第一讲 数字中频系统概述
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第一讲 数字中频 系统概述
电子科技大学：王 洪
§1.1 无线电技术的发展
通信是伴随人类进步的推动力
♦ 200多年以前现代文明还未启动，人类已经 进行做大量远距离通信的探索，看看远古的 烽火台吧！
无线传输的特点
以特定的物理量来传递信息，如：声音、光、电磁场等 用信号的物理量表达信息----编码、调制 传输介质：自由空间（视距、遮蔽、多径） 传输速度快、传递距离远、能量随距离而衰减、消耗能量低 保密性问题 同时传递信息时的干扰问题 信号的方向与达到时间也是信息 目标对信号的响应 。。。。。。
（1）零中频数字基带接收机
I LPF cos BPF LNA 正交本振 sin Q LPF A/D A/D
数字基带信号处理
图1来自百度文库20
零中频数字基带接收机的系统结构
特点：本振频率与射频频率相同，混频器输出信号中频为零
（2）超外差式数字基带收发机
I LPF cos IF BPF LNA LO RF T/R BPF 正交本振 sin Q LPF A/D A/D
无线通信在军事和民用上迅速发展
军事上：电台，雷达等 民用上：广播/电视/无限通信/卫星通
信等
无线通信在军事和民用上迅速发展
Early RADAR from the UK
无线通信在军事和民用上迅速发展
无线通信在军事和民用上迅速发展
无线通信在军事和民用上迅速发展
无线通信在军事和民用上迅速发展
~
图1.22 超外差式数字中频接收机的系统结构
（3）超外差式数字中频接收机
I LPF RF IF BPF LNA LO BPF A/D cos 正交NCO sin Q LPF
数字基带信号处理
~
图1.22 超外差式数字中频接收机的系统结构
§1.3 数字中频系统
所谓中频，顾名思义，是指一种中间频率的信号形式。 中频是相对于基带信号和射频信号来讲的，中频可以有一 级或多级，它是基带和射频之间过渡的桥梁。
电磁场电磁波理论推动无线通信
无线通信发展
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Heinrich Hertz (1857-1894) made the first radio transmitter and demonstrated the existence of radio waves in 1887.
数字中频系统的组成：
接收系统： 低噪声放大、抗混叠滤波、混频器、中放等 自动增益控制AGC 模数转化器件ADC、DAC 下变频器DDC 载波同步、位定时同步…… 发射系统： 波形产生 上变频器DUC 正交调制 倍频或混频 滤波、功放……
数字中频系统的关键技术：
理论： 信号调制与解调 复信号的分析 采样理论 多速率信号处理 同步技术…… 器件： 模数转换 ADC、DAC 下变频器DDC 上变频器DUC 各种专用芯片 FPGA与CPLD DSP芯片……
1837年 Morse发明电报； 1864年 麦克斯韦发表“电磁场的动力理论”； 1876年 贝尔发明电话； 1887年 赫兹证实了电磁波的存在并研究了电磁波的 多种性质； 1895年 马可尼在几百米距离用电磁波通信成功，并 于1901年实现了横跨大西洋的通信。 1923年 短波通信 30年代 美、英、德、苏、法、意大利、日本、荷兰 几乎同时而又独立地研制出雷达 1960年 ATLAS卫星实现了卫星广播 1978年 贝尔实验室研制成功移动通话系统 1994和1996 美俄先后简历全球卫星导航系统
电磁场电磁波理论推动无线通信
On December 1901, Marconi proved to the world that it was possible to send messages across continents when he sent the letter "S" in Morse from Cornwall, England to St. John's, Newfoundland in Canada.
2.无线电系统的基本结构
前置 放大 麦克风 载波 (a) 发射机 调制 滤波 功率 放大
功率 放大 扬声器
滤波
解调
前置 放大
选频 滤波
载波 恢复 (b) 接收机 图1.2 无线电系统的基本结构
缺点： 调制滤波器的设计实现很困难，如：3kHz正弦信 号以30MHz作振幅调制，滤波器Q值约5000.
3.无线电系统的实用结构
前置 放大 麦克风 载波 本振 (a) 发射端结构 滤 波 解 调 滤 波 混 频 选频 滤波 调 制 滤 波 混 频 滤 波 功率 放大
功率 放大 扬声器
本振 (b) 接收端结构 图1.5 无线电系统的实用结构
4.数字无线电系统的结构 优点：
•减少了模拟电路的温度漂移、增益变化、直流电平漂移和非线 性失真等影响。 •在中频直接采样，由于信号没有通过视频检波器等模拟器件， 能保留尽量多的信息； •数字无线电系统一般具有可编程的特点，参数配置灵活； •数字滤波器的阶数可以很高，使滤波器的频响特性易于控制； •数字化数据能长期保存，可用更灵活的信号处理方法从数字信 号中获取所要的信息； •对多通道无线电系统而言，通道间的均衡性好； •易于集成，体积小，功耗低。
§1.4 Wireless Signal Chain Architectures
~
数字基带信号处理
~
LO cos IF PA BPF A BPF 正交本振 sin
I LPF D/A
Q LPF 图1.21 超外差式数字基带收发机的系统结构 D/A
（3）超外差式数字中频接收机
I LPF RF IF BPF LNA LO BPF A/D cos 正交NCO sin Q LPF
数字基带信号处理
§1.2 无线电系统结构的演进
1.无线电系统的最简结构
前置 放大 麦克风 (a) 发射机
功率 放大 天线
前置 放大
功率 放大 扬声器
(b) 接收机 图1.1 基于语音传输的最简无线电系统结构
缺点： （1）电磁波强度与天线长度成正比，与电磁波波 长成反比。（2）当天线长度为半波长整数倍时，天线效 率较高高。如3kHz的语音信号，波长为100km。（3）不 能多路传输。
电子科技大学：王 洪
§1.1 无线电技术的发展
通信是伴随人类进步的推动力
