【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）高速中頻采樣和數(shù)字下變頻的研究-信號(hào)與系統(tǒng)博士論文

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 摘 要 隨著數(shù)模轉(zhuǎn)換器硬件的快速發(fā)展和 理能力及處理速度的逐步提高，軟件無(wú)線電技術(shù)在商用和軍用無(wú)線電通信領(lǐng)域也越來(lái)越顯示出其強(qiáng)大的吸引力。本文研究的高速中頻采樣和數(shù)字下變頻技術(shù)是目前蓬勃發(fā)展的軟件無(wú)線電領(lǐng)域的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 在論文的第一章介紹了軟件無(wú)線電的概念及其由來(lái)、軟件無(wú)線電的基本結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)。隨后，總結(jié)了軟件無(wú)線電中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即信號(hào)的干擾、寬帶射頻天線、寬帶 A/D/A、高速數(shù)字信號(hào)處理和高速總線和高速 I/O 接口；概括了 A/D 轉(zhuǎn)換器在無(wú)線電接收機(jī)中的應(yīng)用；并介紹了無(wú)線電接收機(jī)中的各種采 樣方式：奈奎斯特采樣、過(guò)采樣、正交采樣和帶通采樣。又從正確接收信號(hào)的角度出發(fā)，分析了用抗混疊濾波器濾除帶外能量，并且討論了量化噪聲、諧波失真和接收機(jī)噪聲之間的關(guān)系。最后，介紹了數(shù)字接收機(jī)的基本原理，并重點(diǎn)介紹了其中的數(shù)字下變頻部分，還比較了幾種不同的數(shù)字下變頻芯片并對(duì)數(shù)字下變頻作一簡(jiǎn)單總結(jié)。 第二章從量化器的基本原理出發(fā)，分析了量化過(guò)程和 輸入 /輸出特性曲線，進(jìn)而推導(dǎo)出 量化噪聲、信噪比和有效位數(shù)。接著從 傳遞函數(shù)的角度出發(fā)，定義了 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是衡量高速高精度 重要指標(biāo)，所以，本章還重點(diǎn)介紹了 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。最后，分析了 孔徑時(shí)間和孔徑誤差，由此推出孔徑抖動(dòng)對(duì)能（主要是 影響。 第三章介紹了數(shù)字頻譜分析方法，分析了相干采樣和非相干采樣，由此提出用加窗的方法改善頻譜的泄漏。此外，還探討了如何選擇合適的信號(hào)記錄長(zhǎng)度以及采樣頻率和輸入信號(hào)頻率。最后，推導(dǎo)了各項(xiàng) 標(biāo)的計(jì)算公式、譜平均算法，并對(duì)幾種常見(jiàn)的信噪比公式進(jìn)行了說(shuō)明。 第四章是本文重要的一章。它回顧了 的應(yīng)用和發(fā)展歷史，分析了理想量化、相干采樣和 非線性 特性引起的諧波失真。接著介紹了 三種形式及其應(yīng)用方法，在分析諧波失真的基礎(chǔ)上，分析了 能的影響，指出 改善因理想量化、相干采樣和 非線性特性而造成的諧波失真，并對(duì)改善的機(jī)理作了說(shuō)明。最后，列舉了多種產(chǎn)生 號(hào)的方法和電路。 第五章是關(guān)于 性能仿真。在這一章里，首先分析了高速高精度 結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上建立了一個(gè) 數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)這個(gè)模型開(kāi)發(fā)了一個(gè) 真軟件。隨后，運(yùn)用這個(gè)仿真系統(tǒng)仿真了白噪聲、窄帶 時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì) 能 指標(biāo)的影響。仿真結(jié)果表明：以對(duì)理想量化、相干采樣和 非線性特性而造成的諧波失真有良好的改善作用。 第六章探討了高速中頻采樣電路的設(shè)計(jì)，這也是本文中重要的一章。本章首先比較了各種高性能的中頻采樣芯片，并特別介紹了 片。針對(duì)這些高性能的 片，提出了各種模擬輸入信號(hào)和采樣時(shí)鐘的耦合方法。這一章還介紹了 出數(shù)據(jù)接口電路的設(shè)計(jì)考慮。