（物理电子学专业论文）无线通信测试平台设计与实现.pdf

中国科学技术大学博l 学位论文 摘要 摘要 方而 ， 着计算机技术、 微电子技术、自 动控制技术等的发展， 通信技术正在发生翻天覆地的 由于 通信技术的迅速发展， 一方面使通信产品的生存周期缩短， 开发费 用上升; 另一 新老 通信体制共存， 各种通信系统之间的互联变得更加复杂、 困难， 这在军事通信中 尤为突出。 近儿年来，数字信号处理 ( d s p ) 技术不断成熟， 模/ 数转换器件性能越来越好， d s p处理能力及处理速度的 逐步提高，在这样的背景卜 ，传统的模拟无线电 接收机将被软 们或数字器件代替， 软件无线电 技术应运而生， 并在商用和军用无线电 通信领域显示出 其强 人的吸引力。 为了对软件无线电技术进行研究， 本文设计并制作了 一个通用的无线通信实验平台， 提 供良好的系统时钟和通用的数据传输接口，用于测试模数转换器 ( dac ) .f 变频 ( d d c ) 、数字上变频 ( d u c )的功能和性能， ( a d c ) 、数模转换器 进行软件无线电的研 犷 究和开发。 本文的第一章绪论部分从软件无线电的由 来出发， 介绍了软件无线电的基本概念、 发展 状况和土要特点，并 对其中的关键技术，包括射频前端、宽带a d c / d a c .数字上/ 下变频、 高速数字信号处理等方面做了简要介绍。 第 二 章给出本文的设计目的和意义， 度转换器芯片的无线通信硬件测试平台， 进入本文的主体部分， 构建一个用于测试高速高精 其目的在于对软件无线电的部分模块、 结构功能以 及卜 ! 前芯片硬件的性能进行综合的分析和研究 能 ，技 术 指 标 以 及 设 计 中 的 关 键 问 题 。 ) 冬 一章还给出测试系统的体系结构， 主要功 第二章结合测试系统的时钟指标要求这一设计难点，着重针对高速电路的时钟 j i tt e r , s k e w两项重要指标展开讨论和分析。 介绍了时钟j i tt e r . s k e w的概念、测量或计算方法， 及 其对高速电 路系统的影响，重点分析了j i tt e r 对a d c性能的影响并给出仿真结果。 第 四 章 k 论 文 的 设 计 重 点 之 一 旋述 无 线 通 信 测 试 平 台 的 系 统 时 钟 的 设 计 方 法 ; 沫 设 计 的系 统时钟采用锁相环频率合成技术和高速背板传输技术， 并有相应的电平转换、 时钟分配 电 路， 是无线通信测试平台系统唯一的时钟源， 能 提供高 精度、 高可靠性、 频率可调、 性能 优 “ 的 时 钟 。 弃 论文的第五章是设计的另一重点， 即无线通信测试 平台数据传输方式的实 现， 首先讨论 了 共 享 总 线 方 式 和 差 分 串 行 方 式 的 可 行 性给 出 明 确 方 案 ， 随 后 介 绍 其 关 键 技 术 ， 够 速 背 板 交换和传输技术，包括收发器芯片及其外围电路的设计，交叉开关芯片及外围电路的设计， 接 、 。 的 选 择背 板 p c 。 的 设 计 等 于 介 绍 m ;t jv*,9a 4 m 01 a 笙 it 51w ; st r? ffifa 2q 5cta nt 5?f)-to 蒙 ,-1, tt$ g flf cx , imbf h i - hl3m fr j1fl1 js ii z?, ja ,y;1#j spic e m , f h spic e ig m i n c l u d e t r a n s c e i v e r c h i p s a n d i t s p e r i p h e r y c i r c u i t s , s w i t c h c h i p s and i t s p e r i p h e r y c i r c u i t s , t h e c h o i c e o f e l e c t r o n i c c o n n e c t o r s a n d t h e d e s i g n o f p c b . i n c h a p t e r s i x w e i n t r o d u c e t h e a n a ly s i s o f s i g n a l i n t e g r a l i t y ( s i ) o f t h e t e s t i n g s y s t e m . t h e c o n c e p t a n d p r i n c i p l e o f s i a r e g i v e n , t h e m o d e l s a n d t o o l s o f s i a r e i n t r o d u c e d , a n d w e g i v e t h e s i m u l a t i o n r e s u l t o f h i g h - s p e e d d i ff e r e n t i a l s i g n a l s . w e u s e t h e s p i c e m o d e l i n t h e a n a l y s i s . c h a p t e r s e v e n g i v e t h e d e s i g n o f d a u g h t e r c a r d s , i n c l u d e a d c , d a c , d d c , d u c , m p u a n d d s p , it a l s o g i v e s t h e t e s t i n g p l a n o f t h e w h o l e s y s t e m . 