第四章_软件无线电的硬件实现.doc

第四章_软件无线电的硬件实现.txt爱情是艺术，结婚是技术，离婚是算术。这年头女孩们都在争做小“腰”精，谁还稀罕小“腹”婆呀？高职不如高薪，高薪不如高寿，高寿不如高兴。 本文由meilikaola贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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 宽带 和 数字上下变频器 高速数字信号处理器 宽带A/D 宽带 数字下变 频器 DSP处 处 理器 模拟前端 宽带D 宽带 /A 数字上 变频器 4.1 软件无线电前端电路 主要任务： 主要任务： 把接收到的信号变换至适合A/D转换 （1）把接收到的信号变换至适合 转换 器处理的信号频率和电平范围内。 器处理的信号频率和电平范围内。 （2）把宽带 ）把宽带D/A转换器的输出信号转换至 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。 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 根据软件无线电的结构不同， 的结构不同。 的结构不同。 传统模拟接收机的前端电路 带通 滤波 低噪声 放大 窄带 滤波 中放 窄带 滤波 中放 （窄带） 窄带） （窄带） 窄带） 一本振 小步进） （小步进） AGC 二本振 特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频率 特点：模拟器件使用较多； 和带宽通常固定； 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。 带滤波器，使得信号幅相畸变较大。 中频数字化接收机前端 带通 滤波 低噪声 放大 宽带 滤波 一中放 (宽带 宽带) 宽带 宽带 滤波 二中放 (宽带 宽带) 宽带 一本振 大步进） （大步进） AGC 二本振 较前一种结构有较大改善，带通滤波器和放 较前一种结构有较大改善， 大器都是宽带的，而且一本振的频率是大步 大器都是宽带的， 进的，实现较方便。 进的，实现较方便。 射频数字化结构 收/发 电调滤波 放大 A/D DSP 放大 A/D 本结构简洁明了，随着A/D器件的发展，这种 本结构简洁明了，随着 器件的发展， 器件的发展 结构性能将不断提高。 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、 要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、 AGC控制等组成。 控制等组成。 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 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： 电调滤波器的主要技术指标： ? 频段 1.5 - 4MHz；4 - 10MHz； 频段: ； ； 10 - 30MHz；30 - 90MHz； ； ； 90 - 200MHz；200 - 700MHz； ； ； 400 - 700MHz；700 - 1000MHz; ； ? 输入输出阻抗：50 输入输出阻抗： ? 滤波器通带带觉：中心频率的 一5； 滤波器通带带觉：中心频率的2 ； 软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的主要技术指标： 电调滤波器的主要技术指标： ? 插入损耗： 插入损耗： ：6dB； ； ? 调谐码：8 bits： 调谐码： ： ? 调谐速度：10 us ( 30MHz以上） 调谐速度： 以上） 以上 H( f ) 30dB带宽 软件无线电中的电调滤波器 电调滤波器的应用： 电调滤波器的应用： ? 调谐码： Cd = 250( fd ? f1 ) ( fh ? f1 ) 调谐码： ? 电调滤波器连接： 电调滤波器连接： 控制 电调滤波器 电 子 开 关 电调滤波器 电调滤波器 4.1.2 软件无线电中的放大器 电放大器的工作模式： 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 由于软件无线电的接收通道是宽带的， 甚至是宽开的，通带内的信号可能有很多， 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、 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。 而只能用线性放大器。否则就会引起许多非 线性产物。 线性产物。 ? 宽带放大器中常用前馈 (Feedforward) 和反 两种技术。 馈 (Feedback) 两种技术。前者主要用于提 高放大器的杂波等指标， 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。 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： 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： 工作频率范围。 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。 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 功率增益： 的比值，单位常用“ 的比值，单位常用“dB”。 。 ? 增益平坦度：指在一定温度下，在整个工 增益平坦度：指在一定温度下， 作频率范围内，放大器增益变化的范围。 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: 增益平坦度由下式表示 ?G=（Gmax-Gmin）/2 dB ） 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 放大器增益窗： 用增益窗的定义方法（ 用增益窗的定义方法（不含窄带功率放大 ），是根据放大器允许的最大增益 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 ，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 大器的增益波动 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。 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 噪声系数： 大器输出端信噪比的比值，单位常用“ 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： 噪声系数由下式表示： NF = 10 lg 输入端信噪比 输出端信噪比 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 在放大器的噪声系数比较低（例如NF1） ） 的情况下， 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 ）来表示。 系为： （ 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 输入/输出驻波比： 输出驻波比 用于50 阻抗的微波系统中，输入 输出驻波 阻抗的微波系统中，输入/输出驻波 用于 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。 的匹配程度。 要求阻抗 的匹配程度 VSWR = (1 + | ) / (1-| ) ； ? 其中反射系数 ( Z-Z0 )/( Z+Z0 )；Z为放 其中反射系数= ； 为放 大器输入或输出端的实际阻抗； 为需要 大器输入或输出端的实际阻抗；ZO为需要 的系统阻抗。 