軟件無線電原理與應(yīng)用第3版 課件 【ch04】軟件無線電硬件平臺設(shè)計

軟件無線電原理與應(yīng)用（第三版）軟件無線電硬件平臺設(shè)計第四章高等學(xué)校電子信息類精品教材01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計原則包括硬件設(shè)計原則和軟件設(shè)計原則兩部分，兩部分設(shè)計原則的出發(fā)點和膠合點是軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)規(guī)范。硬件設(shè)計的原則概括來說有以下兩條：●基于硬件體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計原則；●基于標(biāo)準(zhǔn)總線設(shè)計原則。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則1.軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)簡介所謂體系結(jié)構(gòu)是指組成系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及制約它們設(shè)計隨時間演進(jìn)的原則和指南。按照軟件無線電各功能模塊的連接方式劃分，目前，硬件體系結(jié)構(gòu)可分為以下四種:●流水式硬件體系結(jié)構(gòu)；●總線式硬件體系結(jié)構(gòu)；●交換式網(wǎng)絡(luò)硬件體系結(jié)構(gòu)；●基于計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的硬件體系結(jié)構(gòu)。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則1.軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)簡介(1)流水式硬件體系結(jié)構(gòu)流水式硬件體系結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，包括寬帶多頻段天線、射頻(RF)部分、寬帶ADC和DAC、DDC和DUC以及數(shù)字信號處理器(DSP)等。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則1.軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)簡介(2)總線式硬件體系結(jié)構(gòu)總線式軟件無線電結(jié)構(gòu)中，各功能單元通過總線連接起來，并通過總線交換數(shù)據(jù)和控制命令，總線式硬件體系結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則1.軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)簡介(3)交換式硬件體系結(jié)構(gòu)交換式硬件體系結(jié)構(gòu)是一種基于交換網(wǎng)絡(luò)的軟件無線電結(jié)構(gòu)，如圖4.3所示。該結(jié)構(gòu)通過交換網(wǎng)絡(luò)和適配器為各功能模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則1.軟件無線電硬件體系結(jié)構(gòu)簡介(4)基于計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的硬件體系結(jié)構(gòu)基于計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的硬件體系結(jié)構(gòu)由可編程前端、交換網(wǎng)絡(luò)和并行計算機(jī)系統(tǒng)組成，如圖4.4所示。用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成計算機(jī)群作為運(yùn)算平臺，用消息傳遞實現(xiàn)計算機(jī)間的互聯(lián)，用協(xié)同計算方案軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則2.標(biāo)準(zhǔn)總線簡介軟件無線電只有采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，才能發(fā)揮其適應(yīng)性廣、升級換代簡便的特點。所以，軟件無線電硬件系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)基于主流的標(biāo)準(zhǔn)總線，這樣的好處是顯而易見的，主要是通用、設(shè)計難度降低、實現(xiàn)簡單、可貨架式采購和搭建、成本相對較低等。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則目前，主流標(biāo)準(zhǔn)總線有VME系列和PCI系列兩大類，其發(fā)展歷程如表4-2所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則兩大標(biāo)準(zhǔn)為多種主流的互連協(xié)議制定了各自的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如表4-3所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則VME總線標(biāo)準(zhǔn)一直在發(fā)展，從最初的VME32,發(fā)展到VME64、VME2eSST、VXS,直至目前最新一代的總線標(biāo)準(zhǔn)——VPX。