第四章_软件无线电的硬件实现#

第四章_软件无线电地硬件实现.txt爱情是艺术,结婚是技术,离婚是算术.这年头女孩们都在争做小“腰”精,谁还稀罕小“腹”婆呀？高职不如高薪,高薪不如高寿,高寿不如高兴. 本文由meilikaola贡献
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第四章软件无线电地硬件实现
软件无线电硬件平台地基本结构
? ? ? 模拟前端宽带A/D和D/A 宽带和数字上下变频器高速数字信号处理器宽带A/D 宽带数字下变频器 DSP处处理器
模拟前端
宽带D 宽带 /A
数字上变频器
§4.1 软件无线电前端电路
主要任务：主要任务：把接收到地信号变换至适合A/D转换（1）把接收到地信号变换至适合转换器处理地信号频率和电平范围内. 器处理地信号频率和电平范围内. （2）把宽带）把宽带D/A转换器地输出信号转换至转换器地输出信号转换至能被其他电台接收地频率和电平范围. 能被其他电台接收地频率和电平范围. ? 根据软件无线电地结构不同,前端电路根据软件无线电地结构不同,地结构不同.地结构不同.
传统模拟接收机地前端电路
带通滤波低噪声放大窄带滤波中放窄带滤波中放
（窄带）窄带）
（窄带）窄带）
一本振小步进）（小步进）
AGC
二本振
特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频率特点：模拟器件使用较多；和带宽通常固定；和带宽通常固定；接收通道中使用较多地窄带滤波器,使得信号幅相畸变较大. 带滤波器,使得信号幅相畸变较大.
中频数字化接收机前端
带通滤波低噪声放大宽带滤波一中放 (宽带宽带) 宽带宽带滤波二中放 (宽带宽带) 宽带
一本振大步进）（大步进）
AGC
二本振
较前一种结构有较大改善,带通滤波器和放较前一种结构有较大改善, 大器都是宽带地,而且一本振地频率是大步大器都是宽带地, 进地,实现较方便. 进地,实现较方便.
射频数字化结构
收/发电调滤波放大 A/D DSP 放大 A/D
本结构简洁明了,随着A/D器件地发展,这种本结构简洁明了,随着器件地发展, 器件地发展结构性能将不断提高. 结构性能将不断提高.射频前端地接收部分主要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、 AGC控制等组成. 控制等组成. 控制等组成
射频前端地典型器件介绍
? ? ? ? 滤波器放大器镜像抑制中频信号地线性化 AGC设计设计
4.1.1 软件无线电中地电调滤波器
电调滤波器地主要技术指标：电调滤波器地主要技术指标： ? 频段 1.5 - 4MHz；4 - 10MHz；频段: ；； 10 - 30MHz；30 - 90MHz；；； 90 - 200MHz；200 - 700MHz；；；400 - 700MHz；700 - 1000MHz; ； ? 输入输出阻抗：50 输入输出阻抗： ? 滤波器通带带觉：中心频率地％一5％；滤波器通带带觉：中心频率地2％％；
软件无线电中地电调滤波器
电调滤波器地主要技术指标：电调滤波器地主要技术指标： ? 插入损耗：＜插入损耗：＜：＜6dB；； ? 调谐码：8 bits：调谐码：： ? 调谐速度：10 us ( 30MHz以上）调谐速度：以上）以上
H( f )
30dB带宽
ω
软件无线电中地电调滤波器
电调滤波器地应用：电调滤波器地应用： ? 调谐码： Cd = 250×( fd ? f1 ) ( fh ? f1 ) 调谐码： ? 电调滤波器连接：电调滤波器连接：
控制电调滤波器电子开关电调滤波器电调滤波器
4.1.2 软件无线电中地放大器
电放大器地工作模式：电放大器地工作模式： ? 因为软件无线电地接收通道是宽带地,有时因为软件无线电地接收通道是宽带地, 甚至是宽开地,通带内地信号可能有很多, 甚至是宽开地,通带内地信号可能有很多, 因此,在软什无线电中不能用非线性放大器、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. 而只能用线性放大器.否则就会引起许多非线性产物. 线性产物. ? 宽带放大器中常用前馈 (Feedforward) 和反两种技术. 馈 (Feedback) 两种技术.前者主要用于提高放大器地杂波等指标, 高放大器地杂波等指标,而反馈用于提高放大器地稳定性和带宽指标. 大器地稳定性和带宽指标.
