【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 如圖２．３所示，從天線進(jìn)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后就由Ａ／Ｄ進(jìn)行采樣數(shù)字化，這種結(jié)構(gòu)不僅對(duì)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的性能如轉(zhuǎn)換速度、工作帶寬和動(dòng)態(tài)范圍等提出了非常高的要求，同時(shí)對(duì)后續(xù)的ＤＳＰ或ＡＳＩＣ（專用集成電路）的處理速度要求也特別高，因?yàn)樯漕l低通采樣所需的采樣速率至少是射頻工作帶寬的兩倍。例如，工作在１ＭＨｚ．１ＧＨｚ的軟件無(wú)線電接收機(jī)，其采樣速率至少需要２ＧＨｚ，這樣高的采樣率，Ａ／Ｄ能否達(dá)到暫且不說(shuō)，后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理器也是難以滿足要求的。圖２．３射頻低通采樣數(shù)字化的理想軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．２．３ ＲＦ ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｄｅａｌ ｓｏｔｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ２．１．２射頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)射頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)如圖２．４所示，與低通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)相比，其主要不同點(diǎn)是：Ａ／Ｄ前采用了帶寬相對(duì)較窄的電調(diào)濾波器，然后根據(jù)所需的處理帶寬進(jìn)行帶通采樣。這樣對(duì)Ａ／Ｄ采樣速率的要求就不高了，對(duì)后續(xù)ＤＳＰ的處理速度也可以隨之大大降低。但是這種射頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)對(duì)Ａ／Ｄ工作帶寬的要求（實(shí)際上主要是對(duì)Ａ／Ｄ中采樣保持器的速度要求）還是比較高的。第２章軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)圖２．４射頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．２．４ ＲＦ ｂａｎｄｐａｓｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ２．１．３寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的組成如圖２．５所示。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)的超外差無(wú)線電臺(tái)收／發(fā)訊機(jī)是類似的，但兩者的本質(zhì)區(qū)別是中頻帶寬不一樣，常規(guī)電臺(tái)的中頻帶寬為窄帶結(jié)構(gòu)，而圖２．５所示的軟件無(wú)線電的中頻帶寬為寬帶結(jié)構(gòu)。由于中頻帶寬較寬不僅使前端電路（如本振頻率合成器等）設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，信號(hào)經(jīng)過(guò)接收通道后的失真也較小，而且與常規(guī)窄帶超外差電臺(tái)相比，這種寬帶中頻結(jié)構(gòu)再配以后續(xù)的數(shù)字化處理，使其具有更好的波形適應(yīng)性，信號(hào)帶寬適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性，圖２．５所示的這種寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電從結(jié)構(gòu)形式上看似乎與常規(guī)窄帶超外差電臺(tái)沒(méi)有多大區(qū)別，但這種軟件無(wú)線電從性能上將會(huì)有質(zhì)的飛躍，是窄帶系統(tǒng)所無(wú)法達(dá)到的。圖２．５寬帶中頻帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)Ｆｉｇ．２．５ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ＩＦ ｂａｎｄ—ｐａｓｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ由圖２．