最后，介紹了兩種用于分析研究高性能 電路設(shè)計(jì)，并對(duì) 布局和走線進(jìn)行了說(shuō)明。 第 七章是對(duì)高性能 A/D 轉(zhuǎn)換器 測(cè)試和結(jié)果測(cè)試分析。本章節(jié)介紹了測(cè)試基本框架結(jié)構(gòu)和測(cè)試必須具備的基本條件。隨后，測(cè)試了不同輸入頻率、不同采樣頻率、不同 同模擬供電電壓等多種情況下 性能指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明了各種條件下的 時(shí)驗(yàn)證了 仿真結(jié)果。在本章的最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。 第八章從理論上分析了數(shù)字下變頻中的數(shù)控振蕩器和數(shù)字濾波器，導(dǎo)出了 波器的頻率響應(yīng)，提出了 波器的設(shè)計(jì)方法。最后，介紹了一種在數(shù)字下變頻中常用的一種特殊的 波器 波器。 第九章介紹了數(shù)字下變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本章首先介紹了常用的數(shù)字下變頻芯片，并對(duì) 了重點(diǎn)介紹。之后，介紹了一個(gè)基于 于雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)字復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)分析了 字接收器電路板。最后，介紹了用 設(shè)計(jì)數(shù)字下變頻芯片的方法，并提出了一個(gè)基于 數(shù)字下變頻系統(tǒng)方案。 第十章從 解調(diào)的傳輸函數(shù)出發(fā)，介紹了數(shù)字 I/Q 復(fù)解調(diào)的測(cè)試原理和測(cè)試方法，說(shuō)明并推導(dǎo)了專門用于測(cè)試 I/Q 復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的三個(gè)基本參數(shù)：幅度誤差、相位誤差和鏡像 抑制比。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 利用測(cè)試公式對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)字復(fù)解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的數(shù)字復(fù)解調(diào)板達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，超過(guò)了合同的要求。 在最后的附錄里介紹了一些非均勻量化方法。盡管目前的技術(shù)還不能用這些方法來(lái)制造出高速的中頻采樣芯片，然而這些非線性壓縮算法在理論上的確能大大地改 性能指標(biāo)，特別是 標(biāo)。這對(duì)無(wú)線電接收機(jī)來(lái)說(shuō)是非常有意義的。這種技術(shù)必將被新一代 片所采用。 國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 As in of of a be or in in of in of is In a of of of of as F , , of of At of At of we of we on of of , we of in , we is In is to FT of of in we s We at of is an of , NL , we of , NL , we up a , s we 國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 by NL , we In we of as as of s I/O is of CB is is At we At we In we By IR we IR In we a IR is in of We we of in At we a IR we a of In we by , , is to F F t be in F A/D be in F F 目 錄 致謝 .要 . . 4 第一章 緒 論 一節(jié) 軟件無(wú)線電及其關(guān)鍵技術(shù) .二節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換器及其在無(wú)線電接收機(jī)中的應(yīng)用 . .