無線電數(shù)字信號處理與軟件無線電技術(shù)綜述

桑亞樓，阮鄭興

(中國人民解放軍海軍91678部隊(duì)，福建寧德 352102)

隨著無線電數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，以及新標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議不斷公布，無線電通信在迅猛發(fā)展的同時，帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在數(shù)字技術(shù)得到快速發(fā)展的同時，軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)以及無線電信號處理相關(guān)技術(shù)，也受到廣泛關(guān)注。與此同時，無線電通信技術(shù)從WLAN以及UWB逐漸發(fā)展到WiMAX，以及從2G到3G，再到最近討論的4G通信技術(shù)，這些都體現(xiàn)了無線電技術(shù)的發(fā)展，以及在實(shí)際中的應(yīng)用，更體現(xiàn)出無線電技術(shù)的重要性。隨著與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合的加快，使得無線電信號處理與軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)變得更加重要。

1 多速率數(shù)字信號的處理

寬帶數(shù)字中頻軟件無線電的原理，是對寬帶頻譜范圍進(jìn)行數(shù)字化，但前提條件，是將帶通采樣定理與前置濾波器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。帶通采樣定理的應(yīng)用降低了中頻采樣頻率，同時滿足需要，但如果采樣頻率寄生進(jìn)行處理，就會對增加采樣量化的降噪比，有助于設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。所以要在兩者之間尋找合理的平衡點(diǎn)，就需要把采樣頻率調(diào)高，同時使得瞬間采樣帶寬達(dá)到一定的帶寬值。對于多速率信號的處理，基本理念中抽去以及內(nèi)插理論技術(shù)變得十分重要。

1.1 有關(guān)數(shù)字信號速率的整數(shù)倍抽取

整數(shù)倍抽取的定義，就是把原始采樣序列x(n)每隔D－l個數(shù)據(jù)取一個，從而形成一個全新的序列x，也就是

式中，D為正整數(shù)。若x(n)序列的采樣率取sf，則其無模糊帶寬則為fs/2。根據(jù)計(jì)算公式，可以得出，抽取序列的頻譜 XD(ejω)，是由抽取之前原始序列頻譜χ(ejω)，經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)移并且進(jìn)行D倍展寬，最后由D個頻譜疊加得到。

圖1 D倍抽取結(jié)構(gòu)

經(jīng)上述的分析，可得到如圖1所示，帶寬＜πD的低通濾波器。如果原始信號的頻譜分量＜π(I)，就可以將前置低通濾波器省略。

圖2 濾波原理圖

1.2 數(shù)字信號處理的整數(shù)倍內(nèi)插

對于數(shù)字信號處理的整數(shù)倍內(nèi)插，就是在兩個原始抽樣點(diǎn)之間插入(I－1)個零點(diǎn)，這就是整數(shù)倍內(nèi)插。如果原始抽樣序列是x(n)，那么經(jīng)過整數(shù)倍內(nèi)插后的序列可通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行表達(dá)，但是可以畫出內(nèi)插、經(jīng)過壓縮后的頻譜如圖3所示。

圖3 壓縮后的頻譜

1.3 關(guān)于采樣率的分?jǐn)?shù)倍變換

上述數(shù)字處理技術(shù)，均為抽去和內(nèi)插之間的特殊關(guān)系，實(shí)際是采樣率變換方式中的一種特殊變換:整數(shù)倍變換，實(shí)際還存在著分?jǐn)?shù)倍變換。如果分?jǐn)?shù)倍變換比R=RD/I。那么可以進(jìn)行完I倍內(nèi)插后，再進(jìn)行D倍抽取得到設(shè)計(jì)效果，但須注意內(nèi)插與抽取的順序需要特別規(guī)定，即先進(jìn)性內(nèi)插，再進(jìn)行抽取。就可以保證，中間序列的基帶頻譜寬度大于原始信號頻譜的基帶譜寬度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則會導(dǎo)致信號失真。

