中频数字接收机技术

1、讲座4:中频数字收发技术，电子科技大学：王红，4.1无线电数字信号的正交变换理论。我们知道在现实中产生的物理上可实现的信号是真实信号，但是本章建议将真实信号正交分解成复杂信号。为什么我们需要正交分解它们？我们不能直接使用真实信号吗？存在实信号x(t)，正交分解后的复信号是z(t)。信号的极坐标表示如下：从这个表达式可以很容易地得到信号的瞬时包络、瞬时相位和瞬时频率，这三个参数正是信号分析、参数测量和调制识别的基础。这就是分析真实信号的意义。通过上面的介绍，我们知道为什么信号应该用正交分析来表示。然而，如何正交地表示信号呢？众所周知，真实信号的频谱具有共轭对称性。因此，一个真实的信号可以通过取其

2、正频域部分或负频域部分来完整地描述，而不会丢失任何信息！而且，新的信号是一个复杂的信号！我们能从这方面开始吗？假设有一个信号x(t)，取正频域的频谱分量，可以用复函数z(t)来表示。然后：(f 0的分量加倍，使z(t)等于原始信号能量)。然后引入一个阶跃滤波器：这样，我们可以得到：很容易找到我们称之为x(t) * h(t) x(t)的希尔伯特变换。我们可以发现实数的希尔伯特变换是一个复数，并且与原始信号正交。因此，要进行实信号的正交分解，只需要窄带信号的4.1.1正交分解和模拟域的实现。一个实窄带信号可以表示为：它的希尔伯特变换是：因此，因为w0(t)是一个载频分量，并不包含有用的信息，简化的

3、表达式是：为了获得ZB，我们可以这样做：实信号的正交基带变换，4如图所示：有时称为正交采样处理；4.1.3基于多相滤波的数字正交变换，以采样率fs对输入信号进行采样，得到的采样序列为：可以从上面的公式得到：let: then:也就是说，sum是同相分量xBI(n)和正交分量xBQ(n)的双抽取序列。然而，仅仅做到这一步是不够的！让我们分析一下XBI(n)和XBQ(n)的光谱。从上面的公式可以看出，在两个光谱之间有一个延迟因子，它相当于时域中半个采样点的差值。我们可以通过使用时间延迟滤波器(，)来解决这种“失调”。延迟滤波器的设计，延迟滤波器的特性：可以选择：正交变换的多相滤波实现，4.2宽带数

4、字接收机技术，宽带数字接收机的高效结构，后混频结构，最少公共的多重结构，二次变频结构，2倍抽取结构，基于CORDIC算法的改进的CIC滤波器NCO数据生成，1，下变频器的高效结构，设计标准：降低混频器操作速度和滤波器操作速度，降低DDC硬件资源消耗，让，(1)混频器后结构，多相滤波器， (2)最小公倍数结构，其中数据以周期d分配给每个分支。如果NCO周期为m，分配给每个滤波器分支的NCO数据也具有周期性。，1 2 3 4 5；6 7 8 9 10；11 12 13 14 15 16，NCO，例如， M=3和D=5，在特殊情况下，M=D，满足条件：射频信号；(3)二次变频结构，二次变频结构仿真，

5、输入信号形式：LFM信号中频：2005050兆赫带宽：采样率在200 400兆赫和400兆赫之间，取M=D=4，采样率为270兆赫。第一本地振荡器数据：实部：虚部：1，0，-1，0 0，1，0，-1，第二本地振荡器数据3360，周期为108，第一本地振荡器数据，(4)2倍抽取结构，带通采样定理：最佳采样率：NCO数据：I通道：Q通道：仿真：输入为中频为300兆赫兹、带宽为100兆赫兹的LFM信号。根据最佳采样定理，采样率为240兆赫，输出为120兆赫。(5)几种结构的比较；(2)基于CORDIC算法的NCO数据生成；(3)坐标旋转数字计算机仅使用移位和加法运算来计算正弦、余弦、极坐标和直角坐标

