軟件無(wú)線電所引起的設(shè)計(jì)問題

2004年6月A版

　　軟件無(wú)線電(SDR)在80年代后期，從先進(jìn)的軍事和智能應(yīng)用轉(zhuǎn)向衛(wèi)星和蜂窩系統(tǒng)，并將成為消費(fèi)應(yīng)用的主流，這包括蜂窩無(wú)線電基站、新一代數(shù)字VHF系統(tǒng)、汽車用多波段AM/FM/XM衛(wèi)星無(wú)線電等。

　　軟件無(wú)線電是信號(hào)鏈路部分為軟件的無(wú)線電。它具有如下特性：
　
　　可以用模擬或數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)很多功能，但是要在元件的可用性、復(fù)雜性和成本問題折衷考慮選擇方案。

典型的軟件發(fā)送器元件包括：

軟件接收器元件包括：

無(wú)線電的可編程性使用戶的多波段、多模收發(fā)器具有下列模式：

　　問題是要設(shè)計(jì)盡可能完善的線性不隨時(shí)間變化的發(fā)送和接收器硬件，使系統(tǒng)能提供一個(gè)“干凈”的輸入信號(hào)到數(shù)字信號(hào)處理硬件，這樣，在軟件控制下一個(gè)通用信號(hào)鏈路可用于所有工作模式。

　　也就是說，接收器結(jié)構(gòu)依賴于ADC的選擇，ADC決定可用的動(dòng)態(tài)范圍。

　　單個(gè)ADC可過取樣或欠取樣被調(diào)制的信號(hào)，在處理中執(zhí)行下變頻并用4x取樣提供I和Q輸出。

　　然而，取樣頻率越高，孔經(jīng)誤差效應(yīng)就越大，由于時(shí)鐘抖動(dòng)，會(huì)影響有效位數(shù)。因此，在速度和分辨率間總是存在固有的折衷考慮。

　　單ADC可在帶數(shù)控振蕩器(NCO)的數(shù)字下變頻器之后實(shí)現(xiàn)如FPGA或接收信號(hào)處理器(專用數(shù)字芯片)的功能，在信號(hào)到達(dá)DSP解調(diào)前也可濾波和分樣?！?/P>

　　相比，用一個(gè)帶模擬基帶同相(I)和正交(Q)輸出的模擬解調(diào)器減輕ADC上的負(fù)擔(dān)并允許另外對(duì)基帶的無(wú)源濾波來降低所需的動(dòng)態(tài)范圍。

　　其缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致正交不穩(wěn)定性，這是由于I和Q通道中相位和幅度失配的原因。也需要兩個(gè)匹配的抗混淆濾波器(可加倍做為通道濾波器)和匹配的ADC(或匹配的S/H放大器和單個(gè)ADC)。

　　另一個(gè)設(shè)計(jì)折衷考慮是在模擬和數(shù)字濾波之間。無(wú)源模擬濾波器具有低互調(diào)失真而且不耗電，但它有組合延遲，占有顯著的板空間(特別在低頻)以及要折衷考慮成本、帶寬和Q值。

　　數(shù)字濾波器可設(shè)計(jì)成具有接近于理想的性能，但也得考慮速度—功率折衷，更多的抽頭或更高的工作頻率需要DSP更高的MIPS、FPGA中專用硬件或接收信號(hào)處理器(可提供下變頻、分樣和濾波)。

　　ADC的動(dòng)態(tài)范圍是模擬和數(shù)字濾波之間的基本折衷考慮：模擬濾波更多地降低ADC所需的動(dòng)態(tài)范圍，而且無(wú)源濾波器不耗電，而數(shù)字濾波器更增加ADC所需的動(dòng)態(tài)范圍，但數(shù)字濾波器可具有接近于理想的特性。

　　對(duì)于線性系統(tǒng)，ADC必須適應(yīng)所有希望的信號(hào)加干擾加衰減容限以及自動(dòng)增益控制(AGC)響應(yīng)時(shí)間。確定ADC動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算必須包括：

　　通常，寬帶接收器比窄帶接收器含有更寬的ADC動(dòng)態(tài)范圍和較小的總增益(~35dB)和較窄的AGC范圍(~10dB)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)也包括級(jí)聯(lián)噪聲指數(shù)和監(jiān)聽分析以及頻率規(guī)劃。頻率規(guī)劃是一種技巧，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)選擇系統(tǒng)時(shí)鐘、中頻和本地振蕩器頻率，使內(nèi)部和外部干擾最小。

　　不關(guān)注系統(tǒng)時(shí)鐘將是不完整的頻率規(guī)劃。系統(tǒng)時(shí)鐘通常是編碼數(shù)據(jù)幀率的倍數(shù)。往往也是信道間隔的倍數(shù)，允許使用整數(shù)N鎖相環(huán)(PLL)。

　　一個(gè)完整的設(shè)計(jì)也包括用于最小和最大輸入信號(hào)電平的總系統(tǒng)計(jì)算，最小輸入信號(hào)的一組計(jì)算是在AGC關(guān)掉無(wú)增益降低情況下進(jìn)行，最大信號(hào)電平的一組計(jì)算是在AGC完全工作在最大增益降低情況下進(jìn)行。這也包括最小和最大信號(hào)電平的交互調(diào)制失真(IMD)效應(yīng)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)敏感點(diǎn)是AGC系統(tǒng)。在軟件無(wú)線電中，AGC靠降低大信號(hào)的增益來保持系統(tǒng)線性度。這樣設(shè)置AGC閾值：C/N增加線性度，直到達(dá)到最佳C/N為止，然后，降低增益。

