（生物医学工程专业论文）谱仪射频数字化接收系统的研究与实现.pdf

塞篓叁垩堑妻望垡笙墨盎坠堡坚 r e s e a r c ha n dr e a l i z ef o rd i g i t i z e dn a r r o w r a d i of r e q u e n c y s i g n a lr e c e i v i n gs y s t e m i n s p e c t r u m c o n s o l e a b s t r a c t m r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) i sa ni m a g i n gt e c h n o l o g yu s i n gc o l l e c t e ds i g n a l s g e n e r a t e df r o mm a g n e t i cr e s o n a n c ep h e n o m e n at or e b u i l di m a g e s c o m p a r e dw i t hc t , m r t h a sn oi r o n i ci r r a d i a t i o n ，m u l t i p a r a m e t e r , m u l t i s e c t i o ni m a g i n g , r a n d o md i r e c t i o ns c a n ，n o b o n es e a m f i n ga r t i f a c t sa n do t h e ro u t s t a n d i n gf e a t u r e s a st h ec o r eo fm r i ，s p e c t r u mc o n s o l e c o n t r o l st h ew h o l em r is y s t e m st i m es e q u e n c e sa n dt a k e sc h a r g eo fx b a r i o u sw a v e i b r m s g e n e r a t i o n , t r a n s m i s s i o n , r e c e p t i o na n dp r o c e s s i n g s r ( s o f l w a r er a d i o ) i san e wk i n do fr a d i oc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yp u tf o r w a r di n r e c e n ty e a r s ，a n di th a sb e e nc a l l e dt h e3 ”r e v o l u t i o ni nr a d i oc o m m t m i c a t i o na f t e rt h e t r a n s i t i o nf r o ma n a l o g u et od i g i t a la n dt h a tf r o mf i x e dt om o b i l e i th a san o v e lt y p eo fr a d i o c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t r u c t u r e ，w h i c hb a s e so nm o d e mc o m m u n i c a t i o nt h e o r ) ；m a i n l y d e p e n d so nd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) a n db es u p p o r t t e db ym i c r o - e l e c t r o n i c s t h i sp a p e rs t a r t sw i t ha n a l y s i n gt h er f ( r a d i of r e q u e n c y ) s i g n a lr e c e i v e ro fs m i s s p e c t r u mc o n s o l e ，t h e nf o u c s e so nt h er e s e a r c h i n gt h e o r ya n ds t r u c t u r eo f r fs i g n a la n dt r yt 0 a p p l yt h es o f t w a r er a d i ot h e o r yt ot h em 糊r e c e i v i n gs y s t e m e x p a t i a t e do nt h et h e o r yo fs r t h e f o l l o w i n g d i s c u s s e st h em u l t i - r a t e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n