一v 中国科学技术大学博 王 : 学位论文 致谢 致谢 首先， 我要感谢我的导师王砚方教授和安 琪教授， 本篇论文是两位老师的悉心指导下完 成的。 他们严谨治学的科学态度、 厂阔渊博的学识经验、 孜孜不倦的追求精神以及一丝不苟 的 _ 作作风对我产生极大的影响， 令我受益匪浅。 我在快电子学实验室学习和_ 1 _ 作的三年中， 他们在我的学习上、 科研 ! _ 作上还有生活上都给予了极大的指导和帮助， 止是在两位老师的 关心和鼓舞卜 ， 使我在求学乃至人生的道路上不断地追求发展与进步， 在此， 我向他们表示 最衷心的感谢。 在本文 完成过程中， 项目 组的何正森同学、 阮福明同学和张艳丽同学以 及华为 技术有限 公司 的胡煌 t i 、 谷明和何波都给予了大力支持和帮助。 快电 子学实验室的吴义宝同 学、 刘树 彬同学， 在完成项目 和论文的过程中， 也给予我非常多的指点和帮助， 在此对他们深表感谢。 同时感谢远在美国的陈家琴、 陈虎成、 张庆民、 严挺， 远在加拿大的 刘胜利， 以 及快电子学 实验室的束礼宝、 刘尉悦、 陆增援、 宋健、 沈文博、 杨俊峰、 杨晓军、 宋克柱、 武杰等同学， 感谢他们在 l 作中 给我的支持和帮助。 感谢华为信息技术研究所的叶国华老师、 任艳丽女士、 顾晓曼女士、 陈强师傅， 感谢快 电子学实验室的程伊敏女十， 三年来他们在工 作和生活上给予我无私和热情的帮助， 并为我 们创造了 良好的 _ 作环境和氛围，在此向他们致以我诚挚的谢意。 感谢我的 父母亲人， 感谢我的硕十生导师尹富先老师， 感谢身边所有关心和爱护我的朋 友们，多年来他们给予我的亲情和友情以及对我无私的关怀和鼓励，我将终生难忘。 最后， 向中国科技人学、 近代物理系快电 子学实验室和华为信息技术研究所， 表示我真 诚的感谢! 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 软件无线电 技术是最近儿年提出的一 种实现无线通信的新体系结构。 针对现在无线通信 领域存在的多种通信体系共存、 各种标准竞争激烈等问题， 特别是无线个人通信系统的发展， 新的系统层出不穷， 软件无线电的概念应运而生。 传统的无线通信电台 用途、 功能比较单一。 随着数字信号处理技术及微电子器件的发展， 为适应现代战争海陆空天 ( 指卫星) 协同作战 的迫切需要，软件无线电技术将应用于军事通信领域。到8 0 年代，第一个实用数字高频军 事通信系统采用了软件无线电技术。 软件无线电在通信系统中， 特别是在第三代移动通信系统中的应用越来越成为研究的热 点。 这很有可能称为继模拟通信到数字通信和固定通信到移动通信之后的无线通信领域的第 二次革命。 夸 1 . 1 软件无线电概念和发展 通信行业是人们在积累了丰富的电学磁学知识和长期实践的基础上发展起来的， 十九世 纪二十年代出现有线电 报， 六十年代提出电磁辐射理论， 到十九世纪末运用电磁辐射理论实 现了 无线电 通信， 二十世纪初电 子管的发明促进了无线电 通信的 发展， 随着四十年代末晶体 管的出现， 六、 七十年代集成电 路和大规模集成技术发展， 使得通信行业发展飞快。 通信分 为模拟通信和数字通信两种， 由于数字信号在传输过程中可以再生和转发， 更便于处理和远 距离传输，因此数字通信的需求和应用更为厂 泛，传统的通信系统中，在a d的前端和d a 的后端仍需要大量的模拟电路对信号进行处理， 系统的功能不易于 灵活应用和扩展， 这就是 软件无线电的概念一经提出就得到广泛关注的原因。 软件无线电一一s o ft w a r e - d e f i n e d r a d i o ( 简称s d r ) 技术是最近儿年来提出的一种实现 无线通信的新的体系结构， 最初是为了解决三军联合作战时， 军事通信的互通互联问题提出 的， 但是经过几年的迅速发展， 软 件无线电已从军事研究领域的演示阶段发展成为现代移动 通 信 ， 特 别 是 第 三 代 移 动 通 信 的 基 石 i 1 112 113 1 完整的软件无线电 概念和结构体系由 美国的j o e m i t o l a 首次于1 9 9 2 年5 月在美国国 家 远程系统会议上明确提出: “ 软件无线电基于一个硬件平台， 其a d变换应尽量地靠近天线， 而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现。 ”用这种新技术来解决三军无线电台多频段、 多 _ 作方式的互通问题， 并得到了美国军方的一致认可。 在民 用领域， 随着通信技术的迅猛 发展， 新的通信体制与标准不断提出， 通信产品的生存周期减小，开发费用上升，导致以硬 件为基础的传统通信体制无法适应这种新局面。 同时， 不同 体制间 互通的要求日 趋强烈， 并 且随着通信业务的不断增长， 无线频谱变得越来越挤， 对现有通信系统的 频带利用率及抗干 扰能力提出了更高的要求。 