【正文】 桂林電子科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 共 44 頁(yè) 1 緒論 軟件無(wú)線電 技術(shù) 簡(jiǎn)介 軟件無(wú)線電 ，又稱為軟件定義無(wú)線電， 是一種既能兼容多種通信制式的無(wú)線通信設(shè)備，也能滿足個(gè)性化通信需求的無(wú)線通信體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)。 軟件無(wú)線電可以將多種硬件單元和軟件模塊集成在一個(gè)物理平臺(tái)上，通過(guò)軟硬件的可重構(gòu)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)多頻段、多模塊之間的切換，完成無(wú)線通信系統(tǒng)的各種功能。 它了克服了傳統(tǒng)無(wú)線電以硬件為核心的設(shè)計(jì)局限性，增加了系統(tǒng)的靈活性，加快了產(chǎn)品的研發(fā)周期，所以它一經(jīng)提出就受到了廣泛的關(guān)注。 軟件無(wú)線電的概念是美國(guó) MITRE 公司的 首席科學(xué)家 Jeo Mitola 在 1992 年提出的 ,當(dāng)初是指寬頻段、支持多種通信制式的無(wú)線電臺(tái)?，F(xiàn)在，軟件無(wú)線電是指將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的硬件單元以總線或交換方式連接起來(lái)構(gòu)成通用平臺(tái)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線通信功能的一種開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)。 按照軟件無(wú)線電的基本要求，一個(gè)理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)該是完全數(shù)字化的系統(tǒng)，即從天線接收下來(lái)的信號(hào)，直接進(jìn)行模數(shù)變換（ ADC），隨后的處理均在數(shù)字域內(nèi)通過(guò)配置軟件來(lái)完成，這樣就極大地提高了系統(tǒng)功能的靈活性 。 軟件無(wú)線電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有：（ 1） 靈活性。軟件無(wú)線電可以通過(guò)增加軟件模塊，很容易地增加新的功能。（ 2）開(kāi)放性。軟件無(wú)線電采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或者擴(kuò)展，軟件也可以隨需要而不斷升級(jí)。 軟件無(wú)線電不僅能和新體制電臺(tái)通信 ， 還能與舊式體制電臺(tái)相兼容。這樣 ， 既延長(zhǎng)了舊體制通信系統(tǒng)的 使用壽命 ,也保證了軟件無(wú)線電本身有很長(zhǎng)的生命周期。（ 3）功能單元通用化，設(shè)備可互操作。（ 4）控制和處理軟件化，系統(tǒng)生命周期長(zhǎng)。 軟件無(wú)線電 是隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)， 在軍事通信、移動(dòng)通信、廣播、定位、雷達(dá)、衛(wèi)星通信 等 領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。 軟件無(wú)線電 應(yīng)用簡(jiǎn)介 在軟件無(wú)線電概念 提出 不久 ,美軍 就 提出了“易通話” (SPEAKeasy)科研計(jì)劃 ,其主要任務(wù)是研制多頻段多模式無(wú)線電臺(tái) (MBMMR： MultiBand MultiMode Radio)。該計(jì)劃經(jīng)歷了兩期研究，于 1999 年研制成功了多模多頻段軍用無(wú)線電臺(tái) SPEAKeasy II。 該設(shè)備可工作于 2～ 2021MHz,能同時(shí)處理 4 種不同的信號(hào)波形 ,兼容美軍當(dāng)時(shí)的 15 種電臺(tái) 。SPEAKeasy II 的研制成功，證明了軟件無(wú)線電基于總線架構(gòu)是可行的，基于硬件的軟件化無(wú)線電也是可行的。 美國(guó)麻省理工學(xué)院 的 “ Spectrum Ware” 項(xiàng)目，在軟件無(wú)線電的發(fā)展歷程中也具有標(biāo)志性。它以更加軟件化的角度提出了解決無(wú)線通信問(wèn)題的方法，并運(yùn)行一系列軟件加以驗(yàn)證。其基本思路是：以 ATM（ Asynchronous Transfer Mode： 異 步傳輸模式）網(wǎng)絡(luò)連 桂林電子科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁(yè) 共 44 頁(yè) 接的工作站為基礎(chǔ)構(gòu)成，在工作站的用戶空間內(nèi)完成所有的信號(hào)處理工作。 此后，軟件無(wú)線電的研究日益深入，如歐洲的靈活的綜合無(wú)線電技術(shù)（ FIRST）計(jì)劃、未來(lái)無(wú)線寬帶多址系統(tǒng) （ FRAMES）、 SORT 計(jì)劃都使用了軟件無(wú)線電技術(shù)。日本NTT 公司研制出基于軟件無(wú)線電技術(shù)的兼容 PHS 和 WLAN 的基站。