sa n dd i g i t a ls i g n a ld e m o d u l a t i o n o nt h eb a s i so ft h o s e ，ad i g i t i z e ds y s t e mo f m r ir e c e i v e ri sg i v e n ，s i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a bs h o w st h a tt h er e s u l tc o n f o r m st ot h e e n t i r er e q u i r e m e n t sw e l l b a s e do nt h em o d u l ep r o p o s e da b o v e ，t h ea u t h o rd e s i g n dab r a n d - n e wd i g i t i z e dr f r e c e i v i n gs y s t e mb o a r d t h eb o a r d ，w i t h1 2p c bl a y e r s ，c o m p r i s e so fa d ih i g h - s p e e d a n a l o g - t o - d i g i t a lc t f i pa d 6 6 4 5 ，t id i g i t a lu p d o w nc o n v e r t e r ( d u c 国d c ) c h i pg c 5 0 1 6 ， f p g ac o n t r o lu n i tb a s e do nx i l i n xf p g ac h i px c 2 s 2 0 0a n do t h e ra s s i s t a n tc h i p s a s h i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a lc h i p sa r eu s e d ，t h en e ws y s t e m sk e yt e c h n o l o g yi n d e x e s ，s u c ha s s n r ( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) ，s i g n a ls t a b i l i t ya n dp r o c e s s i n gt i m e ，a r em o r ee x c e l l e dt h a nt h e o l ds y s t e m s m o r e o v e r , t h ec o n t r o lu n i tb a s e do nf p g ar e a l i z e ss e a m l e s sc o n n e c t sf o rs i g n a l 1 1 1 查! ! 蒸芏塑主茔焦垒查 垒! ! ! 兰! t r a n s m i t t i n gb e 挂v e e nt h en e ws y s t e ma n do t h e rs y s t e m so ft h es p e c t r u mc o n s o l e ，w h i c hm a k e s s u r et h a tt h en e ws y s t e mw o r k s n o r m a l l yi nt h es p e c t r u mc o n s o l e k e yw o r d s ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ；s o t 昔w a r er a d i o ；d i g i t a lc l o w nc o n v e r t e r ；f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y i v - 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。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诚挚的谢意。 学位论文作者签名 奢豸丸 签字日期：占b $ f2 叼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 项目研究背景 磁共振成像( m r i ) 是利用收集磁共振现象所产生的信号而重建图像的成像技术。 m i u 可以使c t 显示不出来的病变显影，是医学影像领域中的又一重大发展。它是8 0 年代初才应用于临床的影像诊断新技术。与c t 相比，它具有无放射线损害，无骨性伪 影，能多方面、多参数成像，有高度的软组织分辨能力，不需使用造影剂即可显示血管 结构等独特的优点。医学界普遍认为：m r j 是2 0 世纪医学诊断方面最重要的进展之一， 并且它的潜力尚未完全发挥。 