三節(jié) 無(wú)線電接收機(jī)中的 數(shù)字下變頻 二章 A/D 變換器的性能與性能指標(biāo) 國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 第一節(jié) 信號(hào)的量化與量化噪聲 . 21 第二節(jié) 性能指標(biāo) 27 第三節(jié) 孔徑時(shí)間、孔徑時(shí)間晃動(dòng)及其對(duì) 度的影響 36 第三章 數(shù)字頻譜分析 .一節(jié) 數(shù)字頻譜法的基本流程 二節(jié) 數(shù)字頻譜分析的基礎(chǔ) 三節(jié) 窗函數(shù) 45 第四節(jié) 選擇合適的記錄長(zhǎng)度 M 五節(jié) 采樣頻率與信號(hào)頻率的選擇 六節(jié) 數(shù)字頻譜分析 51 第七節(jié) 譜平均 53 第八節(jié) 幾種“信噪比”與有效位公式的說(shuō)明 56 第四章 原理及其在 的應(yīng)用 58 第一節(jié) 號(hào)在 的運(yùn)用和發(fā)展歷史 58 第二節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的噪聲和失真 59 第三節(jié) 術(shù)及其應(yīng)用 65 第四節(jié) 實(shí)現(xiàn) 具體電路 74 第五章 能仿真 77 第一節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換器的模型 77 第二節(jié) 真系統(tǒng) 三節(jié) 真結(jié)果 79 第四節(jié) 仿真結(jié)果總結(jié) 86 第五節(jié) 仿真結(jié)果分析 86 第六章 中頻采樣電路的設(shè)計(jì) 87 第一節(jié) 高速高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器 87 第二節(jié) 模擬信號(hào)和采樣時(shí)鐘的耦合方式 88 第三節(jié) 號(hào)的發(fā)生電路和接入方法 93 第四節(jié) 數(shù)字輸出信號(hào)的鎖定和驅(qū)動(dòng) 五節(jié) 用于 能測(cè)試的數(shù)字輸出接口板 六節(jié) 97 第七節(jié) 布局和走線的考慮 七章 高速高精度 測(cè)試結(jié)果 99 第一節(jié) 測(cè)試條件 二節(jié) 基本測(cè)試結(jié)果 101 第三節(jié) 加入 的測(cè)試結(jié)果 103 第四節(jié) 采樣頻率對(duì) 標(biāo)的影響 104 第五節(jié) 輸入信號(hào)頻率對(duì) 標(biāo)的影響 105 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 第六節(jié) 電源電壓對(duì) 標(biāo)的影響 106 第七節(jié) 輸入信號(hào)幅度對(duì) 能的影響 106 第八節(jié) 時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì) 能的影響 107 第九節(jié) 音互調(diào)的測(cè)試 107 第十節(jié) 前端電路對(duì) 標(biāo)的影響 108 第十一節(jié) 測(cè)試結(jié)果分析 108 第八章 數(shù)控振蕩器與數(shù)字濾波器 111 第一節(jié) 數(shù)控振蕩器 111 第二節(jié) 線性相位 波器 112 第三節(jié) 波器 122 第九章 數(shù)字下變頻的設(shè)計(jì) 125 第一節(jié) 主要的數(shù)字下變頻芯片 125 第二節(jié) 數(shù)字 I、 Q 復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 130 第十章 數(shù)字 I、 Q 復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的測(cè)試 134 第一節(jié) 測(cè)試原理 134 第二節(jié) 實(shí)際數(shù)字 I/Q 復(fù)解調(diào)系統(tǒng)的測(cè)試 138 結(jié)束語(yǔ) 141 附 錄 無(wú)線電 號(hào)模數(shù)變換中潛在的技術(shù)和方法 143 1 均勻量化 143 2. 率量化 144 3. 自適應(yīng)量化技術(shù) 146 4. 