（通信与信息系统专业论文）软件无线电发射机的研究.pdf

摘要 随着近年来软件无线电理论和应用趋于成熟与完善，软件无线电技术己经被 越来越广泛地应用于雷达通信及各种军用和民用的无线通信系统中，作为软件无 线电的核心技术之一，直接上变频技术也得到了越来越普遍的应用。 本文对数字发信机的算法进行了研究和分析，根据指标要求设计出了直接上 变频发射机的基本结构。研究了直接上变频发射链路中高效数字滤波器的具体实 现，给出了凯撒窗函数设计半带滤波器和积分梳状滤波器的设计方法，实现了数 字上变频内插和抗混叠滤波器的设计。 最后，利用各滤波器的特点，提出了一种三级级联的直接上变频发射机基带 部分滤波器的设计方案和一种滤波器的新设计方法，这种方法可以节省资源、降 低成本适合于工程实践中使用。同时，针对直接上变频的固有边带干扰和本振泄 漏的问题，在传统校正方法的基础上提出了一种解决直接上变频边带干扰和本振 泄漏的有效方法，并在工程实践中实现，保证了直接上变频发射机的各个指标的 要求得以满足。 关键词：软件无线电直接上变频本振泄漏 a b s t r a c t t b ec o m i n go fs o f t w a r cd e f | n e dr a d i o ( s d r ) 豫d e f i n e st h ew a yt oi m p l e m e m t m i l s m i t t e r w i t ht h et l l e o r yg e n i n gm o r cm 舭da n dc o m p l e t e d ，s d rt e c h n o l o g yh 觞 b e e nw i d e l yu s e di nc e l l u l 盯c o m m 吼i c a l i o ns y s t e m 髂w e u 勰o m e rc i v i la i l dm i l i t a r y 、】l ，i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o ns y s t e m s a so i ”o ft i i ec o 佗t e c i l i l o i o g i e so fs d r d l r 鳅- u p c o n v e r t e d 由r a 】晒m i n e ri sa l s 0g e t t i i l gm o r ca n dm o r ee x t e n s i v e 印p l i c a t i o n t h ea l g o r i t h m so nt l l em l l l t i v e l o c 姆s i g n a lp r o c e s s i n g 柚dd i g i 衄lf i l t e rd e s i g i lh 辨 b e e ns n l d i e d 协t h i sp a p c r 1 kb l o c kd i a 铲锄o ft h e 仃a i l s m i t t e rl l a sb c e np u tf o n v a r da t 丘r s t n e ns o m eh j 曲e m c i e md i g i t a if i i t e r sh a v eb e 饥s t u d i e da n d 咒a i i z e d b a s e do n t h c s p e c 访c a t i o 璐，a 仃a | 1 s m i t t e rw h i c hu s e dd i r e c t u p c o n v e r s i o na r c h i t e c t i l r ei s a c l l i “e db yi n t e r p o l a t i o n 、i t ha n t i a l i 勰i i 培f i l t e 巧，s u c h 硒r a i s e dc o s i n cf i i t c r ，h a l f b a n d f i l t 盯锄dc 嚣c a d e di n t e g r a t o rc o m bf i l t c li i la d d i t i o l l i t 丘i l i s h e sm ek a i s e r 州d o w e d h a j 仙锄df i i t e ls u b _ m o d l l i ei n t e r | ) o i a t i o nf i l t 嘲i nt h c 岫s m i t t e rw t l i c hu s e dd i r e c t u p c o n v e r s i o na r c h j t c c t u r eh a sb e e ns i i n i l l a t e d a n a l y s i s 锄de s t i m a t i o no ft h er e s o u r c eh 觞 b e e n m a d e t o o a tl 嬲t ，b 髂e do nt h ec i l a r a c t e s t