软件无线电技术

软件无线电技术softwaredefinedradio(SDR),郑振耀,内容,软件无线电技术的基本概念和相关原理利用软件无线电技术设计数字正交解调器和由CIC滤波器、半带滤波器和线性相位FIR滤波器级联组成的滤波器组进行数据抽取和滤波。数据预处理模块：为了获得更好的信号处理结果，在滤波器组加入。,软件无线电的起源及概念,软件无线电技术是基于一个统一、开放的、可方便扩充的硬件平台，强调将尽可能多的通信功能用软件加以定义和实现，具有通用性广、可移植性好、灵活性强等优点。1992年5月，在美国电信系统会议(IEEENationalTelesystemsConference)上，MITRE公司的JoeMitola博士首次明确提出了软件无线电的概念。Mitola博士最早提出软件无线电的概念是“应用软件实现无线电的功能”，即在处理器能力允许的范围内，由软件完成信号的编码、解码、调制、解调、扩频、解扩等功能，强调无线电信号处理的工作由软件而不是专用数字器件完成。1998年成立的SDR(SoftwareDefinedRadioForum)论坛将软件无线电的概念发展成为软件定义无线电(SoftwareDefinedRadio)。即在通用硬件结构下，使用软件来定义硬件系统的功能，使得在同样的硬件平台上，通过软件的定义来生成具有不同功能的器件。这一概念所强调的是软件灵活性和硬件标准化的结合。,软件无线电(SoftwareDefinedRadio，SDR)：采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。软件无线电台就是要将数字信号处理技术应用于天线端的射频(RF)信号处理，亦即将宽带A/D和D/A变换器尽可能靠近天线端使用，而且其功能及各种工作参数都可以通过软件来定义。,对软件无线电概念理解的关键在于：1、软件无线电采用通用的硬件平台，这个平台具有模块化和标准化的特点，能够方便灵活的重新定义或配置功能。2、软件无线电与软件控制的数字无线电的根本区别在于：软件无线电系统的无线电功能是通过加载不同的软件而不是由固定的硬件电路来完成的。软件无线电的最终目的就是要使通信系统摆脱硬件结构的束缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能。,软件无线电的体系结构,软件无线电系统由三大部分组成：射频处理部分，中频基带处理部分以及控制管理和支持部分。射频处理部分包括所有射频模拟器件，中频基带处理部分完成所有的数字化处理，而控制管理和支持部分完成整个系统的运行维护、提高服务质量以及新业务的开发等任务。软件无线电系统的一般体系结构如图,软件无线电的主要研究内容包括：系统软件设计技术、高速数字信号处理技术、多信道数据交换技术、高速A/D、D/A技术、宽带射频和模块化技术、嵌入式开放系统控制技术等等。软件无线电发展的目标：实现具有可以根据无线电环境变化而自适应地配置收/发信机的数据速率、信道编、译码方式，调制、解调方式，甚至调整信道频率、带宽以及无线接入方式的智能化高品质无线通信系统，并且更加充分地利用频谱资源。,软件无线电的关键技术-宽带/多频段天线,理想的软件无线电系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段。由于内部阻抗不匹配，不同频段电台的天线是不能混用的；软件无线电台覆盖的频段为2MHz2000MHz；组合式多频段天线：就目前水平而言，研制一种全频段天线是不可能的。一般情况下，大多数系统只要覆盖不同频段的几个窗口，不必覆盖全部频段。,软件无线电的关键技术-高速宽带A/D/A变换,数字化是软件无线电的基础。在软件无线电通信系统中，要达到尽可能多的以数字形式处理无线信号，必须把A/D转换尽可能地向天线端推移，这样就对A/D转换器的性能提出了更高的要求。A/D、D/A转换器件技术特性的一些参数包括：量化信噪比(SNR,SignalNoiseRatio)、无杂散动态范围(SFDR,SpuriousFreeDynamicRange)、噪声功率比(NPR,NoisePowerRatio)和全功率模拟输入带宽等。随着技术的发展，A/D、D/A位置越来越接近天线，最终达到理想软件无线电的目标。,软件无线电的关键技术-高速数字信号处理（DSP）,理想的软件无线电中DSP要处理直接对射频信号的A/D转换数据并完成通信所要求的各种功能。这对DSP的性能要求非常高。