[数学]软件无线电 第2章 软件无线电的理论基础ppt课件

1、本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有第2章 软件无线电的实际根底 信号采样实际信号采样实际 软件无线电中的采样软件无线电中的采样 多采样率数字信号处置技术多采样率数字信号处置技术 数字滤波技术数字滤波技术 带通讯号的表示法带通讯号的表示法 常用的软件无线电采样方案常用的软件无线电采样方案 多信道滤波器组多信道滤波器组 直接数字波形合成与数字上变频直接数字波形合成与数字上变频 设计举例一：利用查找表方法实现设计举例一：利用查找表方法实现QPSK调制调制 设计举例二：设计举例二：DDC的设计的设计本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.1 信

2、号采样实际 目的：对由天线感应的射频模拟信号尽能够地直接目的：对由天线感应的射频模拟信号尽能够地直接进展数字化，将其变换成适宜数字信号处置器进展数字化，将其变换成适宜数字信号处置器DSP或计算机处置的数据流，然后经过软件或计算机处置的数据流，然后经过软件算法来完成各种功能，使其具有更好的可扩展算法来完成各种功能，使其具有更好的可扩展性和运用环境顺应性；性和运用环境顺应性； 面临的问题面临的问题 如何对对任务频带如如何对对任务频带如0.1MHz 2GHz)内的信号进内的信号进展数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进展展数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进展采样？采样？ 采样速率应该取多大？

3、采样速率应该取多大？ 软件无线电中的采样有什么特殊性？软件无线电中的采样有什么特殊性？ 根本采样实际根本采样实际 Nyquist采样定理采样定理 带通采样实际带通采样实际本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有Nyquist采样定理采样定理 以不低于信号最高频率两倍的采样速率对以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进展采样，所得到的离散采样值带限信号进展采样，所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。就能准确地确定原信号。 抽样信号之频谱为原信号频谱之频移后的抽样信号之频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加幅度变化多个叠加幅度变化 信号重构、信号重构滤波器信号重构、信号

4、重构滤波器本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.1.1 模拟信号的抽样一、抽样定理一、抽样定理 抽样定理是模拟信号数字化的实抽样定理是模拟信号数字化的实际根底，是模拟信号数字化的第一步，际根底，是模拟信号数字化的第一步，也是收端将获得的样值信号能不失真也是收端将获得的样值信号能不失真地恢复成原信号的实际保证。地恢复成原信号的实际保证。1 1、抽样定理：一个频带限制在、抽样定理：一个频带限制在FmFm赫以赫以内的时间延续的函数内的时间延续的函数f ft t，假设以，假设以Ts1/2FmTs1/2Fm的等间隔时间抽样，那么所的等间隔时间抽样，那么所得的样值可以完全确实

5、定原信号得的样值可以完全确实定原信号f ft t。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 sssSkskTtTkTtTkTftfsin其数学表达式为：其数学表达式为： 式中k=0、1、 2，Ts=1/2Fm为抽样时间间隔，f(k Ts为k Ts时辰的抽样值。2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2 2、证明：、证明： 模拟信号的抽样，可看成是模拟信号f(t)与周期为Ts的单位冲激函数Tst的乘积。如以下图所示：2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有ksTkTtts)

6、()() () () (ttftfsTs 为了解抽样后的fs(t)的频谱特性，我们分别对f(t)和 进展付氏变换 )(tsT)()()()()()()()(ffFfFtftffFfFtfsTss2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有sstkfjkkTTTfecttsss/1,)()(2其中级数展开是周期函数故可用富氏)(1)(1)(102/2/)(2222feTtTdtetTctTTtssssssssTktkfjsTsTTtkfjTskssT处有值之间只有在 tTkjksTsSsetfTttftf1212.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了

7、兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 显然Fst是以中心频率为kfs的无穷多个原始信号频谱的叠加。 kssftjktkfjstjsskFTdteetfTdtetfFs1)(122 kssskffFTfF1或 fst的频率谱特性可经付氏变换得到：2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有由上图可见：由上图可见：1 1当当fs2Fmfs2Fm时，抽样信号的各频率分量互不重时，抽样信号的各频率分量互不重叠，因此，只需让信号经过一个截止频率为叠，因此，

8、只需让信号经过一个截止频率为FmFm的理想低通滤波器，就可以获得原信号的频谱的理想低通滤波器，就可以获得原信号的频谱F(f)F(f)，也就是可以不失真恢复原信号，也就是可以不失真恢复原信号f(t)f(t)。2 2假设假设fs 2Fmfs 2Fm会出现上图会出现上图d)d)的情况，即频的情况，即频谱出现交叠景象，就不能够不失真的恢复原信谱出现交叠景象，就不能够不失真的恢复原信号。号。 由此证明了对于频带限制在由此证明了对于频带限制在FmFm赫以内时间赫以内时间连函数连函数f(t)f(t)，只需当，只需当Ts1/2FmTs1/2Fm的间隔时间抽的间隔时间抽样时，抽样值才可以完全地确定原信号。样时，

