軟件無(wú)線電中上下變頻技術(shù)應(yīng)用研究

李軍孝+申壯良

【摘 要】隨著軟件無(wú)線電理論和應(yīng)用的日漸成熟，軟件無(wú)線電在全世界的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，在移動(dòng)通信領(lǐng)域，軟件無(wú)線電已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，軟件無(wú)線電已成為未來(lái)通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。軟件無(wú)線電通信系統(tǒng)組成部分之一是數(shù)字信號(hào)處理部分，因得到的數(shù)字信號(hào)速率比較高，運(yùn)算量難以滿足實(shí)際要求，因此對(duì)軟件無(wú)線電中上下變頻技術(shù)進(jìn)行探討具有重要價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】軟件無(wú)線電；上下變頻技術(shù)；應(yīng)用研究

引言：

軟件無(wú)線電在民用無(wú)線通信領(lǐng)域方面有很強(qiáng)的需求。早在20世紀(jì)80年代我國(guó)引入模擬制TACS系統(tǒng)（1G），90年代初引進(jìn)數(shù)字制的GSM和CDMA系統(tǒng)（2G），到現(xiàn)在使用的3G，在不久的將來(lái)又將步入4G時(shí)代。隨著通信服務(wù)質(zhì)量的日趨提高，通信系統(tǒng)的升級(jí)換代的速度是相當(dāng)驚人的。如果現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件建立在軟件無(wú)線電原理的基礎(chǔ)上，那么隨著服務(wù)質(zhì)量和性能要求的不斷提高現(xiàn)在乃至將來(lái)系統(tǒng)在更新?lián)Q代的成本將會(huì)大幅度降低。

一、軟件無(wú)線電概述

目前軟件無(wú)線電通信系統(tǒng)主要包括模擬信號(hào)處理子系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理子系統(tǒng)兩部分。數(shù)字處理部分進(jìn)一步分為高速中頻處理部分和基帶處理部分。從原理上來(lái)講，軟件無(wú)線電可以利用A/D轉(zhuǎn)換器將接收到的RF信號(hào)或者已經(jīng)下變頻至中頻（IF）頻段的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，由于RF信號(hào)頻率很高，以奈奎斯特（Nyquist）頻率進(jìn)行采樣是很困難的，所以目前的技術(shù)水平實(shí)現(xiàn)理想的軟件無(wú)線電有很大的難度。而帶通采樣定理能極大地降低所要求的采樣率，因此被應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中。而軟件無(wú)線電系統(tǒng)中的數(shù)字上變頻和數(shù)字下變頻所要求的運(yùn)算量很大，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中最困難的部分。因而研究數(shù)字上下變頻的關(guān)鍵技術(shù)具有十分重要的意義。

二、上下變頻技術(shù)的理論技術(shù)分析

軟件無(wú)線電技術(shù)主要以DAC為載體，將數(shù)字部分、模擬部分連接為一體，但是DAC器件的質(zhì)量、性能等，都會(huì)對(duì)軟件無(wú)線電的性能帶來(lái)很大影響。此外，因?yàn)檐浖o(wú)線電工作頻帶比較寬，頻率比較頻繁的情況下，能夠進(jìn)行多頻段采樣工作。采樣工作完成后，其獲得的離散序列要能夠準(zhǔn)確回復(fù)最初的原始模擬信號(hào)。因此采樣過(guò)程中需要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)律，即采樣定理。采樣定理一般包括以下2類：

（一）低通采樣

其內(nèi)容是一個(gè)連續(xù)信號(hào)m（t）在（0，fs）頻帶限制范圍內(nèi)，若實(shí)施等間隔采樣時(shí)，以不小于fs=2f（H）的采樣頻率進(jìn)行，則x（t）就能夠被已經(jīng)獲得的采樣值完全確定。相反，若采樣率fs低于2f（H）恢復(fù)信號(hào)，便容易出現(xiàn)失真現(xiàn)象。軟件無(wú)線電關(guān)于低通采樣方法的應(yīng)用有嚴(yán)格要求，因此，低通采樣一般僅用在系統(tǒng)最高頻率比較低的情況下，如果采用相關(guān)技術(shù)將高頻轉(zhuǎn)化為低頻，就需要在天線和器件之間增設(shè)硬件設(shè)施，就完全違背了軟件無(wú)線設(shè)計(jì)的思想。