软件无线电中地放大器
电放大器地主要技术指标：电放大器地主要技术指标： ? 工作频率范围：指放大器满足各级指标地工作频率范围：工作频率范围. 工作频率范围.放大器实际地工作频率范围可能会大于定义地工作频率范围. 围可能会大于定义地工作频率范围. ? 功率增益：指放大器输出功率和输入功率功率增益：地比值,单位常用“地比值,单位常用“dB”.. ? 增益平坦度：指在一定温度下,在整个工增益平坦度：指在一定温度下, 作频率范围内,放大器增益变化地范围. 作频率范围内,放大器增益变化地范围. 增益平坦度由下式表示: 增益平坦度由下式表示 ?G=±（Gmax-Gmin）/2 dB ±）
软件无线电中地放大器
放大器增益窗：宽带放大器地增益定义采放大器增益窗：用增益窗地定义方法（用增益窗地定义方法（不含窄带功率放大）,是根据放大器允许地最大增益器）,是根据放大器允许地最大增益 Gmax,放大器允许地最小增益 ,放大器允许地最小增益Gmin,放 , 大器地增益波动?G等三个增益指标对放大器地增益波动等三个增益指标对放大器地增益允许地波动和变化范围作明确定义. 定义.
软件无线电中地放大器
噪声系数：噪声系数是指输入端信噪比与放噪声系数：大器输出端信噪比地比值,单位常用“大器输出端信噪比地比值,单位常用“dB”.. 噪声系数由下式表示：噪声系数由下式表示： NF = 10 lg 输入端信噪比输出端信噪比输入端信噪比/输出端信噪比 ? 在放大器地噪声系数比较低（例如在放大器地噪声系数比较低（例如NF<1））地情况下,地情况下,通常放大器地噪声系数用噪声温度（T）来表示.噪声系数与噪声温度地关）来表示. 系为：（系为： T=（NF-1）T0 或 NF=T/T0+1 ）
软件无线电中地放大器
输入输出驻波比：微波放大器通常设计或输入/输出驻波比：输出驻波比用于50 阻抗地微波系统中,输入输出驻波阻抗地微波系统中,输入/输出驻波用于表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗(50 )地匹配程度.地匹配程度. 要求阻抗地匹配程度VSWR = (1 + |Γ| ) / (1-|Г| ) ； ? 其中反射系数 ( Z-Z0 )/( Z+Z0 )；Z为放其中反射系数Γ= ；为放大器输入或输出端地实际阻抗；为需要大器输入或输出端地实际阻抗；ZO为需要地系统阻抗.地系统阻抗.
软件无线电中地放大器
1分贝压缩点输出功率（P1dB）：放大器有分贝压缩点输出功率（）：放大器有分贝压缩点输出功率）：一个线性动态范围, 一个线性动态范围,在这个范围内放大器地输出功率随输入功率线性增加, 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. 之比就是功率增益 .随着输入功率地继续增大,放大器进入非线性区, 增大,放大器进入非线性区,其输出功率不再随输入功率地增加而线性增加,也就是说, 再随输入功率地增加而线性增加,也就是说, 其输出功率低于小信号增益所预计地值. 其输出功率低于小信号增益所预计地值.通常把增益下降到比线性增益低1dB时地输出常把增益下降到比线性增益低时地输出功率值定义为输出功率地1dB压缩点,用压缩点, 功率值定义为输出功率地压缩点P1dB表示. 表示. 表示
软件无线电中地放大器
软件无线电中地放大器
典型情况下,当功率超过P1dB时典型情况下,当功率超过P1dB时,增益将 P1dB 迅速下降并达到一个最大地或完全饱和地输出功率,其值比P1dB P1dB大 4dB. 输出功率,其值比P1dB大3-4dB.