i co fm e s ef i l t e r s ，此d e s i 弘o f f l l t e 巧f o rm c 打a n s m i t t e rw i l i c hu s e dd i r e “u pc o n v e r s i o na r c h i t e c t u 咒h 觞b c e ni m p i e m e m e db y c c a d i n gt l l e s et h r e ek i i l d so ff i l t e 体，啦i i l gan e wm e t h o df 缸d e s i g n i l l gf i l t e rw i l i c hc a n r e d u c et h er e s o u r c eu s a g e 、i mal o wc o s t c o n l p 撕n g 州t l la 订a d i t i o m lm e t l l o d ，姐 e 舵c t i v ew a yh 船b e e np r o p o s e dt or e d u c cs i d e b a i l di r i t e m r e n c ea n d1 0 c a lo s c i l l a t o r i e a k a g ei 1 1t l l et m s m i t t e rw h i c hi l s e dd i r e c t u pc o n v e r s i o na r c t l i t c c t u r em a th b e e n e 妊i c i e n t l yu s e di l le n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：s o f t w a r er a d i od i r e c t - u pc o n v e r s i o n l o c a io s c “l a t o rl e a k a g e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 垂豸 日期： 6 星：2 ：丛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：至豸日期：理1211 导师签名：! 羽塾 日期：理：= 查 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在短短的不到二十年的时间里，移动通信经历了从a m p s ( a d v 锄c e dm o b i l e p h o ms y s t e m ) 、n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) 模拟移动通信，到i s 9 5 ( i n t e r i ms t a i l d a r d9 5 ) 和g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u i i i c a t i o l l s ) 数字 移动通信，再到第三代c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术的发展过程。 移动通信技术的发展为生活带来方便的同时，多种通信体制并存、各种标准层出 不穷对实现地域的漫游以及通信系统的兼容和继承造成了困难，以硬件为主的传 统通信体制难于适应这种局面，这些新标准由于射频载波频率和调制方式不同而 限制了各种设备的互通和兼容，造成了资金浪费和重复投入，这就需要一种多模 式的移动终端来同时兼容现有和未来的多种通信制式。 软件无线电( s o r 、 协r cr a d i o ) 技术能够解决这一问题，由于技术的变化和应用扩 展，有关软件无线电的概念、结构、实现和用途等都在发展之中，目前还很难给 出一个严格而全面的定义，可以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬 件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的 一种开放式体系结构。 软件无线电的关键思想是：将d 、d ，a 尽可能靠近天线和用软件来完成尽 可能多的无线电功能，软件无线电是把硬件作为一个基本平台以总线方式进行连 接，一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划分成射频、中频、基带等各层， 它们具有模块化结构，各层之间的连接通过控制总线和数据总线实现，其功能主 要由软件实现，是在通用的硬件平台上通过软件的不同算法，实时配置自己的信 号波形、调制方式，提供不同的无线通信功能与业务，软件无线电具有易升级的 特点，因而具有很强的适应性与兼容性【2 l 。理想的数字化无线电接收机的最终目 标是在天线的输出端直接进行射频信号的采样，后续功能采用数字化处理。 由于现阶段，a d 、d a 变换器取样率、数字信号处理能力的限制，大多数射 频频段的变换部分还必须是模拟的，需要通过传统的模拟器件对信号进行频谱搬 移和数字化处理。