软件无线电原理与应用第3版 课件 【ch02】软件无线电理论基础

软件无线电原理与应用（第三版）软件无线电理论基础第二章高等学校电子信息类精品教材01信号采样基本理论信号采样基本理论01软件无线电的核心思想是对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化，将其变换为适合于数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或计算机等进行处理的数据流，然后通过软件(算法)来完成各种功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。信号采样基本理论01Nyquist采样定理的大概意思是：如果对某一时间连续信号(模拟信号)进行采样，当采样速率(有时也称为采样频率)达到一定数值时，那么，根据这些采样值就能准确地确定原信号。Nyquist采样定理信号采样基本理论01Nyquist采样定理：设一个频率带限信号x(t),其频带限制在(0,f)内，如果以不小于f=2的采样速率对x()进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号x(n)=x(nT)(其中T=1/S称为采样间隔),则原信号x1)将被所得到的采样值x(n)完全地确定。Nyquist采样定理信号采样基本理论01Nyquist采样定理信号采样基本理论01Nyquist采样定理信号采样基本理论01Nyquist采样定理信号采样基本理论01Nyquist采样定理信号采样基本理论01Nyquist采样定理信号采样基本理论01采样定理的意义在于，由于时间上连续的模拟信号可以用时间上离散的采样值来取代，这样就为模拟信号的数字化处理奠定了理论基础。Nyquist采样定理信号采样基本理论01带通信号采样理论Nyquist采样定理只讨论了其频谱分布在(0,f)上的基带信号的采样问题，如果信号的频率分布在某一有限的频带(f,i)上时，那么该如何对这样的带通信号[见图2.4(a)]进行采样是需要进一步考虑的问题。信号采样基本理论01带通信号采样理论信号采样基本理论01带通信号采样理论信号采样基本理论01带通信号采样理论值得指出的是，上述带通采样定理适用的前提条件是：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，否则将会引起信号混叠。信号采样基本理论01带通信号采样理论另外一个非常需要注意的问题是，无论是前面讨论的Nyquist低通采样定理还是带通采样定理中所叙述的“频带宽度为B的信号”,不能只简单地理解为带宽为B的单个信号，而应该理解为“带宽为B的整个频带内的信号”,在该频带内既可能是单个宽带信号，也可能是多个信号，如图2.6所示。信号采样基本理论01带通信号采样理论信号采样基本理论01带通信号采样理论信号采样基本理论01带通信号采样理论信号采样基本理论01带通信号采样理论信号采样基本理论01带通信号采样理论信号采样基本理论01带通信号采样理论下面开始讨论软件无线电中的采样理论及其实现技术，重点讨论采样定理在软件无线电工程应用中的一些特殊性，并介绍作者的独创性研究成果；考虑抗混叠滤波器矩形系数时的带通采样定理以及可以直接对射频信号进行采样的射频直接带通采样定理。02软件无线电中的信号采样软件无线电中的信号采样02允许过渡带混叠时的采样定理软件无线电中的信号采样02允许过渡带混叠时的采样定理这里的B实际上也是ADC采样前的抗混叠滤波器的带宽，而这个滤波器在前面的讨论中都一概假定是理想的矩形滤波器，如图2.11(a)所示。软件无线电中的信号采样02允许过渡带混叠时的采样定理软件无线电中的信号采样02允许过渡带混叠时的采样定理软件无线电中的信号采样02软件无线电中的正交低通采样由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，比如从0.1MHz到3GHz,只有这样宽的频段才能具有广泛的适应性。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的正交低通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的正交低通采样正交低通采样的基本原理是首先通过第一个混频器把某一频段的射频信号变换为合适的宽带中频信号，然后由正交的两个第二混频器把该中频信号变换为两个正交的基带信号I(t)、Q)(零中频信号)。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的正交低通采样正交低通采样的最大好处是可以降低采样速率，而且可以直接获得两个止交信号，有利于后续进行各种信号处理，如解调、参数测量、信号识别等。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的正交低通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的宽带中频带通采样当所需要的处理带宽即中频带宽B很宽时，上面介绍的正交低通采样体制其性能将会受到正交特性、动态范围等的限制。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的宽带中频带通采样图2.14中的射频前端只示意性地画出一次变频，在实际中为了提高模拟前端的性能，一般都采用二次以上的变频体制(见第4章介绍)。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的宽带中频带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的宽带中频带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的宽带中频带通采样为简化射频模拟前端的复杂性，提高软件无线电的可扩展性和对不同信号的适应能力，我们提出了一种射频直接带通采样软件无线电体制，该体制的模拟射频前端只需要一个跟踪滤波器和必要的低噪声放大器(LNA),就能实现对全频段信号的采样数字化，并完成软件解调和接收处理。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样射频直接带通采样软件无线电体制仍然是以带通信号采样理论为基础的。