6、变换和逆变换、反正切、矢量模数、反正弦、逆余弦、平方根等。4.3信道化接收机的数学模型。前面介绍的两种结构模型只能解调和接收单个信号或有限数量的信号。有必要先知道哪个频道有信号。这种结构的潜在问题是需要一种用于搜索或监控接收机的特殊设备来搜索和监控整个频带。如果搜索速度不够快，信号将会丢失。因此，本节中讨论的基于多相滤波器组的信道化接收机可以实现完全的信号截获概率。4.3.1数字滤波器组和信道化的基本概念。数字滤波器组是指一组具有公共输入端和多个输出端的滤波器，如下图所示。显然，除了h0 (n)可以是低通滤波器，其他数字滤波器是带通滤波器或单边带滤波器。复信道化滤波器组的概念，如果这k个滤波器

7、将宽带信号S(n)分成k个子带信号进行输出，那么这些滤波器被称为信道化滤波器。可以获得滤波器组的每个滤波器。首先，设计一个低通滤波器，如右图所示：复杂信道化滤波器组设计。显然，上述滤波器组可以表示如下，这是传统并行处理算法的实现框图，其中：实信道化滤波器组的概念，如果在正频率范围内使用K个滤波器将宽带实信号S(n)分成K个子带信号输出，则构成实信道化滤波器。可以获得滤波器组的每个滤波器。首先，设计一个低通滤波器，如图所示。设计了实际的信道化滤波器组。在实际应用中，上述滤波器组可以用更简单的方式表示，形成传统并行处理算法的框图。该滤波器组将整个采样频带()分成几个并行的通道进行输出，因此无论何时

8、何地(通道)信号都可以被截获和解调，具有全概率截获能力，是截获跳频、“突发”和自适应通信信号的理想接收机。这种结构的缺点是，当有许多通道时，D值将非常大，低通滤波器的阶数可能非常大，并且实现效率非常低。下面描述了一种有效的实现方法。4.3.2基于DFT滤波器组(复数信道化处理)的信道化接收机的数学模型、上述数字滤波器组和后续抽取可以借助多相分解算法减少计算量。在提取之后，基于DFT滤波器组的并行处理，hlp (l)多相分解表示：l=l*D k，k=0，1，D-1被替换为：其可以被定义为：基于DFT滤波器组的并行处理，被替换为上述两个定义：其中：基于DFT滤波器组的并行处理，Elpk (z. X

9、k (m)是x (n)的多径延迟提取的结果，因此处理结构如下：(1)基于DFT滤波器组的并行处理，最后是yi(m)(2)在实信道化并行接收机的数学模型中也引入了多相滤波结构，具体推导如下：(1)4 . 3 . 3基于离散余弦变换滤波器组的信道化接收机的数学模型(实信道化处理)，实信道化离散余弦变换滤波器组处理，hlp(1)多相分解方法：l=l*2D k，k=0，1，2D-1替代：按照2D抽取比抽取后，实信道化离散余弦变换滤波器组处理，定义如下：实信道化离散余弦变换滤波器组处理，其中：实信道化离散余弦变换滤波器组处理，Elpk (z)是hlp (l)多相表示，xk (m)是多径延迟提取的结果x

10、(n)，所以处理结构如下：实信道化离散余弦变换滤波器组处理，最后yi(m)由yi、k (m)计算，这是通过离散余弦变换实现的。实信道化的离散傅立叶变换滤波器组接收机模型，实信道化的离散傅立叶变换滤波器组接收机数学模型：其他处理方法：2)首先将实信道正交处理成复信号，然后采用复信道处理方法。此时，通道带宽是原始真实信号的一半，因此2D抽取。4.4具有特殊结构的信道化接收机，信道化接收机结构多相DFT结构WOLA结构树结构信道化IFM数字接收机，1。信道化接收机结构，Ruo，(1)多相DFT结构，多相DFT结构的扩展形式：实例1:临界抽取，奇数类型划分，实例2:非临界抽取，偶数类型划分，多相DFT