9、抽样值才可以完全地确定原信号。2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有抽样定理的实现框图如以下图所示抽样定理的实现框图如以下图所示 低通滤波器fs(t)TsTst tfs(t)f(t)f(t)2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有此外，还可以用数学方法进展证明：此外，还可以用数学方法进展证明：设理想低通滤波器的传输函数为：设理想低通滤波器的传输函数为：其冲激呼应为其冲激呼应为那么那么 其它msFfTfH0 tFtFdefHthmmtj22sin21 kksstkTfthtftf2.1.1 模拟

10、信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 k(t) 为抽样函数，这样f(t)就可以表示成许多强度不同的抽样函数之和，如图23所示 smsmkkTtFkTtFt22sin2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 Ts=1/2Fm 为奈奎斯特间隔或周期 ，是不失真抽样的最大时间间隔。 由于Tst是周期性单位冲激呼应函数，滤波器为理想低通滤波器，所以上述抽样为理想抽样。 其全过程可用以下图表示：2.1.1 模拟信号的抽样本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有采样过程本幻灯片借用了兄弟院校的讲

11、义及相关专著论文，相关版权归原作者所有3 3、实践信号在抽样中存在的问题：、实践信号在抽样中存在的问题： 实践的抽样并不是理想抽样，实践的抽样并不是理想抽样，f(t)f(t)总是时间有限的函数，它的频总是时间有限的函数，它的频谱成分不能够完全的限制在谱成分不能够完全的限制在FmFm内，内，所以抽样信号的恢复难免有失真。所以抽样信号的恢复难免有失真。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有通常的处理方法是：通常的处理方法是： 第一：在抽样之前加截止频率为第一：在抽样之前加截止频率为FmFm的低通滤波器，滤出的低通滤波器，滤出FmFm赫以上的赫以上的频谱成分，从而消除折叠景

12、象和防频谱成分，从而消除折叠景象和防止由此引起的失真。止由此引起的失真。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有第二：由于收端的低通滤波器不能够做成理想的，特第二：由于收端的低通滤波器不能够做成理想的，特别是在截止频率附近，与理想的特性相差甚大。别是在截止频率附近，与理想的特性相差甚大。 为了减弱因幅度和相位不理想呵斥的失真，通常选为了减弱因幅度和相位不理想呵斥的失真，通常选择的抽样频率略大于择的抽样频率略大于2Fm2Fm。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有第三、实践的抽样脉冲不能够是单位冲第三、实践的抽样脉冲不能够是单位冲激脉冲，只能是高

13、度为激脉冲，只能是高度为A A，宽度为，宽度为tt，反复频率为反复频率为1/Ts1/Ts的矩形窄脉冲序列的矩形窄脉冲序列s(t)s(t)sstfkjssksTfetfktfkTtAtSs1sin)(2其中本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 sksssskffFtfktfkTtAfFsin4 4、自然抽样：抽样脉冲为、自然抽样：抽样脉冲为S St t时的时的抽样抽样这时所得的抽样信号为这时所得的抽样信号为 tstftfs其频谱其频谱 dtetfFtjss实践抽样过程中信号波形及频谱分布情况实践抽样过程中信号波形及频谱分布情况本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文

14、，相关版权归原作者所有实践抽样过程中信号波形及频谱分布本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有有关自然抽样的几点阐明：有关自然抽样的几点阐明： 当当k k0 0时，时， 自然抽样和理想抽样的频谱仅差自然抽样和理想抽样的频谱仅差一个系数一个系数A At/Tst/Ts，同样可经过截，同样可经过截止频率等于止频率等于FmFm的理想低通滤波器来的理想低通滤波器来不失真的恢复原信号。不失真的恢复原信号。 自然抽样得到抽样信号自然抽样得到抽样信号fs(t)fs(t)是一是一系列顶部与抽样原始信号系列顶部与抽样原始信号f(t)f(t)坚持坚持一致的脉冲串。一致的脉冲串。fFTtAfF

15、ss本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有5 5、平顶抽样、平顶抽样 抽样信号的脉冲顶部是抽样信号的脉冲顶部是“平顶的平顶的抽样，样值等于抽样点上的取值。抽样，样值等于抽样点上的取值。 平顶抽样是经过一个坚持时间为平顶抽样是经过一个坚持时间为tt的脉冲坚持电路来实现的。如图的脉冲坚持电路来实现的。如图2 27 7所示所示本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 平顶抽样信号的频谱函数不再与理想抽样的频谱函数坚持线性关系。为了无失真的恢复原信号，必需在低通滤波器前或后接入频率特性为 的校正网络。如图28所示)(/1)(HHeq本幻灯片借用了兄弟院