５所示的組成結(jié)構(gòu)可以看出，這種軟件無(wú)線電的射頻前端（Ａ／Ｄ前、Ｄ／Ａ軟件無(wú)線電下ＧＭＳＫ調(diào)制解調(diào)的研究與實(shí)現(xiàn)后的模擬預(yù)處理電路）比較復(fù)雜，它的主要功能是把射頻信號(hào)變換為適合于Ａ／Ｄ采樣的寬帶中頻信號(hào)或把Ｄ／Ａ輸出的寬帶中頻信號(hào)變換為射頻。通過(guò)相對(duì)復(fù)雜的射頻前端把高頻信號(hào)變換為中心頻率適中、帶寬適中的寬帶中頻信號(hào)后，給后續(xù)的Ａ／Ｄ采樣數(shù)字化大大減輕了負(fù)擔(dān)。這時(shí)與前面兩種軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)相比不僅不需要第一種結(jié)構(gòu)所要求的超高速采樣，也不要求第二種結(jié)構(gòu)所需的高精度、高工作帶寬所要求的采樣保持放大器，使Ａ／Ｄ設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，這是射頻前端復(fù)雜性所帶來(lái)的好處。在Ａ／Ｄ器件無(wú)法滿足要求的情況下，增加一點(diǎn)復(fù)雜性也是值得的，況且這種寬帶射頻前端與窄帶超外差前端相比還是相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，無(wú)疑是近期軟件無(wú)線電一種較可行的設(shè)計(jì)方梨１１。２．２軟件無(wú)線電的理論基礎(chǔ)軟件無(wú)線電是以開放性、通用性和可擴(kuò)展性的最簡(jiǎn)硬件為平臺(tái)，通過(guò)加載各種應(yīng)用軟件來(lái)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(wú)線電功能。其基礎(chǔ)理論主要包括信號(hào)采樣理論、多速率信號(hào)處理理論、高效數(shù)字濾波器以及正交變換理論等。這些理論在軟件無(wú)線電的研究與開發(fā)中是必不可少的，也是非常重要的【１２】。２．２．１軟件無(wú)線電中的信號(hào)采樣理論為使軟件無(wú)線電具有更加廣泛的適應(yīng)性，軟件無(wú)線電所覆蓋的范圍一般都要求比較寬，例如從０．１ＭＨｚ到２ＧＨｚ，但是如此寬的頻段采用Ｎｙｑｕｉｓｔ低通采樣所需的采樣速率至少要大于４ＧＨｚ，這在目前顯然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以對(duì)寬頻帶工作的軟件無(wú)線電臺(tái)是無(wú)法采用Ｎｙｑｕｉｓｔ采樣技術(shù)來(lái)采樣的，而必須采用帶通采樣。Ｎｙｑｕｉｓｔ采樣定理討論了頻譜分布在（０，厶）上的基帶信號(hào)的采樣問(wèn)題，而在適合軟件無(wú)線電模式時(shí)，我們從中頻開始全數(shù)字化，因?yàn)橛杏眯盘?hào)只是占據(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，而且也包含了許多無(wú)用信息，因此，我們只需要進(jìn)行帶通采樣。帶通采樣定理：設(shè)一個(gè)頻率帶限信號(hào)ｘ（ｆ），其頻帶限制在（五，厶）內(nèi)，如果其采樣速率ｆ滿足：第２章軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)ｚ＝鼉字（２．１）式中，以取能滿足ｆ≥２（‘一五）的最大正整數(shù)（ｏ，１，２，．．．），則用Ｚ進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值ｘ（，ｚ互）能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)ｘＯ）。上式（２．１）用帶通信號(hào)的中心頻率五和頻帶帶寬曰也可以表示為：．，：：蘭２．２其中，ｆｏ：五｛五，珂取能滿足ｚ≥２曰（占為頻帶寬度）的最大正整數(shù)。顯然當(dāng)ｆｏ＝阜，占＝厶時(shí)，取刀２０，式（２．１）就是Ｎｙｑｕｉｓｔ定理，即滿足：ｚ＝２厶。由式（２．２）ｆｆＪ＂見(jiàn)，當(dāng)頻帶寬度君一定時(shí)，為了能用最低采樣速率即兩倍頻帶寬度速率（Ｚ：２召）對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣，帶通信號(hào)的中心頻率必須滿足：五一（２ｎ＾＋１）Ｂ，當(dāng)以取不同的值時(shí)，就對(duì)應(yīng)了不同的中心頻率五。，也就是說(shuō)任何一個(gè)中心頻率為五。（ｎ：ｏ，ｌ，２，…）帶寬為丑的帶通信號(hào)均可以用同樣的采樣頻率Ｚ＝２Ｂ對(duì)信號(hào)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）的原信號(hào)。