我国在1 9 9 0 年以后，陆续有几家公司推出核磁共振成像产品，但遗憾的是，这些 公司m r i 装置的核心部件一一谱仪完全依赖于进口，致使这些设备不仅造价昂贵，维 修费用也高得惊人，为此，着手研制具有中国自主版权的谱仪，已成为我国m i 己i 制造 业的当务之急。对比国际上各个厂商生产的谱仪，它们的射频发射和接收部分也并不全 是数字的。例如s m i s 的m r 4 2 0 0 型谱仪，发射的射频信号是经过混频而得；而m 和 意大利的m r i b o x 谱仪在射频发送部分已经是全数字化的了，但是在接收部分有他们的 局限性，他们所采用的是过采样的理论。在过采样理论中，模数转换器的采样频率要大 于信号频率的2 倍。这样如果在高场强磁共振的应用中，必须采用先模拟混频，使信号 频率降到模数转换器采样频率的l 2 以下，再进行模数转换。这样使这些厂家的谱仪不 是只能应用在低场强磁共振中，就是在高场强的磁共振中不是全数字化。因此设计出全 数字化的谱仪系统显得很重要。 正是在这种情况下，我们以沈阳某公司为依托，开始了s m i s 的m r 4 2 0 0 型谱仪的 研究与数字化开发工作，该论文就是本人对谱仪系统中数字化接收机子系统的研究与开 发的一些心得。 1 2 章节安排 本文的章节安排如下： 第一章简单介绍了磁共振成像系统的特点和目前国内外的发展现状，阐明了项目研 究的背景。 第二章简单介绍了磁共振射频系统，并在此基础上阐明了s m i s 公司设计的磁共振 成像系统射频发送接收机的基本组成和原理。重点分析了其中的射频接收系统的硬件结 构，并提出了数字化的要求。 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第三章着重阐述了软件无线电的基本理论，并说明了软件无线电思想在谱仪射频接 收机中的体现及优势。 第四章首先提出射频发送，接收系统总体设计方案，接着详细介绍了作者所负责的射 频接收系统的设计方案，给出了数字下变频的s i m u l i n k 仿真模型，并在此模型之上进行 了滤波器的最优化设计。 第五章陈述了作者所设计的射频接收系统的硬件结构，结合a d 6 6 4 5 和g c 5 0 1 6 的 特性分析了高速数模转换单元和数字下变频模块的具体实现。 第六章首先简单介绍f p g a 的编程指导原则，接着重点阐明了d d c 频率字转换模 块和f p g a 译码保持模块的设计，并给出了仿真结果。 第七章对设计工作进行了总结，并提出了设计方案待改进之处，最后对今后的工作 提出了建议。 东北大学硕士学位论文 第二章s m i s 谱仪射频发射，接收系统原理分析 第二章s m i s 谱仪射频发射接收系统原理分析 磁共振系统包括5 个部分：工控机子系统、梯度波形形成子系统、射频发送子系统、 射频接收子系统、图像重建和显示子系统 1j 。 磁共振系统的具体工作过程如下：工作人员操作计算机选择好需要扫描的序列和参 数，传送到工控机子系统中。工控机子系统把有关的参数传给各个电路板，形成射频和 梯度信号。经放大后，射频信号和梯度信号被输出给射频和梯度线圈，产生的回波信号 经接收线圈被送给接收系统，经处理后形成相应的数字信号，该数字信号被传送给图像 重建系统，重建出扫描部位的图像，再传给计算机显示器显示出被扫描部位的图像。 射频单元 。 图2 1 磁共振硬件框图 f i g 2 1h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f m r i 参见图2 i ，射频单元( 图2 1 中虚线所示模块) 产生射频脉冲序列，梯度波形发生子 系统产生梯度波形序列，将这些脉冲序列分别发送到发射线圈和梯度线圈，再由接收线 圈接收回来，经过前置放大，正交解调，然后由a d 完成模数转换，经相应的数字预 处理，最后是图形重建口】。工控机子系统主要是完成谱仪系统与操作计算机的协同工作。 磁共振系统是一个结构复杂、功能强大的成像系统。对于整个系统的深入研究是一 项非常巨大而艰苦的工作。作者主要参与了磁共振系统中的谱仪子系统射频接收部分的 数字化升级工作，见图2 1 磁共振成像系统硬件框图中的阴影模块。 2 1 射频系统说明 为了进一步说明磁共振射频系统的工作原理，可以参见图2 2 谱仪硬件结构图。谱 仪，作为m r i 的核心部件，它肩负着控制整个m 系统的时序和各种波形信号的产生 与发射、接收与处理。谱仪射频系统就是谱议子系统之一。 一3 - 东北大学硕士学位论文第二章8 m i s 谱仪射频发射艘收系统原理分析 第二章s m i s 谱仪射频发射接收系统原理分析 磁共振系统包括5 个部分：工控机子系统、梯度波形形成子系统、射频发送子系统、 射频接收子系统、图像重建和显示子系统i l l 。 磁共振系统的具体工作过程如下：工作人员操作计算机选择好需要扫描的序列和参 数，传送到工控机于系统中。工控机子系统把有关的参数传给各个电路板，形成射频和 梯度信号。经放大后，射频信号和梯度信号被输出给射频和梯度线圈，产牛的回波信号 经接收线圈被送给接收系统，经处理后形成相应的数字信号，该数字信号被传送给图像 重建系统，重建出扫描部位的图像，再传给训算机显示器显示出被扫描部位的图像。 