字混频、 抽取滤波和数字a g c 等功能；通过在d s p 芯片上运行软件程序，完成基带信号 的解调和整机a g c 。作者完成了a m 、f m 、c w 、f s k 、s s b ( u s b l s b ) 等信号 解调程序的编写与调试，并对a g c 算法进行了探讨。 数字化接收机的硬件结构和功能相对独立，这样就可以基于相对通用的硬件 平台，通过软件编程对中频频率，系统频带、调制方式等进行设置，最终实现灵 活的多功能、多体制通信接收机。通过对软件升级可以不断扩展和完善接收机的 功能。本文所作的研究，对于研究软件无线电技术也具有重要意义。 关键词：中频数字化接收机；带通采样；数字下变频；数字信号处理；数字解调 自动增益控伟i j ( a g c ) 英文摘要 a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gu s e di nd i g i t i z ei f r e c e i v e r g r a d u a t es t u d e n t ：x u ej i h u aa d v i s o r ：p r o f g u 0x u e 1 e i d e p t r a d i oe n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt a k e su pt h em o s ti m p o r t a n tp o s i t i o ni nm o d e r nc o m m u n i c a t i o n s a n di sw i d e l ya p p l i e di nb u s i n e s s ，w e a t h e rf o r e c a s t ，m i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n ，c i v i lc o n a m u n i c a t i o n a n do t h e rr e g i o n s c o n v e n t i o n a la n a l o gr e c e i v e rd e p e n d so nh a r d w a r em u c hm o r e ，a n di th a sm a n y u n c o n q u e r a b l eo b s t a c l e s ，s u c ha ss i g n a ld i s t o r t i o n w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga n dh a r d w a r e ，d i g i t a lr e c e i v e rw h i c hh a sh i g h e rs e n s i t i v i t y 、h i g h e rs e l e c t i v i t y 、h i g h e r s i g n a lt on o i s er a t i oh a sb e c a m er e s e a r c hh o tp o i n t m o s to f t h et r a d i t i o n a lf u n c t i o n so f a na n a l o g r e c e i v e rw i l lb er e p l a c e dw i t hs o f t w a r eo rd i g i t a lh a r d w a r e t h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e u s e di n d i g i t a l i fr e c e i v e ra r ei n t r o d u c e d s y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r o r g a n i z a t i o ns c h e m eo fs u p e r - h e t e r o d y n ea n a l o gc h a n n e li sd i s c u s s e d b e f o r ea 1 1 e m p h a s i si sl a i do nb a n d p a s ss a m p l i n g 、d i g i t a ld o w nc o n v e r t i n g 、d i g i t a l d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y 、p r i n c i p l e so f a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 d u et ot h el i m i t a t i o no f h a r d w a r e l e v e l ，i ti sd i f f i c u l tt od i g i t i z er fs i