澳大利亞 ACT 公司研制出可通過(guò)軟件配置支持 GSM、 CDMA、 UMTS 和 WCDMA 的基站樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了雙向話音通話。 國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)承擔(dān)了國(guó)家“ 863”軟件無(wú)線電研究項(xiàng)目，研制軟件無(wú)線電試驗(yàn)平臺(tái)。武漢大學(xué)采用 軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境監(jiān)控雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)。中興通訊研制的軟件無(wú)線電產(chǎn)品榮獲了國(guó)際電工委員會(huì)頒發(fā)的 InfoVision 獎(jiǎng)。華為研制的基于軟件無(wú)線電技術(shù)的 SingleRAN 網(wǎng)絡(luò)已在歐洲商用。我國(guó)的 TDSCDMA 無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)也采用了軟件無(wú)線電技術(shù)。 AM 接收機(jī) 簡(jiǎn)介 提到 “ AM” 這個(gè)縮略語(yǔ) ，通信專業(yè)的人自然會(huì)明白它是 “ 幅度調(diào)制 （ Amplifier Modulation）” 英文單詞的縮寫，說(shuō)到調(diào)幅 制式的無(wú)線系統(tǒng) ， 家喻戶曉的 收音機(jī)是調(diào)幅技術(shù)最成功的應(yīng)用案例 ，調(diào)幅收音機(jī)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展歷程，到現(xiàn)在仍在廣泛地使用，可見(jiàn)這項(xiàng)技術(shù)的生命力是多么的強(qiáng)大 。 1913 年法國(guó)人呂西安、萊維利用超外差電路制作成了收音機(jī)，并申請(qǐng)了專利。 1924年超外差收音機(jī)投放市場(chǎng)。 收音機(jī)經(jīng)歷了礦石收音機(jī)、電子管、晶體管、集成電路收音機(jī)階段，目前正朝著DSP 收音機(jī)、網(wǎng)絡(luò)收音機(jī)、數(shù)字音頻廣播收音機(jī)的方向發(fā)展。收音機(jī)的發(fā)展史也 從一個(gè)側(cè)面反 映了世界電子技術(shù)的發(fā)展 歷 史。 在收音機(jī)發(fā)展歷史中，超外差電路結(jié)構(gòu)占有極其重要的地位，世界上 99%的無(wú)線電收音機(jī)、電視、衛(wèi)星地面站等都是利用超外差電路 的工作原理 進(jìn)行工作的。超外差電路是美國(guó)工程師阿姆斯特朗于 1913 年發(fā)明的，所謂超外差是指通過(guò)輸入 諧振 回路 把發(fā)射臺(tái) 發(fā)射的高頻調(diào)幅 波 頻率選擇并 接收下來(lái)， 再 和本地振蕩回路產(chǎn)生的本振信號(hào)一 起送入混頻電路 中 進(jìn)行非線性變換 ， 產(chǎn)生出兩個(gè)頻率相減后的差頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)中 頻 諧振 回路選擇出差頻 頻率，得到一個(gè)固定的中頻調(diào)制波。調(diào)幅中頻國(guó)際上統(tǒng)一 固定 為 465kHz或455kHz。該固定中頻頻率比發(fā)射臺(tái)發(fā)射的高頻信號(hào)低，又比音頻信號(hào)高，該固定中頻 被稱為超音頻信號(hào)，所以將這種接收方式稱為超外差 接收 方式。另一種說(shuō)法是：本地振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)比接 收端的信號(hào)頻率高一個(gè)固定中頻，當(dāng)接收信號(hào)頻率變化時(shí)，本振信號(hào)也隨之改變，時(shí)刻保持兩者頻率之差為固定中頻 ，所以稱為超外差 。 超外差 AM 接收機(jī)的工作是：從天線接收到的廣播高頻 調(diào)幅 信號(hào)，通過(guò)輸入并聯(lián)諧振回路選頻，選出所需要的電臺(tái)頻點(diǎn) 送到變頻電路，高頻調(diào)幅信號(hào)在變頻電路中與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的高頻等幅本振信號(hào)進(jìn)行非線性變換，得到固定頻率的中頻調(diào)幅信號(hào)（固定 桂林電子科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 44 頁(yè) 中頻為 465kHz或 455kHz） 。在變頻環(huán)節(jié)，被改變的只是接收到的調(diào)幅波的載波頻率，調(diào)幅波振幅的變化規(guī)律（調(diào)制信號(hào)，即發(fā)送的聲音）并未改變。 輸入回路的調(diào)諧與本振頻率的自動(dòng)改變是通過(guò)同軸雙聯(lián)可變電容實(shí)現(xiàn)的。雙聯(lián)可變電容的一聯(lián)接入輸入諧振回路中，另一聯(lián)接入本振諧振回路中，這兩個(gè)諧振頻率能同步變化，從而使兩者的頻率差值始終保持近似一致，該差值就是固定中頻值。本振頻率比輸入諧振回路頻率高一個(gè)固定中頻值。 變頻之后的固定中頻信號(hào)再通過(guò)選頻回路選出，被送到中頻放大電路中放大。