軟件無線電中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

所謂軟件無線電,就是采用數(shù)字信號處理技術(shù),在可編程控制的應(yīng)用硬件平臺上,利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能:包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議全部由軟件編程來實現(xiàn)。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,盡早地完成信號的數(shù)字化,使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)?？傊?軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理(DSP)芯片,以軟件為核心的嶄新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)。既然要采用數(shù)字技術(shù),必不可少的器件就是要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器,而A/D/A在軟件無線電中的位置是非常關(guān)鍵的,它直接影響到軟件無線電的軟件化程度。

1 轉(zhuǎn)換器(A/D、D/A)的位置

目前轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用選擇方式有三種,即基帶(Baseband)、中頻(IF)和射頻(RF)。

1.1 基帶數(shù)字化

傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)是一種模擬和數(shù)字電路相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖1所示),在這種接收機(jī)結(jié)構(gòu)中,它的前端全部采用模擬信號,混頻器在RF級接收已調(diào)載波并下變頻到一中頻。與RF相比,在IF級更容易制作廉價濾波器電路,以衰減不需要的信號和混頻分量及噪聲。這時的RF級混頻器需要一個可變頻率振蕩器(VFO),可調(diào)整其頻率使之調(diào)諧于有用信號,而IF級的混頻器則需要一個固定頻率振蕩器。對模擬信號的數(shù)字化采樣處理僅僅是在基帶部分采用A/D/A,然后再用DSP進(jìn)行數(shù)字處理。

這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)比較成熟,模擬低損耗的RF器件和IF器件比較容易實現(xiàn)。但接收支路的動態(tài)范圍大,為了滿足整個系統(tǒng)的指標(biāo),要在接收支路設(shè)置AGC電路,來控制接收機(jī)的動態(tài)范圍。這樣一來,就對AGC電路的響應(yīng)速度提出了較高的要求,其速度必須適應(yīng)每個時隙的要求。另外,電路受元器件老化和溫度的影響,造成性能的變化,也是不可忽視的。而且,這種設(shè)計把整個接收鏈路只用于一個解調(diào)信號或信道,如果要增加一路載波,就要添加一整套相同的從RF變換到基帶的設(shè)備,代價很大。因此,在軟件無線電中,不采用這種電路結(jié)構(gòu)形式。

1.2 中頻數(shù)字化

現(xiàn)在的A/D變換器已足以在中頻(IF)對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化,如圖2所示。此時,由于LO(本地振蕩器)輸出一個固定頻率,不需要調(diào)諧IF混頻器,從而使電路更簡單。

目前,已經(jīng)出現(xiàn)了一些在IF能使多個信道的信號實現(xiàn)數(shù)字化的A/D變換器,這給必須同時處理多個信道的接收機(jī)(如基站)帶來了極大的好處。因為數(shù)字化的IF中包含了來自所有相關(guān)信道的信息,只需要一個RF前端,體現(xiàn)了軟件無線電的通用性。由圖2可以看出,把寬帶數(shù)字化信號直接送入到DSP中,并用軟件實現(xiàn)其后的所有其它功能(如調(diào)制、解調(diào)、編/解碼、加/解密等)。由于DSP可以用軟件來調(diào)整和更新,從而可以適應(yīng)不同的空中信號接口標(biāo)準(zhǔn)以及今后的技術(shù)更新,擺脫了更新硬件結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計。

從目前的技術(shù)能力來看,從高速、高分辯率的A/D獲得數(shù)據(jù)后,再用DSP處理來完成所有的處理任務(wù)是不現(xiàn)實的。好在有公司開發(fā)出了專用器件――下變頻器DDC來執(zhí)行大部分的IF處理工作。DDC對一個數(shù)字化的輸入進(jìn)行下變頻后,再抽取和低通濾波,從而輸出一個低比特率的基帶信號,使得DSP擺脫了這些重復(fù)的處理工作,去完成其它處理任務(wù)。

在IF級采用數(shù)字化技術(shù)除了可以進(jìn)行多信道操作外,還可以獲得其它好處。如一個DDC根據(jù)公式10log其中Bw為信道帶寬,Fs為采樣頻率,可以增加處理增益,從而增大了鏈路的信噪比(SNR),一般認(rèn)為可有20dB的處理增益。