g n a li nd i r e c tn o wa n dh a v et om i xr fs i g n a lw i t hl o c a l o s c i l l a t o rf r e q u e n c ya tf i r s t d i g i m li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) r e c e i v e r sd i g i t i z ei fs i g n a lb y b a n d p a s ss a m p l i n g t h ea p p l i c a t i o no fb a n d p a s ss a m p l i n gc a r lr e d u c et h es a m p l i n gf r e q u e n c y g r e a t l y , a n dr e m o v ef r e q u e n c ys p e c t r u md o w nt oz e r of r e q u e n c y i no r d e rt or e d u c ec o m p u t i n g w o r k so f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , t h ec h a r m e l i z e df u n c t i o no fr e c e i v e ri sa c h i e v e db yd i g i t a l d o w nc o n v e r t e r ( i n c l u d i n gd i g i t a lm i x i n g 、d i g i t a ld e c i m a t i n ga n df i l t e r i n g 、d i g i t a la g c ) t h e r e a l i z a t i o no fd e m o d u l a t i n gb a s e - b a n ds i g n a la n da g ci sb u i l du p o no p e r a t i n gs o f t w a r ep r o g r a m i nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o lt h ea u t h o rc o m p l e t e dc o m p i l i n ga n dd e b u g g i n go fd e m o d u l a t i o n p r o g r a mu s e df o ra m 、f m 、c w 、f s k 、s s b ( u s b l s b ) ，e c t t h e n ，t h ea l g o r i t h mo fa g ci s d i s c u s s e da sw e l l t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o no fd i g i t a li fr e c e i v e ra r er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tf r o m e a c ho t h e r tb yu s i n gs o , w a r e ，i ti sv e r yc o n v e n i e n tt os e ta n da d j u s tw o r kp a r a m e t e r so fr e c e i v e r s u c ha si n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y 、b a n d w i d t ha n dd e m o d u l a t i o nm e t h o dw i t hau n i v e r s a lh a r d w a r e p l a t f o r m d i g i t a l1 fr e c e i v e ri sc a p a b l eo fi m p l e m e n t i n gm u l t i - f u n c t i o na n dm u l t i - c o m m u n i c a t i o n r e c e i v i n gb yl o a d i n gd i f f e r e n ts o f t w a r e b ym e a n so fu p g r a d i n gs o f t w a r e ，t h ef u n c t i o n so f r e c e i v e rc a nb ee x p a n d i n ga n di m p r o v i n gc o n t i n u o u s l y a n a l y s i ss h o w st h a tt h er e s u l t so ft h i s t