（电路与系统专业论文）基于ofdm技术的宽带下行数据链路中频硬件平台设计.pdf

d e s i g no f t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ei f s y s t e m i nt h eb r o a db a n dd o w nl i n k b a s e do no f d m t e c h n i q u e at h e s i ss u b m i r e dt oc h o n g q i n gu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h e m a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g b y h eh u i s u p e r v i s e db yp r o f l i ux i a o m i n g m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s c o l l e g eo f c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n go f c h o n g q i n gu n i v e r s i t y , c h o n g q i n g ，c h i n a a p r i l2 0 1 2 中文摘要 摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术因其抗符号间干扰性能好，抗窄带干扰能力强， 频谱利用率高，适合用于高速率数据的无线传输而成为当今无线通信的研究热点， 也成为未来无线通信的关键技术。但o f d m 系统对定时、频偏和相位噪声敏感，同 时o f d m 信号带宽较宽且峰均比较高，这对硬件电路提出了较高的要求。 本文简要介绍了本课题研究的背景及意义，o f d m 技术发展的历史与现状，以 及o f d m 技术的主要基本原理。以基于o f d m 技术的宽带下行数据链路项目为背 景，参照软件无线电中经典的中频数字化结构，提出了中频接收机的硬件结构， 并论述了结构中各模块的作用以及必要性。以提出的结构为框架，设计了中频接 收机电路，重点介绍了其中的模数转换电路及其前端模拟电路的设计。提出了中 频发射机的硬件结构，并论述了发射机结构中各模块的作用以及必要性。以提出 的结构为框架，设计了中频发射机电路，重点介绍了其中的数字正交上变频电路 以及数模转换电路设计。本中频系统需要多个电压供电，所需电流有大有小。论 文对各部分电路进行电源需求分析从而分别得到发射机和接收机的总电源需求， 并对电源网络进行优化。简要介绍了开关稳压电源和线性稳压电源的基本工作原 理和各自的优缺点。根据电源需求和开关电源及线性电源的特点，确定了电源方 案，设计了电源电路。 论文最后给出了电源测试结果、接收机模拟前端电路测试结果、发射机上变频 电路测试结果，以及系统联合调试时接收机对o f d m 信号的解调结果。测试结果 表明中频硬件平台设计基本达到项目要求。 关键词：o f d m ，模数转换，数模转换，数字正交上变频，电源 重鏖奎堂堡主堂垡笙茎 一_ _ - 一。 i i 英文摘要 a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n i q u eh a sa l r e a d y b e c o m eo n eo ft o d a y sr e s e a r c hh o t s p o t si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s s u c ha s g o o dp e r f o r m a n c e u n d e rn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，e f f e c t i v e s u p p r e s s i o n o ft h ee f f e c to fi n t e r - s y m b o l - - i n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n dh i g h s p e c t n m a e f f e c t i v e n e s s h o w e v e r ，o f d ms y s t e mi sv e r ys e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e