但是沿着现有通信体制的发展， 很难对频带重新规划: 若采用新 的 抗干扰方法， 也要求对现有系统结构做出很大的调整， 代价很大。 而软件无线电 则提供了 一 种很好的解决方案。 软件无线电的基本思想是以 硬件作为其通用的基本平台， 将宽带a d 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。 从而将无线 通信新系统、 新产品的开发逐步转移到软件上来， 其产值也在软 件上体现出 来。 其最终目 的 是使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚， 在系统结构相对通用和稳定的 情况下， 通过软件来 实现各种功能. 使得系统的改进和升级都非常方便、 代价小。 软件无线电台不仅可与现有的 其它电台进行通信， 还能在两种不同的电台系统间充当“ 无线电网关” 的作用， 使两者能 够 一 1 一 中国科学技术大学博 一 学位论文 第一章 绪论 互通互连或相互兼容。 软件无线电充分利用嵌入通信设备里的单片微机和专用芯片的可编程 能力， 提供一种通用的无线电台硬件平台， 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。 图 i . 1 表示软件无线电的基本体系，包括其基本组成， 应用功能和设计要求n 1 - 二、 - - - - - . . . - - - - . . - - - - - . . . . - - - ， - - - . - . 为 - - 一 ， . . . - - . .- . . . 一 ， .- - . . . . . . . . . - . . . . . .二 声 u u d抽” v o i c e , da t a . f a r . mu l t i m e d i a c o mm u n ic a t i o rn h i g h m o b i l i ty i r o a m in g h i g h q u a l ity l o c a t i n g . 生 吧竺竺 兜里 吧巴巴吧 竺 竺吧 月 性吧 止 巴 吧 竺 性性吧吧竺几爪里吮 公 巴巴巴吧二竺里 气 竺 几巴吧 竺竺 吧吧几巴巴巴吧吧性几二 只 岁二 二 二吧竺 口 巴 巴竺 于 巴 竺竺性，性吧竺吧，性竺性性吧 图l . i软件无线电体系 与 传统的 通信体 制相比， 软件无线电有以卜 几个 特点 is l , ( i ) 系统功能软件化。 软件无线电 将a d变换尽量向 射频端靠拢，而将中 频以后全部进行数字化处理， 使 通信功能可由软件来控制:系统的更新换代变成了 软件版本的升级，开发周期与费 用大为降低。 ( 2 )系统硬件模块化。 它采用模块化设计，不同的模块实现不同的 功能，同 类模块通用性好， 通过更换或 升级某种模块就可实现新的通信功能。 ( 3 )利于 互联。 不同通信系统都基于相同标准的硬件平台， 只要加载相应的软件就可完成不同电台、 不同系统之间的互联. ( 4 )系统监控方便。 由于软件无线电至少在中频以后进行数字化处理，通过软件就可很方便地完成宽带 犬线监控、系统频带调整、信道监测与自 适应选择、 信号波形在线编程、调制解调 方式控制及信源编码与加密处理，等等。 以通信领域为例， 从模拟通信系统到数字通信系统、 从固定通信到移动通信， 新的通信 体制及标准不断提出， 通信业务范围不断扩大。 特别是在移动通信方面， 我们知道个人移动 通信已从第一代的 f d m a模拟蜂窝移动通信系统发展到第二代是数字蜂窝移动通信系统 ( g s m . c d m a ) ，目 前正向 第三代 w c d m a移动 通信系 统 ( 3 g ) 发展. 未来个 人移动 通 信所要达到的目 标是“ 任何人在任何时间、 任何地点都可以和其他任何人进行任何种类 ( 语 音、数据、图像等)的 通信” 。软件无线电 技术的应用使无线通信系统具有更好的 通用性和 灵活性，系统升级非常方便，因此是第三代移动通信系统研究的热点。 - 2- 中国 科学技术人 学博上 学位论文 第一章 绪论 1 .2 软件无线电的基本结构 理想软件无线电的组成结构如图1 . 2 所示， 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 主要由 天线、 射频前端、 宽 带a d c和d a c . 通用或专用数字信号处理器及各种软件组成， 软件无线电的天线一般要求 覆盖比 较宽的频段，如 1 m h z 2 g h z ,要求每个频段的特性均匀， 要求 a d转换器有足 够的 _ 作带宽和采样速率， 对数字 化以 后的处理任务全部由 数 字信号处 理器( d ig it a l s ig n a l p r o c e s s o r ) 来 完成，因 此对d s p 要求有足 够快的处理速度和 处理能力13 1 洲酬触 电话 图像 数据 传真 窄带 a d c - d a c 实时/ 准 实时处理 软件 d s p 宽带 a d c - d a c 图 1 . 2软件无线电结构框图 软件无 线电的结构基本上可以 分为三种: 射频低通采样数字化结构、 射频带通采样数字 化结构和宽带中频采样数字化结构。 