16、校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有平顶抽样信号为平顶抽样信号为的方波函数是幅度为1)()()()(xrecttkTtArecttftfksHtkTtxxrectsxx/ )()(2/112/10这里脉冲构成电路的冲击呼应为脉冲构成电路的冲击呼应为)/(1)(ttrecttth其频谱为：其频谱为： 为满足上式，实际上还应插入一增益为为满足上式，实际上还应插入一增益为At的线性放大器。的线性放大器。2/sin)(ttH本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有这样这样fH t的频谱为的频谱为ssksHTfkfttTtAF/22)(2/2/sin)(其中2/sin2/

17、1ttHHHeqeq）（）（）（在在k=0时时 校正网络输出信号的频谱为校正网络输出信号的频谱为）（）（）（FTtAttFttTtAFSSosinsin 可见，经校正网络后的输出信号与原信号成线性关系。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有二、带通讯号的抽样 带通讯号的带宽限制在fL，fH,其频带宽度为B fH fL。 任何带通讯号都可以经过混频电路将其频谱转换成低通型的基带信号。因此，原那么上说，只需抽样频率不低于带通讯号带宽B的两倍，就可以不失真的恢复原信号。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有下面分两种情况来讨论：下面分两种情况来讨论

18、：1 1当信号的最高频率当信号的最高频率fHfH为频带宽度整数倍时，即为频带宽度整数倍时，即fH /B=n,n=1,2,3,fH /B=n,n=1,2,3,为正整数，选抽样频率为正整数，选抽样频率fs2B fs2B 图图2 21010本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2 2假设信号的最高频率假设信号的最高频率fHfH不是频带不是频带B B的整数倍。的整数倍。令令fH /BfH /Bn+k,nn+k,n为小于为小于fH /BfH /B的最大整数，的最大整数，k k为分数，为分数，假设仍按假设仍按fsfs2B2B来选择抽样频率，样值信号的频谱来选择抽样频率，样值信号的

19、频谱是重叠的。假设把抽样频率添加是重叠的。假设把抽样频率添加2 2fHfHnBnB/n /n ，频谱那么无重叠。因此，必需使抽样频率满足频谱那么无重叠。因此，必需使抽样频率满足 nfsnfs2nB2nB2 2fHfHnBnB2fH 2fH nnBfBnffHHs222min即即本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有fH/B为非整数倍时的抽样频谱本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 假设要求各组频率分量之间的间隔都相假设要求各组频率分量之间的间隔都相等，并等于等，并等于2f2f那么可令那么可令 满足上述要求的抽样频率为满足上述要求的抽样频率为

20、 各频率之间的间隔为各频率之间的间隔为212sLsHfnffnfff 122nfffLHs4242BfffffsLHs本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有带通采样 图中任何一个中心频率为图中任何一个中心频率为 f0n f0n ，带宽为，带宽为B B 的通带信号的通带信号均可用同样的采样频率采样均可用同样的采样频率采样 只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否那么将会引起信号混迭。的频带上同时存在信号，否那么将会引起信号混迭。 可以采用跟踪滤波器抗混迭滤波器先进展滤波可以采用跟踪滤波器抗混

21、迭滤波器先进展滤波 频带宽度应了解为处置带宽，在其中可以包括多个信号频带宽度应了解为处置带宽，在其中可以包括多个信号本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有带通采样 带通采样的结果是把位于带通采样的结果是把位于(nB,(n+1)B)(n=0,1,2,)(nB,(n+1)B)(n=0,1,2,)的不的不同频带上的信号都用位于同频带上的信号都用位于(0,B)(0,B)上一样的基带频谱来表示；上一样的基带频谱来表示； 当当n n为奇数时，其频率对应关系相对中心频率是反折的。为奇数时，其频率对应关系相对中心频率是反折的。即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通即奇数通

22、带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量带上的低频分量对应基带上的高频分量 偶数频带与采样后与数字基带频谱是高低频率分量一一对偶数频带与采样后与数字基带频谱是高低频率分量一一对应应本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有采样中的几个关注参数 采样速率采样速率单位单位 KSPS、MSPS过采样倍数过采样倍数编码位数与编码方式编码位数与编码方式分辨率，量化最小量化电平分辨率，量化最小量化电平自然二进制码，折叠二进制码，反射二进制码自然二进制码，折叠二进制码，反射二进制码量化信噪比量化信噪比正弦信号：正弦信号：6.02n+1.76均匀分布信

23、号：均匀分布信号：6.02n动态范围动态范围最大功率输出和最小功率输出之比的对数最大功率输出和最小功率输出之比的对数 有效位有效位无杂散动态范围无杂散动态范围SFDR：输出信号有效值输出信号有效值dB与输出信号新生的频率分量中最高幅度与输出信号新生的频率分量中最高幅度那一个有效值之差。那一个有效值之差。 本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有过采样 理想的采样低通、带通对抗混迭滤波器提出了严厉的，理想的采样低通、带通对抗混迭滤波器提出了严厉的，通常是不能够实现的要求过渡带、阻带衰减、相位失真通常是不能够实现的要求过渡带、阻带衰减、相位失真 为缓解对抗混迭滤波器的要求，

