【文章內(nèi)容簡介】 率適中,帶寬適中的寬帶中頻信號后,給 僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所需要的超高速采樣,也不要求第二種結(jié)構(gòu)所需的商精度, 高工作帶寬所需求的采樣保持放大器,使A/D設(shè)計(jì)大大簡化,這是射頻前端復(fù)雜 ,增加一點(diǎn)復(fù)雜性也是值得 的,況且這種帶寬射頻前端與窄帶超外差前端相比還是相對要簡單一些,無疑是 . 軟件無線電是開放性,通用性和可擴(kuò)展性的最簡單硬件為平臺,通過加載各 種應(yīng)用軟件來適應(yīng)不同用戶,不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求,實(shí)現(xiàn)各種無線電功能. 軟件無線電是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ),以數(shù)字信號處理為核心,以微電子技 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ,多速率 不可少的,也是非常重要酶. 軟件無線電的核心思想是對由天線感應(yīng)的射頻模擬信號盡可能地直接進(jìn)行數(shù) 字化,將其交換為適合于數(shù)字信號處理器(DSP)或計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)流,然后通 過軟件來完成各種功能,軟 件無線電首先面臨的問題是如何對工作頻帶內(nèi)的信號進(jìn)行數(shù)字化,也就是如何對 感興趣的模擬信號進(jìn)行采樣,這些既是最基本,但也是軟件無線電中最關(guān)鍵的問 題,對此進(jìn)行詳細(xì)討論與闡述,為軟件無線電研究奠定基礎(chǔ). ——N鸚落蛙采樣定理 如果對某一時(shí)間連續(xù)信號(模擬信號)進(jìn)行采樣,當(dāng)采樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí), 那么,: Nyquist采樣定理:設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號xO),其頻帶限制在(O,fn)內(nèi), 如果以不小于妒2最的采樣速率對x0)進(jìn)行等間隔采樣,得到時(shí)間離散的采樣信號 《囂)=x研疋)(其中冬l撬為采樣聞隔),剡原信號z◇)將被新褥到的采樣值x(n)完 全確定. 上述Nyquist采樣定理告訴我們,如果以不低于信號最高頻率兩倍的采樣速率 對帶限信號進(jìn)行采樣,那么所得到的離散采樣值就能準(zhǔn)確地確定原信號. 由于軟件無線電所覆蓋斡范圍一般都要求比較寬, 作為軟件無線電, Nyquist低通采樣所需要的采樣速率至少大于4GHz, 以,對于寬頻帶工作的軟件無線電臺是無法采用Nyquist采樣技術(shù)來采樣的,而必 須采用帶逶采樣. Nyquist采樣定理討論了頻譜分布在(O,厶)上的基帶信號的采樣問題,麗 在適用的軟件無線電模式,我們從中頻開始全數(shù)字化,因?yàn)橛杏眯盘栔皇钦紦?jù)了 整個(gè)中頻帶寬的一部分,所以如果我們將整個(gè)帶寬進(jìn)行采樣,不僅數(shù)據(jù)非常大, 而且也包含很多無蔫信息,我們只需要進(jìn)行帶遙采樣. 帶通采樣定理:設(shè)一個(gè)頻率帶限信號x◇),其頻帶限制在(五,磊)內(nèi),如 16 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 果其采樣頻率丘滿足: z=鼉掣 隔采樣所得到的信號采樣值x(nTs)能準(zhǔn)確地確定信號石O). 式()用帶通信號的中心頻率fo和頻帶寬度B也可以表示為: .. 緣t, 式中,n取能滿足工≥2(厶五)的最大整數(shù)(O,l,2,…),則用工進(jìn)行等間 2療+l () 式中,兀=點(diǎn){立,n取能滿足z≥2B(B為頻帶寬度)() 可見,當(dāng)頻帶寬度B一定時(shí),為了能用最低采樣速率即兩倍頻帶寬度速率(正宅B) 對帶通信號進(jìn)行采樣,帶通信號的中心頻率必須滿足: J一. f一(2n.