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(hào)，而不允許在不同的頻帶上同時(shí)存在信號(hào)，否則將會(huì)引起信號(hào)的混疊，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(lái)解決，即在采樣前先進(jìn)行濾波。如圖２．６所示：圖２．６帶通信號(hào)采樣Ｆｉｇ．２．６ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｆ ｂａｎｄｐａｓｓ ｓｉｇｎａｌ（、－一７）山 ２囂＋１軟件無(wú)線電下ＧＭＳＫ調(diào)制解調(diào)的研究與實(shí)現(xiàn)當(dāng)需要對(duì)某一個(gè)中一ｔｌ，頻率的帶通信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，就先把跟蹤濾波器調(diào)到與之相對(duì)應(yīng)的中心頻率上，濾出所感興趣的帶通信號(hào)，然后再進(jìn)行采樣，以防止信號(hào)的混疊。這樣的跟蹤濾波器被稱為抗混疊濾波器。２．２．２多速率信號(hào)處理技術(shù)信號(hào)處理過(guò)程中隨著采樣速率的提高帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題就是采樣后的數(shù)據(jù)流速率很高，導(dǎo)致后續(xù)的信號(hào)處理速度跟不上，特別是對(duì)有些同步解調(diào)算法，其計(jì)算量大，如果其數(shù)據(jù)吞吐率太高是很難滿足實(shí)時(shí)性要求的，所以很有必要對(duì)ＡＩＤ后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行降速處理。多速率信號(hào)處理技術(shù)為這種降速處理的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。（１）整數(shù)倍抽取：所謂整數(shù)倍抽取是指把原始采樣序列ｘ（ｎ）每間隔（Ｄ—１）個(gè)數(shù)取一個(gè)，以形成一個(gè)新序列而（ｍ），即：ｘｏ（ｍ）＝ｘ（ｍＤ）式中，Ｄ為正整數(shù)，很顯然如７ｍＫ ｘ（ｎ）序列的采樣率為Ｚ，則其無(wú)模糊帶寬為Ｚ／２。當(dāng)以Ｄ倍速率對(duì)ｘ（以）進(jìn)行抽取后得到的抽取序列ｘｏ（ｍ）之取樣率為Ｚ／Ｄ，其無(wú)模糊帶寬為Ｚ／（２Ｄ），當(dāng)ｘ０）含有大于Ｚ／（２Ｄ）的頻率分量時(shí)，ｘｏ（ｍ）就會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊，導(dǎo)致＆ｘｏ（ｍ）中無(wú)法恢復(fù)ｘ（ｎ）中小于，／（２Ｄ）的頻率分量信號(hào)。抽取前后的頻譜結(jié)構(gòu)變化如圖２．７所示：圖２．７抽取前后（Ｄ＝２）的頻譜結(jié)構(gòu)（混疊）Ｆｉｇ．２．７ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄａｆｔｅｒ（Ｄ＝－２）ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ（ａｌｉａｓｉｎｇ）第２章軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)由圖２．７可見(jiàn)，抽取后的頻譜Ｘ。（Ｐ加）產(chǎn)生了嚴(yán)重混疊，使得從ＸＤ（Ｐ加）中已無(wú)法恢復(fù)出Ｘ（ｅ一）中所感興趣的信號(hào)頻譜分量。但是如果首先用以數(shù)字濾波器（濾波器帶寬為萬(wàn)／Ｄ）對(duì)Ｘ（ｅⅣ）進(jìn)行濾波，使Ｘ（ｅ加）中只含有小于ａｉＤ的頻譜分量，再進(jìn)行Ｄ倍抽取，則抽取后的頻譜不會(huì)發(fā)生混疊，如圖２．８所示。妒）圖２．８抽?。ǎ梗剑玻┣昂蟮念l譜結(jié)構(gòu)（無(wú)混疊）Ｆｉｇ．２．８ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｔｍｃｔｌｕ弓ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄａｆｉ，既－（Ｄ＝２）ｅｘｌｒａｃｔｉｏｎ（ｎｏ ａｌｉａｓｉｎｇ）通過(guò)以上分析可得出一個(gè)完整的Ｄ倍抽取器結(jié)構(gòu)如圖２．９所示：圖中％（Ｐ加）為其帶寬小于萬(wàn)／Ｄ的低通濾波器。Ⅺ卜１亞卜（習(xí)一啪圖２．９完整的抽取器方框圖Ｆｉｇ．２．９ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ（２）整數(shù)倍內(nèi)插：所謂整數(shù)倍內(nèi)插就是指在兩個(gè)原始抽樣點(diǎn)之間插Ａ（Ｉ．