软件无线电中地放大器
三阶截点（IP3）：测量放大器地非线性特三阶截点（）：）：测量放大器地非线性特地一个颇为流行地方法, 性地一个颇为流行地方法,是利用两个相距 5到10MHz地f1、f2信号加到一个放大器上, 信号加到一个放大器上到地、信号加到一个放大器上, 此时放大器地输出不仅包含了这两个信号, 此时放大器地输出不仅包含了这两个信号, 而且也包含了频率为 mf1 + nf2 地互调分量 IM）这里称m+n为互调分量地阶数为互调分量地阶数. （IM）.这里称m+n为互调分量地阶数. 在中等饱和电平时, 在中等饱和电平时,通常起支配作用地是最接近基音频率地三阶分量.三阶截点（）接近基音频率地三阶分量.三阶截点（IP3）来表征互调畸变很严重是地输入电平. 来表征互调畸变很严重是地输入电平.三阶截点功率地典型值比P1dB高10-12dB. 截点功率地典型值比高 .
软件无线电中地放大器
三阶截点（IP3）：可以通过测量三阶截点（）：）：IP3可以通过测量可以通过测量IM3得得计算公式为：到,计算公式为：IP3 = PSCL + IM3/2；； ? 其中其中PSCL 单载波功率；如三阶互调点已知, 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地杂散电平可由下式估计：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）-2IP3 （） 4.1.3 前馈放大器
前馈放大器原理可用下图来描述.该放大器由环路前馈放大器原理可用下图来描述. 1 和环路组成.对于双频信号通过非线性放大器和环路 2 组成. 时所产生地失真,可以通过前馈对消. 时所产生地失真,可以通过前馈对消.
4.2 软件无线电中地软件无线电中地A/D/A技术技术
软件无线电地基本思想就是让模拟电路尽量简单, 尽量简单,将A/D和D/A尽量靠近射
频前和尽量靠近射频前端. ? 要求A/D器件具有适中地采样速率和很高要求A/D器件具有适中地采样速率和很高地工作带宽.地工作带宽. ? 本部分主要讨论如何本部分主要讨论如何A/D、D/A转换器实、转换器实现软件无线电中地模/数和数模变换. 数和数/模变换现软件无线电中地模数和数模变换.
4.2.1 A/D转换器原理
A/D转换器功能: 将模拟电压成正比地转换转换器功能转换器功能成数字量输入模拟电压 UI 0 ~ 5V 分辨率:5V/255=0.0196V/ 分辨率每1个最低有效位个最低有效位输出数字量
A/D
D7~D0 00000000 ~ 11111111
A/D转换器原理
ADC工作过程与结构 ADC工作过程与结构
电源 A/D 精密稳压电源模拟输入
A/D电电路时序控制电路
转换器三态
器
门
输
A/D转换转换
转换
4.2.2 A/D转化器地性能指标
? ? ? ? ? ? ? 转换灵敏度信噪比（信噪比（SNR））有效转换位数（有效转换位数（ENOB））孔径误差无杂散动态（无杂散动态（SFDR））非线性误差互调失真（互调失真（Intermodulation Distortion））总谐波失真（总谐波失真（Total Harmonic Distortion））
4.2.3 A/D转换器地选择
A/D转换器选择原则转换器选择原则 1）采样速率选择） 2）采用分辨率较好地）采用分辨率较好地A/D器件器件 3）一般说来）一般说来A/D转换位数越高越好转换位数越高越好 4）根据环境条件选择）根据环境条件选择A/D转换芯片地环转换芯片地环境参数5）根据接口特征选择适合地）根据接口特征选择适合地A/D转换器转换器输出状态
A/D转换器地选择
A/D转换器分类－－基于变换原理转换器分类－－基于变换原理转换器分类－－ 1）逐次比较式） 2）并行式）并行式A/D转换器转换器 3）Σ?? ADC转换器）转换器 4）采样）采样ADC 5）电子雪堆技术）电子雪堆技术ADC ? 典型地典型地A/D转换器转换器
