软件无线电_第四章_软件无线电的硬件实现.ppt

第四章软件无线电的硬件实现 软件无线电硬件平台的基本结构 模拟前端宽带A D和D A数字上下变频器高速数字信号处理器 4 1软件无线电前端电路 主要任务 1 把接收到的信号变换至适合A D转换器处理的信号频率和电平范围内 2 把宽带D A转换器的输出信号转换至能被其他电台接收的频率和电平范围 根据软件无线电的结构不同 前端电路的结构不同 传统模拟接收机的前端电路 特点 模拟器件使用较多 滤波器中心频率和带宽通常固定 接收通道中使用较多的窄带滤波器 使得信号幅相畸变较大 中频数字化接收机前端 较前一种结构有较大改善 带通滤波器和放大器都是宽带的 而且一本振的频率是大步进的 实现较方便 射频数字化结构 本结构简洁明了 随着A D器件的发展 这种结构性能将不断提高 射频前端的接收部分主要由滤波器 放大器 混频器 振荡器 AGC控制等组成 射频前端的典型器件介绍 滤波器放大器镜像抑制中频信号的线性化AGC设计 4 1 1软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的主要技术指标 频段 1 5 4MHz 4 10MHz 10 30MHz 30 90MHz 90 200MHz 200 700MHz 400 700MHz 700 1000MHz 输入输出阻抗 50 滤波器通带带觉 中心频率的2 一5 软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的主要技术指标 插入损耗 6dB 调谐码 8bits 调谐速度 10us 30MHz以上 软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的应用 调谐码 电调滤波器连接 4 1 2软件无线电中的放大器 电放大器的工作模式 由于软件无线电的接收通道是宽带的 有时甚至是宽开的 通带内的信号可能有很多 因此 在软什无线电中不能用非线性放大器 而只能用线性放大器 否则就会引起许多非线性产物 宽带放大器中常用前馈 Feedforward 和反馈 Feedback 两种技术 前者主要用于提高放大器的杂波等指标 而反馈用于提高放大器的稳定性和带宽指标 软件无线电中的放大器 电放大器的主要技术指标 工作频率范围 指放大器满足各级指标的工作频率范围 放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围 功率增益 指放大器输出功率和输入功率的比值 单位常用 dB 增益平坦度 指在一定温度下 在整个工作频率范围内 放大器增益变化的范围 增益平坦度由下式表示 G Gmax Gmin 2dB 软件无线电中的放大器 放大器增益窗 宽带放大器的增益定义采用增益窗的定义方法 不含窄带功率放大器 是根据放大器允许的最大增益Gmax 放大器允许的最小增益Gmin 放大器的增益波动 G等三个增益指标对放大器的增益允许的波动和变化范围作明确定义 软件无线电中的放大器 噪声系数 噪声系数是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值 单位常用 dB 噪声系数由下式表示 NF 10lg输入端信噪比 输出端信噪比在放大器的噪声系数比较低 例如NF 1 的情况下 通常放大器的噪声系数用噪声温度 T 来表示 噪声系数与噪声温度的关系为 T NF 1 T0或NF T T0 1 软件无线电中的放大器 输入 输出驻波比 微波放大器通常设计或用于50 阻抗的微波系统中 输入 输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗 50 的匹配程度 VSWR 1 1 其中反射系数 Z Z0 Z Z0 Z为放大器输入或输出端的实际阻抗 ZO为需要的系统阻抗 软件无线电中的放大器 1分贝压缩点输出功率 P1dB 放大器有一个线性动态范围 在这个范围内放大器的输出功率随输入功率线性增加 这两个功率之比就是功率增益G 随着输入功率的继续增大 放大器进入非线性区 其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加 也就是说 其输出功率低于小信号增益所预计的值 通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点 用P1dB表示 软件无线电中的放大器 软件无线电中的放大器 典型情况下 当功率超过P1dB时 增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率 其值比P1dB大3 4dB 软件无线电中的放大器 三阶截点 IP3 测量放大器的非线性特性的一个颇为流行的方法 是利用两个相距5到10MHz的f1 f2信号加到一个放大器上 此时放大器的输出不仅包含了这两个信号 而且也包含了频率为mf1 nf2的互调分量 IM 这里称m n为互调分量的阶数 在中等饱和电平时 通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶分量 三阶截点 IP3 来表征互调畸变很严重是的输入电平 三阶截点功率的典型值比P1dB高10 12dB 软件无线电中的放大器 三阶截点 IP3 IP3可以通过测量IM3得到 计算公式为 IP3 PSCL IM3 2 其中PSCL单载波功率 如三阶互调点已知 则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式估计 基波与三阶互调抑制比 2 IP3 PIN G 三阶互调杂散电平 3 PIN G 2IP3 4 1 3前馈放大器 前馈放大器原理可用下图来描述 该放大器由环路1和环路2组成 对于双频信号通过非线性放大器时所产生的失真 可以通过前馈对消 4 2软件无线电中的A D A技术 软件无线电的基本思想就是让模拟电路尽量简单 将A D和D A尽量靠近射频前端 要求A D器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽 本部分主要讨论如何A D D A转换器实现软件无线电中的模 数和数 模变换 4 2 1A D转换器原理 A D转换器功能 将模拟电压成正比地转换成数字量 A D转换器原理 ADC工作过程与结构 4 2 2A D转化器的性能指标 转换灵敏度信噪比 SNR 有效转换位数 ENOB 孔径误差无杂散动态 SFDR 非线性误差互调失真 IntermodulationDistortion 总谐波失真 TotalHarmonicDistortion 4 2 3A D转换器的选择 A D转换器选择原则1 采样速率选择2 采用分辨率较好的A D器件3 一般说来A D转换位数越高越好4 根据环境条件选择A D转换芯片的环境参数5 根据接口特征选择适合的A D转换器输出状态 A D转换器分类 基于变换原理1 逐次比较式2 并行式A D转换器3 ADC转换器4 采样ADC5 电子雪堆技术ADC典型的A D转换器参见书P112 115常见的AD转换器件的结构 A D转换器的选择 4 2 4数据采集模块的设计 略 参见书P115 118各部分电路的设计 4 2 5DA转换器的基本原理 D A功能 将数字量成正比地转换成模拟量 4 3软件无线电中的数字下 上变频器 在超外差式软件无线电接收机中 数字下变频DDC技术是核心技术之一 数字下变频器的组成结构 数字混频器 数字控制振荡器NCO和低通滤波器 软件无线电中的数字下 上变频器 由NCO产生两路正交信号做混频用 NCO可以通过直接数字合成技术DDS实现 其基本原理框图见下 从原理上讲 DDC与模拟下变频实现相同的功能 不过其实现是通过数字运算来进行的 影响数字下变频性能的主要因素 1 表示数字本振 输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差 2 数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值 软件无线电中的数字下 上变频器 DDC的组成部分 数字控制振荡器的原理 参见书P123 126 典型的数字下变频器 参见书P125 137 软件无线电中的数字下变频器的应用 软件无线电中的数字下 上变频器 4 4高速数字信号处理器 概述典型DSP器件DSP器件的软件开发流程 略 应用举例 略 高速数字信号处理器 典型DSP器件目前主要DSP生产商包括TI ADI Motorola Lucent和Zilog等 其中T