（通信与信息系统专业论文）遥测系统（pcmfm）中频数字接收机技术的研究.pdf

电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t d i g i t a l i z a t i o n i sv e r y i m p o r t a n t i nt h em o d e r nc o m m u n i c a t i o na n dr a d a r s y s t e m s ，s o i t i s v e r yu s e f u l t o s t u d yd j g i t i z e dr e c e i v e r b e c a u s eo ft o d a y s t e c h n o l o g y ，i ti sd i f f i c u l tt os a m p l er fs i g n a l ，s ow es t u d yi fd i g i t i z e dr e e e i v e r n o w a n di nd i g i t i z e ds y s t e m ，s i g n a lp r o c e s s i n gi sai m p o r t a n tp a r t ，s ow ea l s ow o r k o ni t t h i sp a p e ri n c l u d et w op a r t s ，o n ei sa b o u ti fd i g i t i z e dr e c e i v e ri np c m f m t e l e m e t r i n gs y s t e m ，t h eo t h e ri sa b o u tak i n do fs i g n a lp r o c e s s o rb a s e do nf p g a t e c h n o l o g yw h i c hc o u l db ei ns e r i e sw i t he a c ho t h e r i nt h e s et w op a r t s ，w ei n t r o d u s e t h ed e s i g nm e t h o d ，t h er e a l i z a t i o no fh a r d w a r e s ，a n dt h er e s u l to fh a r d w a r et e s t i n g t h ep r i m a r yw o r k si nt h i sp a p e ra r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 t oc o m p l e t et h ep r o j e c td e m o n s t r a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h e s y s t e m 2 t oc o m p l e t et h es y s t e md e s i g na n dh a r d w a r er e a l i z a t i o n ， 3 t oc o m p l e t et h ed e s i g no fs i g n a lp r o c e s s o rb a s e do nf p g at e c h n o l o g ya n d s y s t e ms i m u l a t i o n k e yw o r d s ：t e l e m e t r i n gs y s t e m ，f p g a ，c p l d ，i fd i g i t i z a t i o n ，s o f t - w a r 9r a d i o d i g i t a ld o w n c o n v e r t ，d i g i t a lo r t h o g o n a ld e m o d u l a t i o n ，p h a s eo r t h o g o n a l i t y i l 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另加以标注和致谢的地方 外，论文串不毯含箕箍入已经发表藏撰写过的礤究成果，也不詹含为 获得电子科技大学或其它教寅枧构的学位或证书嚣使用过的材料。与 我一同正作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并袋示谢意。 签名： 耋：l l 兰 e 1 n ；2 奶年- 4 月2 2 日 关手论文使舞授权的说瞬 本学位论文作者宠全了瓣毫子科技大学有关绦蜜、缆耀学位谂交 的规定，有权保留并向困家有关部门戡机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部绒部分海容编入有关数据摩进行检索，可以采蕊彩印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇缡学位谂文。 ( 保密的学位论文在解镦后应遵守此娥定) 电子科技大学硕士论文 1 1 任务背景 第一章引言 软件无线电是最近几年在无线电通信领域提出的一种新的通信系统体系结 构，它的基本思想是以开放性，可扩展性，结构最简单的硬件平台为通用平台， 把尽可能多的通信功能用可升级，可替换的软件来实现，它由以下几个部分组 成：模拟前端，宽带a d 和d a ，数字上下变频器，高速数字信号处理器等。 随着软件无线电技术和数字技术的迅猛发展，无论是通信系统还是雷达系统， 都希望能够构建基于软件无线电技术的数字接收机系统，以提高系统的灵活性。 软件无线电有三种基本结构：射频全宽开低通采样软件无线电结构，射频直接 带通采样软件无线电结构，宽带中频带通采样软件无线电结构。但就目前的技 术和器件的水平，前两种结构实现起来都有困难，而第三种结构即不需要第一 种结构所要求的超高速采样，也不需要第二种结构所需的高精度，高工作带宽 所要求的采样保持电路，使硬件设计大大简化，这虽然带了射频前端的复杂性， 但这无疑是近期软件无线电的一个较可行的设计方案。基于这一结构的中频数 字接收机系统可用于无线通信系统、雷达系统、遥控遥测系统等等，有着广泛 的应用前景和良好的经济效益和社会效益。因而研制基于软件无线电技术的中 频数字接收机系统也就成了必然趋势。 1 2 研究内容概述 中频数字接收机系统是建立在信号采样，数字信号的正交变换，多速率信 号处理，高效的数字信号滤波( 以f i r 滤波器为核心) 等模块之上的。目前， 有很多专用芯片可用来实现这些模块的功能，而我们的研究工作主要是根据指 标的要求设计合理的实现方案，选择合适的芯片，并把这些芯片有机的组合以 电子科技大学硕士论文 1 1 任务背景 第一章引言 软件无线电是最近几年在无线电通信领域提出的一种新的通信系统体系结 构，它的基本思想是以开放性，可扩展性，结构最简单的硬件平台为通用平台， 把尽可能多的通信功能用可升级，可替换的软件来实现，它由以下几个部分组 成：模拟前端，宽带a d 和d a ，数字上下变频器，高速数字信号处理器等。 随着软件无线电技术和数字技术的迅猛发展，无论是通信系统还是雷达系统， 都希望能够构建基于软件无线电技术的数字接收机系统，以提高系统的灵活性。 软件无线电有三种基本结构：射频全宽开低通采样软件无线电结构，射频直接 带通采样软件无线电结构，宽带中频带通采样软件无线电结构。但就目前的技 术和器件的水平，前两种结构实现起来都有困难，而第三种结构即不需要第一 种结构所要求的超高速采样，也不需要第二种结构所需的高精度，高工作带宽 所要求的采样保持电路，使硬件设计大大简化，这虽然带了射频前端的复杂性， 但这无疑是近期软件无线电的一个较可行的设计方案。基于这一结构的中频数 字接收机系统可用于无线通信系统、雷达系统、遥控遥测系统等等，有着广泛 的应用前景和良好的经济效益和社会效益。因而研制基于软件无线电技术的中 频数字接收机系统也就成了必然趋势。 1 2 研究内容概述 中频数字接收机系统是建立在信号采样，数字信号的正交变换，多速率信 号处理，高效的数字信号滤波( 以f i r 滤波器为核心) 等模块之上的。目前， 有很多专用芯片可用来实现这些模块的功能，而我们的研究工作主要是根据指 标的要求设计合理的实现方案，选择合适的芯片，并把这些芯片有机的组合以 电子科技大学硕士论文 嶷现功能。但是当芯片的技术指标不能满足设计的要求时，我们就需要搦觅途 径。 隧着片土系统( s o c ) 融彳弋静到来，包括复杂冒编辑器件( c p l d ) 帮可编 稷门痒歹g ( f p g a ) 弱可缀程a s i c 器 孛，不仅满足片上系统设计的要求，丽 鼠具有系统内可编程的独特优点，尤其怒速度高、密度犬和性能好的f p g a 正 麟益成为系统的必键部件，所戳可编程片上系统的应用魄越来谶广泛。正是可 缡程逻辑游终在集成援模彝速度上熬飞速发震，为我翻豹设诗鼹供了霹戆夏虽 w 行的办法。所以在我的研究工作中，广泛的使用f p g a c p l d 成d s p 等可编 穰器件，设计所需的信号处理算法来高效实现调制，解调，滤波，同步和识剐 等溺蘧。 1 3 作者完成工作及本文结构 在一年豹理论学习和一年半的科研实践中，在课题级的安摊秘老师嗣学的 帮助下我完成了以下课题： l ，遥测系统( p c m f m ) 中频数字接收机技术的研究 2 。级联黧信号处理嚣的f p g a 嵩效实现 其牵谍蘧1 楚作者硬士论文瓣主要雨容，该渫题是强孛频数学接毂橇秀棱 心，并农其中应髑c p l d 和f p g a 来实现部分功能模块。