参见书P112－115 常见地转换器件地结构. －常见地AD转换器件地结构转换器件地结构. 参见书
4.2.4 数据采集模块地设计（略）数据采集模块地设计（
参见书参见书P115－118各部分电路地设计. －各部分电路地设计. 各部分电路地设计
A/D转换命令转换命令模拟输入采样/ 采样保持器 A/D 转换器读取数据命令转换完成信号接口计算机
A/D
4.2.5 DA转换器地基本原理转换器地基本原理
D/A功能将数字量成正比地转换成模拟量功能: 功能
4位位 8位位 10位位 12位位 16位位数字量 n位位模拟量
n=
D/A
0~5V或或 0~10V
电阻网络
R R
求和运算放大器 3R
R 2R
+ 3R/2 S0~S3:
+
UO
输出模拟电压
2R 2R S0
2R S1
2R S2
2R S3VREF D0 D1 D2 D3
精密参考电压
模拟电子开关 D=0, S倒向地倒向地 D=1, S倒向 REF 倒向V 倒向
输入4位二进制数输入位二进制数
4.3 软件无线电中地数字下上软件无线电中地数字下/上变频器
在超外差式软件无线电接收机中, 在超外差式软件无线电接收机中,数字下技术是核心技术之一. 变频 DDC 技术是核心技术之一.数字下变频器地组成结构：数字混频器, 频器地组成结构：数字混频器,数字控制振荡器NCO和低通滤波器. 和低通滤波器. 荡器和低通滤波器 x(n)
NCO 高抽取滤波器 FIR 高抽取滤波器 FIR 格式转换
软件无线电中地数字下/上变频器软件无线电中地数字下上变频器
由NCO产生两路正交信号做混频用,NCO 产生两路正交信号做混频用, 产生两路正交信号做混频用实现. 可以通过直接数字合成技术 DDS 实现.其基本原理框图见下. 基本原理框图见下.
频率控制码 Nbit Nbit 相位累加器
Mbit
ROM 正弦查询表
时钟信号f 时钟信号 c
软件无线电中地数字下/ 软件无线电中地数字下/上变频器
从原理上讲,DDC与模拟下变频实现相同从原理上讲, 与模拟下变频实现相同地功能,地功能,不过其实现是通过数字运算来进行地. 行地. ? 影响数字下变频性能地主要因素：影响数字下变频性能地主要因素：（1）表示数字本振、输入信号以及混频乘）表示数字本振、法运算地样本数值地有限字长所引起地误差. （2）数字本振相位地分辨率不够而引起数）字本振样本数值地近似取值. 字本振样本数值地近似取值.
软件无线电中地数字下/ 软件无线电中地数字下/上变频器
DDC地组成部分：数字控制振荡器地原地组成部分：地组成部分参见书P123－126.典型地数字下变理,参见书－ . 频器,参见书P125－137. 频器,参见书－ . ? 软件无线电中地数字下变频器地应用
DDC1 ADC DDC2 DDC3 DDCn
4.4 高速数字信号处理器
? ? ? 概述典型DSP器件典型器件 DSP器件地软件开发流程（略）器件地软件开发流程（器件地软件开发流程应用举例（应用举例（略）
高速数字信号处理器
典型DSP器件典型器件 ? 目前主要目前主要DSP生产商包括 ,ADI, 生产商包括TI, 生产商包括 , Motorola,Lucent和Zilog等,其中占 , 和等其中TI占有最大市场份额.作为第一片DSP产品有最大市场份额.作为第一片DSP产品 TMS32010地生产商和地生产商和DSP行业地领头者, 行业地领头者,地生产商和行业地领头者 TI公司地产品包括从低端地低成本低速公司地产品包括从低端地低成本低速到高端大运算量地DSP产品. 产品. 度DSP到高端大运算量地到高端大运算量地产品
高速数字信号处理器
TI公司地公司地TMS320C24x系列系列公司地
高速数字信号处理器
TI公司地公司地TMS320C55x系列系列公司地
高速数字信号处理器
TI公司地公司地TMS320C62xx/67xx系列公司地系列
1。