图 1 . 3射频低通采样数字化的理想软件无线电结构 射频低通采样数字化的软件无线电结构如图1 . 3 所示， 其结构简单， 把模拟电路的数量 减少到了 最低程度，从天线进来的信号经过滤波放大后就由a d c进行采样数字化，由于射 频低通采样所需的采样速率至少为 射频l 作带宽的两倍， 这对a d c的 转换速率、 工 作带宽、 动态范围等提出了非常高的要求，对后续数字信号处理器的处理速度要求也特别的高。 图 1. 4射频带通采样数字化软件无线电结构 射频带通采样数字化软件无线电结构如图1 . 4 所示， 与射频低通采样数字化软件无线电 结构不同的是， a d c前采用的是带宽相对较窄的电 调滤波器， 然后根据所需的处理带宽进 行带通采样， 这样对a d c的采样速率的 要求就不是很高了， 对后续数字信号处理器的处理 速度也可以人大降低。 一3 一 中国科学技术人学博上 学位论文 第一章 绪论 图1 . 5宽带中 频采样数字化软件无线电 结构 宽带中频采样数字化软件无线电 结构如图1 . 5 所示， 它与目 前的中 频数字化接收机的结 构类似，都采用多次混频体制或者叫做超外差体制， 其特点是中频带宽更宽 ( 如2 0 m h z ) 所有调制解调功能全部都由 软件加以实现。 中 频带宽是这种软件无线电 结构与普通超外差中 频数字化接收机的本质区别， 这种结构对器件的性能要求最低， 结构最容易实现， 但是可扩 展性和灵活性却最差。 在上 述二种结构中， 射频低通采样数字化结构是最理想化的软件无线电 结构， 也是最难 实现的结构， 而第三种宽带中频采样数字化结构则与中频数字化接收机结构类似， 最容易实 现，是日前技术发展阶段上最常用的结构。 本论文作为研究和开发的设 计项目， 研究和讨论的范围 在a d 一 数字信号处理一 d a部 分。 1 . 3 软件无线电中的关键技术 表1 . 1 所示为目 前军用与民 用 通信领域所覆盖的 频段范围、 带宽 和制式6 1 ，由 此可见， 射频信号频率覆盖广， 带宽要求高是实现软件无线电 面临的主要问 题， 并由 此引发出软件无 线电的儿点关键技术: i , 射 频( r a d io f r e q u e n c y 一一 r f ) 前端部分， 完成信号的 低噪声放大、 混频、 a g c 和 功率放人等; 2 , 中 频( i n t e r m e d ia t e f r e q u e n c y - - i f ) 处 理 部 分 ， 包 括 宽 带 数 字 滤 波 器 ， 完 成 选 择 服 务频带及i f 信号与基带信号之间的转换，如a d和d a转换器; 3 、基带 ( b a s e b a n d 一一 b b )处理部分，即用数字信号处理的方法实现基带信号的调 制解调或加扩解扩处理。如用多个 d s p芯片并行或用专用芯片完成数字下/ 上变频 ( d d c / d u c ) , 滤波 和一次 采样，以 及其他数字信号处 理 等; 4 、比 特流 ( b it s t r e a m ) 处 理部分 ， 主要完成纠错编解 码、 复 接分 接、 交换、 信令、 控 制、操作、管理和加解密等功能: 5 、 信源 ( s o u r c e ) 处理部分， 用于 实现话音、图 像和数 据的 编 解码算法。 表 1 . 1军用与民用通信体系 通信体系频率范围带宽制式 f h hf2 t o 2 0 mhz3 khzam/ f m s i ncgars3 0 t o 8 8 mhz2 5 khzf h h a v e q u i c k 2 2 5 t o 4 0 0 mhz2 5 khzf h eplrs4 2 0 to 4 5 0 m hz5 mhzds s s / f h j ti ds9 6 0 t o 1 3 1 0 mhz6 mhzds s s / f h - 4- - 中国科学技术人学博卜 学位论文 第一章 绪论 gp s s p e a k e a s y i s - 9 5 i s - 5 4 / 3 6 i tu 3 g 1 . 5 ghz al l o f t h e a b o v e 8 0 0 mhz 1 . 9 g hz 8 0 0 mhz 1 . 8 to 2 . 1 ghz 1 0 mhzdss s 1 . 2 5 mhz 3 0 khz 5 , 1 0 , 1 5 mh z ds s s / c dma tdma ds ss / cdma 上述关键技术在软件无线电的实现过程中需要建立在一个通用的硬件平台 之上， 这个平 台应具有模块化、 开放性和可扩展性的特点， 简单地说， 软件无线电的硬件平台由三个部分 如成，即用于 射频信号变换的射频处理 ( 包括犬线) 、高速的a d和d a转换以 及高 速数字 信号处理。如图 1 . 6 所示。 图1 . 6软件无线电三大组成部分 1 .3 . 1 射频前 端 射频处理前端最关键的问题在于宽带/ 多频段天线，根据软件无线电的概念，要求天线 所接收的信号要覆盖1 m h z一 3 g h z 的频段范围， 这样的宽带天线很难实现，目 前采取的 方法是采用纸合式多 频段大线， 各个频段的天线所覆盖的频段不宽， 但是组合起来就可以形 成宽频带，各个频段的 天线能够独立调节增益和信噪比等参数。