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1、第四章第四章 软件无线电的软件无线电的硬件实现硬件实现 软件无线电硬件平台的基本结构软件无线电硬件平台的基本结构模拟前端模拟前端宽带宽带A/D和和D/A数字上下变频器数字上下变频器高速数字信号处理器高速数字信号处理器模拟前端模拟前端宽带宽带A/D数字下变数字下变频器频器DSP处处理器理器数字上数字上变频器变频器宽带宽带D /A4.1 软件无线电前端电路软件无线电前端电路主要任务：主要任务：（1 1）把接收到的信号变换至适合）把接收到的信号变换至适合A/D转换转换器处理的信号频率和电平范围内。器处理的信号频率和电平范围内。（2）把宽带）把宽带D/A转换器的输出信号转换至转换器的输出信号转换至能被
2、其他电台接收的频率和电平范围能被其他电台接收的频率和电平范围。根据软件无线电的结构不同，前端电路根据软件无线电的结构不同，前端电路的结构不同。的结构不同。传统模拟接收机的前端电路特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频率特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频率和带宽通常固定；接收通道中使用较多的窄和带宽通常固定；接收通道中使用较多的窄带滤波器，使得信号幅相畸变较大。带滤波器，使得信号幅相畸变较大。带通带通滤波滤波低噪声低噪声放大放大窄带窄带滤波滤波中放中放（窄带）（窄带）窄带窄带滤波滤波中放中放（窄带）（窄带）一本振一本振（小步进）（小步进）AGC二本振二本振中频数字化接收机前端较较前一种结构有较大
3、改善，带通滤波器和放前一种结构有较大改善，带通滤波器和放大器都是宽带的，而且一本振的频率是大步大器都是宽带的，而且一本振的频率是大步进的，实现较方便。进的，实现较方便。带通带通滤波滤波低噪声低噪声放大放大宽带宽带滤波滤波一中放一中放(宽带宽带)宽带宽带滤波滤波二中放二中放(宽带宽带)一本振一本振（大步进）（大步进）AGC二本振二本振射频数字化结构本本结构简洁明了，随着结构简洁明了，随着A/D器件的发展，这种器件的发展，这种结构性能将不断提高。射频前端的接收部分主结构性能将不断提高。射频前端的接收部分主要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、AGC控制等组成。控制
4、等组成。收收/ /发发电调滤波电调滤波放大放大A/DA/DDSPDSP放大放大A/DA/D射频前端的典型器件介绍射频前端的典型器件介绍滤波器滤波器放大器放大器镜像抑制镜像抑制中频信号的线性化中频信号的线性化AGC设计设计4.1.1 软件无线电中的电调滤波器软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的主要技术指标：电调滤波器的主要技术指标：频段频段: 1.5 - 4MHz；4 - 10MHz； 10 - 30MHz；30 - 90MHz； 90 - 200MHz；200 - 700MHz； 400 - 700MHz；700 - 1000MHz;输入输出阻抗：输入输出阻抗：50滤波器通带带觉：中心频率的滤
5、波器通带带觉：中心频率的2一一5；软件无线电中的电调滤波器软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的主要技术指标：电调滤波器的主要技术指标：插入损耗：插入损耗：6dB；调谐码：调谐码：8 bits：调谐速度：调谐速度：10 us ( 30MHz以上）以上）30dB带宽软件无线电中的电调滤波器软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的应用：电调滤波器的应用：调谐码：调谐码：电调滤波器连接：电调滤波器连接：电调滤波器电调滤波器电调滤波器电调滤波器电调滤波器电调滤波器电电子子开开关关控制控制4.1.2 软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器电放大器的工作模式：电放大器的工作模式：由于软件无线电的接收通道是宽带