作者将在第二章对 p c m f m 遥测系统作简单介绍并给出研究任务；在第三、四章对中频数字接收 系统和c p l d f p g a 作简单介绥：第五章给出系统豹设计实现，其中包耩方案 谂涯、主要器 孛套缨、实现结搀及结果分辑等内餐。 在竞袋渫题l 麴基硝上，终蠢在课题2 中对数字痿琴处理实现结麴土终了 些探讨，将在第六章介绍。 电子科技大学硕士论文 嶷现功能。但是当芯片的技术指标不能满足设计的要求时，我们就需要搦觅途 径。 隧着片土系统( s o c ) 融彳弋静到来，包括复杂冒编辑器件( c p l d ) 帮可编 稷门痒歹g ( f p g a ) 弱可缀程a s i c 器 孛，不仅满足片上系统设计的要求，丽 鼠具有系统内可编程的独特优点，尤其怒速度高、密度犬和性能好的f p g a 正 麟益成为系统的必键部件，所戳可编程片上系统的应用魄越来谶广泛。正是可 缡程逻辑游终在集成援模彝速度上熬飞速发震，为我翻豹设诗鼹供了霹戆夏虽 w 行的办法。所以在我的研究工作中，广泛的使用f p g a c p l d 成d s p 等可编 穰器件，设计所需的信号处理算法来高效实现调制，解调，滤波，同步和识剐 等溺蘧。 1 3 作者完成工作及本文结构 在一年豹理论学习和一年半的科研实践中，在课题级的安摊秘老师嗣学的 帮助下我完成了以下课题： l ，遥测系统( p c m f m ) 中频数字接收机技术的研究 2 。级联黧信号处理嚣的f p g a 嵩效实现 其牵谍蘧1 楚作者硬士论文瓣主要雨容，该渫题是强孛频数学接毂橇秀棱 心，并农其中应髑c p l d 和f p g a 来实现部分功能模块。作者将在第二章对 p c m f m 遥测系统作简单介绍并给出研究任务；在第三、四章对中频数字接收 系统和c p l d f p g a 作简单介绥：第五章给出系统豹设计实现，其中包耩方案 谂涯、主要器 孛套缨、实现结搀及结果分辑等内餐。 在竞袋渫题l 麴基硝上，终蠢在课题2 中对数字痿琴处理实现结麴土终了 些探讨，将在第六章介绍。 电子科技大学硕士论文 第二章遥测系统( p c m f m ) 简介 2 , 1 遥测系统理论介绍 遥测是将一定距离外被测对象的参数，经过感受、采集，通过传输媒介送 到接收地点并进行解调、记录、处理的一种测量过程。遥测主要是为了在导弹、 航天器等飞行器的研制试飞中获取飞行器内部各系统的工作状态参数和环境参 数，为评定飞行器的性能和进行故障分析提供依据。 导弹、航天器遥测系统与普通的通信系统相比有以下特点： 1 作用距离远，格式复杂。 导弹、航天器飞行空域广，通信距离远，至少数百公里，加上遥测参数的 格式编排复杂，这样就对遥测系统的数据采集、传输、解调提出了很高的技术 要求。 2 系统可靠性要求高。 由于导弹、航天器造价昂贵，飞行试验次数受限，每次飞行试验要求系统 完整而可靠地获取飞行试验数据。因此，保证遥测系统的高可靠性十分必要。 3 存在多种调制方式和多种复用方式。 在无线电遥测系统中为适应多变的应用环境，存在多种调制方式如调幅 ( a m ) ，调频( f m ) ，频移键控( f s k ) ，相移键控( p s k ) ，脉冲编码调制( p c m ) 等，对于复用方式而言，采用频分多址( f d m a ) 、删( t d m a ) 、码分多 址( c d m a ) 等。 4 具有快速反应能力。 在导弹、航天器发射准备阶段，遥测系统需以最快的速度完成本身状态的 1 电子科技大学硕士论文 第二章遥测系统( p c m f m ) 简介 2 , 1 遥测系统理论介绍 遥测是将一定距离外被测对象的参数，经过感受、采集，通过传输媒介送 到接收地点并进行解调、记录、处理的一种测量过程。遥测主要是为了在导弹、 航天器等飞行器的研制试飞中获取飞行器内部各系统的工作状态参数和环境参 数，为评定飞行器的性能和进行故障分析提供依据。 导弹、航天器遥测系统与普通的通信系统相比有以下特点： 1 作用距离远，格式复杂。 导弹、航天器飞行空域广，通信距离远，至少数百公里，加上遥测参数的 格式编排复杂，这样就对遥测系统的数据采集、传输、解调提出了很高的技术 要求。 2 系统可靠性要求高。 由于导弹、航天器造价昂贵，飞行试验次数受限，每次飞行试验要求系统 完整而可靠地获取飞行试验数据。因此，保证遥测系统的高可靠性十分必要。 3 存在多种调制方式和多种复用方式。 在无线电遥测系统中为适应多变的应用环境，存在多种调制方式如调幅 ( a m ) ，调频( f m ) ，频移键控( f s k ) ，相移键控( p s k ) ，脉冲编码调制( p c m ) 等，对于复用方式而言，采用频分多址( f d m a ) 、删( t d m a ) 、码分多 址( c d m a ) 等。 4 具有快速反应能力。 在导弹、航天器发射准备阶段，遥测系统需以最快的速度完成本身状态的 1 皇篓墼垫查堂堡主鲨兰 设暨合自棱，在临发射前，要实时准确的给出状态数据，以便指撵作出是否发 射的决定。