h e s i sa r ev a i n a b l ef o rs o f t w a r ed e f i n e dm d i o ( s d r ) k e y w o r d s ： d i g i t i z e1 fr e c e i v e r b a n d p a s ss a m p l i n g d i g i t a ld o w nc o n v e r t i n g ( d d c ) d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gd i g i t a ld e m o d u l a t i n ga u t o g a i nc o n t r o l ( a g c ) i i 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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生虢鞯日期：趔、p 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： 日 勿何一a 溉丽嗓 一 葺 东南大学硕士学位论文( 第一章概述) 1 1 研究背景 1 1 1 数字信号处理概述 第一章概述 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ，或者说对信号的数字处理( 包括对信号 进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等) ，是2 0 世纪6 0 年代前后发展起 来的并广泛应用于许多领域的新兴学科。上世纪7 0 年代以来，随着计算机、大规模集 成电路( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号 处理无论在理论上还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科之一。当前，它既具备 了较为完整的理论体系，又以最快的速度形成了自己的产业，具有极其美好的发展前景。 1 9 6 5 年，快速傅立叶变换( f f t ) 的问世，标志着数字信号处理学科的开端。在这 三十多年的发展中，数字信号处理自身已形成包括下列理论的较为完整的理论体系： 信号的采集( a d 技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ； 离散信号分析( 时频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等) ； 离散系统分析( 系统描述、系统的单位冲击响应、转移函数及频率特性等) ； 快速处理算法( 快速傅里叶变换、快速卷积及相关等) ； 信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计) ； 数字滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ； 信号的建模( 常用的有a r ，m a ，a r m a ，p r o n y 等各种模型) ； 信号处理中的特殊算法( 如抽取、插值、奇异值分解、反卷积、信号重建等) ； 信号处理技术的实现( 软件实现与硬件实现) ； 数字信号处理技术具有许多模拟技术无法比拟的优点。它具有精度高、灵活性大、 可靠性高、速度快、抗干扰能力强等优点。并且，数字信号处理设备具有设备尺寸小、 易于大规模集成、能时分复用同时处理多通道信号的特点，更是模拟设备无法具备的。 数字信号处理技术的实现方法有如下几种： ( 1 ) 用软件( 如c 语言等) 在通用的计算机上实现。这种方法较慢，只用于进行算 法的模拟。 ( 2 ) 在通用的单片机( 如m c s 一5 1 ，m c s 9 6 系列) 上配以相关信号处理软件实现。 可用于数字控制等较为简单的应用场合。 ( 3 ) 用通用可编程d s p 芯片实现。d s p 芯片比单片机具有更适合于进行数字信号处 理的软硬件资源，能胜任复杂的数字信号处理算法。 “) 用专用的d s p 芯片实现。在一些要求信号处理速度极高的应用场合( 如点数很 高的f f t 运算、阶数很高的数字滤波算法、长卷积、高阶相关算法等) ，用通用的d s p 芯片难以实现，就要用专用的d s p 芯片来实现。专用的d s p 芯片将相应的算法在内部 通过硬件实现，无需编程，因而处理速度极快，专用性很强。 1 1 2 d s p 硬件的发展 虽然数字信号处理理论发展迅速，但由于受到当时硬件发展水平的限制，在8 0 年 代以前，数字信号处理理论未能得到广泛的应用。在d s p 出现之l ； 数字信号处理只能 依靠m p u ( 微处理器) 来完成。但m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此， 一l 一 奎堕查兰堡主兰垡堡壅! 苎二童煎堡1 7 0 年代的d s p 仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的d s p 系统也是由分立元件组成 的。 