24、可以适当提高采样率，即为缓解对抗混迭滤波器的要求，可以适当提高采样率，即使用使用“过采样的方法过采样的方法 过采样：采样率大于过采样：采样率大于NyquistNyquist采样率低通采样率低通 过采样的采样信号频谱反复周期增大，信号最高频率和过采样的采样信号频谱反复周期增大，信号最高频率和1/21/2采样频率之间有一个缓冲带，可降低抗混迭滤波器过采样频率之间有一个缓冲带，可降低抗混迭滤波器过渡带陡度的要求渡带陡度的要求 代价：需求速度更快的代价：需求速度更快的ADCADC对较低频率信号采样；数据吞对较低频率信号采样；数据吞吐量增大；后继处置难度加大吐量增大；后继处置难度加大本幻灯片借用了兄弟院

25、校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有过采样 两种情况：两种情况： 采样频率，量化比特数：采样频率，量化比特数： L L 倍过采样，即倍过采样，即 使两种采样坚持一样的噪声功率谱密度，有使两种采样坚持一样的噪声功率谱密度，有),(Nfs),(NfsssffLLNN2log5 . 0本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有过采样 结论：结论： 1.1.将采样率提高将采样率提高L L倍，假设坚持同样的倍，假设坚持同样的量化噪声谱密度，比特数可减少量化噪声谱密度，比特数可减少 2.2.假设标称比特数坚持不假设标称比特数坚持不变，变， ，将采样率提高，将采样率提高L L倍

26、，那倍，那么有效比特数将提高么有效比特数将提高 。L2log5 . 0NN L2log5 . 0本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有过采样 意义：意义： 当采用过采样时，量化噪声被分散到当采用过采样时，量化噪声被分散到更宽的频带更宽的频带 ，量化，量化噪声功率谱密度降低噪声功率谱密度降低L倍，在倍，在 的的Nyquist带宽内的有效量化噪声功率带宽内的有效量化噪声功率也降低也降低L倍。倍。)2,2(ssff)2,2(ssff本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有窄带中频采样数字化 软件无线电中必需采用带通采样软件无线电中必需采用带通采样 实

27、现方案一：窄带中频采样数字化实现方案一：窄带中频采样数字化 缺陷：能处置的信号中心频率有限缺陷：能处置的信号中心频率有限 实现困难：实现困难：A/DA/D前的抗混迭滤波器无法实现，不前的抗混迭滤波器无法实现，不能够在整个宽频带内坚持一样的滤波器带宽和能够在整个宽频带内坚持一样的滤波器带宽和阻带特性阻带特性本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有窄带中频采样数字化超外插接纳体制窄带中频采样数字化超外插接纳体制 超外插接纳体制：用一个本振信号与被数字化的输入信号超外插接纳体制：用一个本振信号与被数字化的输入信号进展混频可经过几次混频，将其变换为一致的中频信进展混频可经过几次

28、混频，将其变换为一致的中频信号，然后进展数字化。号，然后进展数字化。 缺陷：缺陷： 在天线与在天线与A/DA/D之间添加了很多模拟环节，不仅会呵斥信号之间添加了很多模拟环节，不仅会呵斥信号失真，也对减少体积，降低本钱和功耗不利；失真，也对减少体积，降低本钱和功耗不利； 模拟环节过多，使体制在对信号顺应性以及可扩展性方面模拟环节过多，使体制在对信号顺应性以及可扩展性方面存在明显缺乏。所以不是软件无线电意义上的一种理想构存在明显缺乏。所以不是软件无线电意义上的一种理想构造方式。造方式。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有软件无线电构造对采样的要求 软件无线电的根本思想是

29、以一个通用、规范、软件无线电的根本思想是以一个通用、规范、模块化的硬件平台为依托，经过软件编程来实模块化的硬件平台为依托，经过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。途的电台设计方法中解放出来。 功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、灵敏性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，灵敏性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处置把数字化处置A/DA/D和和D/AD/A变换尽量接近天线。变换尽量接近天线。 软件无线电强调体系构造的开放性和全面可编软件无线电强调体系构造的开放性和全

30、面可编程性，经过软件的更新改动硬件的配置构造，程性，经过软件的更新改动硬件的配置构造，实现新的功能。实现新的功能。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有软件无线电构造框图 软件无线电主要构成软件无线电主要构成 天线天线 射频前端射频前端 高速高速A/D-D/AA/D-D/A转换器转换器 通用和公用数字信号处置器通用和公用数字信号处置器 低速低速A/D-D/AA/D-D/A转换器转换器 各种接口各种接口 软件软件本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有软件无线电的根本构造 软件无线电的天线软件无线电的天线 要覆盖比较宽的频段，比如要覆盖比较宽的频