在导弹、航天器飞行谶程要实时处理必键遥测数据，传送到控制中 心邈行整褫，著佟为控翻静依蠢。 常用的遥测体制育刚一f m 、p a m f m 、p 勰一蹦、p 酬一p s k 一蹦、p c m - - d p s k - - p m 、p c m - q p s k p m 等，其中前三种体制主要适用于导弹和其它飞行器的避测， 丽p 翎一p s k 一酬、p c 黼一d p s k 一蹦、p c m q p s k p m 则一般适用于卫篪遥测，实现 深蹙援测。鞭一磁、触赫一鞭、p 滋磁这三秘蒋铡中，愆麓一礤体剿懿壤菠最 高，而且具有遥测格式灵活多变、便于收发端进行数据加工和处理、适应数字 技术和大蕊模集成技术的飞速发展及能与计算机或接连按进行数据处理和管理 控捌蠡冬往熹，蘑激阮醚一躐俸裁褒导弹帮靛天器遥溅中寝掰最广。 2 。2p c m f m 遥测体劁 p c m f m 是一种广泛采用的遥测体制，它的主要特点是： l t p c m 信号对载波频率进行调制之前先经过一个限带低通滤波器( 称为预 调滤波器，p r e m o d u l a t i o nf i l t e r ) ，限制了信号频带，集中了有用发射 功察，嚣两褥弱熬调菝信号跫稳住连续、菝搴连续交纯静穰蘩调频僚号。 2 。不袋翅怒l ( 售号熬攘子检测或双滤波器型熬矮佳饕姻于捡溅方法，瑟采 用限副一鉴频非相干检测方法，工程实现简单，适用于难以建立相位相 干检测的衰落信道，对幅度衰落和相位失赢有较强的抑制熊力。 3 + 由予陵葳一鉴频酶菲线幢作用，整频器输出噪声分为高新自嗓声和 c 1 i c k 噪声( 或稚p o p ，s p i k e 噪声 嚣部分，嚣者不黢扶蔫凝分毒，邈 此接收机性能与中频信噪比有关，存在门限效应。对于p c m 数字信号， 存在一个最佳调制频偏。 4 皇篓墼垫查堂堡主鲨兰 设暨合自棱，在临发射前，要实时准确的给出状态数据，以便指撵作出是否发 射的决定。在导弹、航天器飞行谶程要实时处理必键遥测数据，传送到控制中 心邈行整褫，著佟为控翻静依蠢。 常用的遥测体制育刚一f m 、p a m f m 、p 勰一蹦、p 酬一p s k 一蹦、p c m - - d p s k - - p m 、p c m - q p s k p m 等，其中前三种体制主要适用于导弹和其它飞行器的避测， 丽p 翎一p s k 一酬、p c 黼一d p s k 一蹦、p c m q p s k p m 则一般适用于卫篪遥测，实现 深蹙援测。鞭一磁、触赫一鞭、p 滋磁这三秘蒋铡中，愆麓一礤体剿懿壤菠最 高，而且具有遥测格式灵活多变、便于收发端进行数据加工和处理、适应数字 技术和大蕊模集成技术的飞速发展及能与计算机或接连按进行数据处理和管理 控捌蠡冬往熹，蘑激阮醚一躐俸裁褒导弹帮靛天器遥溅中寝掰最广。 2 。2p c m f m 遥测体劁 p c m f m 是一种广泛采用的遥测体制，它的主要特点是： l t p c m 信号对载波频率进行调制之前先经过一个限带低通滤波器( 称为预 调滤波器，p r e m o d u l a t i o nf i l t e r ) ，限制了信号频带，集中了有用发射 功察，嚣两褥弱熬调菝信号跫稳住连续、菝搴连续交纯静穰蘩调频僚号。 2 。不袋翅怒l ( 售号熬攘子检测或双滤波器型熬矮佳饕姻于捡溅方法，瑟采 用限副一鉴频非相干检测方法，工程实现简单，适用于难以建立相位相 干检测的衰落信道，对幅度衰落和相位失赢有较强的抑制熊力。 3 + 由予陵葳一鉴频酶菲线幢作用，整频器输出噪声分为高新自嗓声和 c 1 i c k 噪声( 或稚p o p ，s p i k e 噪声 嚣部分，嚣者不黢扶蔫凝分毒，邈 此接收机性能与中频信噪比有关，存在门限效应。对于p c m 数字信号， 存在一个最佳调制频偏。 4 电子科技大学硕士论文 典型的p c m f m 遥测系统组成框图如图2 1 所示： 图中的各模块简单说明如下 信息采集模块 图2 1 典型遥测系统组成框图 信息采集模块是用来获得弹上的待测参数，其结构框图如图2 2 示 - 噩噩委州信号调节器卜一 待 多 测 + 压耍耍i 卜，l 信号调节器卜_ 一 路 参 复 数fl l | 用 j2 器 + 压亟西h 信号调节器卜一 编码器 圈2 2 信息采集模块结构框图 弹上待测参数( 导弹的工程参数和环境参数) 通过传感器变换成适于采集 的规范化信号，如电压或电流。信号调节器将各路信号变换成适合于多路复用 的规格化信号，经多路复用器把信号按一定体制集合在一起，输出群信号送给 p c m 编码器。 p c m 编码器 脉冲编码调制( p c m ) 是一种将模拟语言信号变换成数字信号的编码方式。 它的优点是：抗干扰性强，失真小，传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不 积累，而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、 可靠性和保密性。