软件无线电设计的A／D采样分析

软件无线电设计的A／D采样分析

2006-12-05 02:42:54 孙增军胡延平周晨阳现代电子技术

摘要：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采样的设计方法。

关键词：软件无线电；A／D；带通采样；速率

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。软件无线电系统的一般结构如图1所示。

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 Quick、HFMODEM （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。

2 A／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。

2.2 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，f S为采样速率，f max为输入信号的最高频率。

由式（1）可见，当f S采样速率等于奈奎斯特（Nyquist）速率，即f S＝2f max时，分辨率每增加1 bit，信噪比约增加6 dB。并且，当f S大于奈奎斯特速率2f max时，由于采样过程将集中在奎斯特频带（DC～f max）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，ENOB计算如下：

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。由孔径抖动造成的噪声可用下式来衡量：

其中：t a为A／D转换器的孔径抖动，一般为ps级。

除了上述几项，还有采样转换非线性、数据输出时延等参数。对通信系统而言，信噪比SNR、输入信号带宽及无失真动态范围SFDR是最重要的几个参数。

3 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f S≥2f max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f S，使f S≥2f max就是为了保证采样后的信号频谱不重叠。当f S＝2f max时，采样前后的信号频谱如图2所示。