31、段，比如1MHz-2000MHz1MHz-2000MHz， 要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。的需求。 为便于实现，可在全频段甚至每个频段运用为便于实现，可在全频段甚至每个频段运用几付天线，并采用智能天线技术几付天线，并采用智能天线技术 。 RFRF部分部分 发射时主要完成滤波、功率放大等义务发射时主要完成滤波、功率放大等义务 接纳时实现滤波、放大等功能。接纳时实现滤波、放大等功能。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有对AD变换的要求 因实现射频直接带通采样，要求因实现射频直接带通采样，要求A/DA/D转换器转换器

32、有足够的任务带宽例如有足够的任务带宽例如2000MHz2000MHz以上，以上， 较高的采样速率普通在较高的采样速率普通在60MHz60MHz以上，以上， 较高的较高的A/DA/D转换位数，以提高动态范围转换位数，以提高动态范围 目前目前8 8位位A/DA/D转换器的任务带宽已做到转换器的任务带宽已做到2000MHz2000MHz以以上。上。 本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有软件无线电的根本构造 模拟信号进展数字化后的处置义务全由模拟信号进展数字化后的处置义务全由DSPDSP和公用的可编程处置器的软件来承当。和公用的可编程处置器的软件来承当。 通用通用DSPDS

33、P主要完成各种数据率相对较低的基主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处置，比如信号的调制解调，各种带信号的处置，比如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自顺应平衡算法的实现等。抗干扰、抗衰落、自顺应平衡算法的实现等。还要完成经信源编码后的前向纠错还要完成经信源编码后的前向纠错FECFEC, ,帧调整、比特填充和链路加密等算法。也有帧调整、比特填充和链路加密等算法。也有采用多采用多DSPDSP芯片并行处置的方法，以提高其芯片并行处置的方法，以提高其处置的才干。处置的才干。 本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有软件无线电的根本构造 为了减轻通用为了减轻通用DSPDSP

34、的处置压力，通常把的处置压力，通常把A/DA/D转换器传来的数字信号，经过公用数字信转换器传来的数字信号，经过公用数字信号处置器件如数字下变频器号处置器件如数字下变频器DDCDDC处置，处置，降低数据流速率，并把信号变至基带后，降低数据流速率，并把信号变至基带后，再把数据送给通用再把数据送给通用DSPDSP进展处置。进展处置。 由于高速宽带由于高速宽带A/DA/D和和D/AD/A转换器目前还比较转换器目前还比较困难，价钱也高，下变频和上变频模块困难，价钱也高，下变频和上变频模块DDC/DUCDDC/DUC都用模拟线路放在都用模拟线路放在RFRF部分中。部分中。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关

35、专著论文，相关版权归原作者所有软件无线电的根本构造 软件无线电的构造根本上可以分为三种软件无线电的构造根本上可以分为三种 1射频全宽带低通采样软件无线电构射频全宽带低通采样软件无线电构造造 2射频直接带通采样软件无线电构造射频直接带通采样软件无线电构造 3宽带中频带通采样软件无线电构造宽带中频带通采样软件无线电构造本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有射频全带宽低通采样软件无线电构造 这种构造的软件无线电，构造简约，把模拟这种构造的软件无线电，构造简约，把模拟电路的数量减少到最低程度，如下图。电路的数量减少到最低程度，如下图。双工器双工器超宽带超宽带滤波器滤波器超宽带

36、超宽带放大器放大器超高速超超高速超宽带宽带A/D分波段分波段滤波器滤波器超宽带功超宽带功率放大器率放大器超高速超超高速超宽带宽带D/A超高超高速速 DSP软件软件minmaxffmax2sff本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有射频全带宽低通采样软件无线电构造 优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电概念的定义。概念的定义。 缺陷：缺陷： 1需求的采样频率太高，特别还要求采用需求的采样频率太高，特别还要求采用大动态、多位数的大动态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件时，显然目前的器件程度无法实现。程度无法实现。 2前端超宽的

37、接纳方式会对整个构造的动前端超宽的接纳方式会对整个构造的动态范围有很高的要求，工程实现极为困难。态范围有很高的要求，工程实现极为困难。 所以这种构造只适用于任务带宽不太宽的场所。所以这种构造只适用于任务带宽不太宽的场所。这种构造的优缺陷这种构造的优缺陷本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有例：短波例：短波HF频段低通采样软件无线电构造频段低通采样软件无线电构造 对于任务频段处于对于任务频段处于0.1MHz到到30MHz范围范围的的HF就能够采用上述构造，由于采样频就能够采用上述构造，由于采样频率在率在100MHz左右精度为左右精度为14位的位的AD已根已根天性满足要求