射频甲元 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 1 磁共振硬件框图 f i g21h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f m r i 参见图2 1 ，射频单元( 图2 1 中虚线所示模块) 产生射频脉冲序列，梯度波形发生子 系统产生梯度波形序列，将这些脉冲序列分别发送到发射线圈和梯度线圈，再由接收线 幽接收叫来，经过前置放大，正交解调，然后由a d 完成模数转换，经相应的数字预 处理，最后是图形重建口j 。工控机子系统主要是完成谱仪系统与操作计算机的协同工作。 磁共振系统是一个结构复杂、功能强大的成像系统。对于整个系统的深入研究是一 项非常巨大而艰苫的工作。作者主要参与了磁共振系统中的潜仪子系统射频接收部分的 数字化升级工作，见图2 1 磁共振成像系统硬件框图中的阴影模块。 2 1 射频系统说明 为了进一步说明磁共振射频系统的工作原理，可以参见图2 2 潜仪硬件结构图。谱 仪，作为m r j 的核心部件，它肩负着控制整个m r i 系统的时序和各种波形信号的产生 与发射、接收与处理。谱仪射频系统就是谱议子系统之一。 与发射、接收与处理。谱仪射频系统就是谱议子系统之一。 - 1 - 东北大学硕士学位论文第= 章s m i s 谱仪射频发射接收系统原理分析 谱仪的功能是在计算机的控制下，根据不同的成像参数，产生相应的梯度波形及 r f 脉冲波形，同时要求可以灵活地对r f 脉冲波形的频率、相位及幅度进行精确的控制。 梯度信号及r f 脉冲信号按照预先设定的精确时序，分别经梯度功率放大器和射频功率 放大器放大后，驱动梯度线圈和射频线圈产生梯度场和射频场。如果射频场频率和质子 进动频率相同，在人体内就会自主产生磁共振信号，经过接收线圈接收后，送到谱仪的 射频接收系统，迸行解调、采样及各种滤波处理后送到主计算机进行付氏变换及相应的 后端处理，最后根据从各个体素得到的磁共振信号强度重建出可供诊断的人体图像。 谱议的硬件框图见图2 2 。 图2 ，2 谱仪硬件框图 f i g2 2h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f s p e c t r u mc o n s o l e 2 2s m i s 谱仪射频接收机工作原理分析 图2 3 为s m i s 公司谱仪射频接收系统原理框图。从前置射频放大器接收到的幅度 大约为几十m v 、中心频率为基本恒定频率( o 3 5 t 系统，中心频率1 3 9 2 7 5 m h z 频率偏 移量；o 2 3 t 系统，中心频率为9 8 m h z a ：频率偏移量) 的磁共振信号，首先经过可控前置 放大、衰减两个环节，使其幅值达到大约士5 v 左右。 可控前置放大器采用四级门控结构，每级放大1 3 5 d b 。放大器采用t i 公司的宽带 高频集成运算放大器t h s 4 2 1 7 。可控衰减器采用m a c o m 公司的a t - 2 1 0 芯片，该芯 片有1 5 级衰减，每级1 d b ，放大及衰减的数值均由专用控制器控制，通过放大器和衰 减器的协调控制，取得合适的增益数值。 针对不同的主磁场b o ，产生的f i d 信号中心频率将有所不同，如表2 1 所示。正如 在2 2 节讨论过的那样，采用超外差结构的射频接收机，不能够处理外部输入信号中心 频率发生变化的情况。因此，s m i s 公司的射频接收机针对每种主磁场强度，都需要专 东北大学硕士学位论文第= 章s m i s 谱仪射频发射，接收系统原理分析 图2 3s m i s 公司射频接收机结构框图 f i g23r fr e c e i v e rs t r u c t u r eo f s m i sc o r p 用的带通滤波器来进行抗混叠滤波。而这样必然使得系统的机动性大打折扣，且更换硬 件后系统的工作性能很难保障，常出现不可预测的结果。 由于模拟电路相位的线性性不好，易受到噪声的干扰，稳定性不高，再加上分立元 件多，电路复杂，对环境的敏感度高等原因，基本上不能通过简单的直接更换滤波器来 改变系统的接收性能。该系统采用正交混频调制的方法来进行相敏检波，实现f i d 信号 的实部和虚部的分离，用以重建图像。其原理与上节论述的相敏检波器相同。 表2 1 谱仪系统带通滤波器参数 t a b l e2 1b a n d p a s sf i l t e rp a r a m e t e ro f s m i s ss p e c t r u mc o n s o l e 主磁场强度f i d 信号中心频率带通滤波器带宽 0 2 3 t9 8 z2 m h z 0 3 5 t1 3 9 瑚z2 m h z 15 t6 39 m h z2 m h z 由图2 3 可以看出，该接收机为一双转换超外差接收机。值得借鉴的是其第二级转 换全部在数字域内进行处理。采用数字频率合成技术( d i r e c ts i g n a ls y n t h e s i z e ，d d s ) 进行混频，利用集成乘法器和集成下变频芯片h s p 4 3 1 2 4 将第一级转换后得到的模拟中 频信号解调到数字基频，便于后级d s p 芯片进行处理。