随着近年来现场可编程门阵列( f p g a ：f j e l dp r o 伊嬲衄a b l eg a t e a n a y ) 器件和通用数字信号处理器( d s p ：d i g i 诅ls i g m lp r o c e s s o r ) 在芯片逻辑规模和 处理速度等方面性能的迅速提高，用硬件编程或软件编程方式实现无线功能在理 论和实用化上都趋于成熟和完善。现阶段，受各种关键器件特别是受怕、d a 采样速率、工作带宽和通用d s p 器件处理速度的限制，用可编程器件和高速数字 信号处理器来代替模拟射频电路是难以实现的，数字中频正成为一种经济、适用 2 软件无线电发射机的研究 的选择【3 】。 1 2 发射机的现状与存在的问题 当代无线通信的系统很多，但由于各种不同通信系统的工作频段、调制方式、 波形结构、通信协议和原理不同，收发信机的软硬件结构差别也很大。蜂窝通信 中根据蜂窝覆盖范围的不同可以将蜂窝分为：宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝，同 通信协议中，不同蜂窝对应的发信机的结构也大相径庭。 基站收发信机结构的大小与采用的蜂窝结构有很大的关系，宏蜂窝收发信机 以三、四十公斤的重量和四、五十立方分米的体积无法与微微蜂窝的手持式收发 信机相比较，宏蜂窝收发信机庞大的体积不便高空安装，给外场安装人员带来很 大的不便，小型化和高集成度是发展的趋势。 传统的收发信机都采用传统二次上变频发射链路，这种链路在发射端时需要 经过二次变频如图1 1 所示： 第一次混频 基带已调数i 一一i 瓤芙! 射频本 振信号 l 一一一一一一一一 第二次混频 图1 1 二次变频发射机结构 图1 1 中基带信号经过d a c 以后，通过滤波、放大、先调制到一个中频频率， 然后二次变频到射频。电路上主要器件有d a c 、低通滤波器、中频混频器、声表 面波滤波器、中频放大器、射频混频器、射频放大器、介质滤波器、中频本振、 射频本振等十多种，电路结构复杂、占用面积大、不利于产品的小型化和高集成 度。采取传统的二次上变频发射机结构已经不能满足用户对产品小型化、高集成 度等的需求。 软件无线电的出现为收发信机的小型化和高集成度提供了一种有效的方法， 第一章绪论 但是受到现在微电子器件刖d 、d a 和数字信号处理器技术发展的制约，要在射 频直接进行数字化在现阶段是很难实现的，于是就提出了用数字中频代替传统二 次上变频发射机中模拟中频电路的方法，这种方法的基本思想1 4 j 是：用可编程数字 信号处理器通过算法来实现从基带到中频的第一次混频，代替常规模拟中频电路 部分，这样就达到了简化电路、高集成度的要求，使得收发信机的体积庞大、不 便安装的问题得到解决，并且降低了单板的功耗。数字中频发射机中最大的问题 就是用可编程器件产生的数控振荡器会不可避免的产生杂散信号，因此在数字部 分在频谱搬移的过程中就会受到数字本振杂散信号的影响而导致系统的性能不够 理想，同时提高了对数字信号处理器的要求。 1 3 课题研究的背景和意义 如前所述可知，数字中频收发信机的缺点是在简化中频模拟电路的同时增加 了对数字信号处理器的要求，如果单片芯片无法实现的话，也很难达到简化电路 的目的，为了满足小型化和高集成度的要求，本文采用了直接上变频方案，直接 上变频方案将是小型化和高集成度的最佳选择。 直接上变频技术也称为零中频技术，由于中心频率设为零，不需要中频放大、 滤波和变频部分，且放宽了对射频部分滤波器性能的要求，甚至不需加射频滤波 器，从而极大地减小了发射机的体积、重量、功耗和成本。这一技术已发展多年， 并且某些类型的寻呼和g s m 手机也己采用，该技术结构简单、采用高性能基带 d a c 、滤波器实现整体系统的高性能设计、无需中频变换即可满足发射机技术的 要求，不需要昂贵的滤波器和频率合成器，因此它的系统价格比单中频上变频能 节省4 0 ，但是这项技术也存在很多缺点，如正交调制信号和正交本振信号的相 位和幅度不平衡以及对直流偏移失真非常敏感等，并因此可导致严重的边带干扰 和本振泄漏，需要对功q 数据进行一致性校准，是这种发射机需要解决的关键问题。 采用直接上变频技术可以极大地减小发射机的体积、重量、功耗和成本，但 是该技术的最大缺陷就在于正交调制信号和正交本振信号的相位和幅度不平衡以 及对直流偏移失真非常敏感，本文采用的方法很好的解决了这一问题，保证了直 接上变频发射机的性能。 直接上变频技术是比较新的解决方案，业界的直接上变频技术解决方案已经 有多个供应商t i 、h i n i t e 等提供，关键器件也已经进入量产阶段。目前有许多国 家、许多厂家都在从事直接上变频( 零中频) 技术的研究工作，如海天天线、中 兴通信和美信等。 4 软件无线电发射机的研究 1 4 本文主要研究内容 本文从软件无线的三种理想结构出发结合发射机发展的现状，与模拟二次上 变频和数字中频相比的前提下采用了直接上变频发射机，并对直接上变频技术进 行了理论介绍、具体技术实现和功能优化。 全文共分为六章，具体安排如下： 第一章主要说明了论文背景，研究的意义和章节安排。 