宽带中频信号采集与处理技术的研究

宽带中频信号采集与处理

技术的研究

Prepared on 24 November 2020

廊坊师范学院

本科生毕业论文

题目：宽带中频信号采集与处理技术的研究

学生姓名：

指导教师：

二级学院：

专业：

年级：

学号：

完成日期：2014年1月15日

目录

摘要、关键词 (3)

第一章绪论 (4)

引言 (5)

本文研究的课题背景 (5)

本文研究的主要内容 (6)

第二章宽带中频信号采样方法研究 (7)

.宽带中频信号采集与处理技术介绍 (7)

.宽带中频信号采集与处理设计原理 (7)

模拟正交采样 (9)

带通采样 (10)

第三章宽带中频信号处理技术的研究 (12)

宽带中频信号接收机 (12)

频带分割滤波器的优化设计 (15)

致谢 (20)

参考文献............................................................

摘要

现代无线通信系统中，大量实时信号的传输需求对数据采集系统提出了高速率的要求，宽带采集技术是解决高速率的一个有效途径，随着软件无线电的发展趋势，需要对中频信号乃至射频信号进行采样处理，发展到目前，宽带中频信号采集与处理系统满足需求。宽带中频信号采集系统采集的对象为速度较高的中频信号，则要求采集系统有足够宽的带宽以容纳高速信号，而宽带宽会带来噪声谐波等影响，给设计带来困难。本文针对宽带中频信号采集与处理系统中的问题，首先从采样原理出发，分析采样原理在带通信号采集系统中的应用方式，结合ADC分类具体分析常用ADC—连续逼近型((SAR) ADC, FLASH型(也叫并联比)ADC、流水线型(Pipeline) ADC及E一△型ADC—特性，选取peline型AD9640作为模数转换电路的核心器件。通过研究模拟前端输入匹配条件，选取变压器为输入信号由单端信号转为差分信号的转换器;综合考虑电路时钟需求，分析时钟误差影响，计算时钟抖动范围;隔离电源、地噪声;以及考虑在PCB板上器件位置布局、相互影响和考虑高速信号布线规则分析及模数混合设计注意事项;尤其注意对保证宽带信号采集系统质量上起重要作用的抗混迭滤波器，并进行了更细致的研究。最后对设计中的不足给出了关键技术的优化分析设计。

关键字:宽带;中频;数据采集;抗混叠滤波;模数转换器

第1章绪论

.引言

在通信、雷达、电子战接收机等现代通信系统中，要求传输的信息量远远超

出了一般信息处理器的容量，如在通信系统中，全球范围内的无线通信技术由原

来的2GHz或为核心的技术正在向以3 GHz或4GHz为核心的技术演变;

而在雷达通信系统中，工作频率则更是提高到了2GHz到1 OOGHz范围内，常用

的雷达信号频率也达到了2GHz到18GHz高频率范围内。这样宽的带宽对信号

采集、处理系统的处理速度和精度提出了更高的要求，宽带中频信号采集技术的

出现，符合这一发展趋势的需求，很快受到人们的关注。宽带为瞬间捕获大量信

息提供了可能，缩短了响应时间。随着软件无线电思想的提出，一方面拓宽了数

据采集系统的带宽，另一方面实现了无线电信号的直接中频数据采集(即中频

A/D变换)，采集的数据在数字部分实现下变频、通道选择、滤波、调制解调等功能的设计，使信号处理灵活性提高，因为信号的大部分处理都是通过软件来实现的，可以通过更新模块的软件设计很容易的改进和增加所需功能，同时，由于采用标准化、模块化结构，硬件可以随着发展需要复制型的更新扩展，避免了模拟设计所需的大量硬件设备耗材。且基于软件无线电设计思想的用数字设计克服了模拟中频处理器件，如混频器、模拟滤波器和放大器等，带来的温飘和非线性失真等问题，提高了电路的可靠性和稳定性，也简化了制板、调试等过程。

信号采集系统的主要组成单元模拟数字转换器(ADC: Analog-to-Digital Converter)，发展到现在工艺己发展的非常成熟，性能每年都有提升。其发展到现在，经历了电子管、晶体管、集成电路到片上系统集成电路过程。发展到片上系统后，使得ADC大批量的生产成为可能。大批量的生产大大降低了成本，提高了器件的可靠性。现在ADC的采样速率可达到GHz以上，达到16位分辨率，在采样速率和精度上较原来都有了非常大的提高。为宽带中频信号采集系统的实现提供了可能。

而对于高速高精度ADC器件要想使高转换速度、高转换精度、高分辨率、大动态范围、低功耗等性能指标在实际使用中达到最佳状态，信号采集电路的射频模拟前端、供电电源、接地、时钟及电路板的布局布线设计成了非常关键的环节:

其一，ADC的信噪比及射频模拟前端的增益决定了接收的动态范围。当ADC 的信噪比一定时，如果射频模拟前端的增益增大，则接收的瞬时动态范围减小; 当射频模拟前端增益一定时，ADC的信噪比增大，会使接收的瞬时动态范围增大。

其二，电源、地噪声在今天的高速设计中通常占据30%以上的噪声预算。

电源提供稳定可靠的电压，才能使各个器件正常工作，如果电源质量下降，直接影响到器件能否工作或者使产生误差。

其三，时钟抖动带来的误差。理想的时钟是没有抖动的，但实际电路中各种不确定的因素必然会带来时钟的抖动，而且是不可避免的。在低速时不会带来很大影响的时钟抖动，对于高速信号则会产生很大影响，采集得到的信号没有任何使用价值，甚至会带来错误的结果。

其四，高速ADC电路中合理布局布线，使敏感器件和噪声源分开布局，对

敏感信号进行保护。另外，布局布线时对器件工作功率也要考虑，对产生热量多的部分，要考虑散热。否则会导致系统崩溃。

在实际设计过程中，转接口的选择也很重要的，系统设计也需进一步简化。

.本文研究的课题背景

以软件无线电技术为背景，从设计尽可能使模数转换单元靠近射频前端着手，尽早进行数字化以用数字设计实现更多通信功能。本文基于对宽带中频信号采集与处理系统的研究，通过对信号采集理论进行研究，分析不同类型ADC特

征并比较，选取符合系统要求的ADI公司的AD9640芯片进行模数转化设计，

进一步对设计高速中频电路中可能遇到的问题进行分析和优化设计，包括模拟前端变压器的设计选取、抗混叠滤波器设计、时钟电路设计及噪声分析、电源和地优化设计、高速电路器件布局、布线考虑等。

.本文研究的主要内容

本文主要研究了以下几个方面:

1 宽带中频信号的采样方法。

2宽带中频信号的处理技术。

第二章宽带中频信号采样方法研究

宽带中频信号采集与处理技术介绍1

宽带中频信号采集与处理技术，是一种基于软件无线电理论思想的高速高精

度信号采集与处理的新型技术，通信或雷达等宽带信号接收后，经模拟前端放大滤波处理后，直接对所得中频信号采样，即进行A/D变换，在数字部分完成包

括下变频、调制解调、抽取、插值等处理过程，由接口电路送到DAC处理部分，进行适当后续处理操作。宽带中频信号采集与处理系统总体结构框图如下图所示。