这种设计，在一定程度上提高 了系统的稳定性，增强了信噪比。集成芯片的使用使得系统对环境的依赖性得到了有效 东北戈学硕士学位论文第茹章s m i s 谱仪射颧发射，接- 收系统原理分析 的控潮。薅么，毵不将掰有弱频率转换过程全都在数字城中遴行程? 热聚其毒怒够精 度和采样频率的a d 转换器，是否能够实现射频接收机的完全数字化呢? 数字化的系统 是否在性能上赛兹毒餍挺裹鼹? 这些目题将褥裂全垂的讨论。 2 3s m i s 谱仪射频发送机工作原理分析 图2 4 示意了s m i s 公司射频发送枫原理，如图掰示，数据信号经过x c 3 0 9 0 分配， 产生射频的基带信号的控制数据，经直接数字频率合成器产生基带正弦信号，经1 6 1 6 乘法器镦数字调制，鲣数模转换器( d i g i t a l a n a l o g c o n v e r t e r ，d a c ) 、带通滤波器( l o w p a s s f i l t e r , ，l p f ) 产生一定频率、幅度和相位的模拟信号。该模拟信母经过第一次混频后通 过一个串心频率为1 2 m h z 的带通滤波器，傈鬣上边带，然后进行第二次混频，通过中 心频率为98 m h z 的带通滤波器，保留下边带，这样完成了射频信号的产生。可交增益 控制器鬲予瓣就信号溺度进行控箭， 冀透应焉瑟的莉颓放大器。 图2 4s m i s 公司窄带射频发送机原理图 f i g 2 。4r a d i of r e q u e n c yt r a n s m i t t e ro f n t 3 f u o f s m i sc o r p s t l a l c 0 a r ef r a m e 藏上嚣懿套绍可糍，为了产生磁共援信号，必绥要鸯9 0 凄秘1 8 0 漫瓣鸯| 疆熬、薜莲 行激发。其频率值与主磁场有关，也与选片梯度场和切片位盖有关，它的波形形状与切 片辱茨有关，这些参数在据攥瞻摄据医生戆不弱饔求是薅瓣在变瓣，医照在良磊熬数字 化过程中对时间要求比较严格。 2 4 本章小结 本章简单介绍了磁抉振系统的控制核心一谱仪射频系统的结构，接麓详细分析了 s m i s 公司m r 4 2 0 0 谱彼的射颓搂较视积射频菱遴祝的纛理。 由于m r 4 2 0 0 谱议的部分关键芯片如x c 3 0 9 0 、h s p 4 5 1 0 6 已经停产，加之现有s m i s 东北大学硕士学位论文第= 章s m i s 谱仪射频发射接收系统原理分析 谱仪的射频系统采用在模拟域进行调制解调，电路复杂，在相位上存在不同步因素；由 于分立元件过多，使系统受温度影响较大。为了满足生产需要，同时增加产品的技术含 量，提高产品的稳定性，对原谱议进行数字化改造已经势在必行。本文作者和李海泉、 吴林一起合作完成本s m i s 谱仪数字化技术改进项目，其中作者主要负责数字化射频接 收机的研究工作。 查韭叁堂堡主璺堡垒圭壁三主丛壁垄壅曼型 第三章软件无线电基础 软件无线电是近年来提出的一种实现无线通信的新瓣路，它可以说是茏线通信产韭 继7 0 年代中到8 0 年代中从模拟到数字通信，8 0 年代中到9 0 年代中从固定到移动这两 次革禽后盼第三次革命，并可戳称为是从硬件无线通信蓟软件无线通信托辇翕。它楚一 种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以为电子为支撑的新的无线通信体 系结构 3 1 。 3 1 软件无线电的概念 随着通信技术由横拟到数字的持续快速转变，当前无线电越来越多的功能趋于由软 件柬实现。1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次明确提冰了软 牛无线电( s r ， s o f t w a r er a d i o 或s d r ，s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ) 的概念。软件无线电就是冤线电调制信 道由软件定义，目口信道信号是象样量化的数字信号，经宽带模数转按( d a ，d i g i t a la r t a o g c o n v e r s i o n ) ，从中频上变频到射频( r f ，r a d i of r e q u e n c y ) 后由天线输出。同样，接收部 分经过宽带模数转换( a d ，a n a l o gd i g i t a lc o n v e r s i o n ) 捕获软件无线电节电所有信遵信 号。接收机然厢基于通用的处理软件析取、下交颇、解调信道信号。软件无线电综合了 多波段天线和射频变换技术，爨带模数转换、数模转换技术，及焱通用可缡程处理器件 上实现中频和蒺带比特流处理技术。软件无线电即是将模块化、标准化的褫件单元以总 线方式连接构成基本平台，并邋过软件加载实现备静无线电通信功能的一种开放式体系 结构州。 软件无线电的关键思想是：( 1 ) a d c 、d a c 尽可能的靠近天线；( 2 ) 用软件来实现尽 可能多的无线电功能。软件无线电主要有以下的突出优点；一是它的灵活性。在软件无 线电中通过增加软件横块，很容易就能增加新的功能。可以和其他任何电台进行邋信， 并可以做为其他电台的射频中继。