t ，t i m i n g e r r o ra n dp h a s en o i s e ，a n do f d ms i g n a l a l w a y s h a saw i d eb a n da n dh i 曲 p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a r r ) ，w h i c hr e q u i r e s b e t t e r p e r f o r m a n c e o ft h e h a r d w a r ec i r c u i t si nt h eo f d m s y s t e m i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h eb a c k g r o u n da n dt h em e a n i n go ft h er e s e a r c ha r ei n t r o d u c e d ， t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dr e s e a r c ha c t u a l i t yo fo f d mt e c h n o l o g ya r er e v i e w e d ，a n d t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo f d mi sa l s oe x p a t i a t e db r i e f l y o nt h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t o ft h eb r o a db a n dd o w nl i n kb a s e do no f d mt e c h n i q u e ，t h es t r u c t u r e so ft h ei fr e c e i v e r a n di ft r a n s m i t t e ra r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y t h en e c e s s i t yo ft h em o d u l e si nt h e s t r u c t u r e si sp r o v e df r o mt h ep o i n to fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dd a t ac o n v e a i o nt h e o r y t h e c i r c u i t so ft h ei fr e c e i v e ra n di ft r a n s m i t t e ra r ed e s i g n e db a s e do nt h es t r u c t u r e s t h e a d cc i r c u i t sa l o n gw i t ht h ea n a l o gc i r c u i t sb e f o r ea d co ft h er e c e i v e r ，a n dt h e u p - c o n v e r s i o nc i r c u i t s a n dt h ed a cc i r c u i t so ft h et r a n s m i t t e ra r ed i s c u s s e d e m p h a t i c a l l yi nt h i st h e s i s t h ep o w e rr e q u i r e m e n t si nt h es y s t e mi n c l u d i n gt h ev o l t a g e s n e e d e da n dt h ec u r r e n te v e r yv o l t a g em u s tp r o v i d ea r ea n a l y z e d d c d cr e g u l a t o ra n d l i n er e g u l a t o ra r ec o m p a r e dt oe a c ho t h e rf o rt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b a s e d o nt h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so