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計原則表4-4列出了VPX系列、VME64x和VITA41(VXS)等標(biāo)準(zhǔn)的功能和性能情況。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為保證大量數(shù)據(jù)的傳輸，軟件無線電系統(tǒng)必須具有極高的數(shù)據(jù)交換和I/O吞吐能力，傳輸網(wǎng)絡(luò)的鏈路傳輸速率應(yīng)該達(dá)到10Gbps級以上。②系統(tǒng)架構(gòu)單板級：射頻模擬前端、A/D板、D/A板、信號處理板、數(shù)據(jù)處理板等；通道級：多個從天線到處理板再到天線的完整通道合成與分離；單機(jī)級：多個單機(jī)伸縮性要求。③支持多處理器系統(tǒng)由于軟件無線電系統(tǒng)是在射頻或中頻上對寬帶通道進(jìn)行連續(xù)不斷的采樣(包括接收和發(fā)射),需要對高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行實時處理，運(yùn)算量非常大，因此要求極高的處理速度，目前單片數(shù)字信號處理芯片一般難以勝任，需要多片數(shù)字信號處理芯片同時并行處理，軟件無線電硬件系統(tǒng)應(yīng)能保證多處理器的并行處理，共享系統(tǒng)資源。①1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有良好的機(jī)械和電磁兼容特性能夠在惡劣的環(huán)境(包括溫度、沖擊、振動、氣壓、濕度等極端情況)中正常工作。⑤系統(tǒng)功能可重構(gòu)系統(tǒng)通過加載不同的軟件進(jìn)行功能重構(gòu)。④1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)軟件無線電硬件系統(tǒng)數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)軟件無線電硬件系統(tǒng)數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)承載著系統(tǒng)重構(gòu)性、伸縮性、通用性和實時性的實現(xiàn)。通過它可以：完成所有數(shù)字信號處理功能；運(yùn)算資源集中控制、統(tǒng)一調(diào)度、并行/串聯(lián)同步工作；系統(tǒng)資源按需分配、有效共享；滿足原始數(shù)據(jù)/中間數(shù)據(jù)/結(jié)果數(shù)據(jù)從源地址無障礙、實時地傳輸?shù)侥繕?biāo)地址；數(shù)據(jù)的高速輸入、輸出。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(2)軟件無線電硬件系統(tǒng)數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軟件無線電硬件系統(tǒng)的數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)集中體現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)體制。首先，體現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的開放性，這一點通過開放的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)；其次是通用性，即傳輸網(wǎng)絡(luò)的物理層應(yīng)該通用，要有足夠的包容能力。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計1.軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(3)軟件無線電硬件系統(tǒng)數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議目前主流的高速傳輸技術(shù)(協(xié)議)有PCIExpress(PCI-E)、RapidIO、InfiniBand、FibreChannel(光纖通道)和Ethernet(以太網(wǎng))等。各種傳輸技術(shù)目前的應(yīng)用情況如圖4.10所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計PCIExpress的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須是樹狀的，如圖4.11所示，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于系統(tǒng)的伸縮性有一定的影響。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.軟件無線電硬件系統(tǒng)數(shù)字信號處理架構(gòu)軟件無線電硬件系統(tǒng)的數(shù)字信號處理架構(gòu)主要涉及FPGA、DSP和GPP等器件。FPGA、DSP和GPP是目前主流的數(shù)字信號處理器件，各有特點，如表4-5所示。軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計01軟件無線電硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.