寬帶數(shù)字接收機(jī)技術(shù)

寬帶數(shù)字接收機(jī)技術(shù)第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字接收機(jī)的概念理想的數(shù)字接收機(jī)可以用以下一段話來描述：“前端的ADC對天線的全頻段進(jìn)行高速數(shù)字化，所有的處理工作全在后續(xù)的高速DSP上進(jìn)行，采用數(shù)字信號處理的各種高分辨率算法，實(shí)時(shí)地得到所需的全部信息?！边@就是數(shù)字接收機(jī)的發(fā)展方向——寬帶、高速實(shí)時(shí)信號處理。數(shù)字接收機(jī)盡量減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的模擬環(huán)節(jié)，利用數(shù)字信號處理技術(shù)來處理ADC輸出數(shù)據(jù)。圖1?1數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日引言面臨的問題高速ADC采錄大量的數(shù)據(jù)現(xiàn)有的高速DSP的工作速率大約比ADC的采樣速率低1～2個(gè)數(shù)量級。圖1?1數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日降數(shù)據(jù)率主要方法就是降低高速ADC的輸出數(shù)據(jù)率，使之與高速DSP的處理速度相匹配。降數(shù)據(jù)率的前提是保證信號信息不丟失。這樣，可以將如圖1?1所示的數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)改為如圖2?1所示的結(jié)構(gòu)：圖2?1數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖

第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣接收信號相對于整個(gè)頻段為一個(gè)窄帶信號，如果按照經(jīng)典的香農(nóng)抽樣定理來抽取信號，即（其中為帶通信號的上限頻率），必然造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，在極高的情況下也沒有能夠達(dá)到這個(gè)速率的ADC，即使ADC的速度達(dá)到了要求，后續(xù)DSP也無法實(shí)時(shí)處理如此龐大的數(shù)據(jù)。如果把信號處理的頻段集中在帶通信號的帶寬之內(nèi)，而不是在整個(gè)監(jiān)視頻段內(nèi)，就可以大大降低數(shù)據(jù)率，這樣就引入了帶通采樣理論。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣圖2?2經(jīng)典采樣與帶通采樣的比較第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣帶通采樣能大量縮減處理的數(shù)據(jù)量，而且實(shí)現(xiàn)較為簡單。前提：數(shù)據(jù)的中心頻率是已知的。未知情況下：通過短時(shí)數(shù)據(jù)測頻估計(jì)得到帶通信號的中心頻率，將這個(gè)估計(jì)頻率作為帶通采樣的引導(dǎo)頻率，通過帶通采樣定理得到二次采樣率，從而達(dá)到降低數(shù)據(jù)率的目的。第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日均勻帶通采樣定理工程上將帶通信號作為一種帶限信號作如下定義：如果m(t)的頻譜則d(t)稱為中心頻率為，帶寬為B的帶通信號。（2.1）（2.2）第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通均勻采樣定理對于式（2.1）所定義的帶通信號1．采樣率滿足如下條件時(shí)不會(huì)出現(xiàn)信號的頻譜混疊： ， （2.3）

fix：向下取整其中，和分別是帶通信號的下限和上限頻率。N=1對應(yīng)的是低通采樣的情況；或者, （2.4），K=0對應(yīng)的是低通采樣的情況；90-100M第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日重構(gòu)對于(2.3)或(2.4)確定的采樣率，對應(yīng)的重構(gòu)公式為(2.5)其中,對于(2.3)對于(2.4)第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)勢帶通均勻采樣定理說明，對于帶通信號，并不一定需要采樣率大于信號最高頻率分量的兩倍。對于窄帶信號，只要采用比信號中心頻率小得多的采樣率，就能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的無混疊采樣。第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣帶通均勻采樣理論只適用于單信號情況，在空間同時(shí)有多個(gè)信號到達(dá)時(shí)，必須尋找新的解決方案。面對同時(shí)到達(dá)信號，可以采取以下兩種措施：ReTurner.D第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣1．在帶通采樣之前對同時(shí)到達(dá)的每個(gè)帶通信號進(jìn)行帶通濾波處理，然后分別進(jìn)行帶通采樣和重構(gòu)，也就是將同時(shí)到達(dá)的帶通信號當(dāng)成多個(gè)單信號來處理。實(shí)現(xiàn)方法如圖2?3所示：圖2?3用分別濾波的方法對多信號帶通采樣第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣2．改造帶通均勻采樣定理。使其能夠同時(shí)對多個(gè)帶通信號進(jìn)行欠采樣并能夠準(zhǔn)確恢復(fù)原信號。這就是下面將要介紹的內(nèi)容。假設(shè)N個(gè)實(shí)帶通信號，它們的邊界滿足：（2.6）第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@2N個(gè)邊帶重新作如下命名：（2.7）任取兩個(gè)邊帶(這里假設(shè)是第i個(gè)和第j個(gè))，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導(dǎo)出第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣任取兩個(gè)邊帶(這里假設(shè)是第i個(gè)和第j個(gè))，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導(dǎo)出其中