随着大规模集成电路技术的迅猛发展，世界上第一个单片d s p 芯片$ 2 8 1 l d 在1 9 7 8 年由a m l 公司研制成功，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯 片的一个主要里程碑。1 9 8 0 年。日本n e c 公司推出的l ip d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的 商用d s p 芯片。1 9 8 3 年，日本的f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期为1 2 0 n s ， 且具有双内部总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而a t & t 公司于1 9 8 4 年 推出的d s p 3 2 则是第一个高性能的浮点d s p 芯片。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用也越来越广泛。 从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如 t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到1 0 n s ( 如t m s 3 2 c 5 4 1 0 ) ，处理能力提高了4 0 多倍。d s p 芯片内部 关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 增加一个 数量级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4 | l 的n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采 用亚微米c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，d s p 芯片的发展，使d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 在d s p 业界，最成功的是美国德克萨斯仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称1 r i ) 的 一系列产品。8 0 年代末1 r i 推出运行速度高达1 0 m i p s 的c 2 x 系列d s p ，d s p 在国外开 始得到广泛的应用。接着1 r i 公司推陈出新，8 9 年推出第三代c 3 x 系列( 第一代浮点 d s p ) ，9 0 年代初大力推出速度高达4 0 m i p s 的第五代c 5 x 定点d s p 。9 0 年代中后期适 合于无线通信应用的高性能廉价c 2 x x 系列( 4 0 m i p s ) 及采用0 1 8 u m 制造工艺的高性 价比低功耗的c 5 4 x ( 可达2 0 0 m i p s ，功耗低于2 0 0m w ) 系列定点d s p 问世。直到今 天的含有两级片内c a c h e ，命中率极高( 相当于将片外慢速r a m 升级为快速片内r a m ) ， 速度达2 0 0 0 m i p s ，具有多达6 4 m b y t e s 寻址空间的c 6 x x 系列。 未来1 0 年，全球d s p 产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋 势发展，d s p 芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通 信类电子产品的技术核心，将会越来越受到业界的青睐。据t i 预测，到2 0 1 0 年，d s p 芯片的集成度将会增加1 1 倍，在单个芯片内将能集成5 亿只晶体管。目前d s p 的生产 工艺己开始从0 3 5 m m 转向0 2 5 m m 、0 1 8 m m ，到2 0 0 5 年，d s p 芯片的工艺达到0 0 7 5 n u n 的更高水平，届时，将能够在一块仅有拇指大小的单个芯片上集成8 个d s p 内核。 迄今为止，1 1 已形成高低搭配、门类齐全的d s p 产品体系。定点以c 2 x x 、c 5 4 x 、 c 6 2 x 系列为主，浮点则以c 6 7 x ，c 3 x 系列为主流，在全球占有7 0 0 , 6 的市场份额。d s p 产品的应用也不仅在通信、计算机领域大显身手，而且已经渗透到人们的学习、工作和 生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。 1 1 3 模拟接收机的缺陷与数字接收机的优点 信号失真是长期困扰模拟接收机的难题，如：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、机内噪声等问题。尽管设计人员想方设法， 但结果并不能令人满意，而数字接收机在将信号数字化之后，本振、混频、放大、滤波 都仅仅是数字运算，不会产生谐波、互调等虚假信号。