軟件無線電硬件系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)圖4.7所示，基于全交換的軟件無線電硬件系統(tǒng)包括可重構(gòu)天線陣、可重構(gòu)射頻前端、可重構(gòu)A/D/A,可重構(gòu)數(shù)字信號處理和重構(gòu)控制五部分。02軟件無線電的射頻前端軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)射頻前端有三種結(jié)構(gòu)：多次變頻的超外差結(jié)構(gòu)、直接變換的零中頻結(jié)構(gòu)、不變頻結(jié)構(gòu)。前兩種前端結(jié)構(gòu)適用于寬帶中頻采樣的軟件無線電體制，不變頻前端結(jié)構(gòu)則適用于射頻低通、射頻帶通采樣的軟件無線電體制。多次變頻的超外差射頻前端結(jié)構(gòu)如圖4.13所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)超外差的射頻前端結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是：①靈敏度高(由于有預(yù)選濾波器和信道濾波器);②總增益被分配到工作在不同頻率的多級放大器上，降低了放大器的設(shè)計難度；③實信號變頻只在一個固定頻率上進(jìn)行，對本振的相位和幅度平衡沒有要求。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)其主要缺點是：①復(fù)雜程度高；②需要多個本地振蕩器；③鏡頻信號干擾的抑制比較困難，需要特殊的中頻(IF)濾波器，很難用單片集成電路實現(xiàn)超外差接收機(jī)。圖4.14給出一個實際超外差射頻前端的例子。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)直接變換的射頻前端結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是：①把射頻信號直接混至基帶，輸出端不會出現(xiàn)鏡頻信號；②只要求簡單的濾波；③容易實現(xiàn)電路集成。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)主要缺點是：①本振泄露較嚴(yán)重，即本地振蕩器產(chǎn)生的信號容易通過低噪聲放大器反向泄露到RF端口，通過天線輻射出去；②由于為零中頻，任何直流偏移都無法從有用信號中分離出來，而且較大的直流電平，容易使后端飽和；③如果同相、正交兩路的平衡性不好，將嚴(yán)重影響接收機(jī)的性能。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的組成結(jié)構(gòu)不變頻的射頻前端結(jié)構(gòu)如圖4.16所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端各功能模塊的設(shè)計混頻器(Mixer)混頻器是將輸入的兩個不同信號的頻率進(jìn)行相加或相減運(yùn)算，實現(xiàn)信號的頻率搬移?；祛l器主要有兩類：無源混頻器(比如二極管)、有源混頻器(采用有增益的器件，比如，雙極性晶體管、場效應(yīng)管)。2本地振蕩器(LocalOscillator)與混頻器緊密相關(guān)的一個器件是頻率源(本地振蕩器)。頻率源最重要的參數(shù)是相位噪聲(相噪)。3濾波器(Filter)射頻濾波器主要實現(xiàn)對信號的預(yù)濾波，并提高接收模塊和發(fā)射模塊之間的隔離度。濾波器的種類很多，主要有LC濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、機(jī)械濾波器等。1軟件無線電的射頻前端02射頻前端各功能模塊的設(shè)計功率放大器(PowerAmplifier)軟件無線電必須能滿足各種通信體制的功率放大要求，需具有較寬的發(fā)射帶寬，特別是對效率、線性、雜散輻射等性能要求較高。5放大器(Amplifier)放大是整個前端電路中非常重要的一個環(huán)節(jié)。由于軟件無線電的接收通道是寬帶的，甚至是寬開的，通帶內(nèi)的信號可能有很多。4軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)射頻前端的技術(shù)指標(biāo)很多，主要有噪聲系數(shù)、二階截點值、三階截點值、動態(tài)范圍、鏡頻抑制、本振反向輻射等。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)1.噪聲系數(shù)(Noisefactor)噪聲系數(shù)表明了一個模塊或一個網(wǎng)絡(luò)固有的噪聲影響，說明通過這些模塊、網(wǎng)絡(luò)時，信號的信噪比降低的程度。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)2.靈敏度(Sensitivity)在介紹靈敏度之前，先來討論一下最小可檢測電平。最小可檢測電平(MinimumDetectableSignal,MDS)對接收機(jī)來說是一個很重要的參數(shù)，它表征了系統(tǒng)可檢測的最弱信號。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)3.截點值(InterceptPoint)表征接收機(jī)、發(fā)射機(jī)非線性性能的指標(biāo)很多，比如有1dB壓縮點、二階截點值、三階截點值等。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)4.