1.4 關(guān)于抽樣率轉(zhuǎn)換的多級實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過多級變換實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)抽取系統(tǒng)，可分為兩個途徑，第一種是尋求最優(yōu)化的方法，根據(jù)每秒鐘的乘法次數(shù)作為基準(zhǔn)，找出各級內(nèi)部最佳的抽取以及內(nèi)插因子，完成對各級濾波器的設(shè)計(jì)。第二種是通過抽取或者內(nèi)插器進(jìn)行處理，這種抽取器的抽取因子為2。同時這種抽取以及內(nèi)插因子為2的抽取以及內(nèi)插器，可使用半帶濾波器進(jìn)行有效的濾波，并且，對于這種帶有沖擊響應(yīng)的濾波器，其中有近1/2沖擊響應(yīng)的值為0。對于抽樣率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)而言，它的總抽取因子，并不是在任何情況下，都可以用2的冪次方進(jìn)行表示，但用某個整數(shù)與2的冪次方的乘積進(jìn)行表示確是可行的，因此在能夠多級實(shí)現(xiàn)抽樣率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，就會出現(xiàn)抽取或內(nèi)插因子是一個整數(shù)的抽取或者內(nèi)插器。在這類的抽取以及內(nèi)插器中，一般都是通過積分梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)抗混疊以及去鏡像濾波的。

1.5 正交變換的有關(guān)理論

對于在自然界中可實(shí)現(xiàn)的信號都稱為實(shí)信號，實(shí)信號的頻譜具有共軛對稱性，是指實(shí)信號的征服頻率是堆成的，分量正好相反。依據(jù)此特性，對于任何實(shí)信號，都可對某一部分作相應(yīng)的描述，然而不會丟失任何信息，也不會產(chǎn)生虛假信號。

數(shù)字上下變頻器采用的基本處理方法，就是對信號進(jìn)行分解、信號分析以及調(diào)制解調(diào)。但實(shí)際中較難找到理想的，通過Hilbert變換的階躍濾波器，以至于數(shù)字信號處理經(jīng)常采用正交分解進(jìn)行處理，就是數(shù)字序列(fn)和兩個正交本振序列cos(o)t和sin(o)t經(jīng)過相乘后，憑借著數(shù)字低通濾波來實(shí)現(xiàn)。由于結(jié)果是兩個正交本振序列和的乘積，所以就保證其正交性。此外，從工作原理上，數(shù)字上下變頻概念，就是把輸入的數(shù)字信號以及一個本地震蕩數(shù)字信號，經(jīng)過相乘完成頻譜轉(zhuǎn)移。這種技術(shù)內(nèi)容主要包括:數(shù)字控制振蕩器、數(shù)字混頻器以及低通濾波器。通信系統(tǒng)中無線電信號處理與軟件無線電技術(shù)密不可分，只有掌握才能更好地在科技生產(chǎn)中適應(yīng)潮流發(fā)展。然而對于軟件無線電技術(shù)，應(yīng)盡量將其放在一個開放軟件平臺上，實(shí)現(xiàn)其功能。在盡可能靠天線近的地方，使用寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換，能夠盡早完成信號數(shù)字化，這是軟件無線電的基本處理思想。無線電系統(tǒng)包括射頻、中頻、和基帶3個部分。軟件無線電是理想狀態(tài)或是永遠(yuǎn)不存在的假設(shè)，但是可通過軟件無限關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其部分功能，這是軟件無線電關(guān)鍵技術(shù)意義所在。

2 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 寬帶智能天線技術(shù)

作為軟件無線電硬件出入口，對于理想的無線電系統(tǒng)，天線應(yīng)該覆蓋要求的所有無線通信波段。目前技術(shù)無法達(dá)到相應(yīng)要求，但人們可采用組合式多頻段天線，來盡量彌補(bǔ)缺陷，因此使用寬帶智能天線被看作能夠?qū)崿F(xiàn)多頻段天線系統(tǒng)的最佳方案。隨著科技發(fā)展，很快RF微型機(jī)電系統(tǒng)，是一種高度小型化的器件，這種器件的研究成功，可使寬帶實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)方案成為可能。通過軟件無線電以及智能天線相互滲透、相互促進(jìn)的作用，可在將來無線通信中得到廣泛應(yīng)用，也會使得這種技術(shù)得到推廣，將在其他無線電技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到科技創(chuàng)新的最終目的。