第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣在頻率軸上以從左至右的順序?qū)@2N個(gè)邊帶重新作如下命名：（2.7）任取兩個(gè)邊帶(這里假設(shè)是第i個(gè)和第j個(gè))，與單信號的帶通直接采樣類似，可以推導(dǎo)出第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣其中（2.8）第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣這樣第1個(gè)邊帶與其余2N-1個(gè)邊帶共有2N-1組如式的不等式約束，第2個(gè)邊帶與第3～(2N-1)個(gè)邊帶共有2N-3組如式的不等式約束(第2個(gè)邊帶無需與第2N個(gè)邊帶產(chǎn)生約束，因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)帶通信號的對稱性，這相當(dāng)于第1個(gè)邊帶與第2N-1個(gè)邊帶產(chǎn)生的約束)……依此類推，2N個(gè)邊帶共有個(gè)如式的不等式約束。將這所有個(gè)區(qū)間求交集，就是所需的的合理取值范圍。第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日多信號情況下的帶通采樣

因?yàn)槿鄙俳禂?shù)據(jù)率前的帶通濾波，降數(shù)據(jù)率(抽取)后信噪比將惡化。同時(shí)由于的取值范圍是多個(gè)單獨(dú)信號采樣率范圍的交集，必然使的范圍變小，從而使降數(shù)據(jù)率的倍數(shù)相對于各個(gè)單信號降低。第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)目前，帶通采樣理論已經(jīng)廣泛運(yùn)用于通信接收等領(lǐng)域。對于中心頻率和帶寬已知的窄帶信號，利用帶通采樣理論能夠在無損信號信息的情況下大大降低信號數(shù)據(jù)率，有利于對信號的實(shí)時(shí)處理。第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：需要先驗(yàn)知識有人試圖將帶通采樣理論引入到電子戰(zhàn)接收機(jī)中來。但是在電子對抗領(lǐng)域，由于ADC采集的敵方信號是非合作信號，事前沒有對信號的中心頻率和帶寬的任何先驗(yàn)知識，也就無法確定一個(gè)合理的二次采樣率來進(jìn)行降數(shù)據(jù)率處理。文獻(xiàn)提出了短時(shí)數(shù)據(jù)測頻算法來快速得到信號頻率參數(shù)，但在ADC采樣率極高(GHz)的情況下，很難找到能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確得到信號頻率參數(shù)的有效算法。第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日帶通采樣的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：面對同時(shí)到達(dá)信號

