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1、第2章 软件无线电理论基础 2.1 信号采样理论 2.2 软件无线电中的采样理论 2.3 多速率信号处理 2.4 高效数字滤波器 2.5 正交变换理论,信号采样理论,基本采样理论Nyquist采样定理 fS2fH 带通信号采样理论 设一个频率带限信号X(t)，其频带限制在(fL，fH)内，如果其采样频率fS满足： n取能满足fS 2(fHfL)的最大正整数(0，1，2，)，则用fS进行等间隔采样所得到的信号采样值X(nTS)能准确地确定原信号X(t)。,信号采样理论,用带通信号的中心频率f0和频带宽度B也可表示为：,显然，当f0=fH/2、BfH时，取n=0，上式就是Nyquist采样定理，即
2、满足：fS2fH。由上式可见，当频带宽带B一定时，为了能用最低采样频率即两倍频带宽度频率(fS =2B)对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足：,或,信号采样理论,带通信号的频谱,信号采样理论,带通信号的采样,信号采样理论,带通信号采样的频率对应关系,信号采样理论 过采样技术 以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称为过采样 优点:1.高速采样可降低前级抗混迭滤波器的设计要求 2.过采样可以提高A/D转换的信噪比。 如果仅考虑量化误差，并且假设量化噪声的幅度在一个量化阶内呈均匀分布，则ADC在理论上可能达到的最大信噪比S/N可通过下式计算：,其中：N为ADC 的位数，fs为采样频率
3、，fmax为输入模拟信号的最高频率。 由上式看出，采样频率每提高一倍，SNR增加3dB。,软件无线电中的采样理论,软件无线电结构框图 f0=(2n+1)fs/4 (n=0,1,2,) B=fs/2,射频全宽带低通采样软件无线电结构,软件无线电中的采样理论,fminfmax fs2fmax,软件无线电中的采样理论,宽带中频带通采样软件无线电结构,软件无线电中的采样理论,f0=(2n+1)fs/4 fs、fsm fsm:盲区采样频率 f0m=(2m+3)fsm/4 其中f0m为第m个“盲区”的中心频率,射频直接带通采样软件无线电结构,软件无线电中的采样理论,基于软件无线电的TD-SCDMA的接收机
4、硬件平台框图,软件无线电中的采样理论,中频带宽采样接收机结构三次变频过程,直接中频采样（中频大于采样频率）,多速率信号处理,整数倍抽取 XD(m)=X(mD) ,B=fs/(2D) 整数倍内插 XI(m)=X(m/I) ,发射电路 取样率的分数倍变换 R=D/I 取样率变换性质 抽取内插器实时处理结构多相滤波结构 取样率变换的多级实现 带通信号的取样率变换,带通信号的取样率变换,带通信号的取样率变换,带通信号的取样率变换,带通信号频谱搬移过程,带通信号的实抽取结构,2.4 软件无线电中的高效数字滤波器,半带滤波器 D=2m 积分梳状（CIC）滤波器 D=整数2m,2.5 数字信号正交变换理论,
5、实信号x(t)的谱 X(f)=X*(-f) Hilbert 变换- 正交变换 正频率分量对应的复信号 z(t)=x(t)+jHx(t) x(t)与Hx(t)正交 Hilbert变换可以产生实信号的正交分量 复信号 z(t)的极坐标表示： z(t)=a(t)expj(t)-瞬时幅度,相位,频率,窄带信号的正交分解与模拟域实现,X(t)=a(t) cos0t+(t) f0= 0t/2B,窄带信号的正交分解与模拟域实现,X(t)的 Hilbert变换Hx(t)=a(t) sin0t+(t) z(t)=a(t) cos0t+(t)+j a(t) sin0t+(t) =a(t)expj 0t+(t) 基