第二章对软件无线电收发信机的结构进行了研究，设计了直接上变频发射机 的基本结构框图，对数据速率变换理论进行了研究。 第三章进行直接上变频发射机基带滤波器实现时，首先对单级变换采样率变 化的方法进行了仿真和估算，得出了不可实现的结论。然后设计出了多级变换的 架构，给出了发射链路滤波器设计的结构图，完成了直接上变频发射机中基带数 字滤波器的设计。 第四章首先给出了一般的直接上变频发射机中【 3 信号一致性的分析方法， 对此种方法进行了详细的描述，并且分析了现阶段难以实现的理由；接下来阐述 了一种新的直接上变频发射机中的校正技术和提出了的硬件链路的实现新方法， 并在最后对两种方法进行了比较。 第五章对整机测试与i q 校正的结果进行了研究。 第六章对全文进行了总结。 第二章软件无线电的基本知识 第二章软件无线电的基本知识 软件无线电作为通信领域中比较新颖的一个课题，引起了人们极大的兴趣， 被认为是当前和未来无线电系统的一项非常可信的选项。它的提出主要是为了解 决无线通信领域中现存各种体制的兼容性以及未来通信体制的继承性，软件无线 电的目标是改变长期以来对固定线路的依赖性。 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中 解放出来。功能的软件无线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 和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，通过软件的更新改变硬件的配置结 构实现新的功能，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，理想软件无线电组成结构如图2 1 所示： 图2 1 软件无线电结构框图 从图2 1 可以看出软件无线电主要三大部分组成：射频处理( 含天线) 前端、 高速模数数模转换器( 刖d 、d a ) 和数字信号处理单元( d s p ) 。 射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤 波、放大、下变频等功能，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较困难的，当然如果采用射频直接数字化方式，射频 前端的功能可以进一步简化，但同时提高了对数字处理的要求，软件无线电的天 线一般要覆盖比较宽的频段，为便于实现可在全频段甚至每个频段使用几副天线， 并采用智能化天线技术。 三大部分中，a ，d ( d a ) 最为关键，可以说是整个软件无线电的核心，因为 不同的采样方式将决定射频处理前端的组成结构，也影响其后数字信号处理器 ( d s p ) 的处理方式和处理速度；而且a d 的性能如何也将严重制约整个软件无 线电性能的提高。根据奈奎斯特采样定理1 1 】可知，带限信号a ，d 转换器的采样率正 必须是带宽的二倍，实际的系统一般需要过采样，就是说采样率至少为带宽的2 5 倍。除此以外，a d 转换器的应用中动态范围也是很有用的一个参数，它随着采 样位数的提高，以及过采样率比值( 采样率与所接收到的信号的带宽比值) 的增 6 软件无线电发射机的研究 大而增大。对于无记忆a ，d 转换器，每增大一倍的过采样率，a d 转换器的动态 范围就会增加3 d b ；显然采样率的增加并不能对动态范围产生很大的增益，因此无 记忆的d 转换器需要很高的精度来满足宽带移动通信信号很大的动态范围。一 般来说，动态范围必须大于8 0 d b 。 模拟信号进行数字化后的处理任务全由d s p 软件承担，为了减轻通用d s p 的 处理压力，通常把a ，d 转换器传来的数字信号，经过专用数字信号处理器件降低 数据速率并将信号频率变至基带，再把数据送给通用d s p 进行处理。通用d s p 主 要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，例如信号的调制解调，各种抗干 扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等，还要完成经信源编码后的前向纠错( f e c ) 、 帧调整、比特填充和链路加密等算法。 对射频模拟信号的采样数字化可以有两种方法，一是基于奈奎斯特采样定理 的低通采样：二是带通采样，而带通采样又可以有两种方式实现，即射频带通采 样和中频带通采样。对应这三种方式，软件无线电的组成也有三种：射频低通采 样软件无线电结构、射频带通采样软件无线电结构和宽带中频带通采样软件无限 电结构，如图2 2 2 4 所示。 2 1 软件无线电的理想结构 2 1 1 射频低通采样软件无线电结构 射频低通采样软件无线电，其结构简洁，把模拟电路的数量减少到最低程度如 图2 2 所示。从天线进来的信号经过滤波、放大后就由a d 进行采样数字化，这 种结构不仅对a d 转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非常 高的要求，同时对后续d s p 或f p g a 的处理速度要求也特别高。 