与传统的模拟接收机相比，数字 化接收机具有下列模拟接收机不具备的优点： ( 1 ) 灵活性 利用同样的硬件设备，在不增加额外的硬件开销的情况下，通过采用实现特定算法 的程序，可以很容易地改变和更新接收机的功能。例如，一台数字接收机，可以很容易 查堕查兰堡兰些堡壅! 兰= ! 塑堕2 地通过运行不同解调程序，从而完成对不同调制方式产生的已调信号进行解调的任务。 还可以通过编程很容易的附加上自动调谐选台、贮台、电平指示等功能。在模拟接收机 中，这样做是很难的。 ( 2 ) 可靠性 d s p 硬件的存储器和逻辑线路不会随着时间的增加而降低性能。因此，d s p 系统的 现场性能，不会像模拟元件那样，随着环境条件的变化或电子元件的老化而发生漂移。 模拟接收机中的模拟器件的特性都会随温度的改变而改变，而数字接收机中的数字电路 在其保证的工作范围内受温度变化的影响就要小得多，从而具有高可靠性。 ( 3 ) 选择性 数字接收机中的数字滤波器具有优良的边带特性，它的过渡带可以做得十分陡峭， 并且还能实现严格的线性相位。是传统阻容滤波器所无法比及的。因而，数字接收机具 有高灵敏度、高选择性、高信噪比接收的优点。 此外，数字接收机还具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等优点，它正在逐步 替代模拟接收机。 1 2 本论文工作和内容简介 理想的数字接收机对高速a d 转换器件及d s p 提出了过高的要求。基于现有的硬 件发展水平，从天线接收下来的模拟信号在模拟通道混频后，对产生的中频信号进行模 数变换，再送给后续的各个数字信号处理环节进行数字处理，最终完成接收机的功能， 也就是中频数字化接收机。 论文工作包括对中频数字化接收机中的若干关键技术进行研究，在现有的硬件平台 上制作d s p 软件，并完成整机调试工作。 第一章：介绍了数字信号处理技术的发展概况和d s p 硬件的发展水平，为设计中 频数字化接收机提供了前提条件；数字化接收机与模拟接收机相比具有一系列突出优 点。 第二章：介绍了超外差式模拟通道组织方案。介绍了它的6 个组成单元：预选器、 低噪声放大器、混频器、本振、窄带滤波、中频放大器。 第三章：讲述了中频数字化接收机中的模数转换技术。介绍了采样定理、过采样以 及带通采样理论。在数字化中频接收机中利用带通采样技术具备两个优点：减少了抽样 样点数，同时，还实现了频谱搬移的功能，以便后续的数字信号处理部分进行数字解调。 第四章：阐述了数字化接收机中的数字下变频技术。由于a d 转换器输出的数据速 率很高( 1 0 m s p s ) ，d s p 芯片无法胜任全部数字信号处理工作，必须借助于数字下变频 器来完成将信号频谱搬到零频，同时降低信号速率和提取信道的任务。本章着重介绍了 数字混频技术和抽取滤波技术。 第五章：阐述了数字化接收机中的基带信号数字解调技术。介绍在同一硬件平台上， 通过调用不同的软件解调程序，灵活的实现了多种调制方式的解调功能。着重介绍了 a m 、f m 、f s k 、c w 、s s b ( u s b l s b ) 调制方式的数字解调原理，并给出了相应的程序。 第六章：介绍了数字化接收机中的自动增益控制( a g c ) 技术。分别阐述数字a g c 和模拟a g c 的电路结构和工作原理，对a g c 增益分配和控制算法进行分析。 第七章：对全文的工作做一总结，并指出存在的问题和有待改进的地方。 东南大学硕士学位论文( 第二章模拟通道) 第二章模拟通道 2 1 超外差式模拟通道方案 发射机将载有信息的信号调制到射频载波上，在充满噪声的空中信道中进行有效的 传输。接收机的功能是对天线接收到的微弱射频信号进行放大，然后将由通信信道中所 引入的噪声和其它干扰信号尽可能地进行消除，接着对有用信号进行各种模拟信号处理 或数字信号处理，解调出基带信号，最后根据用户需要进行模拟或数字输出。 我们把接收机中从天线到a d 转换前的这部分电路称为接收机的模拟通道。模拟通 道的设计质量直接决定了接收机的灵敏度、选择性、可靠性、功耗等重要性能指标。接 收机的模拟通道主要有两种实现方案：零中频接收机和超外差式接收机。 2 1 1 零中频接收机( z e r o i fr e c e i v e r ) 零中频，也叫直接变频( d i r e c tc o n v e r s i o n ) ，原理如图2 1 所示。在这种结构中， 前级混频器将所需频带直接变换为基带，经a d 器件转换为数字化形式，然后由数字信号 处理部分直接对基带信号进行处理【”。 图2 1 零中频接收机示意图 零中频接收机由于不含有中频级，所以它具有以下优点：1 ) 零中频不存在镜像问题， 因而不需要镜像抑制滤波器，从而大大简化了接收机的结构；2 ) 由于i f = 0 ，所以仅需 低通滤波器，而低通滤波器和带通滤波器相比，不仅易于集成，而且能耗和所需芯片面积 都很小；3 ) 由于对信号的放大发生在基带，这进一步降低了能耗。 