6、带（零中频）信号 zB(t)=z(t).exp(-j 0t)=a(t)ej (t) =a(t)cos(t)+ja(t)sin (t) = zBI(t)+j zBQ(t) 同相分量 正交分量 * zB(t)为解析信号的复包络，频谱不具有共扼对称性。,实信号的正交基带变换,缺点：产生正交本振信号cos0t和sin0t cos0t和sin0t 不正交- 虚假信号,cos0t和sin0t正交性分析,Cos(0t)和sin(0t+) 正交误差= X(t)=a(t) cos0t+(t) 虚假抑制度MI=20lg(A1/A2)=20lgctg(/2) =3o - MI =30dB =1o - MI =40d
7、B MI =60dB - 0.1o 要求高虚假抑制度时，模拟实现困难。,数字混频正交变换,基于多相滤波的数字正交变换,X(t)=a(t) cos2f0t+ (t) fs=4f0/(2m+1) m=0,1,2,. X(n)=a(n)cos(n) cos(2m+1) n/2 - a(n)sin(n) sin(2m+1) n/2 xBI(n)=a(n)cos(n) xBQ(n)=a(n)sin(n) X(2n)= xBI(2n) (-1)n X(2n+1)= xBQ(2n+1) (-1)n 设： xBI(n) = x(2n) (-1)n xBQ(n) = x(2n+1) (-1)n,基于多相滤波的数
8、字正交变换,xBI(n)= xBI(2n) , xBQ(n)= xBQ(2n+1) xBI(n), xBQ(n) 分别是同相分量xBI(n) 和正交分量xBQ(n)的2倍抽取序列 数字谱: xBI(n)(ej)= .xBI(ej/2) xBQ(n)(ej)= .xBQ(ej/2) ej/2,基于多相滤波的数字正交变换,延迟校正滤波器：HQ(ej)/HI (ej)= e-j/2 HI (ej)= ej3/4 HQ(ej)=ej/4 或：HI (ej)= ej/2 HQ(ej)=1,A/D转换器,A/D转换器器件选择 在选择A/D转换器时主要有以下几个选择原则： 采样频率选择 如果A/D以前的带通
9、滤波器的矩形系数为r，为了防止带外信号的影响有用信号，A/D器件的采样频率应取为fs2B2rB。 采样分辨率较好的A/D器件 因为器件的分辨率越高，所需的输入信号的幅度越小，对前端放大量的要求也就越小。尽可能选择输入范围小的A/D器件，这样有利于减轻前端放大器的压力。另一方面转换位数尽可能地高。 其他 还有其他的一些原则，比如说环境参数，接口特征等等都影响A/D器件的选择。,A/D转换器,AD6640的内部功能框图,A/D转换器,编码信号输入：驱动ENCODE引脚的信号源必须是干净的，无振荡的。我们使用低过冲的TTL信号通过一个小电阻，如100电阻接到高频变压器初级，变压器的次级接到ENCOD
10、E与引脚。 模拟输入驱动：驱动AD6640的模拟信号源应采用交流偶合的方式加到模拟输入引脚，为了产生比较好的效果，我们使用4:1的变压器。 电源：选用线性电源，每个电源引脚都应用0.1F的片电容去耦，且接点应尽可能靠近电源引脚和地引脚。数字+5V电源与模拟+5V电源应分离，尽管可以连接在一起，但是分开是有益的，因为快速数字振荡可能将转换噪声耦合回模拟电源中去。 输出负载：AD6640后串接348电阻再接74LCX574的电路。,DDC数字下变频器,数字下变频器的组成 包括数字混频器、数字控制振荡器(Numerically Controlled OsillatorNCO)和低通滤波器(LPF)三