2.2 高速數(shù)字信號處理部分

此部分包括基帶處理、調(diào)制解調(diào)以及數(shù)字上下變頻等方面。其中分為解擴(kuò)和解跳在內(nèi)兩部分，這部分功能在于可實(shí)現(xiàn)對單片可編程器件要求更高，使得各器件能夠更好地結(jié)合在一起，以至于完成更多功能。若在單片可編程器件無法滿足處理能力時，可用多個芯片并行處理的方式，提高運(yùn)算能力來解決此問題，需要注意的是，數(shù)字下變頻中難點(diǎn)是數(shù)字下變頻和濾波以及二次采樣，還有分離所需要的信號等問題。

2.3 高速A/D和D/A轉(zhuǎn)換

軟件無線電結(jié)構(gòu)具有的基本特征，是對模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的要求很高，其中重要的是采樣速率以及采樣精度。所以對于A/D和D/A轉(zhuǎn)換器而言，安裝位置至關(guān)重要，近射頻端。此特性也直接反映軟件的軟化程度。如果AD/變換器的動態(tài)范圍在100～120 dB之間，同時最大輸入信號頻率在1～5 GHz之間，就會符合理想的軟件無線電標(biāo)準(zhǔn)。然而采樣速率是由信號帶寬決定的，所以采樣速率一般要求在信號帶寬的2.5倍以上。此外通過采取多個A/D并聯(lián)使用的方法，達(dá)到進(jìn)一步提高器件性能的目的。

2.4 高速DSP以及FPGA技術(shù)

DSP又稱為數(shù)字信號處理器，是發(fā)展軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)，無線電臺的實(shí)現(xiàn)，需要快速數(shù)據(jù)處理，以及強(qiáng)大的精度支持，在當(dāng)前無線電技術(shù)，運(yùn)用的主要方案，有數(shù)字信號處理技術(shù)DSP以及專用集成芯片，還有現(xiàn)場可編程的門陣列FPGA，或者幾種技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。對于軟件無線電而言，其核心部分是高速DSP芯片。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對于數(shù)字信號處理器件速度以及性能均有提高。對于DSP而言，通過一種精簡指令的技術(shù)結(jié)構(gòu)，對數(shù)字信號進(jìn)行處理，此結(jié)構(gòu)具有尺寸小、功耗低以及性能高的優(yōu)點(diǎn)。因此，很多DSP廠商都進(jìn)行改進(jìn)處理，制成DSP系統(tǒng)集成電路，這種電路將DSP芯核、MPU芯核以及專用的處理單元，結(jié)合外圍電路單元以及存儲單元，統(tǒng)一進(jìn)行集成。FPGA就是現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列，作為一種可重編程器件，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能已超過現(xiàn)今的DSP處理器，不僅可實(shí)現(xiàn)軟件的可編程性，還可加速硬件，同時進(jìn)行重構(gòu)。因此，F(xiàn)PGA可以成為真正的“軟”硬件，同時融合硬件與軟件的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在定制硬件以及靈活軟件之間的折衷。近年來，對于FPGA的發(fā)展，可以看到，無論是在規(guī)模，還是處理速度上，以及功率消耗上，都有明顯進(jìn)步，這為軟件無線電發(fā)展奠定有力的基礎(chǔ)。DSP與FPGA的完美結(jié)合，被認(rèn)為是最理想的軟件無線電與硬件相結(jié)合的成功范例。FPGA可以用于對接口協(xié)處理，從而更好地與DSP以及通用處理器，進(jìn)行有效連接，不僅降低系統(tǒng)成本同時提高系統(tǒng)性能。并且可以自由選擇基帶處理算法的位置，因而提高了SDR的算法靈活性。

但當(dāng)前由于受到硬件器件的限制，要實(shí)現(xiàn)軟件無線電技術(shù)的數(shù)字化，主要是針對中頻段進(jìn)行處理，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，軟件無線電定會實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

對于通信系統(tǒng)中無線電數(shù)字處理技術(shù)以及無線電關(guān)鍵技術(shù)，主要目的是可以在實(shí)際中起到作用，滿足需求，因此隨著信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，必將會導(dǎo)致新技術(shù)的變革與創(chuàng)新，所有技術(shù)瓶頸不再是問題，這些數(shù)字處理技術(shù)以及關(guān)鍵技術(shù)，也將成為無線電技術(shù)中具有基礎(chǔ)性技術(shù)。

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