p c m 编码器就是要把多路复用器送来的群信号转化为p c m 码。 因此，p c m 编码器应该包括抽样器、量化器和编码器三部分组成。其框图如图 2 3 所示： 5 电子科技大学硕士论文 圜2 。3p c m 编码器框隰 在p c m 中，把量化聪信号电平值转换成二谶伟5 码组的过程称为编舔。理论 上游，氆舞一移遂豹二遴裁碣缓都虿麸蘑予p c m 续玛。在p c m 孛广泛缓瑗熬 二进码裔：自然= 进码；反射二进码( 格雷码) ；折叠二进码。国际标准化的 p c m 码缀( 电话语音) 是八位码组代表一个抽样值。从通信中的调制概念来看， 瑶豁诀为p c m 编鞴过程怒模蘩信譬镶割一个二逡话稼渖序裂，载波是瑟潆序确， 调制改变脉冲序列的有秃( 单极性) 或难负( 双极性) 。 调频发射机 p c m 码信号是数字信号，如粜从频谱上来分析将会得到丰富的谐波分量， 这样会不嗣于频带的利糟和发射功率的巢中，所融在调镱之前娶把高频谮波分 激滤狳，这过程憋由颈诞滤波器竞或。闲越，镤频发射掇豹结搀框霉如潮2 。4 所示： 接收桃 瘸2 4 调频发甜规的缝撺提图 接l | 受梳曾先癸把菇羧信号混频至菜一中频馕，然后罨芷交解溺并篓凝出禚 频信号，以零l j 予艨端的p c m 码信号恢复。因此，结槐框图如图2 5 所示： 图2 5 调频接收帆的结构框附 6 电子科技大学硕士论文 p c m 解调器 可以认为鉴频器输出是失真的p c m 信号，所以需要进行符号判决以恢复完 整的p c m 信号，而p c m 码信号并非我们所需要的最终信号，而是要通过分路器 ( p c m 码反变换) ，得到导弹或其它飞行器所传送出来的参数信号。其结构如图 2 6 所示： 信息处理 图2 6p c m 解调器 数据 恢复 信息处理是把p c m 解码器送来的数据按一定要求处理，比如监视显示、实 时处理、事后处理( 非实时处理) 等。 一2 3 研究内容和指标 本课题的研究内容集中在数字接收机部分，主要包括： 高速高精度数据采集模块研究； 高效数字下变频( d d c ) 技术研究； 数字化锁相鉴频设计。 输入信号特性： 中频：1 0 7 m h z ： 码速率：2 m b p s ； 调带0 体错0 ：p c m f m 基带码型：p c m n r z l 码，双极性； 体制特性：具有已调滤波，当调制信号输入频率范围在d c 1 4 m h z 电子科技大学硕士论文 p c m 解调器 可以认为鉴频器输出是失真的p c m 信号，所以需要进行符号判决以恢复完 整的p c m 信号，而p c m 码信号并非我们所需要的最终信号，而是要通过分路器 ( p c m 码反变换) ，得到导弹或其它飞行器所传送出来的参数信号。其结构如图 2 6 所示： 信息处理 图2 6p c m 解调器 数据 恢复 信息处理是把p c m 解码器送来的数据按一定要求处理，比如监视显示、实 时处理、事后处理( 非实时处理) 等。 一2 3 研究内容和指标 本课题的研究内容集中在数字接收机部分，主要包括： 高速高精度数据采集模块研究； 高效数字下变频( d d c ) 技术研究； 数字化锁相鉴频设计。 输入信号特性： 中频：1 0 7 m h z ： 码速率：2 m b p s ； 调带0 体错0 ：p c m f m 基带码型：p c m n r z l 码，双极性； 体制特性：具有已调滤波，当调制信号输入频率范围在d c 1 4 m h z 电子科技大学硕士论文 内时舆有线性调制响应； 载波鬏镶：发射辊载频公蓑不超_ i 童+ _ _ 4 5 k h z ； 多谱勒频偏不超过3 0 k h z t 输入阻抗：5 0 q 。 串频带宽：3 3 m h z ； 视频带宽：1 4 m h z ； 输出信号要求； 输出锁相鉴频后( 判决前) 的p c m 信号： 按术搔标： 输入信啜比为1 0 d b 对，误谒率小于1 0 一。 8 电子科技大学硕士论文 第三章中频数字化接收机概述 随着模数变换器的发展和数字信号处理器速度的提高，数字接收机发挥着 越来越重要的作用。这种处理方法的主要优点得益于数字信号处理技术，因为 它不存在模拟电路中的温度漂移、增益变化或直流电平漂移等现象，具有更好 的稳定性，不需要采取过多的校正措施，所以模拟系统数字化是重要的技术发 展方向。但由于实现技术上的原因，原先的数字化程度只能停留在基带。现在 随着数字化技术、d s p 技术、f p g a 技术及a s i c 技术的发展，实现中频乃至 射频数字化已经成为可能。所以对中频数字化接收机的研究势在必行。 中频数字化接收机系统基本原理框图如图3 1 所示： s i n ( w o + 妒) 图3 1 数字e e 频接收机系统基本原翌i ! 