然而，与此同时，零中频结构也带来了一些新的问题，主要有：由于本振信号与载 波频率相同，这样寄生的本振信号从接收机泄露至天线，从而对另外同频带的接收机带 来干扰；直接变频接收机同时受到奇次互调和偶次互调的影响；由于i f = 0 ，所以 1 ，噪声对信号的影响变大；直流偏置( e co f f s e t ) 问题会引起接收机的信噪比严 重恶化；直接变频需要正交形式，要求本地振荡器的两路输出信号要保持相位严格正 交和幅度平衡。 由于存在以上问题，尤其是不匹配和直流偏置问题，导致了零中频接收机的性能不 如传统的外差接收机，使得它目前仅在少数应用中使用。 东南大学硕士学位论文( 第二章模拟通道) 2 1 2 超外差式接收机( s u p e rh e t e r o d y n er e c e i v e r ) 超外差式接收机由阿姆斯特朗( e d w i nh a r m s t r o n g ( 1 8 9 0 - 1 9 5 4 ) ) 于1 9 1 8 年发明，并且 经过了多年的技术改进后，现在几乎所有先进接收机都采用超外差结构1 2 1 。我们研制的 这款数字化接收机也采用了超外差的原理，由于引入了中频信号处理环节，因而又叫数 字中频接收机( d i g i t i z ei fr e c e i v e r ) 。原理框图如下图所示： 模拟通道 图2 2 超外差式模拟通道框图 由框图可知，模拟通道主要包括6 个部分：预选器、低噪声放大器、混频器、本振、 窄带滤波、中频放大器。上述电路通常由模拟器件来实现。 要使低噪声放大器在较宽的频率范围内实现调谐，而且还要能抑制干扰是很困难 的，在这种情况下在它前面加一个预选器1 2 j 。因为天线会接收各种信号，所以用预选器 来抑制接收机工作频率范围之外的各种干扰信号。预选器是一个工作在射频上的带通滤 波器。它必须有足够的带宽以通过有效频率，但同时又必须进行一定的限制以抑制干扰。 它的带宽越窄，接收机抑制寄生响应和其它干扰的性能就越好。但是，这时会有相当大 的损耗，从而增大了接收机的噪声系数。通常它的带宽很宽可达数m i - i z 的数量级。对于 频率覆盖范围很宽的接收机，预选器必须是可调谐或可切换的。 低噪声放大器又叫r f 放大器，可以补偿预选器的滤波损耗，同时具有十分优良的 噪声系数，是保证整机信噪比以及提高接收机对弱信号接收效果不可缺少的单元电路。 由于场效应管的输入阻抗非常高，因此增加了输入调谐电路的品质因数以及镜像抑制能 力。更重要的是与双极型晶体管相比场效应管的三阶互调失真度更低，降低了通过预选 器的频率相近信号之间相互干扰的可能性并且增加了接机的动态范围。所以在低噪声放 大器中常常使用场效应管。通常低噪声放大器也是工作在宽带上的，带宽可达数m h z 大小。 天线接收到的微弱的射频信号，经预选器和低噪声放大器放大后，保证信号总功率 进入混频器的线性区p l 。在混频电路中将输入射频信号与本地振荡器产生的信号( 本振信 号) 进行混频，输出中频信号，完成从射频到中频的变换。混频器的输出信号中主要有 两个频率，第一个是射频信号与本振频率之和，第二个是它们二者频率之差，同时还含 有大量噪声。大多数情况下都是使用射频信号与本振频率的差频作为中频。紧跟在混频 器后面的中频窄带滤波器通采用晶体滤波器实现，带宽为1 6 k h z 。它能够滤出我们想要 的中频频率f 即差频1 ，并尽可能的滤除噪声。由于它的矩形系数为3 ，一6 0 d b 时的频率为 4 8 k h z ，对干扰的抑制还不能完全达到要求。剩下的信道提取滤波与噪声消除滤波工作 由数字信号处理部分的c i c 滤波器和f i r 滤波器进一步精确完成。 为了确保耦合到a d 转换器的模拟窄带中频信号幅度大致稳定，电平大小满足a d 转换的要求，在中频窄带滤波器后面加入了可变增益的中频信号放大器( 简称中放) 。d s p 垄堕奎兰堡兰竺丝塞! 兰三! 堡型望望! 输出的模拟a g c 信号电压经d a 转换为模拟电压后，反馈至中放电路，调整中放的增益， 实现模拟a c , - c 控制。当接收到的信号电平较弱时，适当延时后提升中频窄带放大器的 增益；当接收到强信号时，立即降低放大器的增益。同时，这样做还允许接收机能够工 作在相当大的信号强度范围内，也就是拥有较大的动态范围；提高了对微弱信号的接收 性能，避免接收信号强度太大时造成失真或阻塞，使得接收机最终输出的信号幅度保持 稳定。 2 2 本章小结 本章主要介绍了超外差式模拟通道的两种组织方案：零中频接收机和超外差式接收 机。重点介绍了超外差式接收机的模拟通道的组成及各自功能。 东南大学硕士学位论文( 第三章a d 转换) 第三章a d 转换 理想的数字化无线电接收机的最终目标是在接收机天线的输出端直接进行射频采 样，后面所有的功能都由软件或者数字硬件实现。接收机的发展趋势越来越向这个方向 发展，即数字化越来越靠近天线。天线接收下来的模拟信号越早数字化，就越能充分发 挥数字信号处理的优势。由于受到目前相关器件制造工艺水平和运算能力的限制，目前 可行的方案是在模拟通道混频后，对产生的中频信号进行模数变换，再送给后续的各个 数字信号处理环节进行数字处理，最终完成接收机的功能。 3 1 抽样定理 抽样信号的理论是联结离散信号和连续信号的桥梁，是进行离散信号处理与离散系 统设计的基础1 4 l 。 