ft h ep o w e rr e q u i r e m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d c d cr e g u l a t o r sa n dl i n er e g u l a t o r s ，t h ep o w e rs u p p l ys c h e m e so fr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e ra r er e s p e c t i v e l yp r o p o s e d ，a n dt h ep o w e rs y s t e mc i r c u i t sa r ed e s i g n e d t h et e s tr e s u l t so ft h ep o w e rc i r c u i t s ，t h ea n a l o gc i r c u i t sa n dt h ea d cc i r c u i t so ft h e r e c e i v e r ，a n dt h eu p - c o n v e r s i o nc i r c u i t sa n dt h ed a cc i r c u i t so ft h et r a n s m i t t e ra r e g i v e n f i n a l l y ，t h ew a v e f o r m so ft h ed e m o d u l a t e dd a t ab yt h er e c e i v e ri ns y s t e m d e b u g g i n ga r eg i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h es y s t e mi sm e t b a s i c a l l y k e y w o r d s ：o f d m ，a d c ，d a c ，q u a d r a t u r ed i g i t a lu p c o n v e r s i o n ，p o w e rs u p p l y i i i 重庆大学硕士学位论文 i v 目录 目录 中文摘要i 英文摘要i i i 1 绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2o f d m 技术发展的历史和现状1 1 3 本文的主要内容2 2o f d m 技术的基本原理3 2 1o f i ) m 系统的数学模型3 2 2o f i ) m 调制信号的频谱4 2 3 保护间隔和循环前缀5 3 中频接收机设计7 3 1 中频接收机结构7 3 1 1 采样定理7 3 1 2 中频接收机结构7 3 2 中频滤波器设计8 3 2 1 数字化之前的抗混叠滤波8 3 2 2 滤波器的类型和指标1 0 3 2 3 中频滤波器电路设计1 1 3 3 中频增益模块设计1 3 3 3 1 信号电平对系统性能的影响1 3 3 3 2 放大器的指标分析1 5 3 3 3 放大器电路设计。1 6 3 4 不平衡平衡转换电路设计1 7 3 4 1a d c 的不平衡输入与平衡输入1 7 3 4 2 不平衡平衡转换的实现方法1 8 3 4 - 3 不平衡一平衡转换电路设计2 1 3 5 模数转换电路设计。2 2 3 5 1a d c 的主要性能指标2 2 3 5 2 模数转换关键电路设计2 3 3 6f p g a 电路设计2 6 3 6 1 电源去耦2 7 v 重庆大学硕士学位论文 3 6 2 时钟电路2 8 3 6 3 配置电路。2 8 3 7 数字接口电路设计2 9 3 7 1l v d s 收发器2 9 3 7 2 串口电路一3 0 4 中频发射机设计3 3 4 1 中频发射机结构3 3 4 2 上变频电路设计3 3 4 2 1 数字正交上变频的基本原理。3 3 4 2 2 上变频电路设计。3 4 5 电源系统设计4 3 5 1 系统电源需求分析4 3 5 1 1f p g a 电源需求4 3 5 1 2 整机电源需求4 4 5 2 电源方案设计4 5 5 2 1 电源网络规划4 5 5 2 2 电源方案设计4 6 5 3 电源电路设计51 5 3 1 应用l m 2 6 7 3 设计电源电路。