放大后的中頻信號(hào)接下來(lái)送入檢波器進(jìn)行幅度檢波，從而還原出音頻信號(hào)，然后再通過(guò)低頻電壓放大和后級(jí)的功率放大，推動(dòng)揚(yáng)聲器工作，從而還原出被發(fā)射的聲音。 超外差式接收機(jī)由輸入調(diào)諧、本振電路、變 頻、選頻、中頻放大、檢波、低頻放大、自動(dòng)增益控制、功率放大等部分組成。 超外差式接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高、選擇性好、通頻帶寬、工作穩(wěn)定。缺點(diǎn)是：有鏡頻干擾（比接收信號(hào)高兩個(gè)中頻的干擾信號(hào)）、線性度差。 超外差接收機(jī)的框圖如圖 所示： 圖 超外差收音機(jī)原理框圖 軟件無(wú)線電技術(shù)用于 AM 接收機(jī)設(shè)計(jì)的可行性分析 按照軟件無(wú)線電的基本要求，一個(gè)理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)該是完全數(shù)字化的系統(tǒng)，即從天線接收下來(lái)的信號(hào)，直接進(jìn)行模數(shù)變換（ ADC），隨后的處理均在數(shù)字域內(nèi)由軟件進(jìn)行各種處理。 比如 在模擬域設(shè)計(jì)同時(shí)具有線性相位和陡峭下降沿的濾波器是相當(dāng)困難的，而在數(shù)字域中用軟件很容易就能實(shí)現(xiàn) ， 在數(shù)字 域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)處理功能是不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的調(diào)諧過(guò)程，也不需要多級(jí)同步。 理想軟件無(wú)線電接收系統(tǒng)如圖 所示。 這種理想的軟件無(wú)線電接收機(jī)在工作頻率達(dá)幾百兆赫茲以上的無(wú)線系統(tǒng)中是不可能實(shí)現(xiàn)出來(lái)的 ，主要原因是：對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行帶通采樣所需的采樣速率至少是射頻工作帶寬的兩倍，為了降低量化噪聲，要求 ADC 有較高的采樣位數(shù)和較寬的無(wú)失真動(dòng)態(tài)范 桂林電子科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圍，目前的 ADC 器件還不容易這些要 求。另外，能覆蓋多個(gè)頻段的寬帶天線，目前的技術(shù)水平下也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 解決問(wèn)題的辦法就是在天線和 ADC 之間加入射頻前端模塊，原因如下： 現(xiàn)代民用及軍用設(shè)施使用電子設(shè)備繁多， 導(dǎo)致 電磁環(huán)境 復(fù)雜， 相互干擾嚴(yán)重 。 接收天線收到的射頻信號(hào)非常復(fù)雜，接收到的信號(hào)強(qiáng)弱有很大的差別，信號(hào)最強(qiáng)的并不一定是需要的信號(hào)，需要接收的信號(hào)幅度可以很微弱。 以短波通信設(shè)備為例，發(fā)射機(jī)的殘余信號(hào)在接收機(jī)輸入端產(chǎn)生的電平達(dá) 120dB181。V（即 13dBm）或更高。而接收機(jī)所需接收的微弱信號(hào)電平可能僅 6～ 0dB181。V（即 117～ 113dBm）。因此，要求接收機(jī)處理的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍高達(dá) 120～ 126dB。另外，高電平干擾信號(hào)與所接收信號(hào)頻率僅相距數(shù)十千赫，所以，高電平干擾信號(hào)和它們?cè)诮邮諜C(jī)中產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)的輸出信噪比。為了降低這種影響，就要求 在 接收機(jī) 天線后面增加射頻前端模塊。射頻前端模塊一般都要具 有以下性 能 ： （ 1） 較 高 的 選擇性， 使 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍盡可能大； （ 2） 高線性 度 ，在信道濾波之前，降低帶外高電平干擾信號(hào)在信道濾波器通帶內(nèi)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物； （ 3） 極低的本振相位噪聲，以免鄰近 頻點(diǎn) 的干擾信號(hào)將本振噪聲轉(zhuǎn)換到接收機(jī)信道帶寬內(nèi)。 接 收機(jī)射頻前端 模塊 是 實(shí)現(xiàn) 接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵部件，它工作于中頻放大器之前 ，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有： 動(dòng)態(tài)范圍、互調(diào)失真、 1dB 壓縮點(diǎn)和三階互調(diào)截獲點(diǎn)等。 但對(duì)于工作頻率 較低、信號(hào)帶寬 較 窄 的 無(wú)線 系統(tǒng)，比如 AM、 FM 廣播系統(tǒng)，采用理想的軟件無(wú)線電接收機(jī)是 卻 有可能實(shí)現(xiàn)的。 