例如美国a d a m s r u s s e l l 公 司的 a n 4 0 0型超宽带叶片状天线，能够覆盖的频率范围是 3 0一 4 0 0 m h z和 9 6 0一 1 2 2 0 mhz . 射频前端处理部分还需要包括低噪声前置放大器和宽带功率放大器， 选择性能优良 的器 件井优化电路设计，这两方面一般不存在很大的困难。 ; 1 .3 .2 宽带a d c和d a c 在软件无线电 的三大组成部分中a / d和d / a起着关键性的作用，可以 说是整个软件无 线电的核心内容。 根据软件无线电的概念，要求软件无线电能尽可能早地直接处理 r f段信号，即 希望 a / d和d / a的转换器能直接放置于天线端， 射频信号可以直接经a d c转换为数字信号后进 行数字处理， 但是根据r f段信号的频率和奈奎斯特采样定律， 要对射频进行直接的低通采 样难度很人， 也就是第_节 所提到的， 实现理想的软件无线电 将对a d c和数字信号处理速 度有很高要求。一 般采取三种方法解决a d c的问 题，一是用高速低分辨率的a d c多片并 联， 利用低分辨率a d c的 转换速率达到转换精度的 要求，二是在射频处理部分将信号的速 率降低到a d c能够工作的范围，三是利用带通滤波划分频带， 对感兴趣的 频段进行带通采 样降低采样速率。 后面两种方法会使软件无线电的“ 软件化” 程度降低， 因此要解决这个问 题，还依赖于硬件上的发展和技术突破。 一、软件无线电中的a d c技术 a d c是软件无线电中非常重要的 环节，其工作过程大致可以分为采样、保持、量化、 编码和输出 等， a d c的性能指标主要有量化噪声、 非线性误差、孔径误差、 转换位数、 有 效位、 信噪比、 无伪峰动态范围、 互调失真、 总谐波失真等等。 由于要保证软件无线电 的功 - 5一 中国科学技术人学博士学位论文 第一章 绪论 能实现和性能完善， 选择a d c时要求器件具有适中的 采样速率和很高的工作带宽，一般需 要考虑以 儿个方面。 首选必须考虑a d c的采样速率， 考虑图1 . 5 宽带中 频采样数字化软件无线电结构的 情 况， a d c的选择与宽带滤波器的带宽有关，其次要考虑a d c的转换位数，因为a d c的动 态范围指标直接取决于 它的转换位数， 转换位数越多， 其动态范围 越大， 而动态范围是通信 领域非常重视的指标。 但是a d c的采样速率和转换位数相互存在矛盾， 选取a d c时需要 折中考虑。另外要选择分辨率好的a d c器件， a d c的分辨率主要取决于a d c的转换位数 和它的输入信号范围。 在通信领域尤其要考虑的指标是无伪波动态范围， 这对于弱信号的检 测尤为重要， 因为如果无伪波动态范围不够大， 弱信号将被高于它的谐波淹没而无法被检测 和接收， 只有高于最高谐波的信号才可能被接收， 因此在通信技术中往往会为了增大无伪波 动态范围而牺牲一定量的信噪比。最后需要考虑的是a d c器件的功耗，减少因器件功耗所 带来的供电和散热问题。 现代的a d c器件力求做到低失真、高动态、 低功耗，目 前世界上a d c的生产厂商很 多， 如a d公司， m a x i m公司， s p t 公司， b b公司， h p 公司等。 在软件无线电中我们比 较关注转换速率、 转换精度、 动态范围、工作带宽等指标。 表 1 . 2以a d公司生产的高 速 a d c为例，列出了 这些指标，以 显示目 前a d c的 发展状况。从表中可以看出， a d c的 发 展趋势总是在追求高转换速率和转换精度，大动态范围和工作带宽。 表 1 . 2 a d公司高速a d c指标 de v i c e r e s o l u t i o n ( b i t s ) s a m p l e ra t e ( ms p s ) s nr ( d b ) s f dr ( d b c ) b a n d wi d t h ( mh z ) ad9 0 5 4 a82 0 0 / 1 3 5 4 5 1 9 . 7 m h z5 6 1 9 . 7 mh z 3 5 0 ad9 21 41 01 0 5 / 8 0 / 6 5 5 3 .0 / 5 8 . 1 / 5 3 . 8 l o m h z6 2 / 7 1 / 7 1 l o m h z 3 0 0 ad9 41 01 0 21 0 5 5 1 0 . 3 m h z6 1 1 0 . 3 mh z 5 0 0 ad6 6 4 01 26 5 6 7 .7 1 5 .5 mh z8 0 1 5 . 5 mh z 3 0 0 ad9 4 3 31 21 2 5 / 1 0 5 6 7 .7 / 6 8 1 0 .3 m h z8 5 1 0 . 3 mh z 7 5 0 ad9 4 3 01 21 7 0 6 5 l o m h z8 5 l o mh z 7 0 0 ad6 6 4 41 46 5 / 4 0 7 4 .0 1 5 . 5 m h z9 0 1 5 . 5 mh z 2 5 0 ad6 6 4 51 48 0 7 5 . 0 1 5 . 5 mh z9 3 .0 1 5 . 