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1、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 Mi tola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
2、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。EM1钛并无线电矗址结构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
3、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
4、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 & Serv
5、ices )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Zjobhi采样邃奉Mb/s5S号厂商38 000
6、HRL 1尼入S4 mHewktti ooo!Jroce3sing Itch208AD9410Analog65AD时4。AnaEog DdVLCes12100AD9432Analog125AD9433Analog Devices1 p1 iaAD9430AnaSog Dr viresuAD6S44A ns log ritA-iccs2.2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
7、)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：碁=6.02 B + 1. 76 + 101 班注芫)5旳(1其中：B为A/D转换器分辨率，f为采样速率，f为输入信号的最高频率。Smax由式(1)可见，当f采样速率等于奈奎斯特(Nyquis t)速率，即f =2f时，分辨率每增SSmax加1 bit,信噪比约增加6 dBo并且，当f大于奈奎斯特速率2f时，由于采样过程将集中在Smax奎斯特频带(DCf )内的噪声能量展宽，信噪比会随着采样速率的提max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
8、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，EN0B 比器件分辨率低12 bits, ENOB计算如下：实际 Rsu )EN0B =丁丽互2. 5谐波失真谐波失真(Harmonic Dis tor tion )表示单音频输入时信号幅度均方根与谐波分
9、量均方根的 比值。2. 6交调失真交调失真(IMD, Int ermodula tion Dis tort ion )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为A/D转换器的孔径抖动，一般为ps级。a除了上述几项，还有采样转换非线性、数据输
10、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 2f时，就能够从采样后的数据中无失真地恢复出原来的信号。Smax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 ,使f 2f就是为SSmax了保证采样后的信号频谱不重叠。当f =2f时，采样前后的信号频谱如图2所示。Smax/211正
11、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f 2f，目的就是保证采样后的信号频谱Smax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 f 2B的某些值，就可以保证采样后的信号频谱不重叠。采样速率可由下
12、式确定：7斥7 n _ j其中：f表示带通信号的最高频率，f表示带通信号的最低频率，n为整数，取值范围为：这样，在选择采样速率时，我们只需关心带通信号的带宽就可以了。带通采样带来的好处是 显而易见的： 降低了采样速率； 可以减少后端数据处理的工作量，提高处理效率。另外带通采样相当于一个变频器，后端可以直接在信号采样后较低的谐波分量上进行处理， 大大简化了电路设计。在实际应用中，A/D采样前需加抗混叠带通滤波器，以消除带外噪声带 来的频谱混叠。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
13、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GSM蜂窝移动通信系统基站接 收单元的设计为例，分析一下A/D采样参数的确定。基于软件无线电的GSM蜂窝移动通信系统 基站接收单元如图4所示。朋4 GSM蟀寓醫麺通信霍St基站箍收单无框曲：口图4中，935960 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
14、。4. 1采样速率的确定在本系统中采取中频带通采样，中频IF = 70 MHz，带宽B = 25 MHz，则:蛊高频率 /h = 70 + 25/2 = 82- 5 MHz( 最藍频率人=70-25/2 = 57,5 MHz.由式(4)可得】165 M5/a A -5 M/5,2n 3 nn 1这样当n = 2时，f的范围为82. 5115 MS/s,当n = 3时，f的范围为5557. 5MS/s。SS若取n = 2, f较高，信噪比就高一些，采样后频谱的间隔也可以取得较大，缺点是后端的数据S处理量加大及增大功耗；若取n = 3, f较低，减少了后端的数据处理量，但因为采样后频谱的S间隔会很小，抗混叠带通滤波器实现起来比较困难。权衡利弊，我们取n = 2，为使采样后频谱间隔最大，采样速率f 一般取在最大、最小值的中间值附近，我们取f