動態(tài)范圍(DynamicRange,DR)動態(tài)范圍是指接收機(jī)在達(dá)到規(guī)定的信息質(zhì)量下，能處理的信號電平范圍。在數(shù)字通信中，信息質(zhì)量常用誤比特率來表示。動態(tài)范圍可以用1dB壓縮點與系統(tǒng)噪聲電平之差來表示，如圖4.33所示。該動態(tài)范圍也稱1dB增益壓縮點動態(tài)范圍。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)5.無虛假動態(tài)范圍(Spur-FreeDynamicRange,SFDR)無虛假動態(tài)范圍與三階互調(diào)抑制比很類似。無虛假動態(tài)范圍是指失真產(chǎn)物等于噪聲功率時，基波功率與噪聲功率之差，如圖4.34所示。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)6.虛假響應(yīng)混頻器要把射頻信號變頻至中頻信號(IF),如果是上變頻則選擇(fRF+fLO),下變頻則選擇(fRF-fLO)或(fLO-fRF)。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)7.舉例下面我們通過一個例子，來說明多個級聯(lián)模塊(見圖4.37)的總噪聲系數(shù)、三階截點值、靈敏度、動態(tài)范圍等指標(biāo)的計算方法。軟件無線電的射頻前端02射頻前端的指標(biāo)03軟件無線電中的A/D/A技術(shù)軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類1.逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較(SA)式A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍很廣，它可以用較低的成本得到很高的分辨率和采樣速率。其通過速率可達(dá)到1MHz以上，轉(zhuǎn)換位數(shù)可達(dá)到16位或更多。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類三級標(biāo)題軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類2.并行式A/D轉(zhuǎn)換器并行式A/D轉(zhuǎn)換器的功能框圖如4.40所示。模擬信號同時輸入到2~-1個帶鎖存的比較器中，每一個比較器的參考電壓都比下一個的參考電壓高出一個LSB所代表的電壓值。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類三級標(biāo)題軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類3.子區(qū)式A/D轉(zhuǎn)換器子區(qū)式(Subranging)A/D轉(zhuǎn)換器功能框圖如圖4.41所示。以8位(bit)轉(zhuǎn)換器為例，首先用第一片并行式A/D轉(zhuǎn)換器(優(yōu)于8位精度)數(shù)字化出高4位。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類三級標(biāo)題軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類4.∑-△A/D轉(zhuǎn)換器∑-△(總和增量)ADC是一種過采樣量化器，其利用過采樣、噪聲整形、數(shù)字濾波等手段來提高數(shù)字化性能。通信信號對靈敏度、動態(tài)范圍要求高，而帶寬相對較窄，所以可以實現(xiàn)很高的過采樣速率，達(dá)到很高的量化信噪比。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類三級標(biāo)題軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器原理與分類三級標(biāo)題軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)(1)轉(zhuǎn)換靈敏度軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)（2）信噪比軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)(3)有效轉(zhuǎn)換位數(shù)由于A/D轉(zhuǎn)換部件不能做到完全線性，總會存在零點幾位乃至一位的精度損失，從而影響A/D的實際分辨率，降低了A/D的轉(zhuǎn)換位數(shù)。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)(4)孔徑誤差孔徑誤差是由于模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時間來完成采樣、量化、編碼等工作而引起的。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)(5)無雜散動態(tài)無雜散動態(tài)(SpuriousFreeDynamicRange,SFDR)是指在第一奈奎斯特區(qū)內(nèi)測得信號幅度的有效值與最大雜散分量有效值之比的分貝數(shù)。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)(6)動態(tài)范圍軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)(7)非線性誤差非線性誤差是指A/D轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值與其實際特性之間的差別。