5 m h z 2 7 0 _、软件无线电中的d a c技术 d a c也是软件无线电中必不可少的环节， 其核心是一组电流开关及其位权电流的控制， 其静态指标有分辨率、 转换精度， 动态指标有建立时间、 转换速率和毛刺脉冲等。在选择 d a c器件时， 应选 择分辨率和转换精度高， 转换 速率快的 芯片。 仍以a d公司 生产的高 速 d a c为例，列出其指标，如表 1 . 3 所示。 表 1 . 3 a d公司高速d a c指标 -6- 中国科学技术大 学博_l 学位论文 第一章 绪论 7 3 4 0 m h z 7 7 4 0 m h z 8 0 4 0 m h z 8 5 5 m h z 50一150一150一160 10一12-14-14 ad9 7 4 0 ad9 7 4 2 ad9 7 4 4 ad9 7 7 2 1 . 3 .3 数字下/ 上变频 ( d d c / d u c ) 数字f 变 频( d ig it a l d o w n c o n v e rt e r ) 的 主要功能 是 将信号由 高频 经过混 频转换成较低 的频率并滤波实现解调的作用。数字f 变频的组成包括数字混频器、数字控制振荡器 ( n u m e r ic a l ly c o n t r o lle d o s c i l la t o r 一 一 n c o ) 和低通滤波器 ( l p f ) . 如图1 . 7 所示， n c o 产生的本振信号送到数字混频器与输入的信号进行混频， 信号经混频处理以后输出到低通滤 波器滤除倍频分量和带外信号，然后进行抽取处理。 图 、 . 7数字 f 变频器的组成 从上 述过程来看， 数字卜 变频的数据流速率就是输入信号的采样速率。 而软 件无线电中 a d c的采 样频率很高， 这就要求处 理器的 处理 速度很快， 换句 话说， 数字 变频的 运算速 度受数字信号处理器的处理速度的限 制， 其运算速度决定了 其输入信号数据流可以达到的最 高速率，相应地限制了a d c的最高采样速率，而数字下变频的数据精度和运算精度也影响 着数字接收机的 性能。 影响数字下变频器的 性能的主要原因有以下两方面: 一是表示数字本 振、 输入信号已经混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差， 二是数字本振相位的 分辨率不够引起数字本振样本数值的近似取值。 数字 上 变 频( d ig it a l u p c o n v e rt e r ) 的 主 要功 能 是 对 输入数 据 进 行 各种 调 制 和 频率 变换， 即在数字域内实现调制和混频。 数字卜 变频既可以 用厂商生产的专用芯片加以 实现， 也可以方便地用f p g a或a s i c技 术设 计实现， 其灵活性和方便性与软件相差无儿， 数字上变频也有相应的专用芯片。目 前生 产数字卜 / 上 变频专用芯片的厂商主 要有i n t e r s i l ( h a r r is ) 公司、 g r a y - c h i p 公 司、 a d公 司和 s t a n f o r d t e le c o m公司 等，下 变频的 产品主要有i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 0 1 6 , h s p 5 0 2 1 4 系列、 h s p 5 0 2 1 6系 列， g r a y - c h ip 公司 的g c 1 0 1 1 系列、 g c 1 0 1 2 系列、 g c 4 0 1 4 , g c 4 0 1 6 , a d 公司 的a d 6 6 2 0 , a d 6 6 2 4 , a d 6 6 3 4 , s t a n f o r d t e l e c o m公司的s t e l 2 1 3 0 等。 上变频的产品 主要有i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 2 1 5 , g r a y - c h ip 公司的g c 4 1 1 4 , a d公司 的a d 6 6 2 2 , a d 6 6 2 3 , a d 9 8 5 6 , a d 9 8 5 7等。 夸 1 .3 .4 高速数字信号处理器 ( d s p ) 软件无线电的灵活性、 开放性和兼容性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心的通 用硬件平台 及数字信号处理软件来实现的。 数字信号处理部分可以 从中 频开始， 之后依次是 基带、比 特流和信源处理，包括信号解调、数字下 / 上变频、各种数字滤波、比 特流的编码 译 码以 及同步 信号的获取等等，因此数字信号处理器的处理能力 ( 比 如运算速度和运算量) 在软件无线电的实现当中非常关键， 除此之外数字信号处理器的存储容量和存储类型也相当 重要。 