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第四章_软件无线电的硬件实现.ppt

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第四章 软件无线电的硬件实现,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,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。,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。,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。,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。,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,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:50Ω 滤波器通带带觉:中心频率的2%一5%;,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),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:,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。,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: ΔG=±(Gmax-Gmin)/2 dB,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ΔG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,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,输入/输出驻波比:微波放大器通常设计或用于50Ω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(50Ω)的匹配程度。VSWR = (1 + |Γ| ) / (1-|Г| ) ; 其中反射系数Γ= ( 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,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,,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,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):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)-2IP3,4.1.3 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。,4.2 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。,4.2.1 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转换器原理,ADC工作过程与结构,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),4.2.3 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,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P112-115 常见的AD转换器件的结构。,A/D转换器的选择,4.2.4 数据采集模块的设计(略),参见书P115-118各部分电路的设计。,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,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。,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。,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,DDC的组成部分:数字控制振荡器的原理,参见书P123-126。典型的数字下变频器,参见书P125-137。 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,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),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,TI公司的TMS320C24x系列,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TMS320C62xx/67xx系列,,
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