♦ 200多年以前现代文明还未启动，人类已经 进行做大量远距离通信的探索，看看远古的 烽火台吧！
无线传输的特点
以特定的物理量来传递信息，如：声音、光、电磁场等 用信号的物理量表达信息----编码、调制 传输介质：自由空间（视距、遮蔽、多径） 传输速度快、传递距离远、能量随距离而衰减、消耗能量低 保密性问题 同时传递信息时的干扰问题 信号的方向与达到时间也是信息 目标对信号的响应 。。。。。。
（1）零中频数字基带接收机
I LPF cos BPF LNA 正交本振 sin Q LPF A/D A/D
数字基带信号处理
图1来自百度文库20
零中频数字基带接收机的系统结构
特点：本振频率与射频频率相同，混频器输出信号中频为零
（2）超外差式数字基带收发机
I LPF cos IF BPF LNA LO RF T/R BPF 正交本振 sin Q LPF A/D A/D
无线通信在军事和民用上迅速发展
军事上：电台，雷达等 民用上：广播/电视/无限通信/卫星通
信等
无线通信在军事和民用上迅速发展
Early RADAR from the UK
无线通信在军事和民用上迅速发展
无线通信在军事和民用上迅速发展
无线通信在军事和民用上迅速发展
无线通信在军事和民用上迅速发展
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图1.22 超外差式数字中频接收机的系统结构
（3）超外差式数字中频接收机
I LPF RF IF BPF LNA LO BPF A/D cos 正交NCO sin Q LPF
数字基带信号处理
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图1.22 超外差式数字中频接收机的系统结构
§1.3 数字中频系统
所谓中频，顾名思义，是指一种中间频率的信号形式。 中频是相对于基带信号和射频信号来讲的，中频可以有一 级或多级，它是基带和射频之间过渡的桥梁。
电磁场电磁波理论推动无线通信
无线通信发展
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Heinrich Hertz (1857-1894) made the first radio transmitter and demonstrated the existence of radio waves in 1887.
数字中频系统的组成：
接收系统： 低噪声放大、抗混叠滤波、混频器、中放等 自动增益控制AGC 模数转化器件ADC、DAC 下变频器DDC 载波同步、位定时同步…… 发射系统： 波形产生 上变频器DUC 正交调制 倍频或混频 滤波、功放……
数字中频系统的关键技术：
理论： 信号调制与解调 复信号的分析 采样理论 多速率信号处理 同步技术…… 器件： 模数转换 ADC、DAC 下变频器DDC 上变频器DUC 各种专用芯片 FPGA与CPLD DSP芯片……
1837年 Morse发明电报； 1864年 麦克斯韦发表“电磁场的动力理论”； 1876年 贝尔发明电话； 1887年 赫兹证实了电磁波的存在并研究了电磁波的 多种性质； 1895年 马可尼在几百米距离用电磁波通信成功，并 于1901年实现了横跨大西洋的通信。 1923年 短波通信 30年代 美、英、德、苏、法、意大利、日本、荷兰 几乎同时而又独立地研制出雷达 1960年 ATLAS卫星实现了卫星广播 1978年 贝尔实验室研制成功移动通话系统 1994和1996 美俄先后简历全球卫星导航系统
电磁场电磁波理论推动无线通信
On December 1901, Marconi proved to the world that it was possible to send messages across continents when he sent the letter "S" in Morse from Cornwall, England to St. John's, Newfoundland in Canada.
2.无线电系统的基本结构
前置 放大 麦克风 载波 (a) 发射机 调制 滤波 功率 放大
功率 放大 扬声器
滤波
解调
前置 放大
选频 滤波
载波 恢复 (b) 接收机 图1.2 无线电系统的基本结构
缺点： 调制滤波器的设计实现很困难，如：3kHz正弦信 号以30MHz作振幅调制，滤波器Q值约5000.
3.无线电系统的实用结构
前置 放大 麦克风 载波 本振 (a) 发射端结构 滤 波 解 调 滤 波 混 频 选频 滤波 调 制 滤 波 混 频 滤 波 功率 放大
功率 放大 扬声器
本振 (b) 接收端结构 图1.5 无线电系统的实用结构
4.数字无线电系统的结构 优点：
•减少了模拟电路的温度漂移、增益变化、直流电平漂移和非线 性失真等影响。 •在中频直接采样，由于信号没有通过视频检波器等模拟器件， 能保留尽量多的信息； •数字无线电系统一般具有可编程的特点，参数配置灵活； •数字滤波器的阶数可以很高，使滤波器的频响特性易于控制； •数字化数据能长期保存，可用更灵活的信号处理方法从数字信 号中获取所要的信息； •对多通道无线电系统而言，通道间的均衡性好； •易于集成，体积小，功耗低。
§1.4 Wireless Signal Chain Architectures
~
数字基带信号处理
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LO cos IF PA BPF A BPF 正交本振 sin
I LPF D/A
Q LPF 图1.21 超外差式数字基带收发机的系统结构 D/A
（3）超外差式数字中频接收机
I LPF RF IF BPF LNA LO BPF A/D cos 正交NCO sin Q LPF
数字基带信号处理
§1.2 无线电系统结构的演进
1.无线电系统的最简结构
前置 放大 麦克风 (a) 发射机
功率 放大 天线
前置 放大
功率 放大 扬声器
(b) 接收机 图1.1 基于语音传输的最简无线电系统结构
缺点： （1）电磁波强度与天线长度成正比，与电磁波波 长成反比。（2）当天线长度为半波长整数倍时，天线效 率较高高。如3kHz的语音信号，波长为100km。（3）不 能多路传输。