框图 基本工作原理如下： 从天线下来的射频信号经过射频前端处理后下变频至中频，模拟中频信号 ( f ) 经过a d 变换器转化为数字中频信号厂( ”) ；然后用两路数字频钟 c o s ( w o n + 妒) 和s i n ( w o n + ) ( n c o ) 对f ( n ) 进行数字正交解调，输出相互正交的 i 、q 两路信号y ，( n ) y o ( n ) ；再通过抽取滤波，输出所需要的数字基带信号，( ”) 和q ) 。 下面将对各组成部分作简单介绍。 9 璺王型垫奎鲎强主堡茎。 3 1a d d 变换 a d 变换就是模数转羧( a n a l o g - t o - d i g i t a l ) ，它是模拟系统颓数字系统鼹 接强。为了逶应复杂静魄磁环境，弱寒竞戏a d 变换匏a d 器馋驻该要毒高速 魔、大带宽和大动态范围的特点，这是直接影响届端系统处理性能的重要因素。 a d 变换的工作过程大致分为采样、保持、量优、编码和输躜等几个环节。 萁滚理据爨熟鎏3 2 掰承； 3 1 1 采样维 挎 霉3 。2 d 变换的撩理框鬻 趣债号 采样就是在采样时钟至g 来时把时域上迤续豹信号转换成对域离敞信号。采样 时钟的选择必须满足n y q u i s t 采样定理或带通采样定理，这样可保证采样后的 离散信号频谱不会出现漏凝。丽琢模撒信弩便胃出离散僚鸶准确爱浃和後复。 在她蔚提下，采榉蹲铮我选择还要考虑系统对处瑷壤盏懿要求和系统工俸黪特 点。 现假设输入中频信号为“f ) r 其频带限制在( 矗， ) 内，中心频率为 矗= 华，串频带宽凳雷= 厶一五，弼胃得魏图3 3 所示髂禊叛中额信号 蟠频特性器意鎏： l f ( ，) f 州嚣h一嚣沁 烈爨。 鬻3 3 镤攘串颓嫠母蔟谱零惑鬻 f 0 璺王型垫奎鲎强主堡茎。 3 1a d d 变换 a d 变换就是模数转羧( a n a l o g - t o - d i g i t a l ) ，它是模拟系统颓数字系统鼹 接强。为了逶应复杂静魄磁环境，弱寒竞戏a d 变换匏a d 器馋驻该要毒高速 魔、大带宽和大动态范围的特点，这是直接影响届端系统处理性能的重要因素。 a d 变换的工作过程大致分为采样、保持、量优、编码和输躜等几个环节。 萁滚理据爨熟鎏3 2 掰承； 3 1 1 采样维 挎 霉3 。2 d 变换的撩理框鬻 趣债号 采样就是在采样时钟至g 来时把时域上迤续豹信号转换成对域离敞信号。采样 时钟的选择必须满足n y q u i s t 采样定理或带通采样定理，这样可保证采样后的 离散信号频谱不会出现漏凝。丽琢模撒信弩便胃出离散僚鸶准确爱浃和後复。 在她蔚提下，采榉蹲铮我选择还要考虑系统对处瑷壤盏懿要求和系统工俸黪特 点。 现假设输入中频信号为“f ) r 其频带限制在( 矗， ) 内，中心频率为 矗= 华，串频带宽凳雷= 厶一五，弼胃得魏图3 3 所示髂禊叛中额信号 蟠频特性器意鎏： l f ( ，) f 州嚣h一嚣沁 烈爨。 鬻3 3 镤攘串颓嫠母蔟谱零惑鬻 f 0 电子科技大学硕士论文 根据n y q u i s t 采样定理，采样率兀2 f = 2 f o + b 。 根据带通采样定理，采样率工需满足： ，：! 亟五! ：生 一 2 n + 12 n + 1 式中，取满足工2 b 的正整数( 1 , 2 ，3 ) ，n 的最大值就决定了所需采 样频率的最小值。在软件无线电的数字中频接收机的设计中，我们通常采用的是 带通采样定理。 模拟信号进行a d 变换时，从启动转换到转换结束输出数字量是需要一定 的转换时间的。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度 无法保证，所以必须在a d 转换开始时将输入信号的电平保持住，而在a d 转 换结束后又能跟踪输入信号的变化，也就是在a d 转换前应该加采样保持器， 它相当于一个“模拟信号存储器”。 3 1 2 量化编码 模拟信号经过采样后变成了时域离散的信号，但其采样值仍是连续变化的， 就需要量化，即用m 个离散的电平值来表示这些采样值，把幅度连续的信号变 成幅度离散的信号。这m 个离散的电平值可以用一个n 位的二进制数来表示， 也就是编码。编码的方式很多，有偏移码、二进制补码、二进制无极性码、一 的补码等等，以偏移码和二进制补码用得最多。 3 1 3 a d 器件性能指标 转换灵敏度 就是指a d 变换器所能分辨的模拟输入信号最小变化量。若设a d 变换器 有m = 2 “个量化电平，满量程电压为v ，那么a d 转换器的转换灵敏度定义为： 矿：堡 电子科技大学硕士论文 根据n y q u i s t 采样定理，采样率兀2 f = 2 f o + b 。 根据带通采样定理，采样率工需满足： ，：! 亟五! ：生 一 2 n + 12 n + 1 式中，取满足工2 b 的正整数( 1 , 2 ，3 ) ，n 的最大值就决定了所需采 样频率的最小值。在软件无线电的数字中频接收机的设计中，我们通常采用的是 带通采样定理。 模拟信号进行a d 变换时，从启动转换到转换结束输出数字量是需要一定 的转换时间的。