软件无线电发射机 PPT课件

软件无线电发射机 专业 通信与信息系统姓名 杨行学号 2120110951 2 软件无线电发射机 1 软件无线电简介2 软件无线电的结构3 软件无线电发射机的数学模型4 软件无线电发射机的结构5 发射机功放线性化 3 1 软件无线电简介 1992年 JosephMitola在美国通信系统会议上首次明确提出了软件无线电 softwareradio 的概念 中心思想 构造一个具有开放性 标准化 模块化的通用硬件平台 将各种功能 如工作频段 调制解调类型 数据格式 加密模式 通信协议等用软件来完成 并使宽带A D和D A转换器尽可能靠近天线 以研制出具有高度灵活性 开放性的新一代无线通信系统 4 2 软件无线电的基本结构 软件无线电的结构 主要由天线 射频前端 宽带A D D A转换器 通用或专用数字信号处理器以及各种软件组成 5 基于采样方式的不同 软件无线电的组成结构可以分成以下3种 1 射频低通采样结构2 射频带通采样结构3 宽带中频带通采样结构 6 2 1射频低通采样软件无线电结构 射频低通采样数字化的软件无线电 其结构简洁 把模拟电路的数量减少到最低程度 是最理想的软件无线电结构 7 2 2射频带通采样软件无线电结构 射频带通采样软件无线电结构在A D前采用了窄带电调滤波器 根据所需的处理带宽进行带通采样 从而降低了对A D采样速率和后续DSP处理速度的要求 此结构将会成为未来软件无线电发展的主流 8 2 3宽带中频带通采样软件无线电结构 宽带中频带通采样软件无线电结构类似于中频数字化接收机的结构 采用了多次混频体制或叫超外差体制 其主要特点是中频带宽更宽 所有调制解调等功能全部由软件加以实现 是近期软件无线电一种比较可行的设计方案 9 软件无线电的发射机的基本组成结构为 本节将讨论3种不同的发射机数学模型 单通道发射机数学模型多通道发射机数学模型信道化发射机数学模型 3 软件无线电发射机数学模型 10 3 1单通道软件无线电发射机模型 任何一个无线电信号均可表示为 式中 分别表示该信号的幅度调制信息和相位调制信息 为信号载频 对上式进行数字化 可得 式中 为采样间隔 上式可简化为 11 为便于进行信息调制 通常进行正交分解 式中 也就是说 给定任何一种调制方式 就可以计算出相应的两个正交分量I n Q n 然后分别与两个正交本振相乘并求和 即可得到调制信号S n 12 由于两个正交基带信号I n Q n 的带宽仅为信号带宽 为使产生的基带信号与后面的采样速率相匹配 在进行正交调制之前必须通过内插把低数据速率的基带信号提升到采样频率上 整个实现过程如下图 本结构又称基频发射机 13 如何用目前中低速采样率的发射机来产生更高频率的信号 1 利用模拟上变频的办法来实现 2 采用内插技术实现数字上变频 内插技术的基本原理 设调制模型产生的数字谱为 对S n 进行I倍内插后的信号谱为 14 用数字带通滤波器滤出第m次镜频 就相应得到了载频为m倍于基带载频 m 1 的高频信号 15 数字带通滤波器实现起来比较困难 可以采用下面的模拟域滤波方案 16 上面结构要求D A要有相当高的转换速率 为避免内插给D A带来的负担 可以设想把内插移至D A之后通过模拟接零开关来实现 如下图 17 3 2多通道软件无线电发射机模型 18 本结构其实就是多个单通道发射机构成的并行发射机 本结构可以同时发射的多个信号只能位于某个单通道发射机的频段内 即 19 3 3信道化软件无线电发射机模型 前面的两种模型只能对单个信号或有限几个信号进行调制发射 如果信道数比较多 则多通道方案就显得过于复杂 信道化模型不仅能同时发射整个处理带宽 0 fs 内所有信道上的信号 而且运算效率高 实时处理能力强 结构简单 本结构核心与信道化接收机相同 都是基于多相滤波器 通过内插的方式来实现的 20 信道化发射机直接频谱搬移过程 1 对i个待发射基带复信号mi t 进行频率为fs的采样 得到的数字谱如下图所示 2 对进行I倍内插和滤波后得到的数字谱为下图所示 21 3 然后分别用移频因子把基带移至处 如下图所示 其中由下式确定 为了简化 修改移频方法如下图所示 22 整个频谱搬移过程的原理图 23 4 软件无线电发射机的结构 外差式发射机零中频发射机低中频发射机 24 4 1外差式发射机 1 模拟中频结构 25 4 1外差式发射机 2 数字中频结构 26 外差式发射机优点本振仅需要在一个频率上实现相位正交和幅度平衡 易于实现整个系统性能良好 外差式发射机缺点需要多级变换 系统复杂度较高至少需要两个本振需要特定的中频滤波器 对应结构的接收机不易单片实现 27 4 2零中频发射机 1 模拟正交直接变换结构 28 4 2零中频发射机 2 数字正交直接变换单DAC结构 29 4 2零中频发射机 3 数字正交直接变换双DAC结构 30 零中频发射机优点系统层次少 复杂度低 易于集成由于没有中频 镜像信号与所需信号完全重合 滤波器大为简化 零中频发射机缺点本振需要保证相位正交和幅度均衡的两路输出有直流偏移失真需要宽带混频器功放线性化电路需要工作在整个频带内本振信号会通过天线泄露 31 4 3低中频发射机 与外差式发射机相比 由于两次变频都采用了正交上变频 因此可以很好地抑制镜像信号的产生 大幅降低后级滤波器的实现难度能消除零中频发射机的本振泄漏和本振牵引等问题 易于集成化 综合性能较好 32 5 发射机功放线性化 通信系统普遍采用线性调制方式 信号包络起伏变化 因此发射机需要能够实现线性放大非线性放大的后果 带内信号失真 系统性能下降带外互调分量 产生邻道干扰发射机功放线性化的常用方法 输出功率回退法前馈法预失真法 33 5 1输出功率回退法 基本原理 把放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退几个dB 使放大器远离饱和区 工作在线性区 34 效果 一般情况下 当基波功率减小1dB时 三阶交调失真IM3改善3dB优缺点 简单 易实现效率低 成本高适用于小功率 线性要求不高的系统 35 5 2前馈法 基本原理 先产生误差信号 并在功放输出时减去该信号 以实现线性放大优缺点 能大大改善功放的线性度成本较高 难度大 功放的效率会比较低 36 5 3预失真法 预失真是指在功放输入前加入预失真器 预失真器电路的非线性与功放产生的非线性相反 从而使两者构成的电路整体表现为线性 37 预失真又分为模拟预失真和数字基带预失真 模拟预失真一般采用模拟电路来实现 具有电路结构简单 难度小 成本低等优点 缺点是线性度改善不高 高阶频谱分量难抵消 数字基带预失真是近几年发展起来的一种新型技术 是线性功放发展的主流 优势是可以利用现代信号处理技术进行处理 并且能跟随放大器特性的变化及时更新预失真电路的参数 线性度高 效率高 38 数字基带预失真的硬件原理图 39 参考文献 杨小牛 楼才义 徐建良 软件无线电