5 2 5 3 2 应用t p s 5 4 3 1 0 设计电源电路5 4 5 3 3 应用a p d 3 3 3 8 设计电源电路5 8 6 硬件系统调试5 9 6 1 电源调试5 9 6 2 接收机模拟信号通路调试6 2 6 3 发射机模拟电路调试6 5 6 4 软硬件联合调试6 8 7 总结7 1 致谢7 3 参考文献7 5 附录7 9 a 作者在攻读硕士期间发表的论文目录7 9 b 作者在攻读学位期间的参与的科研项目情况8 0 c 系统中部分电路原理图8 1 d 系统实物圈8 5 v i 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会的发展和科技的进步，人们对通信的需求越来越高。数字信号处理 技术和射频电路的发展，以及半导体制造工艺的不断提高使无线通信获得了空前 的发展，逐渐成为现代通信系统中不可或缺的重要组成部分。伴随着无线通信的 快速发展，无线频谱资源日益变得紧张。与此同时，社会的信息化和人们越来越 快的生活节奏对无线通信提出了更高的要求，不再仅仅满足于传统的通话业务， 而希望无线通信为人们提供更高速的多媒体业务和网络浏览业务。所以，如何利 用有限的带宽实现更高速的数据传输，已经成为无线通信研究领域的热点。 传统的单载波调制方法已经不能适应当今无线通信对数据速率的要求了，这 是因为无线信道有其自身的特点。无线信道的多径效应，使得接收到的信号存在 符号间干扰( i s i ) ，对于数据速率较低的应用，可以采用适当的均衡算法使接收机正 常解调，但当数据速率较高时，需要引入更加复杂的均衡算法，难于实现。从另 一方面来讲，当发射信号带宽大于无线信道的相干带宽时，会出现频率选择性衰 落，即不同的频率分量受到不同的衰落。所以，在高速率的通信中，我们需要使 用多载波调制技术。将高速数据流分配到多个子载波上，降低符号速率，延长每 个符号持续时间，这样就减轻了符号间干扰。这时频率选择性衰落只会影响到少 量子信道，而这种影响可以通过交织和纠错编码技术消除。 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术是目前 应用最广泛的多载波调制技术之一【l 】。其通过将各子信道正交排列而获得极高的频 谱利用率，这在当今频谱资源日益紧张的背景下是很重要的。由于其抗多径干扰 能力强，频谱利用率高，已成为下一代无线通信的关键技术。 1 2o f d m 技术发展的历史和现状 o f d m 技术起源于上世纪5 0 年代，当时为了提高传统多载波传输系统的频谱 利用率，出现了使各子载波信道相互重叠，正交排列的技术，这就是o f d m 技术 的雏形。o f d m 技术最初主要被用在高频军事系统中。例如，2 0 世纪6 0 年代的 k i n e p l e x 和a n d e f t 等高频军事系统就采用了o f d m 调制技术。但由于其结 构复杂不易实现且成本高昂，所以并没有被推广，发展较为缓慢。 w e i n s t e i n 和e b e r t 于19 7 1 年提出了应用离散傅立叶变换( d f t ) 实现o f d m 调 制和解调的思想，大大简化了o f d m 系统的实现复杂度和硬件成本。到了2 0 世纪 8 0 年代，大规模集成电路的发展让快速傅立叶变换( f f t ) 的计算变得容易且快速， 重庆大学硕士学位论文 o f d m 技术获得了突破性的进展，渐渐得到了广泛的关注与应用。 由于具有很高的频谱利用率，并且具有抗多径干扰和频率选择性衰落的能力， o f d m 技术已经被广泛应用于数字广播电视系统中，如数字音频广播d a b 、数字 视频广播d v b 和欧洲全数字高清晰度电视传输系统h d t v 。 o f d m 技术还被广泛应用作为无线局域网的物理层技术。h i p e r l a n 2 物理层 应用了o f d m 和链路自适应技术，最高速率可以达到5 4 m b p s ，而实际应用中最低 速率也不低于2 0 m b p s 左右。另外，工作于i s m 频段的i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网分 别在5 8 g h z 和2 4 g h z 两个频段定义了采用o f d m 技术的i e e e 8 0 2 1 l a 和 i e e e 8 0 2 1lg 标准，最高数据传输速率可提高到5 4 m b p s 。此外，o f d m 技术还与 其它的l t e 关键技术如m i m o 技术、智能天线和软件无线电等相结合，被应用到 无线局域网中，大大提升了w l a n 的性能。如m i m o 与o f d m 相结合形成的 m i m o o f d m 技术被用在最新的w l a n 标准8 0 2 1 1 n 中，传输速率最高可以达 6 0 0 m b p s 。 由于o f d m 技术非常适合于无线信道中的高速数据传输，所以，它还被应用 在宽带无线接入系统( b w a ) 中。