+1)B0 . () \上…J, 當(dāng)n取不同的值時(shí),就對應(yīng)了不同的中心頻率‰,也就是說任何一個(gè)中心頻率為 fon(n=0,1,2,…)帶寬為B的帶遭信號均可以用同樣豹采樣頻率f_2B對信號進(jìn)行采 樣,這些采樣均能準(zhǔn)確地表示位于不同頻段(中心頻率不同)原信號. 值得指出的是,上述帶通采樣定理適用的前提條件是:只允許在其中的一個(gè) 頻帶上存在信號,麗不允許在不同的頻帶上同時(shí)存在信號,否則將會引起信號的 混疊. B 為了滿足這樣的一個(gè)條件,可以采用跟蹤濾波器的辦法來解決,即在采樣前 先進(jìn)行濾波,也就是當(dāng)需要對菜一個(gè)串心頻率的帶通信號進(jìn)行采樣時(shí), 就先把跟蹤濾波器調(diào)到與之對應(yīng)的中心頻率‰上,濾出所感興趣的帶通信號,然 后再進(jìn)行采樣,以防止信號的混疊. 當(dāng)帶寬很窄時(shí),例如對常規(guī)的軍用戰(zhàn)術(shù)電臺(V嗣7HF),其信號帶寬B為 25KHz(含保護(hù)閏隔), 難的,主要表現(xiàn)在A/D前面的抗混疊濾波器無法實(shí)現(xiàn),因?yàn)樗笤摓V波器在整 個(gè)頻帶都保持相同的濾波器帶寬和阻帶特性,這幾乎是不可能做到的. 為了解決上述聞?lì)},可以采用所謂的超外差接收體制,即先用一個(gè)本振信號 17 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 與輸入信號進(jìn)行混頻(可以經(jīng)過幾次混頻),將其變換成為統(tǒng)一的中頻信號,然后 ,就可以完成對不同頻率信號的數(shù)字化, 而這時(shí)A/,A/D前的抗混 線與A/D之間增加了很多模擬信號處理環(huán)節(jié),如混頻,本振信號產(chǎn)生,各種濾波 (特別是混頻器和窄帶濾波器),而且對縮 小體積,由于在天線與A/D問的模擬電路環(huán)節(jié) 過多,使{| 旦模擬信道的中頻帶寬確定以后,要適應(yīng)不同的信號帶寬就存在一定的難度,另 外本振信號的頻率步進(jìn)(分辨率)一旦確定,對信道間隔的適應(yīng)能力也就變差了. 為了改善上述中頻數(shù)字機(jī)制對信號環(huán)境適應(yīng)性和可擴(kuò)展性,我們采用寬帶中 頻技術(shù),即BB..這時(shí)在中頻帶寬B內(nèi)將包含多個(gè)信道(信道數(shù)N=B愿.),至 于對帶寬B內(nèi)位于某一特定信道上的信號所需進(jìn)行的解調(diào),分析,識別等處理, 將由后續(xù)的信號處理器及其軟件來完成,該軟件主要完成數(shù)字濾波(可變帶寬), 數(shù)字下交頻以及解調(diào)等信號處理任務(wù),通過加載不同的信號處理軟件就可以對不 同體制,不同帶寬以及不同種類信號的接收解調(diào)以及其他信號處理的任務(wù),這樣 ,本 振信號就可以按照大步進(jìn)來設(shè)計(jì),這樣可以大大簡化本振源的設(shè)計(jì),有利于減小 體積,改善性能,降低成本. 在實(shí)際工作中,要求一個(gè)數(shù)字系 統(tǒng)能工作在多抽樣率狀態(tài),以適應(yīng)不同抽樣信號的需求。另一方面,對一個(gè)數(shù)字 信號,要視對其處理的需要及其自身的特征,能在一個(gè)系統(tǒng)中以不同的抽樣頻率 ,當(dāng)需要將數(shù)字信號在兩個(gè)具有獨(dú)立時(shí)鐘的數(shù)字系統(tǒng)之間傳遞時(shí),則 , 就存在著多種抽樣頻率,得到立體聲聲音信號所用的抽樣頻率是48kHz,CD產(chǎn)品 , 若抽樣率過高,必然會造成數(shù)據(jù)的冗余,則希望能在該數(shù)字信號的基礎(chǔ)上將抽樣 ,既可傳輸一般的語音信號,也可傳輸播視頻 信號,這些信號的頻率成分相差甚遠(yuǎn),囂此, 