数字信号处理 ( d s p )从二十世纪 8 0年代开始迅速发展起来，其应用已经逐步渗透到 一 7 中同科学技术人学博上学位论文第一章绪论 a d 9 7 4 0l o1 5 0 7 3 4 0 m h z a d 9 7 4 21 2 1 5 0 7 7 4 0 m h z a d 9 7 4 4 1 41 5 0 8 0 4 0 m h z a d 9 7 7 21 41 6 0 8 5 5 m h z 1 3 3 数字下上变频( d d c d u c ) 数字卜变频( d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ) 的主要功能是将信号由高频经过混频转换成较低 的频率井滤波实现解调的作用。数字f 变频的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 ) 和低通滤波器( l p f ) 。如图1 7 所示，n c o 产生的本振信号送到数字混频器与输入的信号进行混频，信号经混频处理以后输出到低通滤 波器滤除倍频分量和带外信号，然后进行抽取处理。 图1 7 数字f 变频器的组成 从上述过程来看，数字f 变频的数据流速率就是输入信号的采样速率，而软件无线电中 a d c 的采样频率很高，这就要求处理器的处理速度很快，换句话说，数字f 变频的运算速 度受数字信号处理器的处理速度的限制，其运算速度决定了其输入信号数据流可以达到的最 高速率，相应地限制了a d c 的最高采样速率，而数字下变频的数据精度和运算精度也影响 着数字接收机的性能。影响数字下变频器的性能的主要原因有以下两方面：一是表示数字本 振、输入信号已经混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差，二是数字本振相位的 分辨率不够引起数字本振样本数值的近似取值。 数字上变频( d i g i t a lu pc o n v e r t e r ) 的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换， 即住数字域内实现调制和混频。 数字f 变频既可以用厂商生产的专月j f 芯片加以实现，也可以方便地用f p g a 或a s i c 技 术没计实现，其灵活性和方便性与软件相差无儿，数字上变频也有相应的专用芯片。目前生 产数字f ，上变频专用芯片的厂商主要有i n t e r s i l ( h a r r i s ) 公司、g r a y c h i p 公司、a d 公司和 s t a n f o r dt e l e c o m 公司等，f 变频的产品主要有i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 0 1 6 、h s p s 0 2 1 4 系列、 h s p 5 0 2 1 6 系列g r a y c h i p 公司的g c l o l l 系列、g c l 0 1 2 系列、g c 4 0 t 4 、g c 4 0 1 6 ，a d 公刊的a d 6 6 2 0 、a d 6 6 2 4 、a d 6 6 3 4 ，s t a n f o r dt e l e c o m 公司的s t e l 2 1 3 0 等。上变频的产品 主要有i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 2 1 5 ，g r a y c h i p 公司的g c 4 1 1 4 ，a d 公司的a d 6 6 2 2 、a d 6 6 2 3 、 a d 9 8 5 6 、a d 9 8 5 7 等。 1 3 4 高速数字信号处理器( d s p ) 软件无线电的灵活性、开放性和兼容性等特点主要是通过以数字信号处理器为中心的通 用硬件平台及数字信号处理软件来实现的。数字信号处理部分可以从中频开始，之后依次是 基带、比特流和信源处理t 包括信号解调、数字t 上变频、各种数字滤波、比特流的编码 泽码以段同步信号的获取等等，因此数字信号处理器的处理能力( 比如运算速度和运算量) 在软件无线电的实现当中非常关键，除此之外数字信号处理器的存储容量和存储类型也相当 重要。 数字信号处理( d s p ) 从二十世纪8 0 年代开始迅速发展起来，其应用已经逐步渗透到 ! 里型兰丝查叁兰堡上兰些笙壅塑二童! ! 鱼 军事、比州、商业等各个领域。d s p 的主要特点是处理速度远高于一般的微处理器t 它普 遍采_ j 将数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，并采用流水线操作技术， 使得每条指令的取指、译码、取数、执行等功能由几个功能模块分别完成，减少了指令的处 理时间，加快了指令执行速度。另外d s p 还具有强大的硬件运算电路，以适应各种快速运 锋，比如d s p 通常含有独立的乘法器和加法器，满足卷积、相关、滤波、f f t 等运算。 d s p 芯片按功能划分可以分成通_ | = j 数字信号处理器和专用数字信号处理器，专用芯片 功能单一结构简单，数据吞吐率能够做得很高，但是灵活性差，通用芯片结构比较复杂， 能够实现各种算法，使用上相对灵活。通用性d s p 芯片又可分成定点型和浮点型，与定点 型相比，浮点型运算能够提高动态范围和运算精度。