图2 2 射频低通采样软件无线电 图2 2 中超宽带滤波器的通带范围是丘，皤，其中丘、k 分别为射频低 通采样软件无线电所要求的最低和最高工作频率( 一般要求厂岫o 1 m h z ， 第二章软件无线电的基本知识 ，二2 g h z ) ，根据n y q u i s t 采样定理其采样速率正应满足： 正2 厂嘣 ( 2 一1 ) 如果考虑到前置超宽带滤波器的矩形系数r ，则要求： 工2 吮。 ( 2 2 ) 例如，当眦= 2 g h z ，= 2 时，正8 g h z 。 即使允许过渡带混叠，最低采样速率也应满足： 正( ，+ l 儿= 6 g h z ( 2 - 3 ) 如此高的采样速率的模数变换器目前显然是无法实现的，尤其是当需要采用 动态范围大、分辨率高的山d 时就更加困难。而对这种软件无线电由于同时进入 接收通路的信号数较多，对动态范围的要求就更高，给工程实现( 无论是前端放 大器，还是怕变换等) 带来了极大的难度，所以这种射频低通采样软件无线电 结构一般只适用工作带宽不是非常宽的场合。 2 1 2 射频带通采样软件无线电结构 射频带通采样软件无线电结构与低通采样软件无线电结构的主要不同点是： 在a ，d 交换器前面采用了带宽相对较窄的电调滤波器，然后根据所需的处理带宽 进行带通采样。这样对d 采样速率的要求就不高了，后续d s p 的处理速度也可 以随之大大降低，射频带通采样软件无线电的组成结构如图2 4 所示。 这种结构中如果a 仍前的滤波器是矩形系数为1 ，带宽为f 2 的理想滤波器 时，就可以实现整个频带的无“盲区”采样。但是这种矩形系数为1 的理想滤波 器实际当中是做不到的，比较理想的基本可以实现的滤波器存在采样“盲区”，如 图2 3 中阴影部分所示。 丘厶厶o l ， 图2 3 射频采样 从图2 _ 3 中可以清楚地看出这种可实现滤波器所造成的不良后果是阴影部分 存在采样“盲区”，“盲区”的中心频率为似+ l 耽2 ，也就是说当信号落在“盲区” 时，将被滤波器滤除，而无法对这些信号进行采样数字化，解决的办法是对这些 “盲区”通过选择合适的采样频率单独进行采样，设主采样频率为正，则“盲区” 软件无线电发射机的研究 中心频率为： 名。：垒娑尘正 ( 2 4 ) 根据带通采样定，为了对中心频率为- ，；：。的这一“盲区”频带进行采样数字化， 所要求的采样速率为： 厶= 嘉小筹正 ( 2 s ) 可见这种带通采样除了需要一个主采样频率f 以外，而且还需要m 个“盲区” 采样频率厶，其中b = o ，1 ，2 ，m 1 ) ，m 值由下式确定： 肘=胛净 l ， j ( 2 6 ) 式中，删r l 石i 表示取大于等于x 的最小整数，丘为最高工作频率，例如当 厂吡。= 2 g h z ，正= 1 0 0 m h z 时，m = 4 0 ，即共需4 0 种“盲区”采样频率才能覆 盖整个工作带宽，“盲区”采样频率公式由式( 2 - 4 ) 决定。 主采样频率的确定主要取决于a d 器件的性能，目前对1 2 位以上的高速 a ，d ，选取fsl o o m h z 是比较合适的；另外，正选取还要考虑的因素是要与后续 d s p 的处理速度相匹配，如果f 选得太高，后续d s p 的速度跟不上也是无意义的。 由式( 2 6 ) 可见，为了减少“盲区”采样频率的数量( 种类) ，在最高工作频率，嘣 一定的情况下，正应尽可能地选的高一些，另外理想的软件无线电结构也要求z 应 尽可能地选高，但目前器件性能已成为主要限制因素的情况下，正的选取则以器 件能否满足给定要求为主要考虑因素，但最低采样频率必须满足能对最大信号带 宽进行无混叠采样数字化的要求。 睦电调滤波器卜 磊- 竺卜l i l 、j 。一 超高速 d s p ( 软件) 厂五五 - _ 辜磊i 丽砷“。”内插上变频卜 二 图2 4 射频带通采样软件无线电结构 图2 4 所示的射频带通采样软件无线电结构的特点是：对a d 采样的速率要 求并不高，由窄带电调滤波器选取所需要的信号，然后进行放大。再进行带通采 样有助于提高接收通道信噪比，也有助于改善动态范围，这种射频带通采样对a d 器件的要求是a ，d 需有足够高的工作带宽。 图2 4 和图2 2 相比较可见，两者的最大不同点是前置滤波器的差异，前者采 第二章软件无线电的基本知识 9 用了窄带电调滤波器，而后者是宽带滤波器；另外就是a d 的采样速率不一样， 前者的采样率一般在1 0 0 m h z 以内，而后者为超高速采样可达g h z ，取决于最高 工作频率。最后就是对d s p 的处理速度要求前者比后者低，由以上分析可以看出， 图2 3 所示的射频带通采样的软件无线电结构实现起来更容易、可行，这种结构将 会成为未来软件无线电发展的主流。 尽管图2 4 所示的射频带通采样软件无线电结构可实现性较强，可达到的性能 也较高，但无论是前置窄带电调滤波器，还是高工作带宽的刖d ( 高性能保持放 大器) 实现起来还是相当有难度的，另外射频带通采样软件无线电结构的另一缺 点是需要多个采样频率，增加了复杂度，为避免这些困难，下面介绍软件无线电 的第三种结构宽带中频带通采样软件无线电结构。 