面對同時(shí)到達(dá)信號，帶通采樣也缺乏完善的解決方案：以增加設(shè)備量為代價(jià)顯然會(huì)增大設(shè)計(jì)成本；通過多帶通信號的采樣定理確定的采樣率可以回避這個(gè)問題，但會(huì)使降數(shù)據(jù)率倍數(shù)降低，同時(shí)無法克服抽取帶來的信噪比惡化這一問題。第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻數(shù)字下變頻的主要思想是在中頻采樣對ADC的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字正交混頻，用正交的兩個(gè)中頻本振把信號頻譜搬移到基帶，然后通過低通濾波器濾除數(shù)字混頻時(shí)產(chǎn)生的本振的二次諧波，再進(jìn)行抽取以滿足后續(xù)DSP實(shí)時(shí)處理的要求。這種方法目前在軟件無線電中被廣泛使用，其具體實(shí)現(xiàn)如圖2?4所示：第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻圖2?4數(shù)字下變頻方案框圖第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻信號經(jīng)A/D變換后可表示為（2.9）經(jīng)混頻器得到（2.10）（2.11）再經(jīng)過數(shù)字低通濾波器后就可以得到基帶信號的I、Q分量。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻---具體實(shí)現(xiàn)圖2?5數(shù)字下變頻的一種具體實(shí)現(xiàn)對于低通濾波的運(yùn)算，可以采用各種高效濾波器來提高系統(tǒng)的運(yùn)算實(shí)時(shí)性，圖2?5所示結(jié)構(gòu)是一種數(shù)字下變頻的具體實(shí)現(xiàn)方案，這種方案目前被廣泛應(yīng)用于各種專用的數(shù)字下變頻芯片中。第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻---具體實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻方案框圖中的低通濾波器位于抽取之前，其速度難以滿足實(shí)時(shí)濾波要求，采用如上圖中CIC（級聯(lián)積分梳狀濾波器）、HF（半帶濾波器）和普通FIR濾波器級聯(lián)的形式，可以大大降低對每一級濾波器階數(shù)的要求，同時(shí)由于CIC和HF濾波器的特殊結(jié)構(gòu)，能有效地降低對于運(yùn)算量的要求。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器圖2?6CIC濾波器圖2?6CIC濾波器第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器CIC濾波器無乘法運(yùn)算，其運(yùn)算速度相當(dāng)可觀，其幅頻響應(yīng)為（2.12）10倍抽取的CIC濾波器幅頻響應(yīng)圖如圖2?7所示。第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器圖2?7CIC濾波器的幅頻響應(yīng)第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日CIC濾波器圖2?8級聯(lián)CIC濾波器一級CIC濾波器的第一旁瓣衰減為13.46dB，為降低旁瓣電平，可以采樣級聯(lián)的形式，n級CIC濾波器的第一旁瓣衰減為n*13.46dB。其實(shí)現(xiàn)如圖2?8所示：第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日半帶濾波器半帶濾波器的沖激響應(yīng)h(k)除了h(0)以外，其余偶數(shù)點(diǎn)均為0，所以其計(jì)算量相對于相同階數(shù)的普通FIR濾波器，要減少一半。其幅頻特性如圖2?9所示：圖2?9半帶濾波器幅頻特性第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1．濾波器易于實(shí)現(xiàn)；2．能得到正交的兩路信號，可以快速得到信號的幅度、相位、頻率等信息，：圖2?10由正交輸出得到信號各項(xiàng)信息第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)3．技術(shù)成熟，已經(jīng)在軟件無線電中得到廣泛應(yīng)用，并已有專門的數(shù)字芯片推出，如intersil公司的HSP50214、HSP50216等。第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)字下變頻的主要局限在于NCO及乘法器直接工作在ADC的高速輸出數(shù)據(jù)率下，在ADC采樣率非常高的情況下難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算。目前市場上專用的數(shù)字下變頻芯片，最高工作頻率也只有150MHz（ADI公司：AD6636）。在ADC輸出數(shù)據(jù)率達(dá)到幾百兆字節(jié)每秒甚至GHz級別的時(shí)候，前端的乘法器和NCO無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的運(yùn)算。已有文獻(xiàn)提出了一種基于多相濾波技術(shù)的高效數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)無法處理同時(shí)到達(dá)信號。缺點(diǎn)1速度的限制第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日數(shù)字下變頻的優(yōu)缺點(diǎn)與帶通采樣一樣，數(shù)字下變頻需要得到信號的中心頻率，這樣才能確定NCO產(chǎn)生的本振頻率，而在ADC采樣率極高的情況下，很難找到能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地得到信號頻率參數(shù)的有效算法。缺點(diǎn)2需要先驗(yàn)知識第三十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日結(jié)論1

帶通采樣技術(shù)與數(shù)字下變頻技術(shù)在面對合作信號時(shí)，能有效地降低數(shù)據(jù)率，有利于后續(xù)DSP對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。