第四章-软件无线电的硬件实现课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 软件无线电的硬件实现,第四章 软件无线电的硬件实现,1,软件无线电硬件平台的基本结构,模拟前端,宽带,A/D,和,D/A,数字上下变频器,高速数字信号处理器,模拟前端,宽带,A/D,数字下变频器,DSP,处理器,数字上变频器,宽带,D /A,软件无线电硬件平台的基本结构模拟前端模拟前端宽带A/D数字下,2,4.1,软件无线电前端电路,主要任务：,（1）把接收到的信号变换至适合,A/D,转换器处理的信号频率和电平范围内。,（2）把宽带,D/A,转换器的输出信号转换至能被其他电台接收的频率和电平范围,。,根据软件无线电的结构不同，前端电路的结构不同。,4.1 软件无线电前端电路主要任务：,3,传统模拟接收机的前端电路,特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频率和带宽通常固定；接收通道中使用较多的窄带滤波器，使得信号幅相畸变较大。,带通滤波,低噪声放大,窄带滤波,中放,（窄带）,窄带滤波,中放,（窄带）,一本振,（小步进）,AGC,二本振,传统模拟接收机的前端电路特点：模拟器件使用较多；滤波器中心频,4,中频数字化接收机前端,较前一种结构有较大改善，带通滤波器和放大器都是宽带的，而且一本振的频率是大步进的，实现较方便。,带通滤波,低噪声放大,宽带滤波,一中放(宽带),宽带滤波,二中放(宽带),一本振,（大步进）,AGC,二本振,中频数字化接收机前端较前一种结构有较大改善，带通滤波器和放大,5,射频数字化结构,本结构简洁明了，随着,A/D,器件的发展，这种结构性能将不断提高。射频前端的接收部分主要由滤波器、放大器、混频器、振荡器、,AGC,控制等组成。,收/发,电调滤波,放大,A/D,DSP,放大,A/D,射频数字化结构本结构简洁明了，随着A/D器件的发展，这种结构,6,射频前端的典型器件介绍,滤波器,放大器,镜像抑制,中频信号的线性化,AGC,设计,射频前端的典型器件介绍滤波器,7,4.1.1,软件无线电中的电调滤波器,电调滤波器的主要技术指标：,频段,: 1.5 - 4MHz,；,4 - 10MHz,；,10 - 30MHz,；,30 - 90MHz,；,90 - 200MHz,；,200 - 700MHz,；,400 - 700MHz,；,700 - 1000MHz;,输入输出阻抗：,50,滤波器通带带觉：中心频率的,2,一,5,；,4.1.1 软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的主要技术指,8,软件无线电中的电调滤波器,电调滤波器的主要技术指标：,插入损耗：,6dB,；,调谐码：,8 bits,：,调谐速度：,10 us ( 30MHz,以上）,30dB,带宽,软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的主要技术指标：30dB带,9,软件无线电中的电调滤波器,电调滤波器的应用：,调谐码：,电调滤波器连接：,电调滤波器,电调滤波器,电调滤波器,电,子,开,关,控制,软件无线电中的电调滤波器电调滤波器的应用：电调滤波器连接：电,10,4.1.2,软件无线电中的放大器,电放大器的工作模式：,由于软件无线电的接收通道是宽带的，有时甚至是宽开的，通带内的信号可能有很多，因此，在软什无线电中不能用非线性放大器、而只能用线性放大器。否则就会引起许多非线性产物。,宽带放大器中常用前馈,(Feedforward),和反馈,(Feedback),两种技术。前者主要用于提高放大器的杂波等指标，而反馈用于提高放大器的稳定性和带宽指标。,4.1.2 软件无线电中的放大器电放大器的工作模式：,11,软件无线电中的放大器,电放大器的主要技术指标：,工作频率范围：,指放大器满足各级指标的工作频率范围。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。,功率增益：,指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用“,dB”,。,增益平坦度：,指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。增益平坦度由下式表示,:,G=,（,Gmax-Gmin,）,/2 dB,软件无线电中的放大器电放大器的主要技术指标：,12,软件无线电中的放大器,放大器增益窗：,宽带放大器的增益定义采用增益窗的定义方法（不含窄带功率放大器），是根据放大器允许的最大增益,Gmax,，放大器允许的最小增益,Gmin,，放大器的增益波动,G,等三个增益指标对放大器的增益允许的波动和变化范围作明确定义。