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 分贝压缩点输出功率（ ）：放大器有 分贝压缩点输出功率 ）： 一个线性动态范围， 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， 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。 之比就是功率增益 。随着输入功率的继续 增大，放大器进入非线性区， 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， 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。 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 常把增益下降到比线性增益低 时的输出 功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用 压缩点， 功率值定义为输出功率的 压缩点 P1dB表示。 表示。 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 典型情况下，当功率超过P1dB时，增益将 P1dB 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 P1dB大 4dB。 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 三阶截点（ ）： ）：测量放大器的非线性特 的一个颇为流行的方法， 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， 信号加到一个放大器上 到 的 、 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， 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 为互调分量的阶数。 （IM）。这里称m+n为互调分量的阶数。 在中等饱和电平时， 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（ ） 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。 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。 截点功率的典型值比 高 。 软件无线电中的放大器 三阶截点（IP3）： 可以通过测量 三阶截点（ ）： ）：IP3可以通过测量 可以通过测量IM3得 得 计算公式为： 到，计算公式为：IP3 = PSCL + IM3/2； ； ? 其中 其中PSCL 单载波功率；如三阶互调点已知， 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： 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 前馈放大器原理可用下图来描述。 1 和环路 组成。对于双频信号通过非线性放大器 和环路2 组成。 时所产生的失真，可以通过前馈对消。 时所产生的失真，可以通过前馈对消。 4.2 软件无线电中的 软件无线电中的A/D/A技术 技术 软件无线电的基本思想就是让模拟电路 尽量简单， 尽量简单，将A/D和D/A尽量靠近射频前 和 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 要求A/D器件具有适中的采样速率和很高 的工作带宽。 的工作带宽。 ? 本部分主要讨论如何 本部分主要讨论如何A/D、D/A转换器实 、 转换器实 现软件无线电中的模/数和数 模变换。 数和数/模变换 现软件无线电中的模 数和数 模变换。 4.2.1 A/D转换器原理 A/D转换器功能: 将模拟电压成正比地转换 转换器功能 转换器功能 成数字量 输入模拟电压 UI 0 5V 分辨率:5V/255=0.0196V/ 分辨率 每1个最低有效位 个最低有效位 输出数字量 A/D D7D0 00000000 11111111 A/D转换器原理 ADC工作过程与结构 ADC工作过程与结构 电源 A/D 精密稳 压电源 模拟 输入 A/D电 电 路 时序控 制电路 转换器 三 态 器 门 输 A/D转换 转换 转换 4.2.2 A/D转化器的性能指标 ? ? ? ? ? ? ? 转换灵敏度 信噪比（ 信噪比（SNR） ） 有效转换位数（ 有效转换位数（ENOB） ） 孔径误差 无杂散动态（ 无杂散动态（SFDR） ） 非线性误差 互调失真（ 互调失真（Intermodulation Distortion） ） 总谐波失真（ 总谐波失真（Total Harmonic Distortion） ） 4.2.3 A/D转换器的选择 A/D转换器选择原则 转换器选择原则 1）采样速率选择 ） 2）采用分辨率较好的 ）采用分辨率较好的A/D器件 器件 3）一般说来 ）一般说来A/D转换位数越高越好 转换位数越高越好 4）根据环境条件选择 ）根据环境条件选择A/D转换芯片的环 转换芯片的环 境参数 5）根据接口特征选择适合的 ）根据接口特征选择适合的A/D转换器 转换器 输出状态 A/D转换器的选择 A/D转换器分类基于变换原理 转换器分类基于变换原理 转换器分类 1）逐次比较式 ） 2）并行式 ）并行式A/D转换器 转换器 3）? ADC转换器 ） 转换器 4）采样 ）采样ADC 5）电子雪堆技术 ）电子雪堆技术ADC ? 典型的 典型的A/D转换器 转换器 参见书P112115 常见的 转换器件的结构。 常见的AD转换器件的结构 转换器件的结构。 参见书 4.2.4 数据采集模块的设计（略） 数据采集模块的设计（ 参见书 参见书P115118各部分电路的设计。 各部分电路的设计。 各部分电路的设计 A/D转换命令 转换命令 模拟 输入 采样/ 采样 保持器 A/D 转换器 读取数据命令 转换完成信号 接 口 计算机 A/D 4.2.5 DA转换器的基本原理 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 功能: 功能 4位 位 8位 位 10位 位 12位 位 16位 位 数字量 n位 位 模拟量 n= D/A 05V或 或 010V 电阻网络 R R 求和运算放大器 3R R 2R + 3R/2 S0S3: + UO 输出 模拟 电压 2R 2R S0 2R S1 2R S2 2R S3VREF D0 D1 D2 D3 精密参 考电压 模拟电子开关 D=0, S倒向地 倒向地 D=1, S倒向 REF 倒向V 倒向 输入4位二进制数 输入 位二进制数 4.3 软件无线电中的数字下 上 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， 在超外差式软件无线电接收机中，数字下 技术是核心技术之一。 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， 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。 和低通滤波器。 荡器 和低通滤波器 x(n) NCO 高抽取 滤波器 FIR 高抽取 滤波器 FIR 格 式 转 换 软件无线电中的数字下/上变频器 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 产生两路正交信号做混频用， 产生两路正交信号做混频用 实现。 可以通过直接数字合成技术 DDS 实现。其 基本原理框图见下。 基本原理框图见下。 频率控制码 Nbit Nbit 相位累加器 Mbit ROM 正弦查询表 时钟信号f 时钟信号 c 软件无线电中的数字下/ 软件无线电中的数字下/上变频器 从原理上讲，DDC与模拟下变频实现相同 从原理上讲， 与模拟下变频实现相同 的功能， 的功能，不过其实现是通过数字运算来进 行的。 行的。 ? 影响数字下变频性能的主要因素： 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 ）表示数字本振、 法运算的样本数值的有限字长所引起的误 差。 （2）