专门负责b w a 技术工作的i e e e 8 0 2 1 6 工作组 已经先后开发出i e e e 8 0 2 1 6 a ，i e e e s 0 2 1 6 e 标准，其物理层均采用o f d m 调制解 调技术。 1 3 本文的主要内容 ； 本文课题所研究的o f d m 下行数据链路带宽为2 1 3 1 m h z ，中频频率为 1 6 0 m h z 。本文研究内容为设计该链路中的中频发射机和中频接收机硬件平台。 本文的主要工作如下：绪论部分介绍了o f d m 技术发展的历史与现状，以及 在当前背景下研究o f d m 技术的重要意义；第二章简单介绍了o f d m 技术的主要 基本原理；第三章首先介绍了中频数字接收的理论基础一一带通采样定理，然后 提出了接收机的硬件结构框图，最后介绍了接收机各部分电路设计；第四章介绍 中频发射机的结构和电路设计，重点介绍了正交数字上变频电路的设计；第五章 分析硬件系统中的电源需求，对电源网络进行优化，明确了电源设计目标，最后 介绍了电源电路设计；第六章介绍了系统的调试情况，重点给出了电源、接收机 中频滤波器、中频放大器和发射机的上变频电路的调试结果，最后给出系统联合 调试结果；第七章对全文做了总结。 2 2o f d m 技术的基本原理 2o f d m 技术的基本原理 2 1o f d m 系统的数学模型 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，即正交频分复用技术， 是一种多载波调制技术。其基本思想是将串行的高速数据流变换为并行数据后分 配到多个相互正交的子信道中进行传输。其并行传输的机制使得调制信号的码元 速率降低，码元持续时间变长，插入保护间隔后可有效的抵抗多径时延。其子信 道之间的正交性，使得o f d m 系统的频谱利用率相对于一般的多载波通信系统提 高了近一倍。 o f d m 系统的数学模型如图2 1 所示，当数据流经过串并转换和调制映射之 后，得到复数符号a ，( i = 0 , 1 ，2 n 一1 ) ，o f d m 调制器将这n 个复数信号调制到相 互正交的n 个子载波上，对n 个子信道求和，得到一个o f d m 符号【2 j ： s ( f ) = i 即业砟阻) = l 叩业矛妒f | ( 2 1 ) 其中，= f ；，u ( ，) = 三。三，为子载波数，丁为一个。f 。m 符号持 续的时间，a f = = 1 为相邻的子载波间隔，子载波z = f 。 旦函一 卜吨弘 出j ：旦扣 牡至丑一 髫- 囹- 并书 转换转换 i e j 2 弘 e - j p 一 ： 旦名一叫积分p 图2 。1o f d m 系统的数学模型 f i g 。2 1m a t h e m a t i c a lm o d e lo fo f d ms y s t e m 由式( 2 1 ) 看出，在一个o f d m 符号的时间内，各个子载波都有整数个周期， 各个子载波满足正交性，即： 亭r e 则2 荆唧u 2 矾渺嚣 撒2 拴 ( 其中，z ，刀：0 ，1 ，2 n 一1 ) ( 2 2 ) m n 重庆大学硕士学位论文 所以，只要在时间t 内按照式( 2 3 ) 对接收信号进行处理，就可解调出第i 个子 载波： q = 专f e x p ( 一j 2 顽t ) d t ( 2 3 ) 从式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可看出，虽然o f d m 符号中各个子信道相互重叠，但由于 它们是正交排列的，所以在解调某一个子信道中的数据时，不会受到其它子信道 的干扰。 当对式( 2 1 ) 中的o f d m 符号进行速率为的采样， 即在 f = 刀告，( 刀= 0 , 1 n 一1 ) 时刻对j ( f ) 采样得到： 咖两c 以刊载e x p 万争= 肛1 4 ， 从上式可知，对o f d m 信号s ( t ) 的采样s ( 力) ，可通过对q ( i = 0 , 1 ，2 n - 1 ) 序列进行离散傅里叶反变换得到。相反，利用离散傅里叶变换可以将o f d m 调制 信号解调，如式( 2 5 ) 所示： 口( f ) = 万1n 刍- t 二。2 i 一2 万万n i ) 。f 一1 ( 2 5 ) 2 2o f d m 调制信号的频谱 由式( 2 1 ) 可知，一个o f d m 符号中第i 个子载波信号的时域信号表达式为： z ( f ) = a i e 7 2 砟u ( f ) ( 2 6 ) 其中州垆 三。