可以溆过无线电加载来改变较件模块或疆新软件。二 是它的开放性。软件无线电采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随赣器件和技术 的发麓而发展藏扩展，软件也可以随着需要而不断升数。软件无线电不仅能和新酌体制 电台通信，还能与旧的体制电台兼容。 3 2 软件无线电的结构 攥想鲍软传无线惫的绩梅翔凰3 。1 敷示，主鼷叁天线、射攘懿端、意遮a d - d a 转 换器、通用和专用数字信号处理器、低速a d - d i a 转换嚣以及各种接口和备种软件所组 成嘲。软件无线电的天线一般要覆盖比较塞款鬏毅，毖魏l m h z 2 0 0 0 m h z ，要求每个频 东北大学硕士学位论文第三章软件无线电基础 段的特性均匀，以满足各种业务的需求。例如可能为v h f u h f 的视距通信、u h f 卫星 通信，h f 通信作为备用通信方式。为便于实现，可在全频段甚至每个频段使用几付天 线，并采用智能化天线技术 在发射时r f 部分主要完成滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大等功能。 因实现射频直接带通采样，要求a d d 转换器有足够的工作带宽( 例如2 0 0 0 m h z 以上) ， 较高的采样速率( 一般在6 0 m h z 以上) ，而且要有较高的a d 转换位数，以提高动态范 围。目前8 位a d 转换器的工作带宽已做到1 5 0 0 m h z 以上。 一一 低速a d a i l 一 宽带 ! 竺! ：胃 黑悟 1 。 多频 r f 高速 h 段天 ，部分 - d a d ar 线 f 一 _ | l_ l 灭线r f 段高速处理段低速处理段 图3 1 软件无线电结构框图 f i g 3ls o f tr a d i os t r u c t u r eb l o c kd i a g r a m 语言 图像 传真 计算机 网络 数字信号 模拟信号进行数字化后的处理任务全由d s p 和专用的可编程处理器的软件来承担 【6 j 。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( 如数字下变频器d d c ) 处理，降低数据流速率，并把信号变至基带后， 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，比如信号的调制解调，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。也有采用多 d s p 芯片并行处理的方法，以提高其处理的能力。 由于高速宽带a d 和d a 转换器目前还比较困难，价格也高，图3 1 中的下变频和 上变频模块d c d u c ) 都用模拟线路放在r f 部分中。对射频模拟信号的采样数字化可 以有两种方法，一是基于n y q u i s t 定理得低通采样；二是带通采样。带通采样又可以有 两种方法：即射频直接带通采样和中频带通采样。对应这三种采样方式，软件无线电也 有三种组成结构：射频全宽带低通采样结构、射频直接带通采样结构和宽带中频带通采 样结构i ”。图3 2 、3 3 和3 4 分别示意了这三种采样结构 东北走学硕士擎位论文 第三章软件无线电基础 d s p 处理嚣 翻3 2 射频低逶采聿莩数字忧结褥 f i g 3 2t h ed i g i t a ls t r u c t u r eo f r fl o w - p a s ss i g n a ls a m p l i n g d s p 处理嚣 图3 3 射频带通采样结构 f i g 3 3t h ed i g i t a ls t r u c r i r oo f r fb a n d - p a s ss i g n a ls a m p l m g d s p 处理器 阐3 4 宽带中频带通采样结构 f i g 3 4t h e s t r u c t u r eo f w i d e b a n di fb a n d - p a s ss i g n a ls a m p l i n g 3 。3 软件无线电中基本数字化理论 3 3 1 信号采样理论 癸遴亏亍数字萤号楚疆，首受露稿黪瓣蘧藏试对工 筝频带范罄肉戆售号滋行数字讫 一1 0 - 东北大学硕士学位论文第三章软件无线电基础 即对模拟信号进行采样，使其变换为数字信号。 3 3 1 1 基带采样 n y q u i s t 采样定理描述了如何对基带信号进行采样以确保可以准确无误地恢复原信 号，它是我们整个数字系统处理的基本理论【3 】0n y q u i s t 采样定理可以表述为：如果以不 低于原信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行均匀采样，那么由所得到的采样序 列完全可以确定原信号。 设理想冲激函数为8 ( 0 ，冲激脉冲序列为p ( t ) ，t 为采样间隔，则： p ( ) = 8 ( t n t ) ( 3 1 ) 将p ( t ) 作傅立叶变换可得其频谱p ) ： p ( e a ) ：筝至d ( ( 0 - - y ( o s ) ( 3 2 ) c 其中，国，= 娶。 