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度 无法保证，所以必须在a d 转换开始时将输入信号的电平保持住，而在a d 转 换结束后又能跟踪输入信号的变化，也就是在a d 转换前应该加采样保持器， 它相当于一个“模拟信号存储器”。 3 1 2 量化编码 模拟信号经过采样后变成了时域离散的信号，但其采样值仍是连续变化的， 就需要量化，即用m 个离散的电平值来表示这些采样值，把幅度连续的信号变 成幅度离散的信号。这m 个离散的电平值可以用一个n 位的二进制数来表示， 也就是编码。编码的方式很多，有偏移码、二进制补码、二进制无极性码、一 的补码等等，以偏移码和二进制补码用得最多。 3 1 3 a d 器件性能指标 转换灵敏度 就是指a d 变换器所能分辨的模拟输入信号最小变化量。若设a d 变换器 有m = 2 “个量化电平，满量程电压为v ，那么a d 转换器的转换灵敏度定义为： 矿：堡 电子科技大学硕士论文 根据n y q u i s t 采样定理，采样率兀2 f = 2 f o + b 。 根据带通采样定理，采样率工需满足： ，：! 亟五! ：生 一 2 n + 12 n + 1 式中，取满足工2 b 的正整数( 1 , 2 ，3 ) ，n 的最大值就决定了所需采 样频率的最小值。在软件无线电的数字中频接收机的设计中，我们通常采用的是 带通采样定理。 模拟信号进行a d 变换时，从启动转换到转换结束输出数字量是需要一定 的转换时间的。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度 无法保证，所以必须在a d 转换开始时将输入信号的电平保持住，而在a d 转 换结束后又能跟踪输入信号的变化，也就是在a d 转换前应该加采样保持器， 它相当于一个“模拟信号存储器”。 3 1 2 量化编码 模拟信号经过采样后变成了时域离散的信号，但其采样值仍是连续变化的， 就需要量化，即用m 个离散的电平值来表示这些采样值，把幅度连续的信号变 成幅度离散的信号。这m 个离散的电平值可以用一个n 位的二进制数来表示， 也就是编码。编码的方式很多，有偏移码、二进制补码、二进制无极性码、一 的补码等等，以偏移码和二进制补码用得最多。 3 1 3 a d 器件性能指标 转换灵敏度 就是指a d 变换器所能分辨的模拟输入信号最小变化量。若设a d 变换器 有m = 2 “个量化电平，满量程电压为v ，那么a d 转换器的转换灵敏度定义为： 矿：堡 皇王至! 垫查堂堡主堡兰 信号噪声比( s n r ) 信号在量化的过程中因存在量化误差而产生量化噪声，假如量化误差是在 ( 一v ，v ) 范围服从均匀分布的随机变量，则其量化噪声功率为： ：盟： 1 2 而对于一个满量程的正弦输入信号，输入信号功率为： s ；v 2 2 所以信号对量化噪声的s n r 的关系为： sv 2 2 万2 面矛币 故 s 懈= 1 0 l o g ( s ) = 6 0 2 n + 1 7 6 础 如果信号带宽固定，采样率提高，效果相当于在一个更宽的频率范围内扩展量 化噪声，从而s n r 提高。如果信号带宽变窄，在此带宽内的噪声减少，s n r 也 会提高。对于一个满量程的正弦信号，s r n 可准确表示为： 跚= l o l o g c 争6 0 2 n + 1 ，6 d b + l o l o g 略， 有效转换位数( e n o b ) a d 器件不可能做到完全线性，总会有精度损失，从而影响a d 的实际分辨 率，降低a d 的转换位数。对于一个满量程的正弦信号有： e n o b = 【( s n r ) 实际一1 7 6 1 6 0 2 无杂散动态( s f d r ) s f d r 指在第一n y q u i s t 区内测得的信号幅度的有效值与最大杂散分量有效 值之比的分贝数。它反映在a d 输入端存在大信号时，能检测出有用小信号的 能力。 1 2 电子科技大学硕士论文 但实际应用中，在器件性能容许的情况下，我们应该尽可能的提高采样率， 以提高采样量化的信号噪声比。但随着采样数率的提高带来的另一个问题就是 采样后的数据流速率很高，给后续的信号处理单元带来压力，特别是对有些同 步解调算法，如果数据吞吐率太高是很难满足实时性要求的，所以很有必要对 a d 后的数据流进行降速处理( 二次采样) 。如今很多商品化数字下变频( d d c ) 器件都可以完成这一工作。 3 2 数字下变频( d d c ) 数字下变频技术是数字接收机的核心技术之一，它包括数字混频正交变换、 抽取及高效率数字滤波等。其中数字混频正交变换部分完成频谱搬移工作，抽 取改变采样率，而高效数字滤波保证信号抽取前后的抗混叠问题。