2 1 3 宽带中频带通采样软件无线电结构 宽带中频带通采样软件无线电结构的组成如图2 5 所示，这种结构与常规的超 外差电台收发信机是类似的，但两者的本质区别是中频带宽不样，常规电台的 中频带宽为窄带结构，而图2 5 所示的软件无线电的中频带宽为宽带结构。由于中 频带宽不仅使前端电路设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且与 常规窄带超外差电台相比，这种宽带中频结构再配以后续的数字化处理，使其具 有更好的波形适应性，信号带宽适应性以及可扩展性。 超高速 d s p ( 软件) 图2 5 宽带中频带通采样软件无线电结构 由图2 5 所示的组成结构可以看出，这种软件无线电的射频前端( d 前、 d a 后的模拟预处理电路) 比较复杂，它的主要功能是把射频信号变换为适合于 刖d 采样的宽带中频信号或把d 临输出的宽带中频信号变换为射频信号。通过相 对复杂的射频前端将高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信号， 后续的d 采样数字化就大大减轻了负担。这时与前面两种软件无线电结构相比 不仅不需要第一种结构所要求的超高速采样，也不要求第二种结构所需要的高精 度、高工作带宽所要求的采样保持放大器，使a ，d 设计大大简化，这是射频前端 复杂性带来的好处。在气仍器件无法满足要求的情况下，增加一点复杂性也是值 得的，况且这种宽带射频前端与窄带超外差前端相比还要简单一些，无疑是近期 l o 软件无线电发射机的研究 软件无线电一种较可行的设计方案。 图2 5 所示的宽带中频带通采样软件无线电结构所需的采样频率也只有一个， 这与第一种结构的低通采样是一样的，但前者的采样频率主要取决于中频带宽玩 和中频滤波器之矩形系数，由厂f ( 1 + ，峨确定，其采样频率相对较低；而第二种 结构所需的采样频率为( 膨+ 1 ) 个，使采样振荡器的设计趋于复杂化。 2 2 直接上变频发射链路的建立 发射机射频部分的任务是完成基带信号对载波的调制，将信号搬移到所需的 频段上。传统的二次变频发射链路需要进行二次混频所以需要很多的模拟器件， 增加了成本，占用了单板的面积，使得收发信机的体积过于庞大，要使收发射机 结构具有小型化和高集成度的特点，减小单板器件数量是最有效的方法。本文采 用直接上变频发射机来代替二次上变频发射机，节约了器件，降低了成本，达到 了小型化和高集成度的目的。 2 2 1 二次上变频发射机结构 由前面章节有关宽带中频带通采样软件无线电结构的研究，将发射链路单独 进行研究，传统二次上变频发射链路的结构框架如图2 6 所示，基带已调信号经过 d a c 以后，通过滤波、放大、先调制到一个中频频率，然后再次变频到发射频段。 第一次混频 基带已调数i 。i 两i i 唳一j 射频本 振信号 第二次混频 图2 6 二次上变频发射机结构框图 图2 6 给出了二次上变频发射机的结构框图。其中，第一次混频部分实现了从 基带到中频的频率变换，第二次混频实现了中频到射频的频率变化。如果采用硬 件模拟器件来实现第一次混频和第二次混频，则整个发射链路上主要器件有d a c 、 第二章软件无线电的基本知识 低通滤波器、中频混频器、声表面波滤波器、中频放大器、射频混频器、射频放 大器、介质滤波器、中频本振、射频本振等十多种，电路结构复杂、占用面积大、 不利于产品的小型化和高集成度。 如果把二次上变频发射机的中频部分也就是第一次混频的模拟电路进行数字 化的话，就可以在进入d a c 之前实现从基带到中频的变换。数字中频模块衔接了 宽带d a 与基带数字信号处理两部分，它的主要功能是实现数字信号在基带和中 频之间的转换，同时为了减轻基带部分数字信号处理器的运算压力还要进行采样 率变换的工作，在发射端先对低速信号进行处理，然后经过内插提高信号速率， 使得基带数字信号处理器工作在较低的速率，减轻处理压力，整个链路如图2 7 所 示。 基带已调数 射频放大 振信号 图2 7 数字中频发射链路结构图 图2 7 中基带已调信号，先经过数字上变频器( d i 百诅lu pc o n v e n e r ，简 称：d u c ) 通过对数字信号的处理，将基带信号的频谱，搬移到一定频率的中频 附近，发射机从d u c 子系统获得中频信号后，经过数模转换器将数字信号变为中 频模拟信号，然后再将模拟中频信号经过滤波器滤波和本振混频之后，将模拟中 频信号从中频频率上变换到要求的射频频率，经过射频滤波器滤除在处理过程中 产生的所有噪声( 干扰抑制) ，送入射频放大器将信号放大到要求的发射电平，最 后将信号馈送到天线，完成整个发射过程。其中，d u c 的结构如图2 8 所示。 d u c 图2 8 数字上变频原理图 1 2 软件无线电发射机的研究 图2 8 中数字上变频器的基本单元包括采样率变换单元、乘法器和数控振荡器 州岫e r i c a l l yc o n 仃0 l l e do s i a j l a t o r ，简称n c 0 ) ，采样率变换单元实现数据速率的变 换，数控振荡器产生数字本振信号。 