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1、数字信号处理技术在软件无线电中的应用夏 牧 [摘要]:初步探讨了宽带A/D变换、数字中频处理和高速DSP等现代数字信号处理技术在软件无线电中的应用,根据器件的技术水平给出了具体的实现框图。 [关键词]:软件无线电;数字信号处理;A/D变换;DSP;数字下变频0 引 言 软件无线电(SoftwareRadio)是近几年才提出的一种新的无线通信体系结构,其基本思想是把硬件作为无线通信的基本平台,而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。从软件无线电的技术实现来看,核心是在数字领域通过软件来实现各种无线通信
2、功能。因此,决定性的步骤就在于将A/D,D/A变换器尽量向射频端靠拢,从目前的技术发展水平来看,应用宽带或多频段天线,将整个中频频段作A/D变换,中频之后的整个处理都用通用可编程数字器件和软件来实现,原理如图1所示。 可看出:这样一个系统中,数字信号处理部分是非常关键的,这就对高速A/D变换器,高速DSP和数字中频处理以及CPU等从设计到实现等诸环节都提出了很高要求,下面分别讨论。1 A/D部分 软件无线电接收的射频信号经射频前端的处理后,变成宽带中频信号。从现有的技术和器件水平来看,只能在中频对模拟射频
3、信号进行量化处理,使之成为数字信号,这样一来,对A/D变换器的要求主要是采样速率和采样位数。 采样速率主要由信号带宽决定,2倍于信号带宽的采样速率只有理论意义,一般实用中至少应大于2.5倍的信号带宽。采样速率高,会带来额外的信噪比增益,参考文献[1]中指出:SNR=6.02B+1.76+10lg(fs/2fmax),其中:fs是采样速率,B是量化比特位数,fmax为信号的最高频率。可见在B一定的情况下,fs每增加一倍,能带来3dB的SNB增益。当然fs也不能太高,因为还必须考虑到采样后系统和A/D变换器的处理
4、能力。A/D变换器的位数则必须满足一定的动态范围要求及数字处理部分的精度要求,表1给出了目前用于通信领域的几种A/D转换器的主要技术指标,从中可以看出:一般80dB的动态范围,分辨率不小于12位。 软件无线电在中频段对信号进行A/D转换,要求动态范围应在60～80dB之间,因此,AD9042和AD6640比较合适,它们在宽带接收机中的典型应用如图2所示。 AD6640是为宽带和多信道数字无线接收机而推出的12bit中频快速采样ADC,其温度范围为-40～185℃。 AD6640的高采样速率为“软件无线电
5、”提供了新的机遇,采用一个ADC将整个输入频段内的信号数字化,使设计者能够用一个宽带、多信道采样器来取代多个模拟前端。AD6640的应用范围十分广泛,从CDMA,GSM及第3代移动通信系统蜂窝/PCS基站接收机到GPS抗干扰接收机,相位阵接收机和其它类型的话音和数字通信接收机都可采用AD6640芯片作为ADC。 D6640芯片可提供高达65MSPS的采样速率,80dB的SF-DR,它的所有差分模拟输入阶段具有300MHz输入带宽特征,直接采样的中频频率可高达70MHz(多信道时)和200MHz(单道信时)。
6、 AD6640的功能模块图如图3所示。由图3可以看出ADC所有需要的功能,包括输入缓冲,跟踪保持放大,数字纠错以及2.4V参考电压都由芯片来提供。 采用AD6640芯片作为一个典型宽带无线接收机的ADC将简化接收机子系统的设计。其模块图如图4所示。该模块包括宽带IF滤波、放大、ADC、锁定、分信道和DSP接口。2 数字下变频部分 数字下变频(DDC)是A/D变换后首先要完成的处理工作,包括数字下变频、滤波和二次采样。一般认为要进行较好的滤波处理,需要每采样点100次操作,对于一个系统带宽为10MHz的系统,
7、采样率大于25MHz,这就需要2500MIPS的运算能力,即使用并行处理算法,也需要多个高性能DSP。从现有关于软件无线电的文献中,都认为以现有DSP的水平,将这部分工作交由专用可编程芯片来完成是合适的,如美国“Speakeasy”软件无线电中使用Harris公司的DDC芯片HSP50016。 HSP50016的最大输入速率为52MSPS,16bit数据输入,能提供大于102dB的无失真动态范围(SFDR),通带波纹小于0.04dB,阻带衰减大于104dB,二次采样率从64～131072,能方便地通过改变各种
8、控制参数来改变信道的中心频率、带宽和二次采样率,图5给出了HSP50016的结构框图。 HSP50016用于下变频的频谱原理见图6,设DDC的输入信号为X(n)=cos(ωkn),正交正弦信号发生器的信号为e-jωcn,则相乘结果为:U(n)=X(n).e-jωcn=X(n)[cos(ωcn)-jsin(ωcn)]=12[cos(ωk-ωc)n+cos(ωk+ωc)n