差分量化技術(shù) 147 參考文獻(xiàn) 150 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 153 第一章 緒 論 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 本文研究的高速中頻采樣和數(shù)字下變頻技術(shù)是目前蓬勃發(fā)展的軟件無(wú)線電領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在本章中將介紹軟件無(wú)線電及其關(guān)鍵技術(shù)、無(wú)線電接收機(jī)中的 A/D 變換器和數(shù)字下變頻的基本原理。 第一節(jié) 軟件無(wú)線電及其關(guān)鍵技術(shù) 軟件無(wú)線電最初是在軍事通信中提出來(lái)的。未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的指揮自動(dòng)化體系要求通信保障具備協(xié)同、機(jī)動(dòng)、保密、抗干擾和抗毀五種能力，而現(xiàn)在的無(wú)線電臺(tái)都是根據(jù)特定的用途進(jìn)行設(shè)計(jì)的，存在著工作頻段、調(diào)制方式的差異，導(dǎo)致不同部隊(duì)以及同一部隊(duì)內(nèi)部不同軍事目的的電臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)互通，形成了軍事 通信裝備品種雜、系列多、互通差、協(xié)同難的局面，很難適應(yīng)未來(lái)海、陸、空三軍一體化作戰(zhàn)的需要。美國(guó)在 1991 年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中也遇到同樣的問(wèn)題，于是在戰(zhàn)后美國(guó)軍方和民間通信科技人員開(kāi)始研究解決辦法。 1992 年 5 月， 美國(guó)國(guó)家遠(yuǎn)程系統(tǒng)會(huì)議上首次提出了“ 概念。希望用這種新技術(shù)來(lái)解決三軍無(wú)線電電臺(tái)多頻段、多工作方式的互通問(wèn)題，并得到美國(guó)軍方的一致認(rèn)可。 在民用方面，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的通信體制與標(biāo)準(zhǔn)不斷提出，通信產(chǎn)品的生存周期減小，開(kāi)發(fā)費(fèi)用上升，導(dǎo)致以硬件為基礎(chǔ) 的傳統(tǒng)通信體無(wú)法適應(yīng)這種新局面。同時(shí)，不同的體制間互通的要求日趨強(qiáng)烈，并且隨著通信業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，無(wú)線頻譜變得越來(lái)越擠，對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻帶利用率及抗干擾能力提出了更高的要求。但是，沿著現(xiàn)有通信體制的發(fā)展，很難對(duì)頻帶重新規(guī)劃。同時(shí)，若采用新的抗干擾方法，也要求對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做出很大的調(diào)整，代價(jià)很大。而軟件無(wú)線電則提供了一種很好的解決方案。 軟件無(wú)線電的基本思想是以硬件作為其通用的基本平臺(tái)，把盡可能多的無(wú)線及個(gè)人通信功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。從而將無(wú)線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)逐步轉(zhuǎn)移到軟件上來(lái)，其產(chǎn)值也在軟件上體現(xiàn)出 來(lái)。其最終目的是使通信系統(tǒng)擺脫硬件布線結(jié)構(gòu)的束縛，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)通用和穩(wěn)定的情況下，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，使系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)都非常方便、代價(jià)小，同時(shí)不同系統(tǒng)之間很容易互連與兼容。 1件無(wú)線電的基本結(jié)構(gòu) 理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1示。