大動態射頻直接采樣方案的設計與實現

王磊

摘 要：為適應無線通信設備通用化設計的需求，提出一種大動態射頻直接采樣方案。方案包括射頻前端與數字信號處理兩部分，首先將接收信號分別通過高低增益雙信道進行預選濾波放大等處理，然后使用ADC采樣電路進行帶通采樣及模數變換，最后對采樣后的信號進行串并轉換、同步捕獲、解調及譯碼等處理，并根據譯碼狀態對兩路接收信道的譯碼數據進行擇優判決。使用發送測試數據的方式對方案的可行性進行測試驗證，測試結果表明，該方案可有效擴展接收機動態范圍，提高接收機通用信號處理能力，為后續無線通信設備的小型化、通用化設計提供參考依據。

關鍵詞：無線通信;動態;直接采樣;高低增益;帶通采樣;模數變換

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-0-02

0 引 言

隨著無線通信需求從單一頻段、單一功能向多頻段、多功能發展，以硬件技術為主的傳統無線電通信系統設計方法已無法滿足新的需求[1]，業內逐步開始采用軟件無線電的設計方法，射頻直接采樣接收機得到廣泛關注與研究[2]。由于模數變換器可處理的信號動態范圍有限，因此射頻直接采樣接收機的信號處理能力受到了極大制約。

本文提出一種大動態射頻直接采樣方案，該方案采用高低增益雙通道接收方法擴展ADC接收動態范圍，使用射頻直接采樣技術簡化模擬電路設計，使用數字信號處理軟件實現數字混頻及信號處理功能，可有效擴展接收機信號處理能力，滿足多種通信體制的需求。

1 系統設計方案

整個系統由射頻前端與數字信號處理兩部分組成，組成框圖如圖1所示。射頻前端由高低增益接收信道、射頻發射信道、功分電路、ADC采樣電路及DAC發射電路組成。高增益接收信道對接收的射頻信號進行40 dB放大，低增益接收信道對接收的射頻信號不進行放大。射頻發射信道對DAC產生的信號進行放大濾波后輸出[3]，功分電路將接收信號分為兩路送入高低增益接收信道，ADC采樣電路完成對接收信號的帶通采樣及模數變換，DAC發射電路完成基帶信號的上變頻處理及數模變換。

數字信號處理部分主要由數據交互接口、外圍接口初始化模塊、譯碼數據最優判決模塊、數字信號接收處理A/B及發射信號產生模塊組成，實現數字混頻、DDC/DUC、同步捕獲、調制解調及編譯碼等數字信號處理算法，實現外圍接口電路的初始化，完成兩路接收信道譯碼數據的最優判決。

2 高低增益接收信道設計

接收信道主要對信號進行預選、濾波及放大處理，完成對模擬信號的帶通采樣及模數轉換。實際應用中受限于數字電路設計能力、時鐘抖動及應用環境等因素的影響，一般ADC器件的動態范圍為55 dB左右，無法滿足大動態范圍的應用需求，本文采用高低增益雙信道同時接收數據解決此問題，接收電路設計框圖如圖2所示。

兩路接收信道電路基本一致，通過調節DGA/DSA控制兩路接收信道增益，高增益接收信道的鏈路預算如圖3所示。

本文使用的ADC動態范圍為55 dB，由于高增益通道為40 dB左右增益，因此理論上該接收機可處理的動態范圍為95 dB左右。

由于ADC的前端帶寬較大，因此必須設計一個帶通抗混疊濾波器[4]，濾除其他奈奎斯特域的噪聲，否則多個奈奎斯特域噪聲疊加，會造成信噪比嚴重下降。帶通濾波器架構如圖4所示。

3 數字信號處理設計

兩路接收信道接收的信號經過帶通采樣后送入數字信號處理部分進行處理，實現框圖如圖5所示。

由圖5可知，信號處理流程為：首先對兩路接收信道的采樣數據分別進行串并轉換、數字混頻、濾波抽取、同步捕獲、解調及譯碼[5]等處理，然后將產生的譯碼數據、譯碼完成標志及譯碼狀態送入譯碼數據最優判決模塊，最后在譯碼數據最優判決模塊中根據譯碼狀態選擇最優的譯碼數據。譯碼數據最優判決處理流程如圖6所示。

4 測試驗證

輸入-85 dB信號，使用發送測試數據的方式對方案可行性進行測試驗證，測試結果如圖7所示。

由測試結果可知，編號為10的設備發送20 000組用戶數據，編號為20的設備端準確無誤地接收到20 000組通信測試數據（用戶數據欄里的無線接收），實現了正常的收發通信。

5 結 語

本文提出了一種大動態射頻直接采樣方案，給出了設計框圖、指標分配及處理流程，并對方案的可行性進行了測試驗證。該方案可有效擴展ADC接收動態范圍，解決射頻直接采樣接收機信號處理能力不足的問題，簡化模擬電路設計，使用數字信號處理軟件實現數字混頻及信號處理功能，可有效擴大接收機的使用范圍，滿足多種通信體制的需求，具有廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

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