5 设模拟信号为x ( t ) ，其频谱为x ( c o ) ，则采样后的离散序列x 。( ) 为： x 。( h ) = x ( r ) p ( r ) ( 33 ) 设其频谱为x s ( c o ) ，由频域卷积特性，可以得到其频谱为 以细) = 一x ( ) ，p ( e o ) 三盯 = i t 艺。x ( o ) - n o ) ) ( 3 4 ) 由此可见，采样后信号的频谱为原信号频谱经频移后叠加而成，当然，在幅度上有 一个l t 的变化。图3 5 是采样前后频谱结构变化的示意图。 图3 5 采样前后频谱比较 f i g 3 5s p e c t r u mb e f o r ea n da f t e rs a m p l i n g 东北大学硕士学位论文第三章软件无线电基础 由图3 5 可见，对采样后的信号，如果用一个带宽不小于。，且不大于m 。一。的 低通滤波器，就能滤出原来的信号。 3 312 带通采样 n y q u i s t 采样定理描述了对低通信号的采样问题。在实际过程中，常常需要对频率 位于( 兀，厶) 内的带限信号进行采样。这时，仍然可以由n y q u 捃t 采样定理确定采样 速率。但当厶远远大于信号带宽b = 厶一兀时，如果仍按n y q u i s t 采样率对信号进行采 样就会很不经济，有时甚至是难以实现的。由于带通信号本身的带宽b 并不一定很宽， 那么，能否用比n y q u 括t 采样率更低的速率来采样呢? 带通采样定理解决了这个问题【9 】o 带通采样定理可以表述为：对一个频率位于( 正，厶) 内的频率带限信号x q ) ，如果 以采样率正对其进行采样，且工满足： 正2 2 4 n 3 + 0 1 ( 35 ) 式中，f o = 半，门的取值应满足表达式z 2 b 。其中，b = 厶一无。 为了能用，= 2 b 的采样率对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足： ，：1 ：兰型b 2 或 兀+ 厶= ( 2 n + 1 ) 曰( 3 6 ) 即信号的最高频率是带宽的整数倍时，可以用采样率工= 2 b 对信号进行采样，由 所得的采样序列能准确地恢复原信号。 带通采样的结果是把位于( n b ，0 + 1 ) 四( 其中，n = o ，1 2 ) 上不同频带内的信号都用 位于( 0 ，功上的相同的基带信号频谱来表示。也即是说，只要信号的中心频率满足( 2 1 ) 式，就能用正= 2 b 的采样率对信号进行带通采样，如图3 6 所示( 图中采样后只表示出 了正频部分) 。 图3 6 带通采样的频谱 f i g 3 6s p e c t r u mo f b a n d - p a s ss i g n a ls a m p l i n g 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 东北大学硕士学位论文 第三章软件无线电基础 允许在不同的频带上同时存在多个信号，否则会引起信号混叠，最终导致不能恢复出原 信号。 另外，上述频带宽度b 不仅只限于表示某一信号的带宽，而应理解为处理带宽，即 在一处理带宽内可以同时并存多个信号，而不只限于一个信号。 3 3 2 多采样率数字信号处理理论 根据采样定理，若信号的最高频率为 ，则只要采样频率六= 2 l 即可保证信号频 谱不重叠。但实际应用时往往选择采样频率 f ，即过采样。软件无线电中采用过 采样技术的原因是多方面的。比如模拟前端要适应多通道带宽信道的要求，对于某一接 收通道而言，宽带a d c 必然是一种过采样；另外，过采样本身具有许多优点，比如过 采样可大幅度降低量化噪声，还可降低对a d c 前的抗混叠滤波器的要求等。但过采样 潜在的优点能否体现出来以及体现的程度将取决于后续处理，即抽取滤波器的设计，这 就是多采样率信号处理【l ”。多采样率信号处理是软件无线电的一个重要基础，在定时与 相位同步、滤波器优化设计等方面也有重要应用。 多采样率数字信号处理是自2 0 世纪7 0 年代开始发展起来的数字信号处理领域的一 门重要技术。1 9 8 3 年，r e c r o c h i e r e 与l r r a b i n e r 合写的专著m u l t i r a t ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g 的出版标志着该学科的基础理论已趋于成熟。但是，关于多采样率数字信号 处理的更深一层的应用至今仍在迅速地发展。所谓多采样率，就是指在一个系统中存在 着两个或两个以上的采样率，其目的就是为了减少运算量和存储量，以便于信号的存储、 传送和处理。随着信号处理技术的发展，多采样率数字信号处理己广泛应用于信号处理 的各领域。如今，随着软件无线电的兴起，多采样率数字信号处理已成为软件无线电的 关键技术之一。 3 3 2 1 整数倍抽取 先讨论l 倍采样率抽取器【1 2 】：对x ( ”) 每隔l 个采样点抽取1 个采样点，其余l 一1 个采样点去掉，这就叫做抽取因子为l 的抽取器，如图3 7 所示。l 倍抽取后得到的序 列采样率为原采样率的1 几倍。 