,软件无线电中的放大器放大器增益窗：宽带放大器的增益定义采用增,13,软件无线电中的放大器,噪声系数：,噪声系数是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值，单位常用“,dB”,。噪声系数由下式表示：,NF = 10 lg,输入端信噪比,/,输出端信噪比,在放大器的噪声系数比较低（例如,NF1,）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（,T,）来表示。噪声系数与噪声温度的关系为：,T=,（,NF-1,）,T0,或,NF=T/T0+1,软件无线电中的放大器噪声系数：噪声系数是指输入端信噪比与放大,14,软件无线电中的放大器,输入,/,输出驻波比：,微波放大器通常设计或用于,50,阻抗的微波系统中，输入,/,输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗,(50),的匹配程度。,VSWR = (1 + | ) / (1-|,| ),；,其中反射系数,= ( Z-Z0 )/( Z+Z0 ),；,Z,为放大器输入或输出端的实际阻抗；,ZO,为需要的系统阻抗。,软件无线电中的放大器输入/输出驻波比：微波放大器通常设计或用,15,软件无线电中的放大器,1,分贝压缩点输出功率（,P1dB,）：,放大器有一个线性动态范围，在这个范围内放大器的输出功率随输入功率线性增加，这两个功率之比就是功率增益,G,。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低,1dB,时的输出功率值定义为输出功率的,1dB,压缩点，用,P1dB,表示。,软件无线电中的放大器1分贝压缩点输出功率（P1dB）：放大器,16,软件无线电中的放大器,软件无线电中的放大器,17,软件无线电中的放大器,典型情况下，当功率超过,P1dB,时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比,P1dB,大,3-4dB,。,软件无线电中的放大器 典型情况下，当功率超过P1dB时，增,18,软件无线电中的放大器,三阶截点（IP3）：,测量放大器的非线性特性,的一个颇为流行的方法，是利用两个相距,5到10MHz的f1,、,f2信号,加到一个放大器上，此时放大器的输出不仅包含了这两个信号，而且也包含了频率为,mf1 + nf2 的互调分量（IM）,。这里称,m+n为互调分量的阶数。在中等饱和电平时，通常起支配作用的是最接近基音频率的三阶分量,。三阶截点（,IP3,）来表征互调畸变很严重是的输入电平。三阶截点功率的典型值比,P1dB,高,10-12dB,。,软件无线电中的放大器三阶截点（IP3）：测量放大器的非线性特,19,软件无线电中的放大器,三阶截点（IP3）：,IP3可以通过测量IM3得到，计算公式为：IP3 = PSCL + IM3/2；,其中PSCL 单载波功率；如三阶互调点已知，则基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式估计：,基波与三阶互调抑制比 = 2 IP3-(PIN+G),三阶互调杂散电平 =3（PIN+G）-2IP3,软件无线电中的放大器三阶截点（IP3）：IP3可以通过测量I,20,4.1.3,前馈放大器,前馈放大器原理可用下图来描述。该放大器由环路,1,和环路,2,组成。对于双频信号通过非线性放大器时所产生的失真，可以通过前馈对消。,4.1.3 前馈放大器前馈放大器原理可用下图来描述。该放大,21,4.2 软件无线电中的,A/D/A,技术,软件无线电的基本思想就是让模拟电路尽量简单，将,A/D,和,D/A,尽量靠近射频前端。,要求,A/D,器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽。,本部分主要讨论如何,A/D、D/A,转换器实现软件无线电中的模/数和数/模变换。,4.2 软件无线电中的A/D/A技术软件无线电的基本思想就是,22,4.2.1,A/D,转换器原理,A/D,转换器,功能: 将模拟电压成正比地转换成数字量,A/D,U,I,输入模拟电压,D,7,D,0,输出数字量,0,5V,00000000,11111111,分辨率,:5V/255=0.0196V/,每,1,个最低有效位,4.2.1 A/D转换器原理A/D转换器功能: 将模拟电压成,23,A/D,转换器原理,ADC,工作过程与结构,A/D,电路,模拟输入,三态门,数字输出,寄存器,精密稳压电源,电源,主机读取命令,时序控制电路,A/D,转换命令,（来自主机）,转换完成信号,由主机检测,或申请中断,A/D,转换器,A/D转换器原理ADC工作过程与结构A/D电路模拟输入三态门,24,4.2.2,A/D,转化器的性能指标,转换灵敏度,信噪比（,SNR）,有效转换位数（,ENOB）,孔径误差,无杂散动态（,SFDR）,非线性误差,互调失真（,Intermodulation