38、。天性满足要求。双工器双工器滤波器滤波器放大器放大器A/D滤波器滤波器功放功放D/ADSP软件软件:75 90sfMHzMHz0.1MHz30MHz本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有射频直接带通采样软件无线电构造 射频带通采样构造的软件无线电可以较好射频带通采样构造的软件无线电可以较好地处理上述射频低通采样软件无线电构造地处理上述射频低通采样软件无线电构造对对A/DA/D转换器、高速转换器、高速DSPDSP等要求过高，以致等要求过高，以致无法实现的问题。无法实现的问题。双工器双工器窄带电调滤窄带电调滤波器波器放大器放大器A/D功功放放“0内插上内插上变频变频D/A

39、DSP软件软件00/ 4/ 4SmSmffff(2n+1)(2m+3)m/SSff窄带电调窄带电调滤波器滤波器本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有本构造阐明本构造阐明 本构造采用了射频直接带通采样原理。本构造采用了射频直接带通采样原理。 这种带通采样除了需求一个主采样频率这种带通采样除了需求一个主采样频率fs外，外，还需求还需求M个个“盲区采样频率盲区采样频率fsm(m= 0,1,2M-1)，M值由下式确定：值由下式确定： 式中，式中，INTx表示取大于等于表示取大于等于x的最小整数。的最小整数。 盲区采样频率为：盲区采样频率为： ，式中，式中，m = 0, 1,2

40、,M-1对应盲区号。对应盲区号。max2sfMINTf2223Smsmffm本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 主采样频率主采样频率fs确实定主要取决于确实定主要取决于A/D器件的性能；器件的性能；另外，还要思索与后续另外，还要思索与后续DSP的处置速度相匹配。的处置速度相匹配。为减少盲区采样频率的数量，在最高任务频率为减少盲区采样频率的数量，在最高任务频率fmax一定的情况下，一定的情况下， fs应尽量选高。应尽量选高。 本构造对本构造对A/D器件的要求是器件的要求是A/D需有足够高的任务需有足够高的任务带宽。带宽。 优点：与射频全宽开低通采样构造相比最大的不优

41、点：与射频全宽开低通采样构造相比最大的不同就是采用的前置滤波器的差别；另外还有同就是采用的前置滤波器的差别；另外还有A/D的采样速率不同；最后就是对的采样速率不同；最后就是对DSP的处置速度要的处置速度要求不同。实现可行性较强。求不同。实现可行性较强。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 缺陷：前置窄带电调滤波器和高任务带宽的缺陷：前置窄带电调滤波器和高任务带宽的A/D高性能采样坚持放大器实现起来还是有相高性能采样坚持放大器实现起来还是有相当的难度。另外，本构造需求多个采样频率，当的难度。另外，本构造需求多个采样频率，添加了系统实现复杂度。添加了系统实现复杂度。 因

42、此，我们将引见下面一种软件无线电构造因此，我们将引见下面一种软件无线电构造宽带中频带通采样软件无线电构造。宽带中频带通采样软件无线电构造。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有宽带中频带通采样软件无线电构造宽带中频带通采样软件无线电构造 宽带中频带通采样构造的软件无线电构宽带中频带通采样构造的软件无线电构造与目前的中频数字化接纳机的构造是造与目前的中频数字化接纳机的构造是类似的，都采用了多次混频体制或叫超类似的，都采用了多次混频体制或叫超外差体制。外差体制。 这种宽带中频带通采样软件无线电构造这种宽带中频带通采样软件无线电构造的主要特点是中频带宽更宽比如的主要特点是中

43、频带宽更宽比如20MHz20MHz，一切调制解调等功能全部由软，一切调制解调等功能全部由软件加以实现。中频带宽更宽是这种软件件加以实现。中频带宽更宽是这种软件无线电与普通超外差中频数字化接纳机无线电与普通超外差中频数字化接纳机的本质区别。的本质区别。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有宽带中频带通采样构造分波段分波段滤波器滤波器 功功放放高高放放 双工双工器器 一本一本振振 一中一中放放 滤滤波波A/DD/A DSP (软软件件)fsf0/4s(2n+1)f放放大大放放大大 一本一本振振 二中二中放放本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有本

44、构造阐明本构造阐明 本构造类似于超外差无线电台，但常规电台的中本构造类似于超外差无线电台，但常规电台的中频带宽为窄带构造，而本构造为宽带中频构造。频带宽为窄带构造，而本构造为宽带中频构造。 本构造使前端电路设计得以简化，信号经过接纳本构造使前端电路设计得以简化，信号经过接纳通道后的失真也小，而且经过后续的数字化处置，通道后的失真也小，而且经过后续的数字化处置，本构造具有更好的波形顺应，信号带宽顺应性以本构造具有更好的波形顺应，信号带宽顺应性以及可扩展性。及可扩展性。 本构造的射频前端比较复杂，它的功能是将射频本构造的射频前端比较复杂，它的功能是将射频信号转换为适宜于信号转换为适宜于A/DA/D