軟件無(wú)線電的工作過(guò)程是在射頻 (中頻 ( 寬帶 / 多頻段天線射頻部分A / D / 下數(shù)字變換器高速 D S S 速處理段低速處理段語(yǔ)音圖 1理想的軟件無(wú)線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，通過(guò)軟件編程來(lái)靈活實(shí)現(xiàn)各種寬帶數(shù)字濾波、直接數(shù)字頻率合成、數(shù)字下變頻、調(diào)制解調(diào)、差錯(cuò)編碼、信令控制、信源編 碼及加解密功能。在接收時(shí)，來(lái)自天線的信號(hào)經(jīng)過(guò) 理和變換，由寬帶 A/D 數(shù)字化，然后通過(guò)可編程數(shù)字信號(hào)處理器（ 塊實(shí)現(xiàn)所需的各種信號(hào)處理，并將處理后數(shù)據(jù)送至多功能用戶終端；同樣，在發(fā)送時(shí)，通過(guò)類似接收信號(hào)處理的流程將數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)射出去。利用在線和離線軟件，可以實(shí)現(xiàn)通信環(huán)境的分析、管理以及業(yè)務(wù)和性能的升級(jí)。 軟件無(wú)線電技術(shù)的主要特點(diǎn)是： 靈活性：工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號(hào)接入方式和可編程調(diào)制方式等。所以可任意更換信道接入方式，改變調(diào)制方式或接收不同系統(tǒng)的信號(hào)；可通過(guò)軟件工 具來(lái)擴(kuò)展業(yè)務(wù)、分析無(wú)線通信環(huán)境、定義所需增強(qiáng)的業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)環(huán)境測(cè)試，升級(jí)便捷。 集中性：多個(gè)信道享有共同的射頻前端與寬帶 A/D/A 變換器以獲取每一信道的相對(duì)廉價(jià)的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 信號(hào)處理性能。 模塊化：模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標(biāo)符合開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，在硬件技術(shù)發(fā)展時(shí)，允許更換單個(gè)模塊，從而使軟件無(wú)線電保持較長(zhǎng)的使用壽命。 1件無(wú)線電的關(guān)鍵技術(shù) （ 1） 信號(hào)干擾 由于射頻信號(hào)頻率高達(dá)幾個(gè) 使是中頻頻段的處理也達(dá)幾十 此，信號(hào)的干擾是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。現(xiàn)有系統(tǒng)所用的 線、基于 總線或 口，其抗干擾能力遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。為此，在靠近天線的 應(yīng)該采取信號(hào)隔離和屏蔽措施。此頻段的抗干擾若未處理好，則系統(tǒng)根本無(wú)法工作。在 段，除了選擇高質(zhì)量抗干擾力強(qiáng)的元件之外，更需要規(guī)劃好元件的布局和電路布線。總之，軟件無(wú)線電中的抗干擾技術(shù)應(yīng)該引起大家的注意，值得花大力氣來(lái)研究該領(lǐng)域中的特種抗干擾技術(shù)。 （ 2） 寬帶射頻天線 根據(jù)軟件無(wú)線電的概念，天線接收的信號(hào)應(yīng)該能夠橫跨 1 3頻段（例如 2 2洲 用 100考慮到天線的物理尺寸和增益等因素，這種寬帶天線（跨 3000 倍頻程）也許將來(lái)也不能實(shí)現(xiàn)。但現(xiàn)在需要這樣的天線，可以采用組合式多頻段天線。雖然各個(gè)頻段的天線所跨的頻程不寬，但組合起來(lái)可以形成寬頻帶。而且，各個(gè)頻段的天線可以各自獨(dú)立地調(diào)節(jié)增益、信噪比等參數(shù)。 （ 3） 寬帶 A/D/A 真正的軟件無(wú)線電能直接對(duì) 的信號(hào)進(jìn)行處理。因此，希望 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器能直接置于天線端，射頻信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送數(shù)字信號(hào)處理部分。根據(jù) 率和奈奎斯特采樣定理，要直接射頻采樣， 最高采樣速率 至少為 6然有報(bào)道中提到有采樣速率為 8s 的 是，其分辨率還是比較低，為 8 位?？