即使采用中频采样软件无线电结构，要完成包括数字滤波、调制解调、信道编码、同步、通信协议等功能，对DSP性能的要求也是非常高的。DSP是限制软件无线电发展的一个瓶颈问题，DSP技术的发展将使软件无线电的软件化程度和性能逐渐提高，从而实现理想的软件无线电。研制速度更高和功能更强大的DSP芯片已经成为影响软件无线电发展的关键。,软件无线电的关键技术-关键算法,用软件实现设备的各种功能，首先要把对设备各功能的物理描述转化为对各功能数学描述，即建立系统及各功能模块的数学模型；其次要把数学模型转换成可以用计算机语言描述的算法；最后把算法转换成用计算机语言编制成的程序，使计算机可以完成相应的功能。为了实现软件接收系统的多种多样的功能，各种软件算法成为软件无线电的关键。主要算法包括数字信道处理、全数字同步算法、一些基本信号的调制解调算法等。随着对软件无线电技术研究的深入，各种准确、高效的算法将被逐步提出，这也将大大促进软件无线电的发展。,软件无线电理论基础,基本采样理论Nyquist采样定理带通信号采样理论整数倍内插整数倍抽取取样率的分数变换,基本采样理论Nyquist采样定理,Nyquist采样定理：设有一个频率带限信号x(t)，其频带限制在内，如果以不小于的采样速率对x(t)进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号(其中称为采样间隔)，则原信号x(t)将被所得到的采样值x(n)完全地确定。如果对一个频带有限的时间连续的模拟信号进行采样，当采样速率达到一定数值时（不低于信号最高频率两倍的采样速率），那么根据它的采样值就能重建原信号。也就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，只需传输按抽样定理得到的抽样值即可。,分析Nyquist采样定理：,引入单位冲激函数，构成周期冲激函数：根据冲击函数的性质可知：为原点连续的任意信号把用傅里叶级数展开可得,那么上式可以改写为,由此可见，抽样信号的频谱为原信号频谱频移后的多个叠加。,带限信号x(t)可以由其取样值x(n)来准确的表示，只要采样时满足Nyquist采样定理。,带通信号采样理论,Nyquist采样定理只讨论了频谱分布在(0，)上的基带信号的采样问题，如果信号的频率分布在某一有限的频带上时，当然仍然可以按照的采样速率进行采样，但是当时，即信号的最高频率远远大于其信号带宽B时，其采样的频率会很高，以致很难实现。,采样后信号频谱是原信号频谱以采样速率为周期的延拓。为了使频谱不重叠，则信号作周期延拓时应满足一定的条件。,一种常见的带通采样频率表达形式为：,当频带宽B一定时，为了能用最低采样速率对带通信号进行采样，带通信号的中心频率须满足：,带通采样定理适用的前提条件是：只能允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将引起信号混叠。例如：当在(B,2B)频带上存在信号时，在其他频带上就不能同时存在信号，为了满足这个前提条件，可以采用跟踪滤波器的办法来解决，就是在采样前先进行滤波，即当需要对某一中心频率的带通信号进行采样时，先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率上，滤出所感兴趣的带通信号，然后再进行采样，防止信号混叠。这样的跟踪滤波器称之为抗混叠滤波器。,整数倍内插,带通采样定理的应用大大降低了所需的射频采样速率，为后面的实时处理奠定了基础。但是，从对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽应该越宽越好。但是随着采样速率的提高，随之而来出现的一个问题就是采样后的数据流速率很高，致使后续的信号处理速度跟不上，因此很有必要对A/D后的数据进行降速处理。降速处理的实质是对采样后的数据进行二次采样，其中最重要最基本的理论是抽取和内插。抽取是减少抽样率以去掉多余数据的过程，插值是增加抽样率以增加数据的过程。多速率信号处理技术为这种信号的降速提供了理论依据。,整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间等间隔的插入(I-1)个零值，若设原始抽样序列为x(n)，则内插后的序列为：,设x(n)的z变换和傅里叶变换分别为X(z)和，下面讨论内插信号的频谱与原始信号频谱之间的关系。