宽带数字接收机技术

宽带数字接收机技术第一页，共三十九页，2022年，8月28日数字接收机的概念理想的数字接收机可以用以下一段话来描述：“前端的ADC对天线的全频段进行高速数字化，所有的处理工作全在后续的高速DSP上进行，采用数字信号处理的各种高分辨率算法，实时地得到所需的全部信息。”这就是数字接收机的发展方向——宽带、高速实时信号处理。数字接收机尽量减少系统结构中的模拟环节，利用数字信号处理技术来处理ADC输出数据。图1‑1数字接收机实现框图第二页，共三十九页，2022年，8月28日引言面临的问题高速ADC采录大量的数据现有的高速DSP的工作速率大约比ADC的采样速率低1～2个数量级。图1‑1数字接收机实现框图第三页，共三十九页，2022年，8月28日降数据率主要方法就是降低高速ADC的输出数据率，使之与高速DSP的处理速度相匹配。降数据率的前提是保证信号信息不丢失。这样，可以将如图1‑1所示的数字接收机结构改为如图2‑1所示的结构：图2‑1数字接收机实现框图

第四页，共三十九页，2022年，8月28日带通采样接收信号相对于整个频段为一个窄带信号，如果按照经典的香农抽样定理来抽取信号，即（其中为带通信号的上限频率），必然造成系统资源的浪费，在极高的情况下也没有能够达到这个速率的ADC，即使ADC的速度达到了要求，后续DSP也无法实时处理如此庞大的数据。如果把信号处理的频段集中在带通信号的带宽之内，而不是在整个监视频段内，就可以大大降低数据率，这样就引入了带通采样理论。第五页，共三十九页，2022年，8月28日带通采样图2‑2经典采样与带通采样的比较第六页，共三十九页，2022年，8月28日带通采样带通采样能大量缩减处理的数据量，而且实现较为简单。前提：数据的中心频率是已知的。未知情况下：通过短时数据测频估计得到带通信号的中心频率，将这个估计频率作为带通采样的引导频率，通过带通采样定理得到二次采样率，从而达到降低数据率的目的。第七页，共三十九页，2022年，8月28日均匀带通采样定理工程上将带通信号作为一种带限信号作如下定义：如果m(t)的频谱则d(t)称为中心频率为，带宽为B的带通信号。（2.1）（2.2）第八页，共三十九页，2022年，8月28日带通均匀采样定理对于式（2.1）所定义的带通信号1．采样率满足如下条件时不会出现信号的频谱混叠： ， （2.3）

fix：向下取整其中，和分别是带通信号的下限和上限频率。N=1对应的是低通采样的情况；或者, （2.4），K=0对应的是低通采样的情况；90-100M第九页，共三十九页，2022年，8月28日重构对于(2.3)或(2.4)确定的采样率，对应的重构公式为(2.5)其中,对于(2.3)对于(2.4)第十页，共三十九页，2022年，8月28日带通采样的优势带通均匀采样定理说明，对于带通信号，并不一定需要采样率大于信号最高频率分量的两倍。对于窄带信号，只要采用比信号中心频率小得多的采样率，就能够实现对信号的无混叠采样。第十一页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样带通均匀采样理论只适用于单信号情况，在空间同时有多个信号到达时，必须寻找新的解决方案。面对同时到达信号，可以采取以下两种措施：ReTurner.D第十二页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样1．在带通采样之前对同时到达的每个带通信号进行带通滤波处理，然后分别进行带通采样和重构，也就是将同时到达的带通信号当成多个单信号来处理。实现方法如图2‑3所示：图2‑3用分别滤波的方法对多信号带通采样第十三页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样2．改造带通均匀采样定理。使其能够同时对多个带通信号进行欠采样并能够准确恢复原信号。这就是下面将要介绍的内容。假设N个实带通信号，它们的边界满足：（2.6）第十四页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样在频率轴上以从左至右的顺序对这2N个边带重新作如下命名：（2.7）任取两个边带(这里假设是第i个和第j个)，与单信号的带通直接采样类似，可以推导出第十五页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样任取两个边带(这里假设是第i个和第j个)，与单信号的带通直接采样类似，可以推导出其中

第十六页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样在频率轴上以从左至右的顺序对这2N个边带重新作如下命名：（2.7）任取两个边带(这里假设是第i个和第j个)，与单信号的带通直接采样类似，可以推导出第十七页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样其中（2.8）第十八页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样这样第1个边带与其余2N-1个边带共有2N-1组如式的不等式约束，第2个边带与第3～(2N-1)个边带共有2N-3组如式的不等式约束(第2个边带无需与第2N个边带产生约束，因为根据实带通信号的对称性，这相当于第1个边带与第2N-1个边带产生的约束)……依此类推，2N个边带共有个如式的不等式约束。将这所有个区间求交集，就是所需的的合理取值范围。第十九页，共三十九页，2022年，8月28日多信号情况下的带通采样