AM 廣播頻段的最高頻率是 1710kHz， 每個(gè)電臺(tái)的頻 帶寬 度 是 9kHz，故對(duì) AM 信號(hào)從天線輸入口直接進(jìn)行模數(shù)變換，對(duì) ADC 器件的要求并不高，實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字信號(hào)的變換，對(duì) ADC 器件的要求并不高。 只要 ADC 器件的無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍足夠大，實(shí)現(xiàn) AM接收機(jī)直接數(shù)字化是完全可行的。 在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行數(shù)字、變頻、濾波、 AGC、解調(diào)都是較容易實(shí)現(xiàn)的，數(shù)字到模擬變換（ DAC）及音頻前級(jí)放大也很容易在單個(gè)芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。 桂林電子科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 理想軟件無(wú)線電接收機(jī)框圖 從理論上講，采用軟件無(wú)線電技術(shù)設(shè)計(jì)的 AM 接收機(jī)在性能指標(biāo)上比模擬接收機(jī)更好，但實(shí)際使用時(shí)還會(huì)受到中波傳播環(huán)境、天線匹配等因素的制約，這些因素直接決定著設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)能否在聽(tīng)覺(jué)效果上體現(xiàn)出來(lái)。 中頻廣播的電波傳播途徑主要是靠地波傳播，只有一小部分以天波形式傳播。無(wú)線電波碰到導(dǎo)體時(shí)，就在在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而損耗掉一部分能量。這種使電波能量變?nèi)醯默F(xiàn)象，稱為對(duì)電波的吸收。大地是導(dǎo)體，對(duì)中波有較強(qiáng)的吸收作用，故地波傳播的中波廣播傳播距離不遠(yuǎn)。白天時(shí)由于陽(yáng)光照射使電離層密度增大，電離層變成良導(dǎo)體，致使以天波形式傳播的一小部分中波進(jìn)入電離層就被強(qiáng)烈地吸收掉了，難以返回地面，于是就造成白天難以收到遠(yuǎn)處的中波電臺(tái)。夜晚時(shí)電離層變薄，密度變小，導(dǎo)電性能變差，對(duì)中波的吸收作用降低，中波的傳播距離會(huì)更遠(yuǎn)些。所以夜 晚收聽(tīng)到的中波電臺(tái)數(shù)量就多些。 城市的高層建筑越來(lái)越多，對(duì)廣播信號(hào)的屏蔽作用越來(lái)越強(qiáng)， 嚴(yán)重地減弱了中波信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)，使接收到的廣播信號(hào)極其微弱。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以把接收裝置放置在空曠的場(chǎng)地，在樓內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要放置在涼臺(tái)、窗臺(tái)處 。 造成中波廣播 接收效果差的另一個(gè)重要因素是電磁環(huán)境惡化?，F(xiàn)在，各種家用電器用具（日光燈、電視機(jī)、電腦、微波爐、電磁爐、充電器）越來(lái)越多，工業(yè)用的電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)也隨處可見(jiàn)， 無(wú)線通信有多種制式的網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行，還有多種專網(wǎng)通信設(shè)備在運(yùn)行，這些因素都會(huì)導(dǎo)致中波廣播的電磁環(huán)境嚴(yán)重惡化。 采用軟件無(wú)線電技術(shù) 的 AM 接收機(jī)，在天線輸入端口 并 不采用 輸入 諧振電路，對(duì)天線進(jìn)來(lái)的信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)選頻，會(huì)有多種頻率的干擾信號(hào)進(jìn)來(lái)，這也會(huì)導(dǎo)致接收效果變差。 本文 的 工作 本文承擔(dān) 課題的設(shè)計(jì)任務(wù) 要求 是： （ 1） 能接收 到 150kHz～ 1710kHz 的 AM 廣播 節(jié)目 。 （ 2） 要求 ADC 盡量靠近天線。 （ 3） 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn) AM 接收機(jī)。 本文就是按照課題的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于軟件無(wú)線電技術(shù)的 AM 接收機(jī)。 桂林電子科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 共 44 頁(yè) 本文采用美國(guó)芯科實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的支持 AM/SW/LW/FM 頻段廣播的無(wú)線接收專用芯片 Si4734，作為接收主芯片，通過(guò)單片