,将代入，得到：,可以看出，内插后的信号频谱为原始序列频谱经I倍压缩后得到,I=2倍内插前后信号的频谱,利用内插不仅可以提高信号时域分辨率，而且也可以用来提高输出信号的频率，即实现信号的数字上变频(DUC)。,带通滤波器的频率特性为：,式中，n=1对应取出原始基带谱，n=2，3，4,对应取出基带谱的各次倍频分量，这时的内插器实际起到了上变频作用，是输出频率提高(I-1)倍，但是信号的频谱结构不变。,整数倍抽取,整数倍抽取是指把原始采样序列x(n)每D个数据取一个，以形成一个新的序列，即：,D为正整数,如果x(n)序列的采样率为，则其混叠带宽为。当以D倍抽取率对x(n)进行抽取后得到的抽取序列之取样率为，其无混叠带宽为，当以x(n)含有大于的频率分量时，就必然产生频谱混叠，导致从中无法恢复x(n)中小于的频率分量信号。,数学推到过程如下：,取样率的分数变换,设分数倍变换的变换比为R=D/I，可以通过先进行I倍内插再进行D倍抽取来实现。需要注意的是，尽可能先内插，后抽取，若抽取不混叠的话，可以先进行抽取后内插。,取样率为2/3时信号的频谱图,FFT、DFT补零问题,在计算k点的FFT时补0，可以让点数达到2N的数目，这样提高计算速度；在有效数据后面添上0，增加了点数，就可以提高频率分辨率。实际的数据，仅有16个，可以用16、32、64、128点的FFT，分别算出16、32、64、128个频率分量，都是分布在0fs之中。点数越多，密度明显加大。DFT可以看做是对DTFT的采样，补零仅是减小了频域采样的间隔。这样有利于克服由于栅栏效应带来的有些频谱泄露的问题。也就是说，补零可以使信号能在频域被更细致地观察。如果不满足上述“至少相差一个完整周期”的要求，即便是如DTFT一般在频域连续，也无法分辨出两个信号。思考题：末尾补零与首部补零效果的区别？,应用实例,接收机直接中频采样的方法与实现接收机直接射频采样的方法与实现,直接中频采样的方法与实现,在通信和雷达等电子系统中,接收机要求有较宽的带宽和较大的动态范围,这样既能保持接收信息的完整性,又提高了接收的可靠性和灵敏度,而且在较大的接收能量下能保持很好的线性度,不会使接收机饱和。目前,很多接收系统的中频信号都是通过晶体检波器进行正交相干检波以后转换为视频(低频)信号,然后再采用数字处理技术对信号进行处理。这样的模拟中频处理的优点是带宽比较宽、响应速度快,缺点是容易给视频信号引入噪声,系统动态范围小,以及由于模拟检波器件引起的幅相不平衡而造成很难消除的镜像分量。,直接中频采样的方法与实现,随着高速ADC和大规模集成电路技术的发展,ADC已经可以代替晶体检波器在中频甚至射频直接进行采样,并且能够保留有用的相位信息,通常这些相位信息在模拟检波处理时会丢失。数字信号不存在温漂、增益变化和直流电压偏置,因此很少需要校准,利用现有的数字信号处理技术和高速器件,可以在中频利用高速ADC和数字下变频技术代替传统的晶体检波器的模拟混频技术,将中频信号直接转换为数字视频信号,这样较模拟接收机可以实现更宽的带宽和理想的动态范围。,目前市场上已经有很多的ADC芯片采样频率可以达到65MHz甚至更高,对于中频接收系统的ADC选择要综合考虑采样速率、带宽、转换位数、无虚假动态范围(SFDR)等指标，可选择的有AD9235,AD9203等。专用直接数字下变频DDC(DigitalDownConverter)芯片如HSP50214/6,AD6620,AD6634,GC1012B都在单一芯片中集成了NCO和FIR滤波以及抽取功能,器件可编程控制,系统实现灵活,可靠性很高。现场可编程门阵列(FPGA)的速度和规模迅速发展,已经可以根据具体要求设计满足特定条件的滤波器和抽取比例,为高性能、大动态范围的数字接收设备提供了一种新的途径。,传统的中频信号处理框图,传统的模拟接收机由于检波器等器件的动态范围限制,线性动态范围很难大于60dB,比较容易使接收机过载饱和,因此不能充分利用信号所带的全部信息。数字接收机的最大优点是可获得很大的线性动态,达到100dB以上，这为增益控制等带来很大的方便。,1.基于Hilberet变换的数字下变频,经过Hilbert变换后得到的信号与原有的信号所组成的复数信号经过两倍抽取,然后进行频谱搬移就获得了零中频信号。此方式的难点是设计一个Hilbert变换器,通常用FIR滤波器来近似,但是随着阶数的增大,整个系统的实现变得非常复杂和困难,实际应用较少。,2.