第四章_软件无线电的硬件实现

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 /A 4.1 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转转 换器处理的信号频率和电平范围内。换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

2、号转换至转换器的输出信号转换至 能被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 （

3、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结构性能将

4、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、主要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、 AGC控制等组成。控制等组成。 收收/ /发发电调滤波电调滤波放大放大A/DA/D DSPDSP 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 -

5、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 )( fH 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： 11 250ffffC hdd 电调滤波器连接

6、：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 (F

7、eedforward) 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

8、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）/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

9、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

10、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微波放大器通常设计或 用于用于50阻抗的微波系统中，输入阻抗的微波系统中，输入/输出驻波输出驻波 表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统 要求阻抗要求阻抗(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 )/(

11、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

12、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。

13、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。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在中等饱和电平时，通常起支配作用的是最 接近基音频率的三阶分量接

14、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； 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

15、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）-2IP3 4.1.3 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

16、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/D UI 输入模拟电压输入模拟电压 D7D0 输出数字量输出数字量 0 5V 00000000 11111111 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

17、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 三态门三态门 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（Intermodulatio

18、n 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

19、换器转换器 3） ADC转换器转换器 4）采样）采样ADC 5）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 接口接口 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的基本原理 D/A功能功能:

20、 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/A n = 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 VREF 2R2R2R2R2R RRR 2R S0S1 S2S3 精密参精密参 考电压考电压 D0D1D2D3 3R 3R/2 UO 4.3 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

21、件无线电接收机中，数字下在超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 NCO x(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fc 频率控制码频率控制码 Nbit Mbit 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）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法运算的样本数值的有限字长所引起