非線性誤差又可分為差分非線性(DifferentialNon-Linearity,DNL)誤差和積分非線性(IntegralNon-Linearity,INL)誤差。差分非線性誤差是指，對于一個固定的編碼，理論上的量化電平與實際中最大電平之差，如圖4.47所示。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)(9)總諧波失真由于A/D器件的非線性，使其輸出的頻譜中出現(xiàn)許多輸入信號的高次諧波，這些高次諧波分量稱為諧波失真分量。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03A/D轉(zhuǎn)換器的選擇在軟件無線電的設(shè)計中，A/D器件的選擇應(yīng)保證軟件無線電功能和性能的實現(xiàn)。根據(jù)上面的討論和分析，可以得到以下A/D器件的選擇原則。①采樣速率選擇。②采用分辨率較高的A/D器件。③選擇模擬輸入帶寬寬的A/D器件。④選擇動態(tài)范圍大的A/D轉(zhuǎn)換器。⑤根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的環(huán)境參數(shù)，比如功耗、工作溫度。⑥根據(jù)接口特征考慮選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器輸出狀態(tài)。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計現(xiàn)代高速A/D轉(zhuǎn)換器力求做到低失真、高動態(tài)、低功耗。數(shù)字采集系統(tǒng)的性能除了與A/D轉(zhuǎn)換器本身的固有特性外有關(guān)，還與其外圍電路關(guān)系密切。一般的數(shù)字采集系統(tǒng)由放大器，抗混疊濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、RAM、時鐘等組成，如圖4.50所示。軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理及性能指標(biāo)軟件無線電中的A/D/A技術(shù)03D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理及性能指標(biāo)04軟件無線電數(shù)字前端軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電數(shù)字前端的定義無線電系統(tǒng)前端的概念傳統(tǒng)上一般是指安裝在天線上或天線附近的模擬高頻電路，通過電纜與離天線相當(dāng)遠(yuǎn)的后端連接，常見的如大型衛(wèi)星地球站系統(tǒng)。軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字接收前端(數(shù)字下變頻DDC)1.數(shù)字下變頻器組成正如第2章所介紹的，在軟件無線電中，數(shù)字下變頻器一般都采用正交數(shù)字下變頻法實現(xiàn)，主要包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器(NumericallyControlledOsillator,NCO)和低通濾波器三部分組成，重畫如圖4.58所示。軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字接收前端(數(shù)字下變頻DDC)軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字接收前端(數(shù)字下變頻DDC)2.數(shù)字控制振蕩器工作原理數(shù)字控制振蕩器(數(shù)字控制本地振蕩器)在DDC中相對來說是最復(fù)雜的，也是決定DDC性能的最主要因素之一，或者說DDC需要一個高速、高精度的NCO,所以，作為重點進(jìn)行介紹。NCO的目標(biāo)就是產(chǎn)生理想的正弦波和余弦波，更確切地說是產(chǎn)生一個頻率可變、時間離散的正弦波和余弦波的數(shù)據(jù)樣本，如式(4-88)、式(4-89)所示。軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字接收前端(數(shù)字下變頻DDC)軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字發(fā)射前端(數(shù)字上變頻DUC)數(shù)字上變頻器是數(shù)字下變頻器的逆過程，兩者的工作原理、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)都大同小異，只處理順序剛好相反。數(shù)字上變頻器由成形濾波器、內(nèi)插器、數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器等成。數(shù)字正交上變頻器原理框圖如圖4.60所示。軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字發(fā)射前端(數(shù)字上變頻DUC)軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字發(fā)射前端(數(shù)字上變頻DUC)數(shù)字上變頻器是數(shù)字下變頻器的逆過程，兩者的工作原理、結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)都大同小異，只處理順序剛好相反。