图2 7 和图2 8 给出了数字中频发射机的结构图，这种电路可以节省掉原来二 次上变频发射机第一次混频的模拟器件，电路上简化了很多，但是提高了对数字 信号处理器的要求，要实现高性能的数控振荡器也需要投入很大的精力与资源， 数字信号处理器的成本也必将会增加。 2 2 2 直接上变频发射机结构 图2 3 中所示的结构框图如果选用直接上变频发射方案的话，基带数字信号进 入d a 变换器之后变为基带模拟信号，然后直接进入射频通路，将频谱直接从基 带搬移到射频，不需要在数字部分进行频率变换，因此不需要n c o 模块，此时图 2 7 和2 8 就可以简化为2 9 所示的结构图。 基带数字 m q 信号 射频放大 振信号 图2 9 直接上变频发射机结构框图 图2 9 所示的直接上变频发射结构主要由d a c 、低通滤波器、模拟m q 调制 器和射频本振组成，器件数量和二次上变频发射机的结构相比大大减少，与数字 中频发射机相比可以消除n c 0 产生的杂散对调制信号的影响，同时降低对数字信 号处理的要求，达到小型化、高集成度和低成本的要求，直接上变频发射机的缺 点是正交调制信号和正交本振信号的相位和幅度不平衡，以及对直流偏移失真非 常敏感等。 2 3 整数倍内插原理 直接上变频发射机在基带部分的主要工作就是数据速率的变化，接下来研究 一下数据速率变化理论。 整数倍内引习是指在两个原始抽样点之间插入( ，一1 ) 个零值，若设原始抽样序 列为j o ) ，则内插后的序列y b ) 为： 第二章软件无线电的基本知识 y ”黔) ， 【 o ， ( 卅= o ，j ，2 ，) 其它 ( 2 7 ) 内插过程如图2 1 0 ( a ) 、2 1 0 ( b ) 所示，设工0 ) 的频谱为z ( p ，。) ，y 似) 的频 谱为】，g 归) ，由于y b ) 中除了脚为，的整数倍处为z o ) 外，其余均为零。则有： y g ，m ) ：妻y b ) 矿- 一：妻z b ) 矿，“：x g ，一) ( 2 8 ) 由式( 2 - 8 ) 可知，内插后的信号频谱为原始序列频谱经i 倍压缩后得到的谱。 如图2 1 l 给出了抽取前后频谱结构。其中2 1 1 ( b ) 为内插后未经过滤波的频谱图， 这时在y k l 中不仅含有x ( p 归) 的基带分量( 如图中阴影部分所示) ，还有其频率 大于万j 的高频成分( 称其为，i p l 的高频镜像) ，为了从】，( p 一) 中恢复原始频谱， 必须对内插后的信号低通滤波( 滤波器的带宽为石，) ，滤波后的波形如图2 1 1 ( c ) 所示，也就是说原来插入的零点变为工疗) 的准确内插值，经过内插( 插入零点) 不 仅提高了时域分辨率。 ol234nol ( a ) ol23456 7 8m ( c ) 图2 1 0 整数倍内插 2345678m ( b ) 1 4 软件无线电发射机的研究 ( a ) 原始谱 ( b ) 滤波 ( c ) 滤波后 图2 1 l 内插( i _ 2 ) 前后的频谱结构图 从上述分析得出一个完整的i 倍内插器的结构如图2 1 2 所示，图中g 加) 为 带宽小于州，的低通滤波器。 础m 叫互p ! ! 1 2 匡掣 图2 1 2 完整的内插器方框图 2 4 本章小结 本章主要介绍了三种软件无线电收发信机的结构：射频低通采样软件无线电 结构、射频带通采样软件无线电结构和宽带中频带通采样软件无线电结构，三种 结构的共同点都是以最大限度的减小模拟器件的数量，使数字端向天线靠近，但 是由于受到现阶段微电子器件发展的制约，前两种方式在工程实践中很难实现， 随着科技的进步第三种结构相对来说已经是一种较为可行的方案。因为直接上变 频发射机基带部分只需要进行数据速率的变化，本章还研究了多速率信号处理基 本理论中的内插原理，作为后面的直接上变频发射机基带内插滤波器的设计依据。 第三章直接上变频发射机的设计 第三章直接上变频发射机的设计 本文所设计的直接上变频发射机在基带实现了1 6 倍的数据速率变换，进行数 据速率变换时需要设计内插数字滤波器，滤波器性能的好坏将直接影响数据速率 变换后的频谱特性，本章详细研究了几种数字滤波器选取原则与仿真设计。 3 1 基带采样率变化的单级变换方案 采样率变换的单级变换是指经过一次采样率变换将原采样率提高到系统所需 的采样率上，对w c d m a 系统而言，需将采样率从3 8 4 m h z 提高到6 1 4 4 m h z ， 采样率提高6 1 4 4 3 8 4 = 1 6 ，采样率变换的单级变换结构如图3 1 所示。 五：! 