软件无线电的接收机和发射机

数字变频器的应用正逐渐从ASIC向FPGA过 渡—可编程性高、灵活性强，并可提高集成度
数字变频器(2)
数字变频器(3)
DDC和DUC的结构类似，都包括数控振 荡器、数字混频器和数字滤波器3大部分， 但具体实现有较大不同 数字变频器的运算环节主要是相乘和滤 波，其中滤波环节的运算量最大，因此 各种高效的滤波设计是它实现的关键
同样具有模拟正交混频和数字正交混频两种结 构形式（参见课本142页） 由于存在中频，因此需要抑制镜像信号，镜像 信号抑制可以在正交下变频后，在较低的频率 上完成，尽管镜像抑制能力要求仍较高，但总 体实现难度比外差式接收机大幅降低了
低中频接收机 (2)
低中频接收机 (3)
低中频发射机
与外差式发射机相比，由于两次变频都采用了正 交上变频，因此可以很好地抑制镜像信号的产生， 大幅降低后级滤波器的实现难度 能消除零中频发射机的本振泄漏和本振牵引等问 题，易于集成化，综合性能较好
如果信道划分是等间隔的，则采用多相FFT滤 波器组是信道化最有效的选择，这种结构使 用多相滤波器来分离并抽取不同的信道，然 后采用FFT将每个信道转换到基带，它只需要 一个FIR滤波器结构和一个FFT变换器，简单 且效率很高
信道化接收机—多相FFT滤波器组(2)
信道化接收机—多相FFT滤波器组(3)
Weaver镜像抑制接收机
在Hartley镜像抑制接收机中，实现900 的相移是比较困难的，为了解决这个问 题，人们又提出了Weaver镜像抑制接收 机结构，它的特点是采用正交乘法实现 900相移
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
实信号和复信号
实混频上变频(1)
实混频上变频(2)
试画出信号频谱搬移的情况
频域分析方式 时域分析方式
思考：是否有镜像信号产生？
实混频下变频(1)
实混频下变频(2)
实混频下变频(3)
试画出信号频谱搬移的情况 思考：
是否仍存在中频下变频中的镜频干扰问题？ 如果射频信号是采用残余边带调制的信号， 会发生什么情况？
模拟中频结构
外差式接收机(2)
数字中频结构
外差式接收机(3)
优点
灵敏度高、选择性好 接收机增益分散于工作在不同频率的放大器上 中频部分可标准化，易于实现 整个系统性能良好
缺点
需要高中频设置 需要高性能模拟滤波器，不能单片集成实现 由于是多变换结构，系统复杂度高 需要两个或两个以上的本振
外差式发射机(1)
零中频接收机(4)
存在的问题
零频附近很不安全
直流失调 1/f 噪声 二阶失真
需要高精度、宽带的正交变频设置 只有一级AGC，信号的动态范围相对 较小
直流失调的成因和后果(1)
直流失调是指由于本振信号与接收端载波信 号频率相同，因此本振信号可能通过混频器、 低噪声放大器泄漏或通过其他途径泄漏到天 线端并反射回来，并与本振信号混频产生直 流信号，该直流信号可能造成后级电路 （ADC或AMP）饱和或淹没有用信号的现象 直流失调分为静态和动态两种
消除了中频部分，简化了接收机的结构，易于单 片集成实现 大部分信号处理工作在较低的速率上，对处理器 的要求降低，并有助于降低系统的功耗 消除了相邻信道引起的镜像干扰问题，不再需要 由分立元件实现的模拟高Q值滤波器 只需要一个本振
零中频接收机(2)
模拟正交混频结构
零中频接收机(3)
数字正交混频结构
模拟中频结构
外差式发射机(2)
数字中频结构
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
零中频接收机(1)
思考：可否不使用中频，将射频信号经 一次变频直接变换到基带？ 可得到的好处：
信道化接收机—多相FFT滤波器组(4)
信道化接收机—多相FFT滤波器组(5)
H 0 ( z ) = ∑ z En ( z
−n n =0 M −1 M
)
信道化接收机—多相FFT滤波器组(6)
信道化接收机—多相FFT滤波器组(7)
信道化接收机—多相FFT滤波器组(8)
信道化发射机—多载波上变频(1)
结构：多级级联结构、多相滤波器结构 种类：半带滤波器、积分梳状滤波器
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
外差式接收机(1)
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
低中频接收机 (1)
与零中频接收机类似，但保留一个较低中频， 它的优点是：
解决了零中频接收机的直流失调问题 减小了本振泄漏的影响 复杂度适中，比外差式低，比零中频高
占用发射机功率，降低发射效率 造成零中频接收机的直流失调
本振泄漏的来源
本振与射频端口之间隔离度不好 在混频器中由于本振自混频产生直流分量，该分 量与本振相乘后输出 在混频器输入端出现直流偏移
零中频发射机的本振泄漏问题(2)
注意：零中频接收机中也存在本振泄漏 问题，但该问题最直接影响的对象是零 中频接收机本身 对零中频发射机中的本振泄漏问题，最 主要的解决方法也是直流补偿，除此之 外，增加本振与射频端口的隔离度也是 一种重要手段
软件无线电技术
主讲：陈 凯 电邮：paeanchen@gmail.com 办公室：教3楼503-3（周三下午）
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