數(shù)字上變頻器由成形濾波器、內(nèi)插器、數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器等成。數(shù)字正交上變頻器原理框圖如圖4.60所示。軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電中的數(shù)字發(fā)射前端(數(shù)字上變頻DUC)1.NCO的FPGA設(shè)計后續(xù)基帶處理中的信號解調(diào)對載波頻偏十分敏感，而頻偏的產(chǎn)生主要由本振的偏差和多普勒頻移所引起的，因此，在數(shù)字前端中，設(shè)計一個性能較好的NCO是非常關(guān)鍵的。2.NCO優(yōu)化設(shè)計相位累加器的位數(shù)N由要求的頻率分辨率決定，而正弦查找表ROM的深度M及寬度W由雜散的要求決定。3.FIR的FPGA設(shè)計數(shù)字FIR濾波是個卷積運(yùn)算，即乘法和累加運(yùn)算。因而FIR濾波模塊包括乘法器、加法器、延遲單元以及存儲單元等。軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電數(shù)字前端的ASIC實現(xiàn)在某些成本、功耗、重量和尺寸等敏感的應(yīng)用中，如無線移動通信系統(tǒng)中的基站和移動終端(手機(jī)),一般用ASIC來實現(xiàn)軟件無線電數(shù)字前端單元。隨著需求的不斷增加和技術(shù)的不斷進(jìn)步，ASIC也不斷地向集成數(shù)字基帶處理、ADC、DAC、射頻收發(fā)等更多單元以及從單通道接收、單通道發(fā)射到收發(fā)多通道的方向發(fā)展。軟件無線電數(shù)字前端04軟件無線電數(shù)字前端的ASIC實現(xiàn)05高速數(shù)字信號處理器高速數(shù)字信號處理器05軟件無線電信號處理的特點(1)性能數(shù)字信號處理平臺的性能主要用計算能力來衡量，軟件無線電在不同的應(yīng)用場合對計算能力的需求是不一樣的。(2)模塊化模塊化是軟件無線電系統(tǒng)構(gòu)建的一種標(biāo)準(zhǔn)方式，是主流趨勢。模塊化可以分為硬件模塊化和軟件模塊化。(3)可擴(kuò)展可擴(kuò)展性就是系統(tǒng)規(guī)模的可伸縮性，允許對軟件無線電進(jìn)行增強(qiáng)以提高系統(tǒng)的能力。(4)靈活性靈活性是指處理現(xiàn)有或是將來的各種空中接口和協(xié)議的能力，靈活性與性能、模塊化和可擴(kuò)展性等因素密切相關(guān)、密不可分。高速數(shù)字信號處理器05數(shù)字信號處理器件的選擇技巧首先，需要指出本節(jié)的數(shù)字信號處理器件是指專用集成電路、現(xiàn)場可編程門陣列、通用數(shù)字信號處理器和通用處理器等所有具有數(shù)字信號處理功能和一定編程能力的器件，DSP專門指通用數(shù)字信號處理器。目前，可構(gòu)建軟件無線電數(shù)字實時處理系統(tǒng)的主要是四類器件。高速數(shù)字信號處理器05數(shù)字信號處理器介紹自從20世紀(jì)80年代初第一片數(shù)字信號處理器(DSP)誕生以來，伴隨著微電子技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，DSP得到了日新月異的進(jìn)步，在處理速度、運(yùn)算精度、處理器的結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程等諸多方面都有很大的提高。目前，DSP產(chǎn)品正在向高性能、多功能、低功耗、多領(lǐng)域等方向發(fā)展。DSP已經(jīng)滲透到消費(fèi)、軍事、民用、商業(yè)等各個領(lǐng)域，成為許多電子產(chǎn)品的技術(shù)核心。高速數(shù)字信號處理器05通用處理器介紹通用處理器(GeneralPurposeProcessor,GPP),例如，Intel的CPU、Motorola的PowerPC等，多采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。普遍沒有DMA通道控制器，數(shù)據(jù)傳輸和處理不能并行，普遍沒有通用存儲器接口和I/O接口，需要芯片組配合。高速數(shù)字信號處理器05圖形處理器介紹軟件無線電處理平臺要實現(xiàn)各種機(jī)器學(xué)習(xí)的算力要求一般不會高于DL的算力要求，考慮開發(fā)難度、靈活度、可編程性、算法兼容性、通用軟件兼容性等多個維度，在現(xiàn)階段，基于CPU+GPU計算結(jié)構(gòu)是目前軟件無線電處理平臺中額外配備專門用于實現(xiàn)智能計算的最合適的架構(gòu)。06高速FPGA設(shè)計技術(shù)高速FPGA設(shè)計技術(shù)06軟件無線電中的高速FPGA從軟件無線電實現(xiàn)角度看，軟件無線電最高設(shè)計原則有三點，即：●最大限度地進(jìn)行寬帶數(shù)字化；●最大限度地實現(xiàn)功能軟件化；●最大可能地進(jìn)行靈活重構(gòu)。高速FPGA設(shè)計技術(shù)06軟件無線電中的高速FPGA基于極高性能的FPGA實現(xiàn)軟件無線電數(shù)字信號處理有以下五大好處。(1)極其強(qiáng)大的處理能力；(2)最理想化的算法定制；(3)最理想的適配接口；(4)無比靈活的重配置能力；(5)相對低的功耗高速FPGA設(shè)計技術(shù)06FPGA基本原理高速FPGA設(shè)計技術(shù)06軟件無線電中的高速FPGA當(dāng)前的FPGA具有以下主要特點：●容量大：高端的FPGA規(guī)模已達(dá)到上千萬門級，能承擔(dān)繁重的信號處理任務(wù)、完成復(fù)雜