基于FFT的数字下变频,由于正交滤波的根本目的在于将对称的镜像频率分量滤除,因而可以在频域进行处理,即将中频采样后的数字信号直接做FFT,将频谱中的负频率分量滤除,同时将频谱进行搬移,实现从中频到视频的下变换,这样处理十分精确,从理论上讲镜频抑制比可以达到无限,存在的主要问题是高速中频采样的信号进行FFT时运算量巨大,目前器件的运算速度还不能满足实时性的要求,但这种方法是今后的发展方向,是数字中频接收机将采用的方案。,3.基于FIR滤波器的数字下变频器,FIR滤波器因无反馈支路,其稳定性好,省了数据存储,而且设计简单,最主要的是可以实现线性相位,因此被广泛采用。FIR滤波器在这种结构中的设计也非常关键。采样频率需要和中频信号相参,这是这种结构实现的一个瓶颈,有限长单位冲激相应（FIR）数字滤波器,4.基于数字正交混频的数字下变频器,基于数字正交混频的数字下变频器是一种通用的结构,基于FIR滤波器的数字下变频器则是这种结构的特例。,数字相干检波所需的振荡器为NCO(NumericallyControlledOscillator),即数字控制振荡器。在NCO之后的数据速率就是采样率。通常ADC的采样率远远大于信号的中频带宽,是非常高的,故需经过低通滤波器后进行抽取,因此,设计一个高效的数字低通滤波器和抽取比例都是非常重要的。利用上述结构完成数字相干检波、数字低通滤波器的设计,然后进行抽取,获得视频信号。抽取和内插是常用的改变采样率的方法,内插提高了信号在时域的分辨率,在原采样点之间插入M-1个零值,相当于把采样速率提高M倍,再通过低通滤波器得到有效信号,抽取则提高了信号在频域的分辨率,如果每隔N-1个点抽取一个,则相当于采样率降低N倍,抽取往往是通过多级来实现的,抽取前的信号由于采样而扩展了频谱,因此必须先进行低通滤波。,NCO的理论基础是采样和量化理论,其相位角度和正弦幅度都是离散的量化值,相位截尾和幅度量化不可避免。影响数字下变频器性能的主要因素有两个:一个是数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本值的有限字长效应所引起的误差;另一个是数字本振相位分辨率不够引起数字本振样本数值的近似取值。这两个因素是在后续的数字滤波器设计时应该考虑的。,AD8336简介,AD8336是一款低噪声、单端、线性dB、通用型可变增益放大器，可以在较大的电源电压范围内工作。它内置一个非专用前置放大器，可用增益范围为6dB至26dB，采用传统方式通过外部电阻确定。VGA增益范围为0dB至60dB，绝对增益限制为-26dB至+34dB。当前置放大器增益调整为12dB时，前置放大器与VGA的合并3dB带宽为100MHz，该放大器在80MHz内完全可用。采用5V电源时，最大输出摆幅为7V峰峰值。为了适应宽频谱的应用需要，差分增益控制接口可以在-55C至+125C温度范围内提供精确的50dB/V线性dB增益调整。在AD8336的共模电压限制内，差分增益控制易于与各种外部电路进行接口。较大电源电压范围使得AD8336特别适合工业、医疗应用和视频电路。双电源工作支持双极性输入信号，如光电二极管或光电倍增管所产生的输入信号。,应用工业过程控制高性能AGC系统I/Q信号处理视频工业和医疗超声雷达接收机产品特性：低噪声电压噪声=3nV/Hz电流噪声=3pA/Hz小信号带宽：115MHz大信号带宽：2V峰峰值=80MHz压摆率：550V/s，2V峰峰值增益范围（额定）-14dB至+46dB，0dB至60dB增益调整：50dB/V直流耦合温度范围：-55C至+125C功耗：150mW（3V，-55CT+125C）84mW（3V，PWRA=3V）,AD8132,AD8132放大器具有单输入或差模输入和差模输出的特点，并且是低成本的。AD8132独特的内部反馈，可以很好地调整输出增益。它利用电阻来控制增益，当AD8132工作在10MHz时，便能保持-68dB的相位平衡，还可以抑制谐波，并能有效降低电磁辐射。这一点是驱动差模输入A/D转换器或者长距离传输信号用运算放大器技术的一大改进。在ADI公司基于双极性XFCB技术基础上的系列产品中，AD8132除了低成本以外，其通带频率可高达350MHz，并能传输差模信号。它在5MHz时只有-99dBc的SFDR失真度。AD8132不必带有高性能的A/D转换器的发送器，也不会损失低频信息和直流信息，其差模输出端的共模电平可以利用VOCM管脚的输入电压来调整。这样在驱动单电源的A/D转换器中，也可以快捷地平移输入电频。AD8132的采样准确性可以通过其快速的过载恢复能力来保证。