第四章-軟件無(wú)線(xiàn)電的硬件實(shí)現(xiàn)

第四章軟件無(wú)線(xiàn)電的硬件實(shí)現(xiàn)

軟件無(wú)線(xiàn)電硬件平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)模擬前端寬帶A/D和D/A數(shù)字上下變頻器高速數(shù)字信號(hào)處理器模擬前端寬帶A/D數(shù)字下變頻器DSP處理器數(shù)字上變頻器寬帶D/A§4.1軟件無(wú)線(xiàn)電前端電路主要任務(wù)：（1）把接收到的信號(hào)變換至適合A/D轉(zhuǎn)換器處理的信號(hào)頻率和電平范圍內(nèi)。（2）把寬帶D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換至能被其他電臺(tái)接收的頻率和電平范圍。根據(jù)軟件無(wú)線(xiàn)電的結(jié)構(gòu)不同，前端電路的結(jié)構(gòu)不同。傳統(tǒng)模擬接收機(jī)的前端電路特點(diǎn)：模擬器件使用較多；濾波器中心頻率和帶寬通常固定；接收通道中使用較多的窄帶濾波器，使得信號(hào)幅相畸變較大。帶通濾波低噪聲放大窄帶濾波中放（窄帶）窄帶濾波中放（窄帶）一本振（小步進(jìn)）AGC二本振中頻數(shù)字化接收機(jī)前端較前一種結(jié)構(gòu)有較大改善，帶通濾波器和放大器都是寬帶的，而且一本振的頻率是大步進(jìn)的，實(shí)現(xiàn)較方便。帶通濾波低噪聲放大寬帶濾波一中放(寬帶)寬帶濾波二中放(寬帶)一本振（大步進(jìn)）AGC二本振射頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，隨著A/D器件的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)性能將不斷提高。射頻前端的接收部分主要由濾波器、放大器、混頻器、振蕩器、AGC控制等組成。收/發(fā)電調(diào)濾波放大A/DDSP放大A/D射頻前端的典型器件介紹濾波器放大器鏡像抑制中頻信號(hào)的線(xiàn)性化AGC設(shè)計(jì)4.1.1軟件無(wú)線(xiàn)電中的電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)：頻段:1.5-4MHz；4-10MHz；10-30MHz；30-90MHz；90-200MHz；200-700MHz；400-700MHz；700-1000MHz;輸入輸出阻抗：50Ω濾波器通帶帶覺(jué)：中心頻率的2％一5％；軟件無(wú)線(xiàn)電中的電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)：插入損耗：＜6dB；調(diào)諧碼：8bits：調(diào)諧速度：10us(30MHz以上）30dB帶寬軟件無(wú)線(xiàn)電中的電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器的應(yīng)用：調(diào)諧碼：電調(diào)濾波器連接：電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器電調(diào)濾波器電子開(kāi)關(guān)控制4.1.2軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器電放大器的工作模式：由于軟件無(wú)線(xiàn)電的接收通道是寬帶的，有時(shí)甚至是寬開(kāi)的，通帶內(nèi)的信號(hào)可能有很多，因此，在軟什無(wú)線(xiàn)電中不能用非線(xiàn)性放大器、而只能用線(xiàn)性放大器。否則就會(huì)引起許多非線(xiàn)性產(chǎn)物。寬帶放大器中常用前饋(Feedforward)和反饋(Feedback)兩種技術(shù)。前者主要用于提高放大器的雜波等指標(biāo)，而反饋用于提高放大器的穩(wěn)定性和帶寬指標(biāo)。軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器電放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：工作頻率范圍：指放大器滿(mǎn)足各級(jí)指標(biāo)的工作頻率范圍。放大器實(shí)際的工作頻率范圍可能會(huì)大于定義的工作頻率范圍。功率增益：指放大器輸出功率和輸入功率的比值，單位常用“dB”。增益平坦度：指在一定溫度下，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，放大器增益變化的范圍。增益平坦度由下式表示:ΔG=±（Gmax-Gmin）/2dB軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器放大器增益窗：寬帶放大器的增益定義采用增益窗的定義方法（不含窄帶功率放大器），是根據(jù)放大器允許的最大增益Gmax，放大器允許的最小增益Gmin，放大器的增益波動(dòng)ΔG等三個(gè)增益指標(biāo)對(duì)放大器的增益允許的波動(dòng)和變化范圍作明確定義。軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)是指輸入端信噪比與放大器輸出端信噪比的比值，單位常用“dB”。噪聲系數(shù)由下式表示：