黧，容易得到w ) 的频域表达式为： 酬俨警 ( 2 7 ) 而ej 2 砟的频域表达式为： t 埘，( 厂) = 5 ( f 一，) ( 2 8 ) 由频域卷积定理可得( 2 6 ) 式的频域信号表达式为： 州舻口，鬻 ( 2 9 ) 从式( 2 9 ) 可看出，第i 个子载波的频谱，为矩形脉冲u ( t ) 的频谱和复数a 。 相乘后，搬移到到，处。在解调时，只要求出接收信号频谱在，处的值，即得到 q 。将z = 亭代入( 2 9 ) 式，可得第i 个子载波的频域函数： 4 2o f d m 技术的基本原理 s i n 刀 t ( f 一) 】 吒( f ) ( 厂) = 口， ( 2 1 0 ) n t ( f 一) 第i 个子载波的频域函数在第j 个子载波所在的频率处的值为： 州问，笔娑1 篙：。 亿 吒c r ，哆) = 口r 老2 口，篙2 。 ( 2 1 1 ) 从频域上看，虽然各子载波相互重叠，但由于其正交排列，子载波之间并没 有相互干扰。多载波传输的机制使得每个子信道的带宽等于矩形脉冲u ( f ) 所占据 的带宽，为总带宽的i 1 ，增强了o f d m 系统抗频率选择性衰落的能力。 2 3 保护间隔和循环前缀 o f d m 的多载波并行传输机制将符号速率降低为原始数据速率的n 分之一， 所以能获得更强的抗多径干扰能力。实际上可以通过在每两个o f d m 符号之间留 出一段空闲时间的方法进一步减小因多径效应造成的的符号间干扰( i s i ) ，这段空 闲时间我们通常称为保护间隔( g i ) 。取保护间隔的长度大于信道的最大多径时延， 由多径产生的符号间干扰就可以完全被消除。 若在保护间隔内不插入任何信号，虽然可以避免符号之间的干扰，但同一个 符号内不同子载波通过不同的路径到达接收机，在时间上会有一段错开。这段时 间上的错开使得通过第二个路径到达的子载波在f f t 窗口内并非为整数个周期， 破坏了子载波之间的正交性，产生载波间干扰( i c i ) 如图2 2 所示。 为了消除多径延迟造成的i s i ，同时又不引入i c i ，通常的做法是在o f d m 调 制过程中，将i f f t 之后得到的时域o f d m 符号的最后一部分长度为保护间隔的 信号复制到o f d m 符号的最前面，作为保护间隔，如图2 3 所示。这样形成的保 护间隔称为循环前缀( c p ) 。c p 保证了在接收端的每个f f t 周期内，各子载波( 包 括延迟副本) 均包含整数个载波周期，不会影响各子载波之间的正交性。 重庆大学硕士学位论文 图2 2 多径传输条件下空闲保护间隔引起的i c i f i g 2 2i c ic a u s e db yv a c a n tg ii nm u l t i p a t hp r o p a g a t i o n 复制 加入c p 后得到的o f d m 符号 图2 - 3 循环前缀的插入过程 f i g 2 3i n s e r t i o no fc y c l i cp r e f i x 6 度t g 3 中频接收机设计 3 中频接收机设计 3 1 中频接收机结构 本系统的中频接收机采用软件无线电中的宽带中频带通采样结构，直接对中 频信号采样，在f p g a 中对采样信号进行数字下变频，得到基带信号。本节首先 讲述中频带通采样结构的理论基础带通采样定理，然后介绍本系统中频接收 机的整体结构。 3 1 1 采样定理 奈奎斯特采样定理：一个频谱受限的信号f ( t ) ，如果频谱占据的范围为 ( 0 ，厶) ，则用等间隔的采样值可以唯一地表示信号f ( t ) 。而采样间隔必须不大于 1 2 厶，或者说，最低采样频率为2 厶 3 1 。 根据奈奎斯特采样定理，在对带限信号进行采样时，只要采样速率不低于带 限信号最高频率分量的两倍，那么由采样值可唯一地确定原信号。这对于频谱分 布在( 0 ，厶) 上的基带信号是适用的，但对于频谱分布在( ，厶) 上的带通信号就不 适用了。尤其是当厶 b = 厶一无时，若仍以最高频谱分量的二倍频进行采样， 则采样率会很高，对模数转换器和后续数字信号处理器的速度都提出了很高的要 求，导致成本增加或甚至无法实现。所以对频谱分布在( 无，厶) 上的带通信号进行 采样，尤其是当厶 b = 厶一五时，需要应用带通采样定理。 带通采样定理：设一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( 五，厶) 内，如果 采样速率疋满足： 疋：兰! 厶盟( 3 1 ) ，o 一一 i j 1 ， “ 2 疗+ l 式中，n 取能满足兀2 ( 厶一五) 的最大正整数( 0 ，l ，2 ，) 。那么利用得到的 信号采样值x ( n r s ) 就能准确地确定原信号x ( f ) 【4 1 。 对于带通信号，应用带通采样定理，可以使用远远低于奈奎斯特频率的采样 率，甚至以二倍于信号带宽的频率对信号采样，而不损失信息。 