,AD6645,AD6645是一款高速、高性能、14位单芯片模数转换器。芯片上集成了全部必需功能，包括采样保持器(T/H)和基准电压源，可提供完整的信号转换解决方案。该器件提供CMOS兼容型数字输出。它是宽带ADC系列继AD9042(12位,41MSPS)、AD6640(12位,65MSPS,中频采样)和AD6644（14位、40MSPS/65MSPS）之后的第四代产品。AD6645是ADI公司SoftCell收发器芯片组的一部分，专为多通道、多模式接收机而设计。它在第二奈奎斯特频带内保持100dB的多音无杂散动态范围(SFDR)，这一性能突破可减轻多模式数字接收机（软件无线电）的负担，使之不再受制于ADC。噪声性能非常出色，第一奈奎斯特频带内的信噪比典型值为74.5dB。,特性信噪比(SNR)：75dB(fIN为15MHz，最高105MSPS)信噪比(SNR)：72dB(fIN为200MHz，最高105MSPS)无杂散动态范围(SFDR)：89dBc(fIN为70MHz，最高105MSPS)多音无杂散动态范围(SFDR)：100dBFS中频采样频率高达200MHz采样抖动：0.1ps功耗：1.5W差分模拟输入与AD6644引脚兼容二进制补码数字输出格式3.3VCMOS兼容提供数据就绪指示，可实现锁存输出应用多通道、多模式接收机基站基础设施AMPS、IS-136、CDMA、GSM、W-CDMA单通道数字接收机天线阵列处理通信仪器雷达、红外成像仪器仪表,AD6634,FEATURES80MSPSWidebandInputs(14LinearBitsPlusThreeRSSI)ProcessesTwoWCDMAChannels(UMTSorCDMA20001)orFourGSM/EDGE,IS136ChannelsFourIndependentDigitalReceiversinaSinglePackageDual16-BitParallelOutputPortsDual8-BitLinkPortsProgrammableDigitalAGCLoopswith96dBRangeDigitalResamplingforNonintegerDecimationRatesProgrammableDecimatingFIRFiltersInterpolatingHalf-BandFiltersProgrammableAttenuatorControlforClipPreventionandExternalGainRangingviaLevelIndicatorFlexibleControlforMulticarrierandPhasedArray3.3VI/O,2.5VCMOSCoreUserConfigurableBuilt-InSelf-Test(BIST)CapabilityJTAGBoundaryScan,APPLICATIONSMulticarrier,MultimodeDigitalReceiversGSM,IS136,EDGE,PHS,IS95,UMTS,CDMA2000MicroandPicoCellSystems,SoftwareRadiosWirelessLocalLoopSmartAntennaSystemsInBuildingWirelessTelephony,软件无线电数字中频接收模块结构,进入数字正交解调器进行正交检波，以去除高频载波；解调后的信号送入数字接收器通过由CIC滤波器、半带滤波器、线性相位FIR滤波器等组成的多级滤波器系统进行级联滤波和数据抽取，以成功实现中频数字接收机的任务。,数字正交解调器的设计,被调制模拟信号可以用一个通式表示为：,对其数字化后有：,其中Ts=1/fs为采样间隔，也常将上式简写为：,将其进行正交分解后，表达式变为：,同相分量,正交分量,是一对正交的基带信号,数字正交解调器的结构图,多级滤波和数据抽取,由于A/D采样率接近80MHz，进行数字正交解调后，数字信号的速率依然是80MSPS，对于如此巨大的数据量是没有办法直接处理的，为了减少数据量，提高信号处理的效率，需要对该数字信号进行抽样，以降低数字信号的采样率，压缩数据量，只保留信号中的有效信息。但是抽样所带来的后果是信号的混叠，因此必须设计抽样滤波器对信号进行滤波。NMR谱仪信号处理中所需的抽取因子一般较大，要求信号带宽一般在10-100KHz之间，则抽样的倍数会达到800-8000。若用单级抽取滤波器则阶数会很大