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样由于这种采样针对的是未经变频的射频信号(ADC之前只有滤波和放大环节，没有变频环节),所以把这种采样也称为射频直接带通采样。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样由图2.17可见，这种接收体制与理想化的软件无线电是比较接近的，因为在天线与ADC之间只有跟踪滤波器和放大器，如果ADC灵敏度足够高，或者说ADC中自身带有增益足够高、动态范围足够大的宽带放大器的话，那么图2.17中的放大器也就不需要了，这样在天线与ADC之间只存在跟踪滤波器，这与软件无线电所要求的ADC尽可能靠近天线的设计宗旨就基本一致了。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样在图2.16所示的整带采样方案中，只有当B取为信道带宽(比如对战术电台取B为25kHz;对GSM基站取B为200kHz;对WCDMA基站B取为5MHz等)时，才可能实现“无盲区”的全频段采样。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样“盲区”采样频率确定后，并不意味着就能够实现无“盲区”采样，还必须对滤波器的特性(矩形系数)提出一定要求，否则采样“盲区”仍然会无法消除。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样如前所述，实际的无线电信号，特别是目前比较常规的通信信号，其瞬时信号带宽都不会很宽，一般都在几十千赫兹量级(如战术电台),最宽也不会超过几兆赫兹(如第三代个人移动通信信号)。软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02软件无线电中的射频直接带通采样软件无线电中的信号采样02带通采样对采样频率的精度要求前面详细讨论了软件无线电中的三种采样体制：正交低通采样、宽带中频带通采样和射频直接带通采样。采样的目的是要对采样信号进行分析处理，完成诸如信号参数测量、信号识别、信号解调等任务。软件无线电中的信号采样02带通采样对采样频率的精度要求软件无线电中的信号采样02带通采样对采样频率的精度要求03多率信号处理多率信号处理03采样信号的等效基带谱与抽取的基本概念多率信号处理03采样信号的等效基带谱与抽取的基本概念多率信号处理03采样信号的等效基带谱与抽取的基本概念从图2.23中很直观地会想到，如果用一个数字低通滤波器滤出图中最左边靠近零频的信号，而把其他信号全部滤除掉，这样经过低通滤波后只剩下了一个窄带的低通信号，如果该信号的带宽仅为f/2的1/D,很显然就可以把采样速率降为原来的1/D即f/D。多率信号处理03低通信号的整数倍抽取多率信号处理03低通信号的整数倍抽取多率信号处理03低通信号的整数倍抽取多率信号处理03数字带通信号的抽取1.整带抽取多率信号处理03数字带通信号的抽取2.无盲区整带抽取多率信号处理03数字带通信号的抽取3.带通信号的正交复抽取多率信号处理03数字带通信号的抽取4.带通信号的正交实抽取多率信号处理03整数倍内插多率信号处理03整数倍内插多率信号处理03整数倍内插多率信号处理03整数倍内插多率信号处理03采样速率的分数倍变换前面讨论的抽取和内插实际上是采样速率变换的一种特殊情况即整数倍变换的情况，然而在实际中往往会碰到非整数倍即分数倍变换的情况，本节就讨论采样速率的分数倍变换的问题。多率信号处理03采样速率的分数倍变换多率信号处理03采样速率的分数倍变换多率信号处理03采样速率变换性质多率信号处理03采样速率变换性质多率信号处理03采样速率变换性质多率信号处理03抽取器、内插器的多相滤波实现前面详细介绍了多率信号处理中的两个最基本的重要概念，即抽取和内插，给出了实现抽取器和内插器的结构模型，如图2.28和图2.41所示。多率信号处理03抽取器、内插器的多相滤波实现多率信号处理03抽取器、内插器的多相滤波实现多率信号处理03采样速率变换的多级实现前面在讨论采样速率变换(抽取、内插)时，都是按单级实现来考虑的，即D倍内插或抽取均一次完成，如图2.54所示。多率信号处理03采样速率变换的多级实现多率信号处理03采样速率变换的多级实现多率信号处理03采样速率变换的多级实现本节对软件无线电最基本也是很重要的多率信号处理理论进行了简要介绍，主要包括：低通信号的整数倍抽取，带通信号的整带抽取，带通信号的无盲区抽取，带通信号的正交复抽取和正交实抽取，整数内插，采样速率的分数倍变换，采样速率变换的多级实现以及抽取与内插的多相滤波实现等内容，这些基础理论尤其是多相滤波理论对于开展软件无线电技术研究和应用开发极其重要，读者应该深刻理解和熟练掌握。04软件无线电中的高效数字滤波软件无线电中的高效数字滤波04数字滤波器设计基础软件无线电中的高效数字滤波04数字滤波器设计基础1.FIR滤波器的窗函数设计软件无线电中的高效数字滤波04数字滤波器设计基础软件无线电中的高效数字滤波04数字滤波器设计基础2.最佳滤波器设计软件无线电中的高效数字滤波04数字滤波器设计基础软件无线电中的高效数字滤波04适合于D=2M倍抽取或内插的半带滤波器半带滤波器(Half-BandFilter)在多率信号处理中有着特别重要的位置，因为这种滤波器特别适合于实现D=2M倍(2的幂次方倍)的抽取或内插，而且计算效率高，实时性强。软件无线电中的高效数字滤波04适合于D=2M倍抽取或内插的半带滤波器软件无线电中的高效数字滤波04适合于D=2M倍抽取或内插的半带滤波器软件无线电中的高效数字滤波04适合于D=2M倍抽取或内插的半带滤波器软件无线电中的高效数字滤波04积分梳状滤波器软件无线电中的高效数字滤波04积分梳状滤波器软件无线电中的高效数字滤波04积分梳状滤波器05软件无线电中的正交信号变换软件无线电中的正交信号变换05正交变换的基本概念软件无线电中的正交信号变换05正交变换的基本概念也就是说从解析信号很容易获得信号的三个特征参数：瞬时幅度、瞬时相位和瞬时频率。而这三个特征参数是信号分析、参数测量或识别解调的基础，这就是对实信号进行解析表示的意义所在。所以一个实信号的解析表示(正交分解)在信号处理中有着极其重要的作用，是软件无线电的基础理论之一，掌握这一基础理论对软件无线电算法研究具有重要意义。软件无线电中的正交信号变换05窄带信号的正交分解与模拟域实现软件无线电中的正交信号变换05窄带信号的正交分解与模拟域实现软件无线电中的正交信号变换05数字混频正交变换软件无线电中的正交信号变换05数字混频正交变换软件无线电中的正交信号变换05基于多相滤波的数字正交变换软件无线电中的