6、的，有时由于软件无线电的接收通道是宽带的，有时甚至是宽开的，通带内的信号可能有很多，甚至是宽开的，通带内的信号可能有很多，因此，在软什无线电中不能用非线性放大器、因此，在软什无线电中不能用非线性放大器、而只能用线性放大器。否则就会引起许多非而只能用线性放大器。否则就会引起许多非线性产物。线性产物。宽带放大器中常用前馈宽带放大器中常用前馈 (Feedforward) 和反和反馈馈 (Feedback) 两种技术。前者主要用于提两种技术。前者主要用于提高放大器的杂波等指标，而反馈用于提高放高放大器的杂波等指标，而反馈用于提高放大器的稳定性和带宽指标。大器的稳定性和带宽指标。软件无线电中的放大器软件
7、无线电中的放大器电放大器的主要技术指标：电放大器的主要技术指标：工作频率范围：工作频率范围：指放大器满足各级指标的指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器实际的工作频率范工作频率范围。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。围可能会大于定义的工作频率范围。功率增益：功率增益：指放大器输出功率和输入功率指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用的比值，单位常用“dB”。 增益平坦度：增益平坦度：指在一定温度下，在整个工指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。作频率范围内，放大器增益变化的范围。增益平坦度由下式表示增益平坦度由下式表示: G=（Gmax-Gmin
8、）/2 dB软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器放大器增益窗：放大器增益窗：宽带放大器的增益定义采宽带放大器的增益定义采用增益窗的定义方法（不含窄带功率放大用增益窗的定义方法（不含窄带功率放大器），是根据放大器允许的最大增益器），是根据放大器允许的最大增益Gmax，放大器允许的最小增益，放大器允许的最小增益Gmin，放，放大器的增益波动大器的增益波动G等三个增益指标对放等三个增益指标对放大器的增益允许的波动和变化范围作明确大器的增益允许的波动和变化范围作明确定义。定义。软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器噪声系数：噪声系数：噪声系数是指输入端信噪比与放噪声系数是指输入端信噪比与放大器输
9、出端信噪比的比值，单位常用大器输出端信噪比的比值，单位常用“dB”。噪声系数由下式表示：噪声系数由下式表示： NF = 10 lg 输入端信噪比输入端信噪比/输出端信噪比输出端信噪比在放大器的噪声系数比较低（例如在放大器的噪声系数比较低（例如NF1）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（度（T）来表示。噪声系数与噪声温度的关）来表示。噪声系数与噪声温度的关系为：系为： T=（NF-1）T0 或或 NF=T/T0+1软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器输入输入/输出驻波比：输出驻波比：微波放大器通常设计或用微波放大器通常设计或用于于50阻抗的微波系统
10、中，输入阻抗的微波系统中，输入/输出驻波表输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗求阻抗(50)的匹配程度。的匹配程度。 VSWR = (1 + | ) / (1-| ) ；其中反射系数其中反射系数= ( Z-Z0 )/( Z+Z0 )；Z为放为放大器输入或输出端的实际阻抗；大器输入或输出端的实际阻抗；ZO为需要为需要的系统阻抗。的系统阻抗。软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器1分贝压缩点输出功率（分贝压缩点输出功率（P1dB）：）：放大器有放大器有一个线性动态范围，在这个范围内放大器的一个线性动态范围，在这个范围内放大器的输出功率随输入
11、功率线性增加，这两个功率输出功率随输入功率线性增加，这两个功率之比就是功率增益之比就是功率增益G。随着输入功率的继续。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出时的输出功率值定义为输出功率的功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用压缩点，用P1dB表示。表示。软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器软件无线