其结构框图 如图3 4 所示： 图3 4d d c 模型 目前有很多实现d d c 功能的专用器件已经商品化，如h s p 5 0 2 1 4 b ， a d 6 6 2 0 a s 等等，它们都包括一些共同的信号处理模块：正交混频器( 数控振 荡器( n c 0 ) 和乘法器) 、积分梳状滤波器( t i c ) 、半带滤波器( h b f ) 和可编程 系数抽取滤波器( f i r ) 等。它们一般都具有多种输入处理模式，是高速a d c 和 一般目的的d s p 或f p g a 器件之间的桥梁。 3 2 1 正交变换原理 自然界的物理可实现信号f ( t ) 都是实信号，而实信号的频谱具有共轭对称 电子科技大学硕士论文 但实际应用中，在器件性能容许的情况下，我们应该尽可能的提高采样率， 以提高采样量化的信号噪声比。但随着采样数率的提高带来的另一个问题就是 采样后的数据流速率很高，给后续的信号处理单元带来压力，特别是对有些同 步解调算法，如果数据吞吐率太高是很难满足实时性要求的，所以很有必要对 a d 后的数据流进行降速处理( 二次采样) 。如今很多商品化数字下变频( d d c ) 器件都可以完成这一工作。 3 2 数字下变频( d d c ) 数字下变频技术是数字接收机的核心技术之一，它包括数字混频正交变换、 抽取及高效率数字滤波等。其中数字混频正交变换部分完成频谱搬移工作，抽 取改变采样率，而高效数字滤波保证信号抽取前后的抗混叠问题。其结构框图 如图3 4 所示： 图3 4d d c 模型 目前有很多实现d d c 功能的专用器件已经商品化，如h s p 5 0 2 1 4 b ， a d 6 6 2 0 a s 等等，它们都包括一些共同的信号处理模块：正交混频器( 数控振 荡器( n c 0 ) 和乘法器) 、积分梳状滤波器( t i c ) 、半带滤波器( h b f ) 和可编程 系数抽取滤波器( f i r ) 等。它们一般都具有多种输入处理模式，是高速a d c 和 一般目的的d s p 或f p g a 器件之间的桥梁。 3 2 1 正交变换原理 自然界的物理可实现信号f ( t ) 都是实信号，而实信号的频谱具有共轭对称 电子科技大学硕士论文 也就是说从解析信号= ( ，) 很容易敬得信母的三个特征参数：瞬时幅度、瞬时相 键耪瓣辩频率，蕊这三个特征参数是信譬分聿露、参数灞爨或谖剐解调静麓穑， 在信号处理中有着极其熏要的作用。 对于个中频为 的实带限信号f ( t ) ： 厂( f ) = a ( t ) c o s 2 碍；十秽) 】 可以证明它的h i l b e r t 交换为： ( ，) 】= a ( t ) s i n 2 n f o f + 口( 纠 实现难交变换的传统方法是利用如图3 5 所示的模拟芷交解调方法。这种 方法静缺煮是需要产生委交的两个本振僚号，当这两个本强信号不正交辩，会 产生很大廉骰信号。所以鼹翦被广泛采用熬是数字混频爰突变换，如强3 。l 辑 示。这样，两个磁交本振的形成和相乘都是数字倍号的数学运算结果，只要确 保运算精度，其磁交往是宪全可黻得蓟保证的。 圈3 5 传统数字化接收机 3 2 2 数控振荡器( n c o ) 琢理 数控掇荡器是决定d d c 往能靛最主要瓣因素之，它貔鏊标藏楚产生令 理想的正弦或余弦波，也就是一个频率可炎的正弦波样本，如下式所示： s ( 仃) * c 。s ( 2 万2 孚n ) ( ”：o ，1 ，2 ，) j s 式中，厂l o 为本地振荡频率，兀为d d c 输入信号的采样频率。n c o 产生的本 电子科技丈学颟士论文 摄稿号输入弼数字瀵频嚣( 乘法嚣) 每输入髂号稳桊帮完成混频。 数控振荡器由三部分组成；相位累加器、相位加法器和燕弦表只读存储器。 其功能框图如图3 6 所示。相位累加器的作用就是将数字本振频率和本振偏移 频率之和转换成相位，每来个时钟脉冲，相位在琢来的基看遗上增加一个相位 增量：相位热法器戆功能是设爨一定豹衩始鞠位以瀵足菜些疲舄静鬟要。耀经 的正弦值用 粥3 6n c 0 功能榧翻 n c o 使d d c 具骞摸毅下变频器势无法毙羧麴精度积分辨率。鼷魏a d 6 6 2 0 的n c o 的频率字为3 2 b i t ，样本速率兀为6 5 m h z ，则； 相位分辨率： 舻等“4 钒弦9 频率分瓣率： 眵= 每= 。髓5 h z n c o 的数据位数决定着d d c 的性能和n c o 正交往。n c o 的数据位数包 括两个方面：相位的戚弦值数据的位数和相位数据的位数。其中，前糟取决者 焉者，即前者必须能表示相位变化时，其相位曰三弦值的变化的最小值。如果前 电子科技大学预士论定 者静彼激不够，羽稻稼的分辨攀蒋这不猁毋，并产室狠大的疆嶷误麓簪| 超虚骰 藩号。鬻者戆焱数越爨，辩雩 憝游霪鼗傣鼍愁夺。 3 0 3 整数嵇撼取爨堙 要蔓数馁抽硪怒疆撼蟓媲聚榉洋弼歹。嚣) 每疆( d - - 1 ) 个鼗掇嗽一个t 疆影斌 个新停歹j j 厶渤) ，即； 五嘏) = 只搬国 式孛d 是捺馥透予，荛委蘩鼗t 簌羧壤主麓，魏篆内) 亭粼煞采