（二）帶通采樣

軟件無(wú)線電要符合低通采樣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率就應(yīng)該高于被采樣信號(hào)最高頻率的2倍，目前已有的器件基本上無(wú)法滿足此要求，由于當(dāng)前應(yīng)用的通信信號(hào)大部分是帶寬在幾兆赫茲的帶通信號(hào)，因此，帶通信號(hào)在其相關(guān)原理的指導(dǎo)下，采樣速率也不一定非要是最高頻率的2倍，即使采樣速率比較低，也能夠準(zhǔn)確反映帶通信號(hào)的具體情況。

三、軟件無(wú)線電中上下變頻技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）上變頻設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上變頻設(shè)計(jì)中，選擇ADI公司生產(chǎn)的器件AD9826，AD9826是高性能混合信號(hào)前端處理器，在無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)當(dāng)中得到了十分廣泛的應(yīng)用，其發(fā)送通道具有良好的性能指標(biāo)，并且包含可編程增益放大器、內(nèi)插濾波器、數(shù)字濾波器以及數(shù)字混頻器。

一般來(lái)說(shuō)，ROM越大（從而可表示的相位數(shù)越多，幅度值越精確），數(shù)控振蕩器的頻譜也就越純。一個(gè)最基本的壓縮技術(shù)就是利用正弦函數(shù)的對(duì)稱性，只存儲(chǔ)P/2的幅值信息，然后根據(jù)控制電路按要求尋址和決定極性。在這以后，還有許多方法來(lái)壓縮這1/4周期的波形信號(hào)。不同的方法其壓縮率、硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)和性能都是不盡相同的。在此，本文介紹最簡(jiǎn)單的利用對(duì)稱性的壓縮方法。利用正弦函數(shù)的對(duì)稱性，可以只需要存儲(chǔ)1/4周期的正弦信號(hào)幅值。查找表容量的減少需要增加額外的邏輯電路來(lái)輸出整個(gè)周期的波形。k比特的相位信息只用k-2比特來(lái)進(jìn)行ROM尋址，最高的2比特提取出來(lái)作為控制信息。第k-1位數(shù)據(jù)決定所在的相位是一、三象限還是二、四象限，0為一、三象限，1為二、四象限，當(dāng)相位在二、四象限時(shí)對(duì)ROM尋址的地址需要進(jìn)行變換。第k位（MSB）決定輸出的正弦幅值的極性，0為正，1為負(fù)。

（二）下變頻設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)的主要目的是把中頻信號(hào)逐漸轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)，并使數(shù)據(jù)傳輸速率符合USB2.0的要求，從而把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作，使軟件無(wú)線電的功能得到強(qiáng)化。其中NCO能夠獲得數(shù)字本振信號(hào)，CIC是低通濾波器組的第一級(jí)，主要由聯(lián)積分梳狀濾波器組成；HB是低通濾波器組第二級(jí)，主要由半帶濾波器組成；FIR是沖激響應(yīng)濾波器，和脈沖響應(yīng)濾波器是互相匹配的。

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使信號(hào)處理指標(biāo)要求也逐漸提高，而信號(hào)處理工作量也逐漸增大，用不同采樣率進(jìn)行處理或者轉(zhuǎn)化，可以有效節(jié)省存儲(chǔ)空間，因此，進(jìn)行多速率信號(hào)處理對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要作用，多速率濾波器主要包括CIC、HB以及FIR等，其主要特征是抽取、插值以及低通濾波，由于CIC、HB的組織結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，性能好，且可操作性強(qiáng)，因此得到了比較廣泛的應(yīng)用。由于無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸率逐漸在增加，而CIC濾波器則得到了十分廣泛的應(yīng)用，因?yàn)榇藶V波器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，適合用在采樣率比較高的環(huán)境下。

四、結(jié)語(yǔ)

無(wú)線通信在現(xiàn)代通信中占據(jù)著極其重要的位置，無(wú)線通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快的技術(shù)之一，各種全新的通信概念層出不窮，各種新體制及其關(guān)鍵技術(shù)層出不窮。被廣泛應(yīng)用于商業(yè)、氣象、軍事、民用等領(lǐng)域。而軟件無(wú)線電技術(shù)的主體思想是在一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用平臺(tái)上，通過(guò)加載不同的軟件來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，以滿足各種通信系統(tǒng)之問(wèn)互聯(lián)互通的要求。

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