該系統(tǒng)應(yīng)具有傳輸多種抽樣率信號的能力, (如語音,圖象)作譜分析或編碼時(shí),可用具有不同頻帶的低通,帶通及高通濾 18 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 波器對該信號作子帶分解,對分解后的信號再作抽樣率轉(zhuǎn)換及特征提取,以實(shí)現(xiàn) 最大限度減少數(shù)據(jù)量, 進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 單速率數(shù)字信號處理系統(tǒng)不同的是信號處理過程中樣點(diǎn)速率需要改變,麗無論提 高或降低抽樣速率, 技術(shù)實(shí)現(xiàn)樣點(diǎn)速率的改變就成了多速率數(shù)字信號處理的核心問題,改變樣點(diǎn)速率 ,建立在抽樣率轉(zhuǎn)換理論及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ) 的核心內(nèi)容就是信號抽樣率的轉(zhuǎn)換及濾波器組. 所謂整數(shù)倍抽取是指把原始采樣序列x(行)每隔(D—1)個(gè)數(shù)據(jù)取一個(gè),以形 成一個(gè)新序列xo(m),即: xD(磁)=x(mD)(24) 式中,D為正整數(shù),很顯然如果x(囂)序列的采樣率為Z, 則其無模糊帶寬為L/(n)進(jìn)行抽取后得到的抽取序N xD(撒) 之取樣率為Z/D,其無模糊帶寬為Z/(2D),當(dāng)x(n)含有大于Z/(2D)的頻率 分量時(shí),XD(掰)就必然產(chǎn)生頻譜混疊,導(dǎo)致從xo(m)中無法恢復(fù)x(n)中小于f,/(2D) 的頻率分量信號. 定義一個(gè)新信號: xb)=黜≯n坳,..J} 根據(jù)恒等式: 玨5, 丟寥警={搿39。+織坳,..≥} (2《) 19 ——一. 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 Illll。i jI黑!!燃!!爛!!嬲!曼鼉 0 l 2 3 4 5…… n 則x39。(強(qiáng))可表示為: 由予xo(m)=x(mD)=x39。(袖),靈,ljxp(挪)之Z變換為: 而(z)=∑勃(撒)z叫 =∑x39。(Dm)z哺 Z一 (2..0) \39。39。, x39。(雅)=x(磅l吉薹g.,號字l () 由予菇39。(掰)除了m為D的整數(shù)倍時(shí)不為零外,其余均為零,所以上式可重新寫為: %o)=∑x39。(坍弦百 把x+(掰)表達(dá)式代入可得: (2—9) %(z) 五1毛DI到+ao P 卦瓏盼?警艫 協(xié)四 去耕礙o] 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 把z=ejw代入式(210)可得抽取序列勃仍)之離散傅氏變換為: 縱∽=去萋X[ej(w2M)ID] 39。X秘彈) 一2萬 ⑦五 廣\//\ 廣\//\ P 緲,F 一石 0| 39。 39。 . .t l ● p.\ o一‖ 抽一39。1 t l ● ● ● ● 0 一囂,露 ● P,..l‖一l ! . 一一F ,}\. l /,}』蛩一,j !彬￡ l t I ● l ● l I ● l , 39。 I I l l 39。xo占p l | 1 ● I ● ● l t ●, ,l l l F I l l (D2)的頻率結(jié)構(gòu)(混頻 由式()可見,抽取序列的頻譜(離散傅氏變換)Xn0一)為抽取前原始序列 之頻譜X0p) 化圖. ,抽取后的頻譜%0弦)產(chǎn)生了嚴(yán)重混疊,使得從%◇‖)中已 無法恢復(fù)礁X和歸)(濾 波器寬帶為萬/D)對X◇一)進(jìn)行濾波,使X(e抄)中只含有小于露/拶的頻率分量 (對應(yīng)模擬頻率為妥五),再進(jìn)行D倍抽取,則抽取后的頻譜就不會發(fā)生混疊, u ,這樣石D◇‖)中的頻譜成分與X39。0秒)中的頻譜成分是一一對應(yīng)的. 