定点型的芯片有t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 x 系列、t h s 3 2 0 c 6 4 x 系列，a d 公司的a d s p 2 1 8 x 系列、a d s p 2 1 9 x 系列，浮点型的芯片有t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 x 系列，a d 公司的a d s p 2 1 0 6 x 系列和a d s p 2 1 1 6 x 系列。表1 4 列出了 t j 公司d s p 产品的运算速度和运算能力。 表1 4s o f t w a r e - c o m p a t i b l et m s 3 2 0 c 6 0 0 0 1 ”d s pp l a t f o r m 【7 】 。、“t m 、纛l 灏遴黼燃溺黼瓢l ；灞戮鬣黼黼黼麟黼戳鲻溢；滋蓬黼j t 。鬻鬻鬻蓠蘩戮鬻嚣黼鬻黼黼獭阑赣麟i h h z1 5 0 3 0 01 0 0 - 2 2 5 i 2 0 0 2 4 0 02 4 0 0 4 8 0 06 0 0 1 3 5 0 h f l o p s 1 6 b i th m a c s2 0 0 5 5 0 3 0 0 - 6 0 02 4 0 0 - 4 8 0 02 0 0 - 5 5 0 g e n e r a i s p e c i a l p u r p o s ei n s t r u c t i o n s g e n e r a i c o r n m u n i c a t i o n s i m a g i n g g e n e r a l s p e c i a l p u r p o s ei n s t r u c t i o n s g e n e r a 尽管d s p 的运算速度在不断提高，处理能力在不断的增强，要满足软件无线电的需要 仍然非常困难。一方面我们可以利用多个d s p 并行处理的方法来提高d s p 的数据处理能力， 此时需要注意的问题是多处理器之间的互连与协调，a d 公司在它的a d s p 2 1 0 6 x 系列产品 中就考虑了多个芯片互连的问题，芯片内含有很多个高速数据链接接口，相互间有很强的互 连功能，甚至还推出了内部集成几个d s p 处理内核的芯片，如a d s p 2 1 1 6 x 。另一方面还可 以通过使用所谓的数字f 变频专用芯片，或用a s i c f p g a 实现数字下变频功能，对数据进 行预处理，从而降低数据流的速率，减轻d s p 的数据处理负荷。因此，专门的数字下变频 芯片实际上也可以说是专用的d s p 产品。 事实上在从传统的无线构架到软件无线电的设计转变过程中，d s p 与a s i c 、f p g a 的 功能划分和应用界限已经变得越来越模糊，通常在选择这三种类型器件时应考虑到器件的集 成度、可编程性、性能和功耗以及开发周期，合理的利用芯片硬件资源实现所需要的软件无 线电功能。 随着软件无线电技术的不断发展，a d d a 技术也在不断地进步，但是以现在的半导体 技术和 艺，要满足射频段的直接数字化依然困难重重：而软件无线电对d s p 的数据处理 能力的要求也越来越高。目前提出一种以r s f q ( r a p i ds i n g l ef l u xq u a n t u ml o g i c ) 制造极 高速超导集成芯片( u l t r a - f a s ti c ) 的技术h 】，用以研制极高精度、极高速度和极低失真的 a d c d a c 和d s p 芯片，其时钟频率可以做到1 0 0 g h z 以上。h y p r e s 公司已经研制和开发 一8 一 中同科学技术大学博士学位论史 第一章绪论 了r s f q 超导a d c ，与常规的半导体a d c 相比，这种基于r s f q 技术的超导a d c 能够直 接置丁射频，具有很高的精度、线性和宽动态范围，以及低噪声和低功耗，将r s f q 技术用 f 制造d s p 的技术也在研究和开发之中，以满足软件无线电中射频段直接数字化的需求。 往讨论软件无线电的概念、结构、关键技术以后，我们了解到，软件无线电技术在军事 通信领域的发展状况，各大厂商也非常重视这个市场，软件无线电的相关产品功能强大，品 种丰富而川户在有大量选择余地的同时一方面需要了解各种产品和芯片的性能，另一方面 也需要验证测试自己的电路设计。本文为软件无线电的研究和测试设计并制作了一个用于高 速高精度转换器芯片测试的无线通信硬件实验平台，该平台能够提供良好的系统时钟和通用 的数据传输接口，用予测试模数转换器( a d c ) 、数模转换器( d a c ) 、数字下变频( d d c ) 、 数字上变频( d u c ) 的功能和性能。 中国科学技术人学博 卜 学位论文 第二章 无线通信测试平台系统概述 第二章 无线通信测试平台系统概述 2 . 1 无线通信测试平台的设计目 标和意义 在绪论中我们概述了 软件无线电的概念、 结构、 关键技术等问 题， 从本章起将进入论文 的主体部分， 构建一个用于测试高速高精度转换器芯片的无线通信硬件测试平台， 结合测试 平台本身的技术指标， 对目 前芯片硬件的性能水平、 软件无线电的部分结构模块及其功能进 行综合的分析和研究。 无线通信测试平台的设计目 标是设计制作一个完整的高速高精度转换器硬件测试平台， 利用该平台完成对高 速a d c , d a c , d d