12、电中的放大器 典型情况下，当功率超过典型情况下，当功率超过P1dBP1dB时，增益将时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比输出功率，其值比P1dBP1dB大大3-4dB3-4dB。软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器三阶截点（三阶截点（IP3）：）：测量放大器的非线性特测量放大器的非线性特性性的一个颇为流行的方法，是利用两个相距的一个颇为流行的方法，是利用两个相距5到到10MHz的的f1、f2信号信号加到一个放大器上，加到一个放大器上，此时放大器的输出不仅包含了这两个信号，此时放大器的输出不仅包含了这两个信号，而且也包含了频率为而
13、且也包含了频率为 mf1 + nf2 的互调分量的互调分量（IM）。这里称。这里称m+n为互调分量的阶数。在为互调分量的阶数。在中等饱和电平时，通常起支配作用的是最接中等饱和电平时，通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶分量近基音频率的三阶分量。三阶截点（。三阶截点（IP3）来表征互调畸变很严重是的输入电平。三阶来表征互调畸变很严重是的输入电平。三阶截点功率的典型值比截点功率的典型值比P1dB高高10-12dB。软件无线电中的放大器软件无线电中的放大器三阶截点（三阶截点（IP3）：）：IP3可以通过测量可以通过测量IM3得得到，计算公式为：到，计算公式为：IP3 = PSCL + IM3/2；
14、其中其中PSCL 单载波功率；如三阶互调点已知，单载波功率；如三阶互调点已知，则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式估计散电平可由下式估计： 基波与三阶互调抑制比基波与三阶互调抑制比 = 2 IP3-(PIN+G) 三阶互调杂散电平三阶互调杂散电平 =3（PIN+G）-2IP34.1.3 前馈放大器前馈放大器前馈放大器原理可用下图来描述。该放大器由环路前馈放大器原理可用下图来描述。该放大器由环路1 和环路和环路2 组成。对于双频信号通过非线性放大器组成。对于双频信号通过非线性放大器时所产生的失真，可以通过前馈对消。时所产生的失真，可以通过前馈
15、对消。4.2 软件无线电中的软件无线电中的A/D/A技术技术软件无线电的基本思想就是让模拟电路软件无线电的基本思想就是让模拟电路尽量简单，将尽量简单，将A/D和和D/A尽量靠近射频前尽量靠近射频前端。端。要求要求A/D器件具有适中的采样速率和很高器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽。的工作带宽。本部分主要讨论如何本部分主要讨论如何A/D、D/A转换器实转换器实现软件无线电中的模现软件无线电中的模/数和数数和数/模变换。模变换。4.2.1 A/D转换器原理A/D转换器转换器功能功能: 将模拟电压成正比地转将模拟电压成正比地转换成数字量换成数字量A/DUI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字
16、量输出数字量0 5V0000000011111111分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1个最低有效位个最低有效位A/D转换器原理ADCADC工作过程与结构工作过程与结构A/D电电路路模拟模拟输入输入三三态态门门数字数字输出输出寄存器寄存器精密稳精密稳压电源压电源电源电源主机读取主机读取命令命令时序控时序控制电路制电路A/D转换命令转换命令（来自主机）（来自主机）转换完成信号转换完成信号由主机检测由主机检测或申请中断或申请中断A/D转换器转换器4.2.2 A/D转化器的性能指标转换灵敏度转换灵敏度信噪比（信噪比（SNR）有效转换位数（有效转换位数（ENOB）孔径误差孔径误差无杂散动
17、态（无杂散动态（SFDR）非线性误差非线性误差互调失真（互调失真（Intermodulation Distortion）总谐波失真（总谐波失真（Total Harmonic Distortion）4.2.3 A/D转换器的选择A/D转换器选择原则转换器选择原则1）采样速率选择）采样速率选择2）采用分辨率较好的）采用分辨率较好的A/D器件器件3）一般说来）一般说来A/D转换位数越高越好转换位数越高越好4）根据环境条件选择）根据环境条件选择A/D转换芯片的环转换芯片的环境参数境参数5）根据接口特征选择适合的）根据接口特征选择适合的A/D转换器转换器输出状态输出状态A/D转换器分类基于变换原理转换器