NF=10lg

輸入端信噪比/輸出端信噪比在放大器的噪聲系數(shù)比較低（例如NF<1）的情況下，通常放大器的噪聲系數(shù)用噪聲溫度（T）來(lái)表示。噪聲系數(shù)與噪聲溫度的關(guān)系為：

T=（NF-1）T0或NF=T/T0+1軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器輸入/輸出駐波比：微波放大器通常設(shè)計(jì)或用于50Ω阻抗的微波系統(tǒng)中，輸入/輸出駐波表示放大器輸入端阻抗和輸出端阻抗與系統(tǒng)要求阻抗(50Ω)的匹配程度。VSWR=(1+|Γ|)/(1-|Г|)；其中反射系數(shù)Γ=(Z-Z0)/(Z+Z0)；Z為放大器輸入或輸出端的實(shí)際阻抗；ZO為需要的系統(tǒng)阻抗。軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器1分貝壓縮點(diǎn)輸出功率（P1dB）：放大器有一個(gè)線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)放大器的輸出功率隨輸入功率線(xiàn)性增加，這兩個(gè)功率之比就是功率增益G。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增加而線(xiàn)性增加，也就是說(shuō)，其輸出功率低于小信號(hào)增益所預(yù)計(jì)的值。通常把增益下降到比線(xiàn)性增益低1dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)，用P1dB表示。軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器典型情況下，當(dāng)功率超過(guò)P1dB時(shí)，增益將迅速下降并達(dá)到一個(gè)最大的或完全飽和的輸出功率，其值比P1dB大3-4dB。軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器三階截點(diǎn)（IP3）：測(cè)量放大器的非線(xiàn)性特性的一個(gè)頗為流行的方法，是利用兩個(gè)相距5到10MHz的f1、f2信號(hào)加到一個(gè)放大器上，此時(shí)放大器的輸出不僅包含了這兩個(gè)信號(hào)，而且也包含了頻率為mf1+nf2的互調(diào)分量（IM）。這里稱(chēng)m+n為互調(diào)分量的階數(shù)。在中等飽和電平時(shí)，通常起支配作用的是最接近基音頻率的三階分量。三階截點(diǎn)（IP3）來(lái)表征互調(diào)畸變很?chē)?yán)重是的輸入電平。三階截點(diǎn)功率的典型值比P1dB高10-12dB。軟件無(wú)線(xiàn)電中的放大器三階截點(diǎn)（IP3）：IP3可以通過(guò)測(cè)量IM3得到，計(jì)算公式為：IP3=PSCL+IM3/2；其中PSCL單載波功率；如三階互調(diào)點(diǎn)已知，則基波與三階互調(diào)抑制比與三階互調(diào)點(diǎn)的雜散電平可由下式估計(jì)：

基波與三階互調(diào)抑制比=2[IP3-(PIN+G)]