兰竺竺】+ 1 6 倍的内插 ht v 旧“jr 】，” f i r 滤波器 成型滤波器l 墨：! ! ：竺竺譬 ( r r c ) 图3 1 单级变换方案 图3 1 中，内插滤波器为f i r 低通滤波器，起到了消除镜像的作用，同时提供 了足够的带外衰减，另外还补偿了根升余弦滤波器的带内特性，成型滤波器采用 平方根升余弦滤波器( r r c ：r o o tr a i dc o s i n e ) ，由于在发送端和接收端各有一个 这样的滤波器，使系统整体的频谱特性呈升余弦特性，起到了抗码间干扰的作用， w c d m a 信号为带宽3 8 4 m h z ，a c l r s 8 4 d b ( a d j a c e mc h a l l n e ll e a k a g cp o w e r r a t i o ，称为：邻道泄漏功率比) ，由m a t l a b 滤波器设计工具箱和信号处理工具箱 进行的滤波器设计如下： 内插滤波器采用等波纹设计法，通带截止频率l = 1 9 2 m h z ，阻带截止频率 正= 2 3 4 m h z ，通带波纹以= o 0 1 ，阻带波纹正= o 0 0 1 ( - 6 0 扣) ，采样频率取值为 6 1 4 4 m h z ，滤波器阶数= 4 6 l 阶；升余弦滤波器采用窗函数法( 矩形窗) ，3 d b 截 止频率正= 1 9 2 m h z ，滚降系数o 2 2 ，采样率6 1 4 4 m h z ，带外衰减2 5 d b 左右， 滤波器阶数 r = 1 6 1 阶，整个发射通路单级变换方案的m a t l a b 仿真结果如图3 2 所 示。 1 6 软件无线电发射机的研究 图3 2 单级变换方案的性能曲线 图3 2 中，系统在2 5 z 带宽边界处的幅值衰减为9 4 3 d b 9 8 4 d b ，满足系统 指标要求。若从实现的角度考虑( 以d s p 实现为例，滤波器采用直接实现结构) ， d s p 所需的乘法累加运算速度将分别达到4 6 1 6 1 4 4 m h z ：2 1 8 3 x 1 0 1 0 0 “i p s ) 和 1 6 l x 6 1 4 4 m h z = 9 1 8 9 1 0 9 ( m i p s ) ，这一速度大大超过了现行定点d s p 的运算速度 1 5 0 m i p s ，s 单片d s p 芯片无法实现，虽然目前数字滤波器越来越多的用分布式算法 的f p g a 来实现，但是这种单级变换方案仍然会占去f p g a 中大部分可编程逻辑 块，资源利用率非常低，不是经济、理想的实现方案。 3 2 多级方案滤波器的选取 受数字信号处理器现阶段发展程度的限制无法采用单级变换直接将基带数据 插值到所需的倍数，故需要进行多级插值并滤波，后面将详细介绍各种滤波器的 选取。 3 2 1 成型滤波器的选取 在现代数字通信中，由于基带信号的频谱范围都比较宽，为了让信号在带限 信道中传输，需要在发送端把信号经过成形滤波器进行带限，由此就会引入码间 干扰，为了使传输误码率足够小，必须最大限度减小码间干扰，其实只需要在特 定时刻的波形幅值无失真传送，而不必要求整个波形无失真。奈奎斯特第一准则 指出了数字信号传输的无失真条件，当数字信号序列通过某一信道传输时，如信 号传输速率b b ：2 b c ( b c 为信道物理带宽) ，各码元的间隔t = l ，2 b c ，该数字序列就 第三章直接上变频发射机的设计 7 可以做到无码间干扰传输了，这时b c = 1 2 t 称为奈奎斯特带宽，t 称为奈奎斯特间 隔。奈奎斯特第一准则嘲指出了无码间干扰和充分利用频带的基本关系，只要取样 值保持不变，那么再次取样的方法( 即再生判决) 仍然可以准确无误地恢复原始 信号，采用理想低通响应波形作接收是不会产生码间干扰的。然而在实际中，理 想的低通特性很难实现，这首先是因为理想低通特性在物理上不能实现，其次是 它的冲击响应脉冲波形尾部的衰减振荡是比较大的，若定时的精确性稍微差一些， 使取样瞬间出现偏差时，就会出现可观的码间干扰，若要使系统的传输在抽样时 刻不产生码间干扰，那么要求传输信道的冲激响应满足： m 驴托甾 ( 3 - ，) 满足上述冲激响应条件的系统的传递函数必然有： 日+ ( ，) = u 一玎t ) = t ( 3 - 2 ) 上式中，z 是一个常数。上式说明，若系统的传输函数平移 矾= = o ，1 ，也，嘞 ( 3 3 ) 后相加等于一个常数，则此系统以码元速率z 传输时不会产生码间干扰。 升余弦滚降滤波裂_ 7 】【8 1 特性有三部分组成，频率响应如下： 日。盯) = 。i 卅等 寄量1 小等c s 4 ， 等茎 式中，口称作滚降系数，取值为o 口l ，滚降系数口越大，频谱在截止频率 处越光滑，但同时频带利用率也越低。升余弦滤波器的特点就是：对于口 0 的升 余弦滚降特性，其冲激励响应的值除在取样点f = 0 处不为零外，其余各取样点的 值均为零，且f r 后，各样值点之间又增加了一个零点，使“尾巴”随时间的延长 而衰减加快，这对消除码间干扰和减弱定时抖动很有利，其频率特性如图3 3 所示。 rr_、 口一， 二醐 丝珥 一 门 ，h 码i + i 乃一2 o 软件无线电发射机的研究 图3 3 升余弦滤波器特性 从图3 _ 3 可以看出，升余弦滤波器具有对称性，所以当日( ，) 以1 l 为周期重 复时，就不会产生码间干扰。 在实际通信系统中，当奈奎斯特滤波器为升余弦滚降滤波器时，发送端的成 型滤波器和接收端的匹配滤波器都采用平方根升余弦【9 】【1 0 1 滚降滤波器： h 。t n = 0 。茎i 卅等 等寄 s ， 等i 卅 另外，根升余弦滤波器虽然克服了码间干扰，减小了旁瓣的衰减幅度，但收 敛较慢，即所需的频带较宽，频谱利用率仅为1 b h z ，但是若采用理想低通滤波器 即矩形滤波器，其频谱特点是频谱窄，频带利用率高( 达到2 b h z 的极限) ，但是 其第一个过零点以后