1/f 噪声
功率谱密度与频率成反比，故得其名 存在于大部分半导体器件中，它的影响 甚至起支配作用，也被称为半导体噪声 或闪烁噪声 当频率低于200 Hz时，是最主要的噪声 源，因此对零中频接收机影响较大
二阶和三阶互调失真示意图
f 2 = f1 + ε
二阶互调产物直接泄漏的效果
f 2 = f1 + ε
信道化发射机—多载波上变频(2)
多载波上变频信道化发射机的特点
中频很宽 合路后系统总带宽增长了M倍，各支路必须 通过内插来实现速率适配 工作过程可概述为：内插 + 低通滤波 + 上 变频 各支路输出的数字信号进行数字叠加后， 会出现峰均比较高的问题，设计时必须充 分考虑到
信道化发射机—多相FFT滤波器组
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
Hartley镜像抑制接收机(1)
Hartley镜像抑制接收机(2)
Hartley镜像抑制接收机(3)
零中频发射机的本振牵引问题(1)
本振牵引是指由于本振和功放之间的隔离度不 好，造成功放输出的功率较大的信号回馈到本 振，导致本振频率受其影响而发生漂移的现象 本振牵引的严重程度与本振与功放之间的隔离 度及本振与功放输出频率之间的差异有关
零中频发射机的本振牵引问题(2)
解决方案：分频、倍频或和频
第4章 软件无线电的接收机和发射机
正交失配的补偿
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
信道化概述(1)
软件无线电系统是具有全频段、多模式工作 能力的通信设备，具有同时支持多个信道的 能力，具有这种能力的接收/发射机就称为信 道化接收/发射机
军事中应用于电子战系统的侦察接收机 民用移动通信的基站
实现信道化还需要考虑射频信道的分配情况
射频中各信道带宽相同且间距相等，如GSM 信道带宽及间隔都没什么规律，而且可能是动态 变化的
信道化概述(2)
信道化接收机—多载波下变频(1)
信道化接收机—多载波下变频(2)
信道化接收机—频域滤波
信道化接收机—多相FFT滤波器组(1)
综述(1)
接收机和发射机是一个系统，系统级的 设计和优化具有更重要的意义
可以决定系统的体积大小、功耗和性能 可以协调各电路模块，确保达到设计指标
收发机结构对电路设计的影响
片外元件的数量、种类和费用 电路的复杂度和制造成本 各级电路的工作频率、噪声系数、线性度、增 益和功耗等 电路调试的费用
综述(2)
静态直流失调来源于接收机本身的本振泄漏及自 混频 动态直流失调则来源于接收机环境时变因素的不 恰当补偿
直流失调的成因和后果(2)
直流失调的补偿(1)
频率调整（从本振泄漏角度入手）
直流失调的补偿(2)
电容耦合（从消除直流信号角度入手）
缺点：会造成信号失真，不常用
直流失调的补偿(3)
直流校准（从消除直流信号角度入手）
软件无线电系统的收发机结构应该是 高度集成的，具有很强的灵活性和பைடு நூலகம் 模式通信的能力，因此必须尽可能多 地利用数字信号处理技术替代传统的 模拟信号处理技术 软件无线电系统的收发机设计必须基 于现有的无线通信收发机结构 预备知识：中频（IF）的概念和作用
第4章 软件无线电的接收机和发射机
1、综述 2、变频技术和数字变频器 3、外差式接收机和发射机 4、零中频接收机和发射机 5、低中频接收机和发射机 6、镜像抑制接收机 7、正交失配的补偿 8、信道化接收机和发射机
两种特殊的变频方法(1)
通过带通采样实现下变频
两种特殊的变频方法(2)
通过内插 + 带通滤波实现上变频
数字变频器(1)
为什么使用专门设计的数字变频器？
由于射频频率很高，因此变频会占用大量的处理资 源—近60% DSP的处理能力往往达不到要求 FPGA的处理能力虽然可以达到要求，但是相应的 高处理能力导致其价格较高 变频的原理简单且通用，对任何通信系统并无本质 区别，所以目前大量使用基于ASIC的数字变频器
复混频下变频(1)
复混频下变频(2)
e − jωLOt
yI ( t ) = xI ( t ) cos ωLOt + xQ ( t ) sin ωLOt yQ ( t ) = xQ ( t ) cos ωLOt − xI ( t ) sin ωLOt
关于复混频的思考
下面的3种变频方式是否会产生镜像信号？
正交失配的产生
当失配现象出现时，原来单正频率的本振信号 会分裂成对称的正、负频率本振信号，不难看 到，这个负频率的镜像本振信号会造成正交变 频结构镜像信号抑制能力的下降
正交失配的衡量
正交失配对信号星座图的影响
一般而言，幅度不均衡造成的影响不是 很严重，而相位不正交造成的影响是比 较大的，必须充分考虑
二阶和三阶互调失真的衡量
输出功率
截获点越 高，系统 抑制互调 失真的能 力就越强， 零中频接 收机必须 有比较好 的IP2性能
零中频发射机(1)
模拟正交混频结构
零中频发射机(2)
数字正交混频-单ADC结构
零中频发射机(3)
数字正交混频-双ADC结构
零中频发射机的本振泄漏问题(1)
由于本振频率就是输出频率，因此本振信号 泄漏后会出现在输出频谱的中心位置，不能 被滤波器滤除，它的影响是：
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