軟件無線電中上下變頻技術應用研究

李軍孝 申壯良/陜西凌云電器集團有限公司

軟件無線電中上下變頻技術應用研究

李軍孝 申壯良/陜西凌云電器集團有限公司

隨著軟件無線電理論和應用的日漸成熟，軟件無線電在全世界的各個領域得到了廣泛關注，在移動通信領域，軟件無線電已經得到了廣泛應用，軟件無線電已成為未來通信技術發展的一個大方向。軟件無線電通信系統組成部分之一是數字信號處理部分，因得到的數字信號速率比較高，運算量難以滿足實際要求，因此對軟件無線電中上下變頻技術進行探討具有重要價值。

軟件無線電；上下變頻技術；應用研究

引言：

軟件無線電在民用無線通信領域方面有很強的需求。早在20世紀80年代我國引入模擬制TACS系統（1G），90年代初引進數字制的GSM和CDMA系統（2G），到現在使用的3G，在不久的將來又將步入4G時代。隨著通信服務質量的日趨提高，通信系統的升級換代的速度是相當驚人的。如果現有的通信系統的基礎硬件建立在軟件無線電原理的基礎上，那么隨著服務質量和性能要求的不斷提高現在乃至將來系統在更新換代的成本將會大幅度降低。

一、軟件無線電概述

目前軟件無線電通信系統主要包括模擬信號處理子系統和數字信號處理子系統兩部分。數字處理部分進一步分為高速中頻處理部分和基帶處理部分。從原理上來講，軟件無線電可以利用A/D轉換器將接收到的RF信號或者已經下變頻至中頻(IF)頻段的信號進行數字化處理，由于RF信號頻率很高，以奈奎斯特(Nyquist)頻率進行采樣是很困難的，所以目前的技術水平實現理想的軟件無線電有很大的難度。而帶通采樣定理能極大地降低所要求的采樣率，因此被應用于A/D轉換的過程中。而軟件無線電系統中的數字上變頻和數字下變頻所要求的運算量很大，是系統實現中最困難的部分。因而研究數字上下變頻的關鍵技術具有十分重要的意義。

二、上下變頻技術的理論技術分析

軟件無線電技術主要以DAC為載體，將數字部分、模擬部分連接為一體，但是DAC器件的質量、性能等，都會對軟件無線電的性能帶來很大影響。此外，因為軟件無線電工作頻帶比較寬，頻率比較頻繁的情況下，能夠進行多頻段采樣工作。采樣工作完成后，其獲得的離散序列要能夠準確回復最初的原始模擬信號。因此采樣過程中需要嚴格遵守相關規律，即采樣定理。采樣定理一般包括以下2類：

（一）低通采樣

其內容是一個連續信號m（t）在（0，fs）頻帶限制范圍內，若實施等間隔采樣時，以不小于fs=2f（H）的采樣頻率進行，則x（t）就能夠被已經獲得的采樣值完全確定。相反，若采樣率fs低于2f（H）恢復信號，便容易出現失真現象。軟件無線電關于低通采樣方法的應用有嚴格要求，因此，低通采樣一般僅用在系統最高頻率比較低的情況下，如果采用相關技術將高頻轉化為低頻，就需要在天線和器件之間增設硬件設施，就完全違背了軟件無線設計的思想。

（二）帶通采樣

軟件無線電要符合低通采樣的相關標準，模數轉換器的采樣頻率就應該高于被采樣信號最高頻率的2倍，目前已有的器件基本上無法滿足此要求，由于當前應用的通信信號大部分是帶寬在幾兆赫茲的帶通信號，因此，帶通信號在其相關原理的指導下，采樣速率也不一定非要是最高頻率的2倍，即使采樣速率比較低，也能夠準確反映帶通信號的具體情況。

三、軟件無線電中上下變頻技術的設計與實現

（一）上變頻設計與實現

在上變頻設計中，選擇ADI公司生產的器件AD9826，AD9826是高性能混合信號前端處理器，在無線寬帶通信系統當中得到了十分廣泛的應用，其發送通道具有良好的性能指標，并且包含可編程增益放大器、內插濾波器、數字濾波器以及數字混頻器。

一般來說，ROM越大(從而可表示的相位數越多，幅度值越精確)，數控振蕩器的頻譜也就越純。一個最基本的壓縮技術就是利用正弦函數的對稱性，只存儲P/2的幅值信息，然后根據控制電路按要求尋址和決定極性。在這以后，還有許多方法來壓縮這1/4周期的波形信號。不同的方法其壓縮率、硬件實現代價和性能都是不盡相同的。在此，本文介紹最簡單的利用對稱性的壓縮方法。利用正弦函數的對稱性，可以只需要存儲1/4周期的正弦信號幅值。查找表容量的減少需要增加額外的邏輯電路來輸出整個周期的波形。k比特的相位信息只用k-2比特來進行ROM尋址，最高的2比特提取出來作為控制信息。第k-1位數據決定所在的相位是一、三象限還是二、四象限，0為一、三象限，1為二、四象限，當相位在二、四象限時對ROM尋址的地址需要進行變換。第k位(MSB)決定輸出的正弦幅值的極性，0為正，1為負。

（二）下變頻設計與實現

數字下變頻設計的主要目的是把中頻信號逐漸轉化為基帶信號，并使數據傳輸速率符合USB2.0的要求，從而把數據傳輸給計算機，便于計算機進行數據處理操作，使軟件無線電的功能得到強化。其中NCO能夠獲得數字本振信號，CIC是低通濾波器組的第一級，主要由聯積分梳狀濾波器組成；HB是低通濾波器組第二級，主要由半帶濾波器組成；FIR是沖激響應濾波器，和脈沖響應濾波器是互相匹配的。

數字信號處理技術的發展，使信號處理指標要求也逐漸提高，而信號處理工作量也逐漸增大，用不同采樣率進行處理或者轉化，可以有效節省存儲空間，因此，進行多速率信號處理對系統設計具有重要作用，多速率濾波器主要包括CIC、HB以及FIR等，其主要特征是抽取、插值以及低通濾波，由于CIC、HB的組織結構比較簡單，性能好，且可操作性強，因此得到了比較廣泛的應用。由于無線通信數據傳輸率逐漸在增加，而CIC濾波器則得到了十分廣泛的應用，因為此濾波器結構比較簡單，適合用在采樣率比較高的環境下。

四、結語

無線通信在現代通信中占據著極其重要的位置，無線通信技術是當前發展最快的技術之一，各種全新的通信概念層出不窮，各種新體制及其關鍵技術層出不窮。被廣泛應用于商業、氣象、軍事、民用等領域。而軟件無線電技術的主體思想是在一個具有開放性、標準化、模塊化的通用平臺上，通過加載不同的軟件來來實現不同的功能，以滿足各種通信系統之問互聯互通的要求。

[1]張孝龍.基于FPGA的軟件無線電上下變頻技術的研究與設計[D].南京郵電大學，2013.

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