１）個(gè)零軟件無(wú)線電下ＧＭＳＫ調(diào)制解調(diào)的研究與實(shí)現(xiàn)值，若設(shè)原始抽樣序列為ｘＯ），則內(nèi)插后的序列而（聊）為：ｘ（孕），（，竹＝Ｏ。177。１。士２Ｉ…）ｘ，（ｍ）＝｛ｏ．妻他）（２．３）下面看內(nèi)插的信號(hào)頻譜墨（Ｐｐ）與原始譜Ｘ（ｅ一）之間的關(guān)系，由于＿（聊）除了ｍ為Ｉ的整數(shù)倍處為ｘ（ｙ－）ｙＶ，其余都為零，所以有：Ｘ心）＝∑ｘ（ｍ）ｚ１７＝Ｘ（ｚ７）將ｚ＝ｅｊｗ帶入式（２．４）可得內(nèi)插后的信號(hào)頻譜為：Ｘ。（∥）＝Ｘ（∥）（２．４）（２．５）內(nèi)插后的信號(hào)譜為原始序列譜經(jīng)Ｉ倍壓縮后得到的譜。內(nèi)插前后的頻譜結(jié)構(gòu)圖如圖２．１０所示：Ｊ又（∥）（ａ）原始譜＼／、／弋 ／＼／＼／．Ｊ １ＸＩ（Ｐ∥）（ｂ）內(nèi)插后｛／／名． △／＼／＼／＼Ｊ‘ｘ：（擴(kuò)）。（ｃ）濾波后＼＼噲金／＼／＼．圖２．１０內(nèi)插（Ｉ＝２）前后頻譜結(jié)構(gòu)圖Ｆｉｇ．２．１ ０ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄａｆｔｅｒ（Ｉ＝２１ Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ圖２．１０給出了內(nèi)插前后的頻譜結(jié)構(gòu)，可以看出內(nèi)插后未經(jīng)濾波的頻譜圖中第２章軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)置０一）不僅含有Ｘ（ｅ一）的基帶分量，而且還含有其頻率大于ｙｒ／Ｉ的高頻成分（稱其為Ｘ（ｅ加）的高頻鏡像），為－Ｊ＇９，五（Ｐｐ）中恢復(fù)原始譜，則必須對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波（濾波帶寬為７ｒ／Ｉ）。圖２．１１給出了一個(gè)完整的Ｉ倍內(nèi)插器結(jié)構(gòu)。ｘｃＰｐ卜葉［［卜怔習(xí)一ｘ沁ｐ，圖２．１１內(nèi)插器方框圖Ｆｉｇ．２．１ １ Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ（３）采樣率變換的多級(jí)實(shí)現(xiàn)：當(dāng)采用上述討論的Ｄ倍抽取或Ｉ倍內(nèi)插進(jìn)行采樣率變換時(shí)，若采用單級(jí)實(shí)現(xiàn)時(shí)，所需的低通濾波器階數(shù)將非常高，乃至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。設(shè)采樣速率為Ｚ＝１００ＭＨｚ，抽取倍數(shù)Ｄ為５００，信號(hào)帶寬為５０ｋＨｚ，單級(jí)實(shí)現(xiàn)時(shí)所需的低通濾波器特性如圖２．１２所示。５０１００ｆ／ｍｚ圖２．１２單級(jí)實(shí)現(xiàn)時(shí)的濾波器特性Ｆｉｇ．２．１２ Ｆｉｌｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ要求阻帶衰減小于０．００１，則當(dāng)采用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)此濾波器時(shí)所需的濾波階數(shù)Ｎ為：（２．６）代入可得單級(jí)實(shí)現(xiàn)時(shí)濾波器階數(shù)Ｎ＝７２５０，這樣高階數(shù)的濾波器實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常困難的。解決這一問(wèn)題的方法是采用多級(jí)實(shí)現(xiàn)，上述抽取采用兩級(jí)抽取倍數(shù)分Ⅳ＝號(hào)羔３６ Ａ竺ｆ川１４．一軟件無(wú)線電下ＧＭＳＫ調(diào)制解調(diào)的研究與實(shí)現(xiàn)別為Ｄｌ＝５０，Ｄｅ＝１０（Ｄ＝ｑ皿）的方法，每一級(jí)的濾波器特性如圖２．１３所示，代入式（２．６）Ⅱ－ｆｆＪ＂得到兩個(gè)濾波器的階數(shù)分別為：Ｍ＝４２７，Ｍ＝１６３，可見(jiàn)分級(jí)抽取后，濾波器的階數(shù)大為減小，同樣對(duì)分級(jí)內(nèi)插也可以達(dá)到相同的效果，所以當(dāng)采樣率轉(zhuǎn)換倍數(shù)較高時(shí)，采用多級(jí)實(shí)現(xiàn)無(wú)疑是一種非常好的設(shè)計(jì)思路。５０１０００，／ｊ ｌ／ｋＨｚ圖２．１３多級(jí)實(shí)現(xiàn)時(shí)的濾波器特性Ｆｉｇ．２．１ ３ Ｆｉｌｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ２．３軟件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù)２．３．１寬帶／多頻段天線技術(shù)