梢?jiàn)，目前無(wú)論是低分辨率還是高分辨率的 無(wú)法達(dá)到直接射頻采樣。如果考慮 信噪比 偽波動(dòng)態(tài)范圍 互調(diào)失真 因素，就更無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接射頻采樣（特別是高分辨率的 信噪比 公式如下： )2/(lo a R s（ 1 式（ 1， B 為 位數(shù)， 采樣頻率。要獲得高信噪比 就必須提高速率。 可以采用三種來(lái)解決 問(wèn)題。一是使用高速低分辨的 片，并聯(lián)連接。這樣，既利用了低分辨率 轉(zhuǎn)換速度，同時(shí)又達(dá)到了轉(zhuǎn)換精度的要求。二是在天線端，連接射頻前端，將信號(hào)速度降低到 夠達(dá)到的范圍。三是利用帶通濾波劃分頻帶，對(duì)于感興趣的頻段利用帶通采樣原理降低采樣頻率。后兩種方法使得軟件無(wú)線電系統(tǒng)的“軟件化”程度有所降低。要徹底解決這個(gè)問(wèn)題，還有待于硬件技術(shù)的突破。 （ 4） 高速數(shù)字信號(hào)處理 要合理地構(gòu)建軟件無(wú)線電硬件系統(tǒng)，就需要預(yù)先估計(jì)系統(tǒng)所需要的資源。它包括：數(shù)字信號(hào)處理能 力、存儲(chǔ)容量及存儲(chǔ)類型分配、 I/O 處理能力等。其中的數(shù)字信號(hào)處理能力顯得尤為重要，它是構(gòu)建整體系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而，數(shù)字信號(hào)處理能力的計(jì)算又與許多因素有關(guān)，難以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。假定數(shù)字信號(hào)處理可從中頻開(kāi)始，依次處理基帶、比特流和信源段，可得信號(hào)處理需求為： )(（ 1 式（ 1， F 段處理的需求； N 是同時(shí)訪問(wèn)該節(jié)點(diǎn)的最大可能用戶數(shù)； 基帶需求； 比特流處理需求； 信源段需求； 最后 管理開(kāi)銷，它與信令系統(tǒng)、無(wú)線訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)等因素有關(guān)。 假定是 窩移動(dòng)系統(tǒng)，其頻率為 25采樣的速率為 62 度為 10 比特，則單是此項(xiàng)的速率就達(dá)到 625前的數(shù)字信號(hào)處理器的速率如表 1示。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 表 1分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理器的主要性能指標(biāo) 制造商 型 號(hào) 速 度 位 數(shù) 片內(nèi) 格 (00200/502 4K8K8270430 004 2048024 600$612 002 2K K 50 由此可見(jiàn)，雖然 司的 片速度能達(dá)到要求，但若將中頻以后的處理需求也包括進(jìn)來(lái)的話，則也需注意其處理能力。其他 片顯然不能直 接對(duì)此頻段進(jìn)行處理。對(duì)此，可在系統(tǒng)中先使用信道隔離器和頻率變換器以及專用芯片對(duì)中頻段進(jìn)行處理。對(duì)于中頻段以下各段，能滿足要求的 片就更多些。但是，當(dāng)把多個(gè)用戶的信號(hào)流復(fù)接到單片 片時(shí)，應(yīng)該注意其存儲(chǔ)器緩沖能力、總線帶寬、 I/O 速度以及接口間的數(shù)據(jù)傳輸率。當(dāng)要照顧到系統(tǒng)的性能價(jià)格比時(shí)，可以采用多片 片并行處理的方法。例如， 采用 塊（ 4 片 成）來(lái)提高系統(tǒng)的處理能力。 （ 5）高速總線和高速 I/O 接口 系統(tǒng)的總線和 I/O 接口是軟件無(wú)線電硬件體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，系統(tǒng)的開(kāi)放性、靈活性、可重新配置能力和升級(jí)能力均與此有關(guān)。目前，由于 線是工業(yè)界開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、支持總線寬度 1664 位、有多達(dá) 21 個(gè)插槽供系統(tǒng)擴(kuò)展，有很多廠家支持，因此，軟件無(wú)線電系統(tǒng)多采用 線。 至于 I/O 接口，目前為人們所接受的是 口，一種通用的基于 線的 I/O 接口?？