11、部分组成,DDC数字下变频器,AD6624的原理框图,DDC数字下变频器,AD6624内部的信号处理包括以下四部分：频率变换器、二阶的重抽样级联积分梳状滤波器(rCIC2)、五阶的级联积分梳状FIR滤波器(CIC5)以及一个RAM系数FIR滤波器(RCF)。,DDC数字下变频器,频率变换器: 频率变换部分包含两个乘法器和一个32-bit复数数控振荡器(NCO)。进入这一部分的实数据被分成I路和Q路两部分。它的功能是完成中频信号到数字基带的转换。AD6624的每个通道都有一个独立的NCO。NCO作为正交本振，可产生CLK/2到 的振荡信号，分辨率达到 (CLK为AD6624主时钟)。NCO的频率
12、值是一个32-bit无符号整数，被存储在0x85和0x86两个寄存器中。NCO_FREQ为控制字，为了将中心频率为fCH的信号变换到DC，可用下式计算该控制字：,DDC数字下变频器,rCIC2抽取滤波器 rCIC2是一个二阶CIC固定参数抽取滤波器，作为重采样滤波器。rCIC2重采样允许主时钟和数据输出速率有非整数倍关系。内插率和抽取率分别高达512和4096。rCIC2的重采样因子L为9bit整数，抽取因子M为一12bit整数。速率变化为一分数形式。对rCIC2的唯一限制，是L/M应小于或等于1。,整个rCIC2滤波器的特征由L/M决定。抽取因子M被存储在寄存器0x90中，而重采样因子L被存
13、储在寄存器0x91中。rCIC2的输出速率为：,rCIC2的频率响应函数 ：,DDC数字下变频器,是一个可编程的5bit的刻度因子，能从031中取值，主要是作为rCIC2的衰减器用，能使rCIC2的增益降低6db。,DDC数字下变频器,CIC5抽取滤波器 ： CIC5是一个比rCIC2滤波特性更为陡峭的固定参数抽取滤波器。抽取因子MCIC5能够通过编程实现，范围从2到32(所有的整数)。CIC5的输出频率为：,CIC5的频率响应函数,是一个可编程的刻度因子，能从020中取值，主要是作为CIC5的衰减器用。,DDC数字下变频器,RAM系数滤波器 RAM系数滤波器是乘积求和可编程系数抽取滤波器 。
14、,RAM系数滤波器结构框图,DDC数字下变频器,RAM系数滤波器 数据存储器I-RAM、Q-RAM存储了160个最新的复采样值，其分辨率为20bit。系数存储器C-RAM最多可存储256个系数，其分辨率为20bit。每一个时钟用同样的系数分别对I和Q的一个抽头进行计算。RCF能输出24位的数据。RCF的抽取因子MRCF为8bit，即可选1256之间的任意整数，MRCF1被存储在寄存器0xA0中。RCF的数据输入速率是fSAMP5。 RCF系数滤波器最大的抽头数NTAPS可按下式计算:,滤波器的输出速率,DDC数字下变频器,数据输入端口： AD6624有两个数据输入端口：一个A输入端口和一个B输
15、入端口。每个端口包括一个14位的尾数(IN13:0)，一个3位的指数(EXP2:0)以及一个使能控制(IEN)。,AD6624同AD6640连接示意图,DDC数字下变频器,数据输出端口 AD6624中有四个串行输出端口，每个都能进行独立的操作，这些端口都能很容易实现同DSP的连接。相关引脚有：SCLK串口时钟；SDI串口数据输入；SDO串口数据输出；SDFS串口数据帧开始；SDFE：串口数据帧结束；SBM0串口0的主从模式选择，SDIV0:3串口时钟分割因子。 AD6624输出串口有两种工作方式：主模式和从模式。,DDC数字下变频器,AD6624与DSP连接主从模式示意图,DDC数字下变频器,微口控制 AD6624有一个8位的微处理器端口(微口)和四个串行输入端口。微口有两种工作模式：INM和MNM。微口包括一个8位的数据线，一个3位的地址线以及3个控制引脚和1个状态引脚。取决于工作模式，控制信号与状态信号有稍微的不同。,AD6624不能直接访问通道的地址空间，必须使用外部存储器映射的方式。通过3根地址线A2:0及8根数据线D7:0，外围器件(如FPAG、DSP)能访问到八个外部存储器地址，在这八个地址中，低三个地址用来存放通道地址空间中的访