图37 l 倍抽取框图 f i g3 7 b l o c kd i a g r a m o f l t i m e sd e c i m a t i o n - 1 3 东北太学硕士学位论文 第三章软件无线电基础 分板匿3 7 可懿褥爨下秀瓣等式： x ( n ) = x ( n ) ln = n l = x ( n l )( 3 7 ) 袋撵率鼹低等鲻予对数字售号f f n ) 重凝采撵，朝褥豢寒兹奈奎瑟姆瓣隔 ( 一，2 ，+ ，2 ) 变换剿( 一 2 ，+ 工2 ) ，则得式( 3 8 ) ，如图3 1 所示： 茗( 力= 舅，一娥) ( 3 s ) 即，( 力为x ( ) 在五整数倍处的周期重叠【1 3 l 。 3 3 2 ，2 整数偿肉撬 使采样率增加地过程叫做内插“1 。为了增加信号的抽样频率，在x 每相邻的两个 电之溺插入( i - 1 ) 个零，这样信号的采样率就增翻了i 穑。 设原始抽样序列为x ( 一) ，则内插后的序列x ，( m ) 为： 州枷= 卜呼) j ( 一o ，+ 2 厶埘) ( 3 9 ) l 筑獒他 内插过程如图3 8 所示，圈中i - - - - 2 。设x ( ”) 、t 咖) 的付氏变换分别为x ( e ”) 、 蜀0 ”) ，贝f j ： ( a 】 x t ( e 似) = x j ( m ) e 1 = x ( m ) e 一俐 = x 鹭蒯) ( c ) 匿3 8 蠹捶过程暴意整 f i g 3 8i n t e r p o l a t i o nd e m o n s t r a t i o nd i a g r a m ( 3 1 0 ) 可见。内捅后信号的频谱为原来抽样信号频谱经i 倍压缩后得到的谱。插值后，在 原来舅0 一) 敬一个罔裳国内，蠢1 个爿0 ”) 躲镜像分量。为了从矮僮后的序裂中恢复 出原始信号，需要对内插后的倍号进行低通滤波，滤波器的带宽为：r c i 。完整的内插器 的结奉棼如图3 9 。 东北大学硕士学位论文 第三章软件无线电基础 j 针f v 型。厂i i l 骂 ll、。，_j 豳3 9 究蹙的内撼嚣结构阁 f i g 3 ，9s t n l e 批f ed i a g r a mo f i n t e g r a t e di n t e r p o l a t o r 内插不仅可醴挺离时蠛分辩率，邂可鞋嗣柬提藤输出售号的颓率。鼠墨( e j 。) 麓频 谱结构可以嚣蹬，这抟寸只要将低通滤波变成带邋滤波就可以滤除藤频成分。显然遮时的 内捺嚣实鞲上超到了上交频瓣悸臻，使输毒频率提赢戮i 倍，蠢僚号的频遂结梅不变。 如图3 1 0 所示。 1 4 匠：p 3 臣歪丑型 图3 1 0 提离输 矗频率的内捅结构图 f i g 。3 1 0i n t e r p o l a t i o ns t r u c t u r ed i a g r a mf o rf r e q u e n c yr i s i n g 3 3 。2 3 多| 彘撵率转绞的实瑗 一、雾描样率转换单级实现 一次抽取突成簸需要的抽撵率转换( s r c ，s a m p l er a t ec o n v e r t e r ) 穗为抽样枣转换的 单级实现，怒两次或两次以上的接取称为多缀蜜现 1 s l 。当擒取器的掏取因予d 较大对， 使用添级抽榉窭转换究成抽榉察转按王俸，扶计舞工 乍嫩或存储爨柬覆，往往不如雾级 实勰米褥经济。针对研究的项醚，设( n 。瓦) 燕缀正交检测后的僚母( 邵已搬移到零频率 的f i d 数字僚号) ，它啦接榉枣为磊= 2 0 0 0 k h z ，经过d = 1 6 0 傣的抽取殿变成y ( 悠疋) ， y ( n ，霸) 酌抽欷率墨一1 2 5 k t t z ，信号掰禽的最赢频率为6 2 5 k h z ，设倍号熊量斡镳大部 分集中在6 k t t z 以下，滥使用鹅级实现( 如图3 + 1 1 ) 时，废考虑其抗混叠滤波器- h ( n o t o ) 的 通带边界频率疋为6 k h z ，阻带边界频搴友为6 2 5 k h z ，如果要求此f i r 滤波嚣静邋带 圈3 1 1 抽取器的单级实现 f i 9 0 。11s i n g l es t a g ed e c i m a t o rd e s i g n 诿蘸容限受民= 0 0 1 ，阻带谡麓容限为疋= o 0 0 l ( 设照滤波嚣的冁频蒋戆瓣藤庭森零频 - t 5 * 东北太学硕士学位论文第三章软件无线电基础 率处为1 0 ) ，采嗣最镶等绞波r e m i z 算法进行设计“，滤波器鲢除数n ( 瓣f i r 滤波器 的长度) 可估计为 n 豁攀乒 r 式中d 。( s p ，疋) 端【口l ( 1 9 8 p ) 2 + d 2 1 9 屯+ d 3 l g s , + 【d 4 ( 1 9 8 p ) 2 + 口s l g s p + 口6 其中a l 一0 0 0 5 3 0 9 ，口2 0 0 7 1 1 4 ，啦= - - 0 4 7 6 t ，a 4 = - - 0 0 0 2 6 6 ， 吼一- - 0 5 9 4 6 ，吼= * 0 4 2 7 8 ； ! 搏且，农采用赢效抽取结构和线