设连续时间信号为x o ( t ) ，理想采样信号为周期性冲激脉冲信号c ( ，) ，其周期为z ， 频率为z = i t , ，频谱为c ( j t a ) “f ) = j o 一所z ) c ( 胁等圭卿叫 采样过程为x o ( t ) 与c ( ，) 相乘的过程，即采样后得到离散时间信号薯z ) 为： t ( 行乃) = 毛( f 弦( ，) 由频域总卷积定理可得 一q d 200 , 2 o 一30 2 0 。一0 - 0 0 52 0 3 0 l o 一30 - 2 0 $ 一q5 0 o 。2 0 3 0 。 q 图3 - 1 采样定理的频域关系 7 一 东南大学硕士学位论文( 第三章a i d 转换) 置( 皿) 2 咒( _ ，哟l l 等圭万( q 一瓯) j2 砉圭以( 皿一加q )1 ，j 1 j _ = o 可见，采样后的频谱置( ，q ) 变为以( - ，q ) 的周期延拓频谱，是将j 巳( _ ，q ) 在频率轴 上以q ，为周期移位后再叠加，并除以t 。上述采样过程的频域关系如图3 - 1 所示。 由图3 - 1 可以看出，若在jol qs 2 时l 咒( ，r 的l - - 0 ，也就是五( _ ，q ) 是有限带宽 的，那么作周期延拓后，置( - ，q ) 的每一周期都等于咒( ，q ) ( 幅度为原来的1 t s ) 。反 之，若t s 过大，或者以( ，q ) 本身就不是有限带宽的，采样后将会频谱混叠现象，就无 法由t o t ) 恢复出吒( r ) 。为使采样后的频谱不发生混叠，要求连续时间信号为x o ( t ) 是 带限的，最高频率分量五z 2 ( 或者q q ，2 ) ，这样可由t ( ，l i ) 恢复出x o ( t ) ，这就 是奈奎斯特采样定理。z = 2 ，；称为奈奎斯特采样频率，理想采样后的频谱没有失真。 带限信号的定义是信号没有高出给定频率的频率分量，然而当考虑实际信号时，如 无线接收机输入端的射频信号，它的所有频率通常都存在，关键是要考虑有用信号和带 外信号的相对幅度。当在接收机中以n y q u i s t 采样率对射频或中频信号采样时，带外信 号( 频谱位于采样频率一半以上的信号) 的较大幅度会使采样后的频谱产生混叠，影响 有用信号，导致恢复信号的失真。因此，为了降低采样信号频谱混叠造成的信号失真， 在采样之前要将模拟信号通过一个抗混叠滤波器，去掉高频成份。 模数转换器的基本原理框图如图3 2 所示嶂j 。在a d 转换前，模拟信号首先通过抗 混叠滤波器，将带外频谱滤除，然后进行采样、量化和编码。采样后的信号内容，取决 于输入模拟信号频率范围与采样频率之间的关系。a d c 转换的关键参数受a d c 的电路 元器件的影响，其中采样的精度和线性度主要由采样保持电路决定，而采样时钟的抖动 会在a d c 的输出上产生噪声，量化器决定了a d c 的分辨率，缓冲器限制了a d c 的最 大吞吐率。 图3 - 2 模数转换器原理图 处理 抗混叠滤波器的目的是将进入a i ) c 采样的模拟信号变为带限信号，这样才能保证 采样后信号的频谱不发生混叠。抗混叠滤波的过渡带和阻带特性决定了残留的带外信号 的能量。理想的n y q u i s t 采样对抗混叠滤波器提出了严格的、通常是不现实的要求。理 想情况下，a d c 之前的抗混叠滤波器应该对所有需要的频率全部通过，对大于扁频率 之上的信号施加无穷大的衰减，这样就不会产生频谱混叠。但是，实际的滤波器无法实 现这样的特性，实际滤波器的衰减是从截止频率到阻带逐步增加的，而且阻带衰减也无 查堕查堂堡圭堂竺堡主! 兰三童垒里鳖垫2 法达到无穷大。因此，对于一个给定截止频率的实际滤波器，以两倍截止频率采样将产 生部分频谱混叠。从通带到阻带的过渡带越陡，采样信号由于频谱混叠造成的失真越小。 通常，需要用比较复杂的滤波器得到较陡的过渡带和较高的阻带衰减，这样的模拟滤波 器实现较为困难。另外，随着过渡带陡度的增加，相位相应会变得更加非线性，这又引 起了采样信号的失真，因为信号通带内相位的失真引起信号的不同频率分量产生不同的 时延，造成信号的失真。为了缓解n y q u i s t 采样对抗混叠滤波器的要求，可以适当提高 采样率，即使用过采样的方法。 3 2 过采样 采样率大于n y q m s t d 采样率称之为过采样，过采样的一个好处是采样信号频谱的重 复周期增大了，降低了对抗混叠滤波器的要求。因为在信号最高频率和二分之一采样频 率之间有一个缓冲带，因此在设计抗混叠滤波器时，可以放宽对它的过渡带陡度的要求， 因此这样的滤波器的实现起来较为简单，同时可以有效地降低由于频谱混叠造成的信号 失真。过采样技术的另一个好处是提高信噪比，这是因为当采样率提高时，采集到的信 号带宽增大了，而量化噪声功率是固定的而且不依赖于带宽，这样的话，量化噪声分布 在更大的带宽上，就减小了落入信号有效频带范围( 0 f n ) 内的量化噪声，具体地讲， 从公式s n o = 6 d 2 + j 7 6 + l o t g o r s 2 8 ) d b 可知采样率每提高一倍，信噪比增加3 d b 。所以， 在本模块后的其它其它模块处理能力允许的条件下，a d c 就尽量提高采样率。当然， 付出的代价是，需要使用速度更快的a d c 去对较低频率的信号进行采样，这就对a d c 提出了更高的要求。