11、结构，(2) WOLA结构，短时傅立叶变换，低通滤波器组结构，顺序，是，WOLA结构的计算步骤：WOLA结构模拟，(3)树形结构，滤波器特性，半带滤波器，多相滤波器，树形结构模拟，例如：瞬时频率，信道判决，模拟，图6-22输入信号和频谱， 图6-23输出信号和频谱，图6-25通道3的瞬时幅度和频率，图6-24通道2的瞬时幅度和频率，4.5宽带数字接收机的系统实现，输入信号类型：LFM信号带宽：30/50/100兆赫兹载波频率：200/300兆赫兹模数转换器分辨率：12位动态范围：50dB I/Q幅度不一致：0.1dB I/Q相位不一致：0.2，系统指标要求：模数转换器技术参数：12400 最大

12、分辨率：12位信噪比：62dB无杂散动态范围：69.5dBc模拟输入带宽：500MHz输入电压范围：3.3 Vp-p；器件选择：FPGA芯片：xc2v2000模数转换器芯片：ad12400、1和30兆赫兹带宽的数字接收机方案、2和50兆赫兹带宽的数字接收机方案、3和100兆赫兹带宽的数字接收机方案、数字接收机实现、数字接收机测试、幅度和相位不一致测试、相位不一致测试、幅度不一致测试、动态范围测试和灵敏度测试。动态范围：58dB灵敏度：-45dB相位不一致：0.05幅度不一致： 0.03db，30mhz带宽数字接收机和50/100MHz带宽数字接收机的测试结果，动态范围：55dB灵敏度：-40d

13、B相位不一致：0.06幅度不一致：0.025dB，接收机物理图，1。动态范围、灵敏度和增益之间的权衡。动态范围是接收机设计的主要挑战。动态范围可以测量接收系统能够适应的最高和最低电平信号。1 dB增益压缩点的动态范围、无虚假信号的动态范围和三阶互调动态范围等。接收器带宽越宽，噪声干扰的可能性就越大。如何获得足够的动态范围是射频设计的核心问题之一。接收机灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力，一般情况下可以检测到。接收机灵敏度越高，接收的信号越弱，雷达的作用距离越远，检测到的目标越小。噪声是限制接收器灵敏度的主要因素。4.5数字接收机的动态范围，提高灵敏度的措施：降低接收机的噪声系数，使用低噪声器件

14、使量化噪声最小化，并具有高有效数字的模数转换器。提高采样率的最小滤波器带宽的其他方法有：长干扰积累、频率分集、最小化传输噪声等。灵敏度、动态范围和增益之间的折衷，高灵敏度需要更大的增益，增益越高，三阶截距点越低，导致可检测的最大信号功率降低。因此，高灵敏度意味着小的动态范围。有效的解决方案之一是可变增益，2。设计示例，3。自动增益控制模型和环路分析，输出信号能量的表达式，输出信号的绝对值，输出信号的平方，迭代模型，滤波器的迭代运算，控制电平的迭代解，环路方程，收敛条件，迭代次数，4。大型动态数字接收机的设计与仿真，方案1:固定衰减器，方案2: VGA，带宽：600兆赫兹增益调整范围：45dB步

15、长：3dB数字接口，如：AD8369:TRANSTECH引入了Quixilica系列IP核，其通道数为511，抽取系数为164，滤波系数可变，运行在Xilinx公司的现场可编程门阵列芯片上。RFEL34公司推出FC系列，其中FC104可同时接收四路250兆赫兹的采样数据，数据速率为1GSPS，抽取倍数为216k，输入数据位宽为16位，输出数据位宽为16 24位。RFEL公司最先进的产品是信道化接收机的IP核。公司实施了多种信道化接收机结构，其中PFT和TPFT结构已申请专利，信道数量可达1024个。随着4.6 DDC器件的开发和应用，Pentek的产品覆盖了窄带和宽带的宽频率范围。公司已经推出了几十个型号系列的硬件平台，DDC产品是一系列的IP核。6826型有两个2Gsps/10位模数转换器和一个1 GB的DDR SDRAM，输出为四个FPDP接口，每个通道的输出数据速率可达400MSPS。型号6822采用了两