因为缺少降数据率前的带通滤波，降数据率(抽取)后信噪比将恶化。同时由于的取值范围是多个单独信号采样率范围的交集，必然使的范围变小，从而使降数据率的倍数相对于各个单信号降低。第二十页，共三十九页，2022年，8月28日带通采样的优缺点优点目前，带通采样理论已经广泛运用于通信接收等领域。对于中心频率和带宽已知的窄带信号，利用带通采样理论能够在无损信号信息的情况下大大降低信号数据率，有利于对信号的实时处理。第二十一页，共三十九页，2022年，8月28日带通采样的优缺点缺点：需要先验知识有人试图将带通采样理论引入到电子战接收机中来。但是在电子对抗领域，由于ADC采集的敌方信号是非合作信号，事前没有对信号的中心频率和带宽的任何先验知识，也就无法确定一个合理的二次采样率来进行降数据率处理。文献提出了短时数据测频算法来快速得到信号频率参数，但在ADC采样率极高(GHz)的情况下，很难找到能实时准确得到信号频率参数的有效算法。第二十二页，共三十九页，2022年，8月28日带通采样的优缺点缺点：面对同时到达信号

面对同时到达信号，带通采样也缺乏完善的解决方案：以增加设备量为代价显然会增大设计成本；通过多带通信号的采样定理确定的采样率可以回避这个问题，但会使降数据率倍数降低，同时无法克服抽取带来的信噪比恶化这一问题。第二十三页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频数字下变频的主要思想是在中频采样对ADC的输出数据进行数字正交混频，用正交的两个中频本振把信号频谱搬移到基带，然后通过低通滤波器滤除数字混频时产生的本振的二次谐波，再进行抽取以满足后续DSP实时处理的要求。这种方法目前在软件无线电中被广泛使用，其具体实现如图2‑4所示：第二十四页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频图2‑4数字下变频方案框图第二十五页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频信号经A/D变换后可表示为（2.9）经混频器得到（2.10）（2.11）再经过数字低通滤波器后就可以得到基带信号的I、Q分量。第二十六页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频---具体实现图2‑5数字下变频的一种具体实现对于低通滤波的运算，可以采用各种高效滤波器来提高系统的运算实时性，图2‑5所示结构是一种数字下变频的具体实现方案，这种方案目前被广泛应用于各种专用的数字下变频芯片中。第二十七页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频---具体实现数字下变频方案框图中的低通滤波器位于抽取之前，其速度难以满足实时滤波要求，采用如上图中CIC（级联积分梳状滤波器）、HF（半带滤波器）和普通FIR滤波器级联的形式，可以大大降低对每一级滤波器阶数的要求，同时由于CIC和HF滤波器的特殊结构，能有效地降低对于运算量的要求。第二十八页，共三十九页，2022年，8月28日CIC滤波器图2‑6CIC滤波器图2‑6CIC滤波器第二十九页，共三十九页，2022年，8月28日CIC滤波器CIC滤波器无乘法运算，其运算速度相当可观，其幅频响应为（2.12）10倍抽取的CIC滤波器幅频响应图如图2‑7所示。第三十页，共三十九页，2022年，8月28日CIC滤波器图2‑7CIC滤波器的幅频响应第三十一页，共三十九页，2022年，8月28日CIC滤波器图2‑8级联CIC滤波器一级CIC滤波器的第一旁瓣衰减为13.46dB，为降低旁瓣电平，可以采样级联的形式，n级CIC滤波器的第一旁瓣衰减为n*13.46dB。其实现如图2‑8所示：第三十二页，共三十九页，2022年，8月28日半带滤波器半带滤波器的冲激响应h(k)除了h(0)以外，其余偶数点均为0，所以其计算量相对于相同阶数的普通FIR滤波器，要减少一半。其幅频特性如图2‑9所示：图2‑9半带滤波器幅频特性第三十三页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频的优缺点数字下变频结构具有如下优点：1．滤波器易于实现；2．能得到正交的两路信号，可以快速得到信号的幅度、相位、频率等信息，：图2‑10由正交输出得到信号各项信息第三十四页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频的优缺点3．技术成熟，已经在软件无线电中得到广泛应用，并已有专门的数字芯片推出，如intersil公司的HSP50214、HSP50216等。第三十五页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频的优缺点数字下变频的主要局限在于NCO及乘法器直接工作在ADC的高速输出数据率下，在ADC采样率非常高的情况下难以实现实时运算。目前市场上专用的数字下变频芯片，最高工作频率也只有150MHz（ADI公司：AD6636）。在ADC输出数据率达到几百兆字节每秒甚至GHz级别的时候，前端的乘法器和NCO无法实现实时的运算。已有文献提出了一种基于多相滤波技术的高效数字下变频结构，但这种结构无法处理同时到达信号。缺点1速度的限制第三十六页，共三十九页，2022年，8月28日数字下变频的优缺点与带通采样一样，数字下变频需要得到信号的中心频率，这样才能确定NCO产生的本振频率，而在ADC采样率极高的情况下，很难找到能实时准确地得到信号频率参数的有效算法。缺点2需要先验知识第三十七页，共三十九页，2022年，8月28日结论1

带通采样技术与数字下变频技术在面对合作信号时，能有效地降低数据率，有利于后续DSP对信号进行实时处理。