或者說如@一)),進(jìn)一步可以說XD0妒)可以準(zhǔn)確地表示 xo一)中小于吾或云只的頻率分量信號所以這時(shí)對xp(eJw)進(jìn)行處理等同于對 X@一)的處理,僵前者的數(shù)據(jù)流速率只有后者的D分之一,大大降低了對后續(xù)處 理(解調(diào)分析等)速度的要求. 2l 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ● 39?！? 礦) 貊 婦 一3竅 ,八八I/飛 .} \刀|,||入||. 一2露 一/I l} l 萬 J 7. L 州 ,) I l l —it/ t } .。 型習(xí) l 札 j n 門|j1 膊39。|n 門 ● . \. 一缸 /八. 肼沁』 l l 一萬0 萬 2x 餅 (D=2)前后的頻譜結(jié)構(gòu)(無混疊) 多速率信號處理中的抽取理論是軟件無線電接收機(jī)的理論基礎(chǔ),而對于內(nèi)插 . 在實(shí)際設(shè)計(jì)中,當(dāng)抽取倍數(shù)D很大時(shí),所需的濾波器之階數(shù)將非常高,乃至 無法實(shí)現(xiàn),因此,我們可以考慮采用分級抽取,使濾波器的階數(shù)大為減小,這樣, 可以大大降低對濾波器的設(shè)計(jì)要求. 設(shè)輸入采樣速率為Z=100MHz,抽取倍數(shù)D為500,即最終需要得到200kHz 的采樣速率,信號寬帶為50kHz,則當(dāng)采用窗函數(shù)法設(shè) 計(jì)這樣的濾波器時(shí)所需的濾波器數(shù)N為: Ⅳ=號等36 14.△廠 糾 (2.∽ .一39。 式中,葶為阻帶衰減,鱸為過渡帶寬度,五為采樣速率. 把8=,Ⅳ=10050=50kHz,Z=100MHz代入式()可得:N=7250,也 就是說要實(shí)現(xiàn)這樣的窄帶濾波器用窗函數(shù)法需要7250階,這樣高階數(shù)的濾波器實(shí) ,我們可以設(shè)兩極抽 取倍數(shù)分別為日=50,紅=10(D一疊D2),這時(shí)對第一級81=8/2=, 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 顫=,五l=100MHz,所需的濾波器階數(shù)為:Ⅳl=427,對于第二級 島一萬/2=,馘=,工2=2MHz,所需的濾波器階數(shù)為:Ⅳ2=163. 可見分級抽取后, 注意兩點(diǎn):, 取決于每一級的抽取陪數(shù), ,如果單級實(shí)現(xiàn)時(shí),對通帶帶寬內(nèi)波動(dòng)要求為艿,若用M級 實(shí)現(xiàn)時(shí),如果把每一級的帶內(nèi)波動(dòng)設(shè)計(jì)成一樣,則每一級帶內(nèi)波動(dòng)應(yīng)為氏=81M. 根據(jù)以上對抽取處理的原理進(jìn)行的討論可以看出,數(shù)字信號經(jīng)過抽取后,數(shù) 字信號的采樣頻率可以極大降低,但是數(shù)字信號本身所包含的基帶信號并不因?yàn)?其采樣頻率酶降低麗丟失,抽取后的數(shù)字信號中仍然保留了所有有用的基帶信號. 實(shí)現(xiàn)高采樣頻率數(shù)字信號的抽取處理關(guān)鍵之處,在于設(shè)計(jì)高效的數(shù)字濾波器對輸 入的數(shù)字信號序列進(jìn)行低通濾波處理,選擇合適的前級低通濾波器是軟件無線電 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)抽取處理的首要問題. 從低通濾波器所實(shí)現(xiàn)的功能悉言,婁然可以采用最普通的具有線性相移的有 限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器來實(shí)現(xiàn)低通濾波,由予FIR濾波器本身的處理效率很低, 需要在如此高的采樣頻率下完成一系列乘加運(yùn)算,這種方法將對實(shí)現(xiàn)抽取處理的 專用DSP芯片的處理速度提出非常高的要求(大于300M辟