Distortion）,总谐波失真（,Total Harmonic Distortion）,4.2.2 A/D转化器的性能指标转换灵敏度,25,4.2.3,A/D,转换器的选择,A/D,转换器选择原则,1）采样速率选择,2）采用分辨率较好的,A/D,器件,3）一般说来,A/D,转换位数越高越好,4）根据环境条件选择,A/D,转换芯片的环境参数,5）根据接口特征选择适合的,A/D,转换器输出状态,4.2.3 A/D转换器的选择A/D转换器选择原则,26,A/D,转换器分类基于变换原理,1）逐次比较式,2）并行式,A/D,转换器,3）,ADC,转换器,4,）采样,ADC,5,）电子雪堆技术,ADC,典型的,A/D,转换器,参见书,P112115,常见的,AD,转换器件的结构。,A/D,转换器的选择,A/D转换器分类基于变换原理A/D转换器的选择,27,4.2.4 数据采集模块的设计（略）,参见书,P115118,各部分电路的设计。,A/D,转换器,转换完成信号,采样,/,保持器,模拟输入,读取数据命令,计算机,接口,A/D,板,A/D,转换命令,4.2.4 数据采集模块的设计（略）参见书P115118,28,4.2.5,DA,转换器的基本原理,D/A,功能,:,将数字量成正比地转换成模拟量,D/A,n =,4,位,8,位,10,位,12,位,16,位,n,位,数字量,模拟量,05V,或,010V,4.2.5 DA转换器的基本原理D/A功能: 将数字量成正,29,输入,4,位二进制数,输出模拟电压,S,0,S,3,:,模拟电子开关,D=0, S,倒向地,D=1, S,倒向,V,REF,电阻网络,求和运算放大器,V,REF,2R,2R,2R,2R,2R,R,R,R,2R,S,0,S,1,S,2,S,3,精密参考电压,D,0,D,1,D,2,D,3,+,+,-,3R,3R/2,U,O,输入4位二进制数输出模拟电压S0S3:电阻网络求和运算放大,30,4.3 软件无线电中的数字下/上变频器,在超外差式软件无线电接收机中，数字下变频,DDC,技术是核心技术之一。数字下变频器的组成结构：数字混频器，数字控制振荡器,NCO,和低通滤波器。,高抽取,滤波器,高抽取,滤波器,FIR,格,式,转,换,NCO,x(n),FIR,4.3 软件无线电中的数字下/上变频器,31,软件无线电中的数字下/上变频器,由,NCO,产生两路正交信号做混频用，,NCO,可以通过直接数字合成技术,DDS,实现。其基本原理框图见下。,Nbit,相位累加器,ROM,正弦查询表,时钟信号,f,c,频率控制码,Nbit,Mbit,软件无线电中的数字下/上变频器由NCO产生两路正交信号做混频,32,从原理上讲，,DDC,与模拟下变频实现相同的功能，不过其实现是通过数字运算来进行的。,影响数字下变频性能的主要因素：,（1）表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差。,（2）数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。,软件无线电中的数字下/上变频器,从原理上讲，DDC与模拟下变频实现相同的功能，不过其实现是通,33,DDC,的组成部分：数字控制振荡器的原理，参见书,P123126。,典型的数字下变频器，参见书,P125137。,软件无线电中的数字下变频器的应用,软件无线电中的数字下/上变频器,ADC,DDC1,DDC2,DDC3,DDCn,DDC的组成部分：数字控制振荡器的原理，参见书P12312,34,4.4 高速数字信号处理器,概述,典型,DSP,器件,DSP,器件的软件开发流程（略）,应用举例（略）,4.4 高速数字信号处理器概述,35,高速数字信号处理器,典型,DSP,器件,目前主要DSP生产商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大市场份额。作为第一片DSP产品TMS32010的生产商和DSP行业的领头者，TI公司的产品包括从低端的低成本低速度DSP到高端大运算量的DSP产品。,高速数字信号处理器典型DSP器件,36,高速数字信号处理器,TI,公司的,TMS320C24x,系列,高速数字信号处理器TI公司的TMS320C24x系列,37,高速数字信号处理器,TI,公司的,TMS320C55x,系列,高速数字信号处理器TI公司的TMS320C55x系列,38,高速数字信号处理器,TI,公司的,TMS320C62xx/67xx,系列,高速数字信号处理器TI公司的TMS320C62xx/67xx,39,