无线电收发中的DA转换(翻译)

无线电收发中的D/A转换其基本思想是构造一个通用的开放型可编程硬件平台，通过加载相应的软件模块来实现相应的无线电台功能。

在通用平台上，只要更改有关软件，就可以方便的完成对电台功能的修改及扩展，而不必重新设计构造硬件电路系统。

这样的无线电台很容易实现与现有或未来的多种电台的兼容，最大限度的满足互通互连的要求。

同时可节省大量电台更新时的开发时间和研发经费。

这首先在通信(尤其是在移动通信)领域有着迫切的需求和广阔的应用前景模数变换（A／D）是实现软件无线电的关键技术之一。

本文首先介绍了软件无线电的概念，然后着重分析了A／D变换器的各项技术指标，并结合实例，详细论述了A／D采样的方法。

1引言在1992年5月的全美远程系统（NationalTelesystems Conference）会议上，Mitre公司的科学家Joe Mitola在同IEEE 的一位会员谈话时，首先提出了软件无线电的概念。

他认为：软件无线电系统基于硬件平台，其A／D变换应尽量地靠近天线，而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现。

与传统无线电系统相比，软件无线电将A／D变换尽量向射频端靠拢，而将中频（甚至射频）以后全部进行数字化处理，他带来的好处是射频前端小型化、通信功能软件化、系统硬件通用化。

最初软件无线电是美军为了解决各种军用电台之间的互通问题，软件无线电电台的特点是宽频带、多频段、多调制方式、多编码方式、多协议、小体积、便于升级等。

为此，美国国防部高级研究计划总署（ARPA）提出了Speakeasy计划，该计划第一阶段的目标是研制开发多频段多模电台（MBMMR），Speakeasy I 的先期开发模型（ADM）已于1994年8月对政府的一些代表做了演示，他共演示了以下几项内容：（1）分别与4种政府装备的标准电台互通，其中包括战术无线电台Have QuickHFMODEM （MIL-STD-188-110A)、自动链路建立ALE（MS-188-141A）和单信道地面和机载无线电系统SINCGARS；（2）在Have Quick 和SINCGARS的跳频网上同时发射，实现同时与这两种电台通信；（3）作为网桥／关连接Have Quick和SINCGARS网，使2个网上的用户信息透明地传输，（4）在2部Speakeasy电台上，同时改变SINCGARS的波形参数后仍能互通，显示了波形可编程能力。

这次演示的内容包括语音、数据及计算机产生，并通过HFMODEM传输的视频图像。

1999年该计划第二阶段Speakeasy II的开发完成，他增加了软件无线电的网络功能，扩展了MBMMR电台可兼容的波形，包括GPS、WNA（无线网络接入）、蜂窝电话等。

由于软件无线电系统无可比拟的优势，他被越来越多的领域所关注。

1996年，由美国、日本的一些公司发起成立了MMITS论坛，旨在研究开发软件无线也准备将软件无线电技术应用到第三代移动通信系统IMT-2000中，并已开始ACTS （AdvancedCommunication Technologies＆Services）等计划。

实现软件无线电包括以下几项关键技术：宽带天线和宽带射频模块、宽带A／D变换、高速DSP器件等。

其中A／D变换器性能的好坏直接影响到实现软件无线电的程度和系统的性能指标，因此A／D变换器的选用是进行软件无线电系统设计的基础。

2A／D变换器的性能参数2．1采样速率与分辨率采样速率指模数变换的速率，而分辨率表示变换输出数字数据的比特数。

这2个参数很重要，因为较高的采样速率与分辨率对应了高信噪比和较宽的信号输入带宽。

近几年，A／D器件性能提高得很快，单是采样速率大约每两年就翻一倍。

几种A／D器件的采样速率与分辨率如表1所示。

信噪比信噪比SNR（Signalto Noise Ratio）指信号均方根值与其他频率分量（不包括直流和谐波）均方根的比值，信噪比SINAD （Signal to Noise andDistortion）指信号均方根值与其他频率分量（包括谐波但不包括直流）均方根的比值，所以SINAD比SNR 要小。

若只考虑量化噪声，信噪比SNR可表示为：其中：B为A／D转换器分辨率，fS 为采样速率，fmax为输入信号的最高频率。

由式（1）可见，当fS采样速率等于奈奎斯特（Nyquist）速率，即fS ＝2fmax时，分辨率每增加1 bit，信噪比约增加6 dB。

并且，当fS 大于奈奎斯特速率2fmax时，由于采样过程将集中在奎斯特频带（DC～fmax）内的噪声能量展宽，信噪比会随着采样速率的提高而增加。

实际上，A／D转换器的信噪比还要考虑内部非线性、孔径抖动等因素，实际的信噪比要小得多。

2．3无失真动态范围无失真动态范围（SFDR，Spurious Free DynamicRange）为信号幅度均方根值与其他最大失真频率分量的幅度均方根的比值，失真频率分量可以是谐波也可以不是谐波。

这一参数表征了A／D转换器检测弱信号的能力，他在接收系统设计中尤为重要。

2．4有效比特数有效比特数（ENOB，Effective Number ofBits）是对应于实际信噪比的比特数，一般，ENOB比器件分辨率低1～2 bits。

2．5谐波失真谐波失真（Harmonic Distortion）表示单音频输入时信号幅度均方根与谐波分量均方根的比值。

2．6交调失真交调失真（IMD，Intermodulation Distortion）指多频率分量输入时，信号幅度均方根与信号交*调制产物均方根的比值。

2．7全功率输入带宽全功率输入带宽（Full Power Analog InputBandwidth）指当输出信号幅度降低3 dB时的输入信号频率点，一般采样速率越高，全功率输入带宽就越宽。