45、采样的宽带中频或把采样的宽带中频或把D/AD/A输输出的宽带中频信号变换为射频信号。出的宽带中频信号变换为射频信号。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有三种软件无线电构造的等效数字谱三种软件无线电构造的等效数字谱 低通采样的软件无线电构造的数字谱：低通采样的软件无线电构造的数字谱：minfmaxf/2sff( )DXf 图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画了正半频率。了正半频率。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 宽带中频带通采样的数字谱：宽带中频带通采样的数字谱： 由带通采样定理，采样速率由

46、带通采样定理，采样速率 与中与中频频 满足条件：满足条件： 其其ADAD采样数字谱采样数字谱 如以下图如以下图1 1所示，图所示，图2 2为中频信号模拟频谱为中频信号模拟频谱 ：Sf0f0(21)4SffnDXAX图图1 1/4SfB0/2sff( )DXfDXDX本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有图图2 2( )DXf0/4SffB00/4sfffAXAX0f 当上式中当上式中n为偶数时，数字谱和模拟谱的对应为偶数时，数字谱和模拟谱的对应关系为关系为 ；当；当n为奇数时对应关为奇数时对应关系系 。所以，无论。所以，无论 n 取确定的何取确定的何值，带通采样的数字

47、谱与原始模拟带通讯号谱也值，带通采样的数字谱与原始模拟带通讯号谱也是一一对应，只是根据不同的中频选取不同的数是一一对应，只是根据不同的中频选取不同的数字模拟对应关系而已。字模拟对应关系而已。,DADAXXXX,DADAXXXX本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 射频直接带通采样技术射频直接带通采样技术 为消除因前置跟踪滤波器和不理想为消除因前置跟踪滤波器和不理想而产生的采样而产生的采样“盲区，需求多个采样频率，盲区，需求多个采样频率，其中包括一个主采样频率其中包括一个主采样频率 fS和和M个个“盲区盲区采样频率采样频率 fSm。主采样时的数字谱和射频。主采样时的数

48、字谱和射频信号谱分别如下二图。信号谱分别如下二图。/4SfB0/2sff( )DXfDXDX图图1本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取决于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器决于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器其中心频率设为其中心频率设为 fcentfcent位于偶数频段，满足：位于偶数频段，满足：00(21)(21)4242SScentfBfBnfnB0fAXAX0fcentfcentf跟踪滤跟踪滤波器波器( )AXf图图2本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原

49、作者所有 射频直接带通采样还存在射频直接带通采样还存在“盲区采样频带。盲区采样频带。“盲区频带的中心频率盲区频带的中心频率 f0m由下式定：由下式定： 式中，式中，fS 为主采样频率，为主采样频率，m为为“盲区频带号盲区频带号(m = 0,1, M-1)，其数字谱和射频信号谱如以下图所示，其数字谱和射频信号谱如以下图所示012mSmff/ 4Smf/ 2smfB0f()DXfDXDX图图1B0fAXAX0fcentfcentf跟踪滤跟踪滤波器波器()AXf图图2本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 “盲区采样数字谱与盲区采样数字谱与“盲区频带信号谱盲区频带信号谱的对

50、应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置，的对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置，当其位于偶数当其位于偶数(m=0,2,4,6,)(m=0,2,4,6,)“盲区时，其对盲区时，其对应关系为：应关系为： 当其为于奇数当其为于奇数 (m=1,3,5,7,) (m=1,3,5,7,)“盲区时，盲区时，其对应关系为：其对应关系为： 所以，无论主采样还是所以，无论主采样还是“盲区采样都可以盲区采样都可以用一个等效的基带数字谱来独一地表示射频信号，用一个等效的基带数字谱来独一地表示射频信号，只需确知前置滤波器在射频频带上所处的位置。只需确知前置滤波器在射频频带上所处的位置。,DADAXXXX,DADAXXX

51、X本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.3 多采样率数字信号处置技术 采样率应尽能够高一些：采样率应尽能够高一些： 提高采样量化信噪比；提高采样量化信噪比； 降低对抗混迭滤波器的要求；降低对抗混迭滤波器的要求； 高采样率使采样后数据速率高，给后继信号高采样率使采样后数据速率高，给后继信号处置添加难度处置添加难度 降速处置降速处置 多采样率数字信号处置多采样率数字信号处置 抽取抽取 内插内插本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.3.1 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原始采样序列所谓整数倍抽取是指把原始采样序列 x(n) 每隔每隔 (D

52、-1) 个数据取一个，以构成一个新个数据取一个，以构成一个新序列序列xD(m)，即：，即： xD(m) = x(mD) 式中，式中，D为正整数。抽取过程及抽取器符为正整数。抽取过程及抽取器符号见以下图。号见以下图。DX(n)XD (m)抽取器的符号表示抽取器的符号表示本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有)(nx)(nxD012345 6 7 8 90123nm整数倍抽取整数倍抽取本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 直接抽取数据，行吗？直接抽取数据，行吗？ 公式证明！公式证明！ 定义一个新信号：定义一个新信号： 根据恒等式：根据恒等式：