3 1 2 中频接收机结构 接收机的结构如图3 1 所示，采用f p g a 作为数字处理芯片，中频输入信号首 先通过滤波器进行抗混叠滤波，再由i f 放大器对滤波器的插入损耗进行补偿，然 后通过a d c 对其进行数字化，将结果送入f p g a 。在f p g a 内完成o f d m 解调， 将解调数据通过数据输出接口送出。另外，f p g a 还可通过u a r t 与计算机交换 数据，进而实现人机交互的功能。电源模块为所有的电路提供所需要的电压和电 流。 7 重庆大学硕士学位论文 图3 1 中频接收机结构 f i g 3 1 姗c 眦o fi fr e c e i v e r 3 2 中频滤波器设计 接收机在对中频信号进行数字化之前，需要对信号进行滤波，该滤波环节有 两个作用：一是将信号变成带限信号以便应用带通采样定理对其采样；二是去除 某些频段上的噪声。否则这些频段上的噪声通过采样过程的频谱搬移作用会进入 信号频段，和信号混叠，无法在数字域滤除。所以，中频滤波器是接收机中必不 可少的。 3 2 1 数字化之前的抗混叠滤波 我们知道，在时域对信号进行采样得到的信号，其频谱为原信号的频谱在频 域以采样频率为周期进行周期延拓。数学表述如下【3 】：设信号厂( f ) 的傅里叶变换为 e ( o j ) ，用p ( f ) = 屏( f ) = 万( ，一，z 丁渗对厂( f ) 进行采样得到z ( f ) = 厂( f ) p ( f ) ，则采 n = = - 样信号疋( ) 的傅里叶变换为： f s ( t o ) = 专蝥( 缨) ( 3 2 ) 其中，r 为采样间隔，悠= 2 ，r t 为采样角频率。如图3 2 中所示，图( a ) 为基 带信号频谱，图( b ) 为采样后信号频谱。在图中，我们意在形像地表示采样对频谱 的搬移效果，故没有示意出上式中的幅度因子l r 。 ji 幅度f ( n f ；j， ；一 ? ? ? f f a )( b ) 图3 2 采样过程对信号频谱的影响 f i g 3 2e f f e c to fs a m p l i n gt ot h es p e c t r u mo fs i g n a l 8 3 中频接收机设计 如果在采样之前，基带信号的最高频谱分量大于采样频率的1 2 ，则不满足 3 1 1 节中的奈奎斯特采样定理，采样后的信号频谱就会混叠，信号不能被恢复。 毒幅度f ( f ) 唆fj 、 j i j ! 一厶f o 一2 六五一f o0f o 一正2 正一五 五频率 ( b ) 幅度，f ( n ( c 1 图3 3 中频带通采样的频域示意图 f i g 3 3b a n dp a s ss a m p l i n gi nt e r m so ff f e q u e n c yd o m a i n 当用带通采样定理对中频信号采样时，其频谱搬移过程如图3 3 所示，图 为被采样的中频信号，图为采样后信号的频谱，它是图( a ) 以采样频率为周期进 行周期延拓的结果。和基带采样类似，若信号的带宽过宽，将违反带通采样定理。 图( c ) 为当中频信号带宽信号带宽过宽时，采样率不变，得到的采样信号频谱。在 图( c ) 中，由于中频信号带宽过宽，而没有相应的调整采样率，信号的频谱产生混 叠，导致信号失真。 所以，在采样之前有必要对信号的带宽进行限制。这是引入中频滤波环节的 第一方面的考虑。 接下来我们考察采样之前模拟信号频谱上的噪声对采样结果产生的影响。在 图3 4 中，图( a ) 为含有噪声的被采样信号频谱，在频率一和厶处存在噪声。图( b ) 为采样后信号的频谱图，由图可知，被采样信号在厶处的噪声在采样前后均没有 和信号混叠，该噪声可以在数字化之后用数字滤波器滤除。而 处的噪声虽然在 9 ，牢 八h 且谚伶一川u厶 | | 一 一 m 一 脚 一 幅 一 o | | 一 一 一 一 | | 铰 重庆大学硕士学位论文 数字化之前并没有和信号混叠，但由于采样过程的频谱搬移作用，该噪声在采样 之后和信号发生混叠，使信号失真，即使在后级的信号处理中加入数字滤波器也 无法滤除，所以该噪声必须在采样前在模拟域滤除。所以，在模数转换之前插入 中频滤波器的第二个目的是滤除镜像频率上的干扰，这类似于无线电接收机的射 频前端在混频之前的镜像滤波5 1 。 纷。l 厂、 ii7j 一 l 一 1 0 i 乙 l h 葫癖 a j s 一九2 l l ( b ) 图3 4 噪声对采样信号的影响 f i g 3 4e f f e c to f n o i s et ot h es a m p l e ds i g n a l 3 2 2 滤波器的类型和指标 滤波器的任务是将信号在特定频段内的分量加重或衰减，简言之，即让特定 频段内的信号通过，或阻碍特定频段上的信号通过。