诘脑韴D如圖 1示。它包括 4 個(gè) 32 位寬 中 2 個(gè)用于緩沖 線 P C I - P C I 橋可配置 E E P R O I 控制器面 F I F 面 F I F 據(jù) F I F 據(jù) F I F I 總線圖 1口 和后臺(tái)總線的入 /出數(shù)據(jù)流，另外 2 個(gè) 用于保存總線主存儲(chǔ)器讀寫操作的頁(yè)面地址。圖中的用于電氣隔離， 容允許用戶更改、允許軟件重配置。 盡管 線和 口有其優(yōu)點(diǎn)，能支持現(xiàn)有的某些應(yīng)用，但它們并不是專為軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)的，因此，在軟件無(wú)線電中應(yīng)用必然存在其局限性。 口號(hào)稱達(dá)到830930傳輸率，但連續(xù)的數(shù)據(jù)速率卻達(dá)不到此指標(biāo)或不能保證此速率。這就可能產(chǎn)生I/O 間數(shù)據(jù)流的抖動(dòng)，對(duì)于有時(shí)間同步要求的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是不能容忍的。再如，軟件無(wú)線電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流速率可高達(dá)幾個(gè) 速率， 線結(jié)構(gòu)要達(dá)到如此高的速率是有困難的。另外， 口往往需要改造才能為特定的軟件無(wú)線電系統(tǒng)所應(yīng)用。況且，軟件無(wú)線電急需它自己的開(kāi)放的、可伸縮的、能軟件配置的通用高速總線和接口。這一步極其重要，一旦實(shí)現(xiàn)，必將對(duì)軟件無(wú)線電產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，大大促進(jìn)軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展。就象 一樣，一旦有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 了自己的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)功能的擴(kuò)展、配置的更改，只需增減符合接口標(biāo)準(zhǔn)的插件板或應(yīng)用軟件就行了。 由于軟件無(wú)線電中有許多關(guān)鍵的技術(shù)，本文不能一一加以討論。在本論文中將重點(diǎn)討論和研究在無(wú)線電接收機(jī)中所要用到的中頻采樣 數(shù)字下變 頻技術(shù)。 第二節(jié) A/D 轉(zhuǎn)換器及其在無(wú)線電接收機(jī)中的應(yīng)用 隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)許多更快、更便宜的硬件，使得傳統(tǒng)無(wú)線電接收機(jī)中的模擬方法被軟件和數(shù)字硬件所替代。無(wú)線電接收機(jī)的最終目標(biāo)是直接射頻采樣從而使整個(gè)接收機(jī)的功能由軟件或數(shù)字硬件來(lái)完成。接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和目標(biāo)是使數(shù)字化部件有更高的頻率和更寬的頻帶，從而更加靠近接收天線。這種接收機(jī)將廣泛應(yīng)用于蜂窩電話及其基站、個(gè)人通信系統(tǒng)（ 。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ 這種無(wú)線電接收機(jī)中的一個(gè)關(guān)鍵部件。圖 2示了 射頻 抗混疊濾波器采樣 / 保持 量化器 輸出緩沖時(shí)鐘模擬輸入 至數(shù)字信號(hào)處理器圖 2應(yīng)用 或中頻寬帶數(shù)字化中的應(yīng)用。 電路特性決定了 關(guān)鍵指標(biāo)，例如：采樣 /保持電路決定了 精度和線性；采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)將增加噪聲；量化器決定了 分辨率；輸出緩沖器決定了輸出速率等。 本節(jié)將討論在無(wú)線電接收機(jī)中 一些關(guān)鍵指標(biāo)，討論對(duì) 要求；實(shí)際 在的問(wèn)題及其局限性。 1樣方式和模擬濾波 對(duì)無(wú)線電接收機(jī)來(lái)說(shuō)，在射頻或中頻采樣中，采樣過(guò)程就是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。