三階互調(diào)雜散電平=3（PIN+G）-2IP34.1.3前饋放大器前饋放大器原理可用下圖來(lái)描述。該放大器由環(huán)路1和環(huán)路2組成。對(duì)于雙頻信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性放大器時(shí)所產(chǎn)生的失真，可以通過(guò)前饋對(duì)消。4.2軟件無(wú)線(xiàn)電中的A/D/A技術(shù)軟件無(wú)線(xiàn)電的基本思想就是讓模擬電路盡量簡(jiǎn)單，將A/D和D/A盡量靠近射頻前端。要求A/D器件具有適中的采樣速率和很高的工作帶寬。本部分主要討論如何A/D、D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線(xiàn)電中的模/數(shù)和數(shù)/模變換。4.2.1A/D轉(zhuǎn)換器原理A/D轉(zhuǎn)換器功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位A/D轉(zhuǎn)換器原理ADC工作過(guò)程與結(jié)構(gòu)A/D電路模擬輸入三態(tài)門(mén)數(shù)字輸出寄存器精密穩(wěn)壓電源電源主機(jī)讀取命令時(shí)序控制電路A/D轉(zhuǎn)換命令（來(lái)自主機(jī)）轉(zhuǎn)換完成信號(hào)由主機(jī)檢測(cè)或申請(qǐng)中斷A/D轉(zhuǎn)換器4.2.2A/D轉(zhuǎn)化器的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換靈敏度信噪比（SNR）有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB）孔徑誤差無(wú)雜散動(dòng)態(tài)（SFDR）非線(xiàn)性誤差互調(diào)失真（IntermodulationDistortion）總諧波失真（TotalHarmonicDistortion）4.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器選擇原則1）采樣速率選擇2）采用分辨率較好的A/D器件3）一般說(shuō)來(lái)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高越好4）根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的環(huán)境參數(shù)5）根據(jù)接口特征選擇適合的A/D轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)A/D轉(zhuǎn)換器分類(lèi)－－基于變換原理1）逐次比較式2）并行式A/D轉(zhuǎn)換器3）ADC轉(zhuǎn)換器4）采樣ADC5）電子雪堆技術(shù)ADC典型的A/D轉(zhuǎn)換器

參見(jiàn)書(shū)P112－115常見(jiàn)的AD轉(zhuǎn)換器件的結(jié)構(gòu)。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇4.2.4數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)（略）參見(jiàn)書(shū)P115－118各部分電路的設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成信號(hào)采樣/保持器模擬輸入讀取數(shù)據(jù)命令計(jì)算機(jī)接口A/D板A/D轉(zhuǎn)換命令4.2.5DA轉(zhuǎn)換器的基本原理D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V輸入4位二進(jìn)制數(shù)輸出模擬電壓S0~S3:模擬電子開(kāi)關(guān)D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D3++-3R3R/2UO4.3軟件無(wú)線(xiàn)電中的數(shù)字下/上變頻器在超外差式軟件無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)中，數(shù)字下變頻DDC技術(shù)是核心技術(shù)之一。數(shù)字下變頻器的組成結(jié)構(gòu)：數(shù)字混頻器，數(shù)字控制振蕩器NCO和低通濾波器。高抽取濾波器高抽取濾波器FIR格式轉(zhuǎn)換NCOx(n)FIR軟件無(wú)線(xiàn)電中的數(shù)字下/上變頻器由NCO產(chǎn)生兩路正交信號(hào)做混頻用，NCO可以通過(guò)直接數(shù)字合成技術(shù)DDS實(shí)現(xiàn)。其基本原理框圖見(jiàn)下。Nbit相位累加器ROM正弦查詢(xún)表時(shí)鐘信號(hào)fc頻率控制碼NbitMbit從原理上講，DDC與模擬下變頻實(shí)現(xiàn)相同的功能，不過(guò)其實(shí)現(xiàn)是通過(guò)數(shù)字運(yùn)算來(lái)進(jìn)行的。影響數(shù)字下變頻性能的主要因素：（1）表示數(shù)字本振、輸入信號(hào)以及混頻乘法運(yùn)算的樣本數(shù)值的有限字長(zhǎng)所引起的誤差。（2）數(shù)字本振相位的分辨率不夠而引起數(shù)字本振樣本數(shù)值的近似取值。軟件無(wú)線(xiàn)電中的數(shù)字下/上變頻器DDC的組成部分：數(shù)字控制振蕩器的原理，參見(jiàn)書(shū)P123－126。典型的數(shù)字下變頻器，參見(jiàn)書(shū)P125－137。軟件無(wú)線(xiàn)電中的數(shù)字下變頻器的應(yīng)用軟件無(wú)線(xiàn)電中的數(shù)字下/上變頻器ADCDDC1DDC2DDC3DDCn4.4高速數(shù)字信號(hào)處理器概述典型DSP器件DSP器件的軟件開(kāi)發(fā)流程（略）應(yīng)用舉例（略）高速數(shù)字信號(hào)處理