2．8孔径抖动由于每次取样的时间间隔并不是非常精确，这种取样时间的不确定性称为孔径抖动。

软件无线电系统设计中A／D采样方式的确定目前较为常用的采样方式有过采样（Oversampling）、正交采样（Quadrature Sampling）和带通采样（Bandpass Sampling）等。

3．1过采样根据奈奎斯特定理，当fS ≥2fmax时，就能够从采样后的数据中无失真地恢复出原来的信号。

我们知道，信号在时域的采样等效于信号频谱在频域的周期拓延，周期为fS ，使fS≥2fmax就是为了保证采样后的信号频谱不重叠。

在电路设计中，采样前需加抗混叠滤波器，以便滤除带外噪声，通常要求带外抑制50 dB，为了使抗混叠滤波器易于实现，可以将采样速率取得高一些，一般fS 取为fmax的2．5倍以上，这就是过采样。

过采样在基带处理中应用较多，但如果在中频或射频进行过采样，在同等分辨率情况下，他要求A／D转换器达到很高的采样速率，比如对频率70 MHz，10 MHz带宽的中频信号采样，分辨率为12 bits，A／D转换器的采样速率需达150 MS／s，这时A／D转换器所提供的信噪比将比较低，而且对后端数据处理部分的压力也很大，所以在软件无线电系统设计中不提倡用过采样。

3．2正交采样正交采样将信号分为2路，分别与本振的2个正交分量相乘，将射频信号变到中频或基带再采样，由于每路信号分量仅有原始信号带宽的1／2，采样速率就可以降为原来的1／2，但其代价是要用2片相位一致的A／D转换器，这实现起来比较困难。

3．3带通采样带通采样又叫欠采样（Under Sampling）或谐波采样（HarmonicSampling），在中频或射频采样中主要采取这种方式。

根据奈奎斯特定理，需要fS ≥2fmax，目的就是保证采样后的信号频谱不重叠，这样才能无失真地恢复出原始信号。

对中频（或射频）带通信号，设带宽为B，只要取fS≥2B的某些值，就可以保证采样后的信号频谱不重叠。

4中频A／D采样参数分析在软件无线电通信系统设计中，由于A／D转换器的信噪比等指标还不能满足射频采样的要求，现在一般采取中频采样，中频A／D采样设计的目的就是根据系统带宽和灵敏度要求确定采样速率和对A／D转换器的信噪比要求，并选择A／D器件。

下面以GS单元的设计为例，分析一下A／D采样参数的确定。

935～960 MHz射频信号经低噪放、一次64或二次变频后，变为带宽为25 MHz的中频带通信号，设中频为70 MHz，再经过抗混叠带通滤波，送入宽带A／D转换器进行采样，PDC（可编程数字下变频器）的作用是完成数字下变频及200 kHz单通道选择，最后由DSP进行各路控制、解调、解码等终端处理。

4．1A／D采样对系统灵敏度影响的分析假设从天线到A／D采样之间的增益G＝30 dB，噪声系数NF ＝12 dB，则系统接收灵敏度就由A／D转换器的性能来确定。

为方便分析，我们采用Analog Devices公司生产的A／D芯片AD9432进行设计，AD9432是12 bits，100 MS／s的ADC（模数转换器），全功率输入带宽达到500 MHz，在输入信号频率为70 MHz、输入幅度为－1 dBFS（相对于满量程）时，他可以提供66 dB的信噪比（SNR）及80 dB的无失真动态范围（SFDR），他的满量程输入为＋4 dBm／50Ω。

下面分析一下信噪比对系统接收灵敏度的影响。

由输入信号幅度为－1 dBFS时SNR＝66 dB可以得出，AD9432内部产生的噪声电平为4 dBm－1 dB－66 dB＝－63 dBm。

另外，根据噪声系数和增益可以计算系统前端加到A／D输入端的噪声电平。

系统折合到射频输入端的噪声温度Te ＝T（10NF／10－1），其中T0＝290°K，于是噪声功率Pe＝kTeB，k为Boltzman常数，k＝1．38×10－23，系统带宽B＝25 MHz，计算得Pe＝－88 dBm。

又因为G＝30 dB，则呈现在A／D输入端的噪声功率为－88 dBm＋30 dB＝－58 dBm。

经过A／D采样，再加上AD9432内部产生的噪声－63 dBm，二者叠加，在输出端整个带宽内的噪声电平为－57 dBm，在信号满量程输入时信噪比为4 dBm＋57dBm＝61 dB。

A／D 采样输出的数据进入PDC，PDC完成数字下变频器及200 kHz单通道滤波，他产生的信噪比增益为10lg（f／200 kHz）＝10lg（100SMHz／200 kHz）＝27 dB，于是PDC输出送入DSP解调的信噪比为61 dB＋27 dB＝88 dB。

假设如果要正确解调，输入信噪比需要10 dB，则信号幅度还有78 dB的余量，相当于在AD9432输入端最低电平为－74 dBm，对应于在射频输入端的接收灵敏度为－104 dBm。

由上述分析过程可见，如若提高系统灵敏度，一是降低前端噪声系数，二是提高A／D转换器采样速率，改善其信噪比性能，三是在电路上增加AGC也可以提高系统灵敏度。