被采信號(hào)的內(nèi)容取決于采樣時(shí)鐘速率和模擬輸入通道的帶寬。常規(guī)的采樣技術(shù)是等間隔采樣，包括奈奎斯特 采樣；過(guò)采樣；正交采樣；帶通采樣（也被稱為欠采樣或下變換采樣）。非等間距采樣也存在，不過(guò)不在這里介紹（見(jiàn)附錄）。 當(dāng)一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)被均勻地采樣時(shí)， 原始信號(hào)的頻譜 F(f )按照采樣頻率的整數(shù)倍周期地重復(fù)。這是采樣的固有特性并且不可避免。這個(gè)現(xiàn)象由圖 1說(shuō)明。圖 1a)是原始信號(hào) F(f )的頻譜，圖 1b)是采樣后的頻譜 Fs(f )，這里采樣頻率 2信號(hào)帶寬 )。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 圖 1樣前及采樣后信號(hào)的頻譜 1奎斯特采樣 按照采樣定理，被采信號(hào)應(yīng)該是 一個(gè)有限帶寬的信號(hào)（信號(hào)的最大頻率分量為 ,采樣率至少是模擬信號(hào)帶寬的兩倍 2樣就確保原始信號(hào)可以由采樣信號(hào)重建。模擬信號(hào)最大頻率分量的兩倍采樣速率被稱為奈奎斯特采樣速率。圖 1b)顯示的是一個(gè)有限帶寬信號(hào)在奈奎斯特采樣頻率（ 的頻譜圖。請(qǐng)注意采樣后的頻譜 Fs(f)中的模擬信號(hào) F(f)的頻譜并不重疊。當(dāng)采樣頻率增大時(shí)，模擬信號(hào) F(f)的頻譜仍然重復(fù)地出現(xiàn)在采樣后的頻譜 Fs(f)中，而且相間的距離也增大，如圖 1c)所示。以大于或等于奈奎斯特采樣頻率來(lái)采樣一 個(gè)有限帶寬的信號(hào)就能確保頻譜重疊（也稱混疊、折疊）不會(huì)發(fā)生，確保原始模擬信號(hào)可以被重建。 1外能量 奈奎斯特采樣會(huì)帶來(lái)兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題：一是如何確定一個(gè)實(shí)際信號(hào)的頻率；二是在 加模擬濾波器。理論上一個(gè)有限帶寬信號(hào)定義為在某一頻率以上沒(méi)有頻率成分。而對(duì)于一個(gè)實(shí)際的信號(hào)，如無(wú)線電接收機(jī)的射頻輸入信號(hào)，它幾乎具有所有的頻率成分。確定所有的頻率成分中的有用部分是很重要的。實(shí)際上無(wú)用信號(hào)成分和有用信號(hào)成分相對(duì)幅度是重要的。在無(wú)線電接收機(jī)中當(dāng)以奈奎斯特頻率來(lái)采樣中頻或射頻信號(hào)時(shí)，無(wú)用信號(hào)（大于 1/2 采樣 頻率的成分）就會(huì)折疊到有用信號(hào)中從而使有用信號(hào)發(fā)生畸變，如圖 1示。圖 1a）顯示了具有無(wú)用和有用頻率成分的模擬信號(hào)頻譜。如果采樣頻率是有用信號(hào)最高頻率 兩倍，采樣后的信號(hào)頻譜如圖 1b)所示。注意這里發(fā)生了頻譜混疊，無(wú)用信號(hào)的頻譜折疊到有用信號(hào)的頻譜中，這就導(dǎo)致信號(hào)重建時(shí)的畸變。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文 高速中頻 采樣和數(shù)字下變頻的研究 圖 1號(hào)的頻譜 (a) 有用信號(hào)和無(wú)用信號(hào)的頻譜 (b)采樣率為 這一效應(yīng)提出了一個(gè)重要的問(wèn)題：超過(guò) 1/2 采樣頻率的信號(hào)幅度是多大時(shí)，由頻譜混疊產(chǎn)生的畸變超過(guò)由 線 性產(chǎn)生的畸變而主宰 性能？ 非線性會(huì)在 輸出頻譜中產(chǎn)生寄生響應(yīng)，當(dāng)混疊到奈奎斯特域（ 1/2 奈奎斯特采樣頻率）的頻率成分超過(guò)由線性產(chǎn)生的最大寄生響應(yīng)時(shí)，這是混疊畸變超過(guò)由 線性產(chǎn)生的畸變。所以，因混疊而出現(xiàn)在奈奎斯特域的無(wú)用信號(hào)必須小于最大的 線性畸變。換句話說(shuō)，對(duì) 出頻譜畸變的主要貢獻(xiàn)者應(yīng)該是 非線性而不是頻譜混疊。這是非?；镜囊??；诟鞣N無(wú)線電接收機(jī)的具體情況，這種要求容易被滿足。 要滿足這種要求就必須知道有用信號(hào)能容忍多大的畸變；奈奎斯特域的有 用信號(hào)和超過(guò)奈奎斯特域無(wú)用信號(hào)的頻率成分和帶寬是如何影響信號(hào)的畸變的。要回