53、那么那么x(n)可以表示为：可以表示为：其其他他 0,2D,.)D,0,(n ),()( nxnx其其他他 0,.)2D,D,0,(n , 11102DlDnljeD1)()( 102DlDnljeDnxnx本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 由于由于 xD(m) = x(Dm) = x(Dm)，对，对 xD(m) 进进展展Z变换，可得：变换，可得：NoImageNoImagemmDDzDmxzmxX)( )(Dmzmx)( 把把 x(m) 的表达式以及的表达式以及 带入上式，得：带入上式，得：jez 10/ )2(1)(DlDljjDeXDeX由上式可见，抽取序

54、列的频谱为抽取前后原始序列之频由上式可见，抽取序列的频谱为抽取前后原始序列之频谱经频移和谱经频移和 D 倍展宽后的倍展宽后的 D 个频谱的叠加和，因此能够个频谱的叠加和，因此能够存在混迭。存在混迭。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有)(jeX)(/ ) 2(DljeX)(jDeX220002222直接抽取序列，频谱产生混叠直接抽取序列，频谱产生混叠本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 预滤波预滤波 处理混叠的良药！处理混叠的良药！ 由上图可见，抽取后的频谱产生了由上图可见，抽取后的频谱产生了严重的混叠，使得从严重的混叠，使得从 中曾经无

55、法中曾经无法恢复出我们所感兴恢复出我们所感兴 趣的信号频谱分量。但趣的信号频谱分量。但是，假设首先采用一数字是，假设首先采用一数字 滤波器对滤波器对 进展滤波，使进展滤波，使 中只含有小于中只含有小于 pi/D 的频率分量对应模拟频率为的频率分量对应模拟频率为pifs/D，再进展再进展D倍抽取，那么抽取后的频谱就不倍抽取，那么抽取后的频谱就不会发生混叠。会发生混叠。)(jDeX)(jeX)(jeX本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有)(jeX)(jeH)( jeX)(jDeX02323D/D/02323滤波后抽取序列，频谱不会混叠滤波后抽取序列，频谱不会混叠本幻灯片

56、借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 经过抽取，数据流数率只需以前的经过抽取，数据流数率只需以前的1/D，大大降低了对后续处置解调分，大大降低了对后续处置解调分析等的速度要求。析等的速度要求。)(jDeX)(jeXD)(jLPeH完好的抽取器方框图完好的抽取器方框图本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.3.2 整数倍内插 所谓整数倍内插就是指在两个原始采样点之间插入I1个零值，假设设原始抽样序列为x(n)，那么内插后的序列 xI (m) 为：其其他他 , 020( ,)(I.)I,m)Imx(mxI本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相

57、关版权归原作者所有内插过程)(mxI012345 6 7 8 9n)(nx0123m整数倍内插整数倍内插内插内插滤波滤波012345 6 7 8 9n)(mxI本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 抽取导致频谱分散，内插呢？内插内插 ( I=2 ) 前后的频谱构造图前后的频谱构造图022022022IIII本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 从上图很容易看出，内插后的信号频谱相当于原始信号经过I倍紧缩后得到的谱。并且在未经滤波前，频谱除了含有基带分量外，还含有原始信号的高频成分。因此，为了能恢复原始信号，内插后通常要进展低通滤波。)(j

58、eX)(jIeX)(jLPeH)(jIeX完好的内插器方框图完好的内插器方框图 假设说抽取提高了频域 分辨率，那么内插那么是提高了时域分辨率。本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.3.3 取样的分数倍变换 前面讨论的整数倍抽取和内插实践上是取样率变换的一种特殊情况，即：整数倍变换的情况。然而在实践中往往会遇到非整数倍变换的情况。 假设分数倍变换的变换比为：R = D/I，怎样办？ 先内插，再抽取？ 先抽取，再内插？ 二者皆可？本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有一定要先内插！SfIDSfSfx(n)y(m)S(k)(1jeHjeH2x(

59、n)y(m)I)(jeHD取样率的分数倍变换取样率的分数倍变换jjjeHeHeH21本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有 从频域上不难了解到，假设先进展抽取，要么会引起混叠，使信号失真，要么是放弃一部分信号分量，也会引起信号失真！ 一定要先内插！本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有2.3.4 取样率变换的性质 经过前面的分析，很容易得出内插及抽取的特性，如以下图所示： mDDDDDDDDDDx(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m) m)(n)(n1Z1

60、ZDZDZ1抽取器的抽取器的对等关系对等关系本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有IIII DI=DDIII)(n)(n nIII n1Z1Z1Z1Z1ZI=DIZ1内插器的对等关系内插器的对等关系本幻灯片借用了兄弟院校的讲义及相关专著论文，相关版权归原作者所有ID=IDI=DD1D2D3I1I2I3x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)D3=D1D2I3=I1I2其其他他 0,2D.D,0,n , 1)(np抽取内插级联络统的对等关系抽取内插级联络统的对等关系本幻灯片借用了兄弟