滤波器允许通过的频带称为 通带，不允许通过的频带称为阻带，通带和阻带之间的频带为过渡带。 按照滤波器的通带和阻带在频率轴上的分布情况，可将滤波器分为高通、低 通，带通和带阻四种类型。图3 5 示出了这四类滤波器的理想的衰减函数，取 q = 0 9 皑为相对于角频率皱的归一化频率。图( a ) 中高频分量的衰减量趋于无穷大 而低频分量不衰减，所以是低通滤波器。同理，可判断( b ) 为高通，( c ) 为带通，( d ) 为带阻1 4 j 。图中所示为理想滤波器的衰减函数，实际的滤波器在通带的衰减不可能 为0 ，在阻带的衰减也不可能为无穷大，在通带和阻带之间还有一个过渡带。 1 0 3 中频接收机设计 ( 1 ，d b垃，d b( 1 ，d bq ，d b 0o00 ( b )( c ) 图3 5 四种滤波器类型的衰减函数 f i g 3 5a t t e n u a t i o nf u n c t i o no ft h ef o u rc l a s s i cf i l t e rt y p e 滤波器的主要技术参数如下： 插入损耗：定量地描述信号在通过滤波器之后，在功率上的损耗。其数学定义 式为： i l = 1 0 1 9 每 3 ， 其中皿为插入损耗，单位为d b ，圪为输入滤波器的功率，圪，为滤波器的输 出功率。 带内纹波：以d b 或奈贝为单位表示的带内幅频响应的最大值与最小值之差， 用于衡量滤波器通带内幅频响应特性的平坦度。 带宽：带通滤波器的通带内对应于3 d b 衰减量的上边频和下边频的频率差： b w 3 勰= 刀嵇一刀绉 ( 3 4 ) 矩形系数：定义为滤波器的6 0 d b 带宽与3 d b 带宽比值，用于描述滤波器的幅 频特性曲线在截止频率附近变化的陡峭程度： 腰= 矿b w 6 0 , 扭= 乒 b 5 ， 阻带抑制：滤波器的幅频响应曲线中，以d b 表示的阻带相对于通带的多出的 衰减量。 品质因数：矩形系数之外的另一个可用于描述频率选择性的指标，定义为在谐 振频率下，一个周期内的平均储能与平均耗能之比。 3 2 3 中频滤波器电路设计 声表面波滤波器相对于其它类型的滤波器，具有频率响应平坦、矩形系数好、 带外抑制高、体积小、重量轻等优点。所以我们选用声表面波滤波器作为本系统 的中频滤波器。但由于声表面滤波器的插入损耗较大，故在滤波器之后须加入一 个增益模块对滤波器的插入损耗进行补偿。本系统中有两处用到中频滤波器，一 处是在接收机的a d c 前端，另一处是在发射机的上变频电路之后。因为两处对频 波器的要求基本相同，故采用同一款滤波器。 重庆大学硕士学位论文 声表面波滤波器l b n l 6 0 4 3 l b n l 6 0 4 3 是中电2 6 所生产的一款声表面滤波器，其特点如下【7 j ： 中心频率：1 6 0 m h z ； 插入损耗：2 8 4 d b ； 3 d b 带宽：2 2 0 8 m h z ； 5 0 d b 带宽：2 2 9 3m h z ； 带内纹波：典型值l d b ，最大值1 5 d b ； 阻带抑制：最小值5 0 d b ，最大值5 1 d b ； 从以上指标可看出，该器件插入损耗大，为2 8 4 d b ；矩形系数小，几乎为1 ， 说明过渡带陡峭，近乎垂直于频率轴；通带内幅频特性较为平坦；阻带抑制很高， 至少为5 0 d b 。 电路设计 一般来讲，s a w 滤波器在电路中应用时，为了获得更小的插入损耗，更小的 驻波系数和更小的带内纹波，需要对其输入端和输出端进行阻抗匹配。一般来说， 滤波器制造商会提供阻抗匹配的参考电路。在l b n l 6 0 4 3 的器件手册中给出了匹 配电路，l b n l 6 0 4 3 的匹配电路简单，仅需用一个3 3 n i l 的电感串联在滤波器输出 端口。注意到手册中给出的匹配电路是在源端和负载端阻抗均为5 0 欧姆的情况下 给出的，在设计时需要满足这一条件。 e c b 设计 由于s a w 滤波器有插入损耗大，信号延迟时间长的特点，故s a w 滤波器的 p c b 设计和器件的装配要求比其它滤波器更高。例如：一个s a w 滤波器的插入损 耗为2 5 d b ，为了使滤波电路达到5 5 d b 的带外抑制，则要求p c b 板的隔离度不小 于8 0 d b 。而对于一个其它类型的损耗只有5 d b 的滤波器，同样为了达到5 5 d b 的 带外抑制，p c b 板的隔离度只需要大于6 0 d b 。而本系统采用的l b n l 6 0 4 3 ，其插 入损耗高达2 8 4 d b 。因此在p c b 板设计和装配时，考虑的首要问题是要保证p c b 板有较高的隔离度，即抑制好输入输出之间的直通信