第四章-软件无线电的硬件实现

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模拟前端宽带A/D数字下变频器DSP处理器数字上变频器宽带D/A§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。带通滤波低噪声放大窄带滤波中放（窄带）窄带滤波中放（窄带）一本振（小步进）AGC二本振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。带通滤波低噪声放大宽带滤波一中放(宽带)宽带滤波二中放(宽带)一本振（大步进）AGC二本振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。收/发电调滤波放大A/DDSP放大A/D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：50Ω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）30dB带宽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：电调滤波器电调滤波器电调滤波器电子开关控制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:ΔG=±（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ΔG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50Ω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(50Ω)的匹配程度。VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Г|)；其中反射系数Γ=(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）-2IP34.1.3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/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位A/D转换器原理ADC工作过程与结构A/D电路模拟输入三态门数字输出寄存器精密稳压电源电源主机读取命令时序控制电路A/D转换命令（来自主机）转换完成信号由主机检测或申请中断A/D转换器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。A/D转换器转换完成信号采样/保持器模拟输入读取数据命令计算机接口A/D板A/D转换命令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D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10V输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:模拟电子开关D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参考电压D0D1D2D3++-3R3R/2UO4.3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。高抽取滤波器高抽取滤波器FIR格式转换NCOx(n)FIR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。Nbit相位累加器ROM正弦查询表时钟信号fc频率控制码NbitMbit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ADCDDC1DDC2DDC3DDCn4.4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