　　所設(shè)置的AGC閾值也應(yīng)使ADC有余量，這樣AGC系統(tǒng)有時(shí)間來響應(yīng)輸入信號(hào)的快速變化并避免過載。AGC有兩種基本實(shí)現(xiàn)方法：前饋和反饋。

AGC實(shí)現(xiàn)

　　典型的前饋AGC系統(tǒng)用對(duì)數(shù)放大器測(cè)量輸入信號(hào)(通常在中頻)并置下游增益來保持在AGC中的恒定信號(hào)電平。這是最快的響應(yīng)系統(tǒng)，但需要定標(biāo)，這是由于它依賴于對(duì)數(shù)放大器和可變?cè)鲆娣糯笃鞫?biāo)因數(shù)(dB/v)的精度。

　　典型的反饋AGC系統(tǒng)對(duì)被檢測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并用反饋來保持被檢信號(hào)電平恒定。系統(tǒng)應(yīng)具有快速起動(dòng)(增益降低)和慢速(增益增大)AGC時(shí)間常數(shù)。對(duì)于穩(wěn)定的環(huán)路它需要線性dB增益。信號(hào)通路等待時(shí)間可允許接收器被強(qiáng)信號(hào)封閉。

　　例如，用帶峰值檢測(cè)器(在IF)的模擬AGC在反饋有效前用幾個(gè)周期充電AGC電容器。

　　用基帶中的檢測(cè)器并從I和Q基帶值計(jì)算信號(hào)電平值，但等待時(shí)間比IF所希望AGC的值更壞，特別是在DSP中計(jì)算時(shí)更是這樣。

　　在改變頻率時(shí)也必須考慮PLL的建立時(shí)間，此時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過系統(tǒng)的等待時(shí)間。例如，改變頻率的時(shí)間必須包括PLL的建立時(shí)間、AGC響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)從天線到ADC的傳播時(shí)間，ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間和DSP中信號(hào)處理時(shí)間。

DSP中相關(guān)的解調(diào)是最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，最好的結(jié)構(gòu)形式示于圖2。

　　匹配濾波器通常對(duì)于二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)和正交相移鍵控(QPSK)分別是最大似然檢測(cè)器(MLD)或平方/正交檢測(cè)器。若可以處理MLD的額外處理，則低信號(hào)跟蹤性能的增益可以是6dB或更高。在很多情況下，由PLL恢復(fù)載波和時(shí)鐘。

　　輸入一般為過取樣，并存儲(chǔ)在環(huán)形緩沖器中。對(duì)此緩沖器的讀標(biāo)志是經(jīng)NCO的時(shí)鐘環(huán)路濾波器的輸出。另外，可以用經(jīng)過ADC的插入器或直接取樣。

　　復(fù)合混頻器(在基帶)區(qū)分正和負(fù)頻率。它們也不需要低通濾波來去除混頻分量?；祛l器的輸出饋入匹配濾波器單元，此單元采用一個(gè)最大的似然檢測(cè)器。每個(gè)輸入波形用每個(gè)可能的輸入波形校正。選擇最大校正做為最類似被接收的波形。

　　對(duì)于包含在存儲(chǔ)器中的波形，如最小鍵移(MSK)、匹配濾波器單元應(yīng)該用格子結(jié)構(gòu)方法來達(dá)到最好誤碼率(BEK)性能。而選擇最大相關(guān)，可用每個(gè)相關(guān)做為Viterbi算法的分支量度。

　　在選擇逆行程長(zhǎng)度時(shí)，為了不導(dǎo)致過量延遲進(jìn)入恢復(fù)環(huán)路應(yīng)該小心從事。對(duì)于調(diào)制需要較長(zhǎng)逆行程來講，恢復(fù)環(huán)路可以用比數(shù)據(jù)判定更短的逆行程。

　　載波相位檢測(cè)器單元用最類似的基準(zhǔn)波形計(jì)算關(guān)于輸入波形相關(guān)相位的微商。這種相位檢測(cè)器比傳統(tǒng)的相移鍵控平方環(huán)路檢測(cè)器好3dB。

　　環(huán)路濾波器單元的階指示環(huán)路可以精確恢復(fù)的誤差類型。

　　1階環(huán)路對(duì)頻率步具有穩(wěn)態(tài)誤差響應(yīng)。2階環(huán)路可以精確地恢復(fù)頻率步，但對(duì)頻率斜波具有穩(wěn)態(tài)誤差響應(yīng)。3階環(huán)路也用于需要精確頻率斜波恢復(fù)的地方，然而，必須小心避免輸入增益不穩(wěn)定度問題。

　　類型指示環(huán)路中精確積分器數(shù)。NCO是1種積分器，而環(huán)路濾波器將包含其余部分。

　　根據(jù)缺席規(guī)則，1階濾波器是在濾波器中不帶積分器的I型。2階濾波器可以是I型有“漏隙”的積分器或II型“精確”積分器。注意，2階II型在其精確積分器中具有無(wú)限大的存儲(chǔ)器，因此，不強(qiáng)迫恢復(fù)到零。因此，它必須箱位到最大和最小值。

　　載波NCO單元產(chǎn)生頻率正比于輸入值的正弦波，可以用內(nèi)置 sin() 和cos()的C三角函數(shù)，但是耗時(shí)?？捎貌楸硖娲辔粩?shù)字化噪聲耗費(fèi)的執(zhí)行速度增加。

　　時(shí)鐘相位檢測(cè)器單元的設(shè)計(jì)取決于調(diào)制類型。因?yàn)閷?duì)于匹配濾波器相關(guān)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)沒有嚴(yán)格形式解，所以時(shí)鐘相位檢測(cè)器是與調(diào)制有關(guān)的。

　　BPSK和頻移鍵控(FSK)解調(diào)器一般采用early-late gater技術(shù)。這可經(jīng)過