18、分类基于变换原理1）逐次比较式）逐次比较式2）并行式）并行式A/D转换器转换器3） ADC转换器转换器4）采样）采样ADC5）电子雪堆技术）电子雪堆技术ADC典型的典型的A/D转换器转换器 参见书参见书P112115 常见的常见的AD转换器件的结构。转换器件的结构。A/D转换器的选择4.2.4 数据采集模块的设计（略）数据采集模块的设计（略）参见书参见书P115118各部分电路的设计。各部分电路的设计。A/D转换器转换器转换完成信号转换完成信号采样采样/保持器保持器模拟模拟输入输入读取数据命令读取数据命令计算机计算机接接口口A/D板板A/D转换命令转换命令4.2.5 DA转换器的基本原理转换器
19、的基本原理D/A功能功能: 将数字量成正比地转换成模拟量将数字量成正比地转换成模拟量 D/An =4位位8位位10位位12位位16位位n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010V输入输入4位二进制数位二进制数输出输出模拟模拟电压电压S0S3:模拟电子开关模拟电子开关D=0, S倒向地倒向地D=1, S倒向倒向VREF电阻网络电阻网络求和运算放大器求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参精密参考电压考电压D0D1D2D3+ + +- -3R3R/2UO4.3 软件无线电中的数字下软件无线电中的数字下/上上变频器变频器 在超外差式软件无线电接收机中，数字下在超
20、外差式软件无线电接收机中，数字下变频变频 DDC 技术是核心技术之一。数字下变技术是核心技术之一。数字下变频器的组成结构：数字混频器，数字控制振频器的组成结构：数字混频器，数字控制振荡器荡器NCO和低通滤波器。和低通滤波器。高抽取高抽取滤波器滤波器高抽取高抽取滤波器滤波器FIR格格式式转转换换NCOx(n)FIR软件无线电中的数字下软件无线电中的数字下/上变频器上变频器由由NCO产生两路正交信号做混频用，产生两路正交信号做混频用，NCO可以通过直接数字合成技术可以通过直接数字合成技术 DDS 实现。其实现。其基本原理框图见下。基本原理框图见下。Nbit相位累加器ROM正弦查询表时钟信号时钟信号
21、fc频率控制码频率控制码NbitMbit从原理上讲，从原理上讲，DDC与模拟下变频实现相同与模拟下变频实现相同的功能，不过其实现是通过数字运算来进的功能，不过其实现是通过数字运算来进行的。行的。影响数字下变频性能的主要因素：影响数字下变频性能的主要因素：（1）表示数字本振、输入信号以及混频乘法）表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差。运算的样本数值的有限字长所引起的误差。（2）数字本振相位的分辨率不够而引起数字）数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。本振样本数值的近似取值。软件无线电中的数字下软件无线电中的数字下/ /上变频器上变频器DDC的
22、组成部分：数字控制振荡器的原的组成部分：数字控制振荡器的原理，参见书理，参见书P123126。典型的数字下变典型的数字下变频器，参见书频器，参见书P125137。软件无线电中的数字下变频器的应用软件无线电中的数字下变频器的应用软件无线电中的数字下软件无线电中的数字下/ /上变频器上变频器ADCDDC1DDC2DDC3DDCn4.4 高速数字信号处理器高速数字信号处理器概述概述典型典型DSP器件器件DSP器件的软件开发流程（略）器件的软件开发流程（略）应用举例（略）应用举例（略）高速数字信号处理器高速数字信号处理器典型典型DSP器件器件目前主要目前主要DSP生产商包括生产商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和和Zilog等，其中等，其中TI占占有最大市场份额。作为第一片有最大市场份额。作为第一片DSP产品产品TMS32010的生产商和的生产商和DSP行业的领头者，行业的领头者，TI公司的产品包括从低端的低成本低速公司的产品包括从低端的低成本低速度度DSP到高端大运算量的到高端大运算量的DSP产品。产品。高速数字信号处理器高速数字信号处理器TI公司的公司的TMS320C24x系列系列高速数字信号处理器高速数字信号处理器TI公司的公司的TMS320C55x系列系列高速数字信号处理器高速数字信号处理器TI公司的公司的TMS320C62xx/67xx系列系列