对于本接收机，模拟中频信号的频率为4 1 4 4 m h z ，目前商用的a d c 芯片基本上可以达到数百兆级的采样频率，8 1 4 位的采样精度，这样的精度和采样率 可以满足中频信号的采样。但是会带来另一方面的问题，这样得到的数据量也是非常大 的，它对数据的输入输出吞吐率提出了很高的要求，也对后续的实时处理施加了很大的 压力，难以实现。因此对于本设计方案来说，使用过采样的方法降低频谱混叠造成的信 号失真是不现实的。 3 3 带通采样 n y q u i s t 采样定理只讨论了频率分布在0 詹内的低通信号的采样问题。如果信号是 带通信号，频率分布在卮届上，当然也可以按店耋2 詹的采样率进行采样。但如果信号 中心频率远大于信号带宽时，需要的采样率就会很高，后续数字信号处理速度不可能达 到，所以很难实现。带通采样理论就能很好的解决这一问题。一般通信系统中需要处理 的信号都是带通模拟信号，对于这样的信号，利用带通采样的方法，可以大大降低采样 频率1 5 j 【6 1 。其基本思想是：理想的带通信号在低于一定频率卮和高于一定频率詹的范围 内频率分量为零，所以对于带通的中频信号，只要采样率居不低于两倍信号带宽占= f n 一丘，时域的采样就不会导致信号频谱的重叠。 我们的中频信号带宽为1 6 k ，中心频率为4 1 4 4 m h z ，采样频率痧= 1 0m h z 。带通 采样前后信号的频谱图如图3 3 和图3 4 所示。 东南大学硕士学位论文( 第三章a d 转换) - 4 l4 4 m0 图3 - 3 中频带通信号的频谱 4 1 4 4 m - 4 1 4 4 m2 1 “m14 4 m0l “m2 l4 4 m4 1 “m 图3 - t 带通采样后的信号频谱( f 扛1 0 田 可见，因为采样后信号的频谱是以采样频率的整数倍重复的，其中我们感兴趣的是处于 - f j 2 + f j 2 范围内的信号频谱。用低通或带通滤波器滤出适当位置的频谱，就可以得到 从中频带通信号向下“搬移”到较低中频上的带通信号或基带信号。 理论上讲，带通采样允许采样率大大低于两倍或更多倍的信号的最高频率，这意味 着可以用较低的采样速率，进而得到更优的特性、更低的功耗和更低的成本。但是，要 求被采样信号的频率范围完全被a i d 转换器的输入带宽所覆盖，即要让，d 转换器能 够有效的工作在信号的最高频率成分上。另外，为避免强的邻道干扰引起信号失真，需 要有一个模拟带通滤波器。 由以上分析可以得出结论：在数字化中频接收机中利用带通采样技术，就可以利用 较低的采样率来反映信号特性，减少了抽样样点数，从而有利于后续进行一系列数字信 号处理。 3 4 本章小结 本章比较分析了常用的几种采样方式，其中最为重要的是带通采样。它允许采样率 大大低于信号最高频率的两倍或更多倍，使得直接在中频采样成为可能。 东南大学硕士学位论文( 第四章数字下变频与抽取滤波技术) 第四章数字下变频与抽取滤波技术 在当前的数字化中频接收机系统中，a d 的采样是在中频上进行带通采样的。我们 的中频频率为4 1 4 4m h z ，a d 采样频率为1 0m h z ，在如此高的采样频率上，即使是 目前最快的d s p 也难以担负起实时接收、存储、分离与解调等处理任务。为了解决高 速a d 与d s p 处理能力的矛盾，我们采用了数字下变频技术( d d c ) 。模拟中频信号经 a d 采样获得的高速数字信号( 1 0 m s p s ) ，经由数字下变频器( d d c ) 的数字混频、抽 取和低通滤波处理之后变为低速的基带信号( 3 9 0 6 2 5 k s p s ) ，供后续的d s p 作进一步处 理。 4 1 数字混频 数字下变频的基本功能是从输入的中频高速数据流数字信号中提取出所需的窄带 用户信号，将其下变频为数字基带信号，并转换成较低的数据流。数字下变频器的主要 组成包括：数字混频器、数字控制振荡器( n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r - - n c o ) 、 低通抽取滤波器三部分 5 1 1 7 8 1 。它的原理方框图如图4 1 所示。 窄 数字混频器i 筘二睁 + 基 带 c o s ( t o c n ) 信 号 处 理 - p 屯一 + ls i n ( c n ) 匪 控振荡器i n c o )i 图4 - 1 数字下变频器原理方框图 从图中可以看出，数字混频实际上就是进行复数乘法运算，它由两个复数乘法器组 成。数字化后的中频窄带信号输入到数字混频器后，与数控振荡器( n c o ) 产生的两路 正交本地正余弦振荡信号完成复乘法运算，输出结果为 q 两路正交输出信号。设输 入到混频器的信号为s 例，数字混频后输出的信号为s ，f 砂，数字混频过程可表示为： s ( 行) = s ( 力e - j 叩 ( 4 - 1 - 1 ) 式中负号表示是进行下变频。 数字下变频器按与a d c 联接的方式不同，有两种工作模式，即当下变频器与单a d 配合时，为窄带模式，完成窄带中频信号的下变频任务，称为直接中频采样模式；与双 a d 配合时，为宽带欠采样模式”。我们设