直接中频采样全数字化多模式接收机
张 健 向敬成Ξ
关键词:软件无线电,直接中频采样,多模式,全数字化接收机
【摘要】本文讨论了兼容多种传输体制的直接中频采样全数字化多模式接收机,着重基于HSP50214B可编程数字下变频器软件无线电接收芯片,对接收机的基本原理和设计方法进行了研究。
一、引 言
全数字化接收机是软件无线电中的一个重要问题,软件无线电接收的基本思想是要在标准化的硬件平台上构成灵活可变的多频段多模式接收机,以适应通信、测控和雷达中的各种不同的传输体制,如AM、ASK、FM、FSK、PM、PSK、QAM等。全数字化接收机是在传统的基带数字化接收机基础上的一次革命性的飞跃,目前直接射频数字化还有一定困难,一般先经模拟下变频至适当中频,然后在中频直接数字化,经数字下变频(DDC)至基带,模拟下变频中的本振采用DDS/PLL 可编程频率合成器,完成初步的频段选择,带通信号直接中频采样完成第二次频率变换, DDC中的数控振荡器(NCO)完成最后细微的数字精调谐(有时还包括载波同步)。本文研究了直接中频采样全数字化多模式接收机的基本原理,并讨论了采用Harris公司新近推出的HSP50214B可编程数字下变频器构成全数字化多模式接收机的设计方法。
二、基本原理
直接中频采样全数字化多模式接收机的构成如图1所示,可见它由直接中频采样、数字下变频、抽取滤波、成形滤波、定时同步、载波同步、多模式解调/译码与数据恢复等部分构成。
11直接中频采样与数字下变频
这部分采用一个抗混叠带通滤波器(BPF)、一个ADC变换器和两个数字混频器完成传统接收机中的模拟正交下变频功能,输出正交的复基带I、Q信号,也称正交数字解调。其主要参数包括采样频率、量化比特数和NCO数字频率。量化比特数主要由动态范围决定。采样频率fs要考虑两个因素:一是要满足带通信号抽样定理,抽样后频谱不发生混叠;二是当采用过抽样技术时,要满足后级处理对采样频率的要求。由于带通信号采样具有频移功能,输出序列的数字载波频率(即NCO数字频率)为f0=f c-Nf s,f0< f s,f c为采样前的中频信号的载波频率,N为整数。
21过抽样与抽取滤波
数字下变频一般均与一个抽取滤波器结合在一起,一方面是因为许多时候直接中频采样得到的序列为高速宽带序列,必须从中选取所需的窄带序列(如FDM系统),并降低抽样速率;另一方面直接中频采样时往往采用过抽样技术(f sµ4W,f s为抽样频率,W 为调制信号基带带宽,一般f s信号最高频率,因而相对于f h而言,仍为“欠抽样”),过抽样起到下列两个作用:若按奈奎斯特频率采样,则要求采样前的抗混叠带通滤波器(BPF)为通带带宽B=2W的理想滤
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Ξ张 健 中国工程物理研究院电子工程研究所博士 成都 610003向敬成 电子科技大学教授 成都 610054
波器,而理想滤波器是不可实现的,考虑到多级抽取数字滤波器能够较好地逼近理想滤波器,故一般采用过抽样技术降低对抗混叠带通滤波器的要求,即抗混叠带通滤波器可以有较宽的过渡带,且其不良的通带起伏特性也可由后续的数字抽取滤波器进行均衡补偿;当量化比特数不变时,过抽样技术可提高动态范围。抽取滤波器一般采用多级半带滤波器实现,对于高抽取情况,第一级通常采用整数系数梳状滤波器
。
图1 直接中频采样全数字化多模式接收机构成原理示意图
31成形滤波
即接收波形匹配滤波器,在有干扰和衰
落情况下,需进行信道估计与均衡。对于扩频体制,还要完成解扩的匹配滤波器功能。成形滤波器的输出带宽一般为W 。
41定时同步/载波相位恢复/AFC/A GC
通过对成形滤波器输出的基带信号进行处理,可提取各种误差信息,包括定时误差、载波相位同步误差、频率误差、增益误差等。这些信息反馈到各部分电路中去,完成定时同步、载波相位恢复、AFC 、A GC 等功能。
全数字接收机中的抽样时钟独立振荡于固定频率,定时同步与定时调整是通过重采样内插滤波器来完成的,内插滤波器采用多相结构实现,一般由重采样NCO 驱动,定时抖动与多相数有关。载波相位同步可通过反
馈控制数字载波NCO 实现,也可在基带估
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θ,θ为载波相位。
51多模式解调/译码判决与数据恢复
由于任何调制信号均可分解为I 、Q 分
量,或分解为极性分量(R 、θ、d θ/dt ),故对I 、
Q 、R 、θ、d θ/dt 5种信息进行处理可完成任何调制方式的解调,如对I 、Q 星座进行映射可完成PSK 、QAM 解调,对R 处理可完成幅度
解调,对θ处理可完成相位解调,对d θ/dt 处
理可完成频率解调。数据恢复包括以下过程:若是数字矢量调制,对同步后的I 、Q 信号采用某种判决准则进行接收信号到星座的映射,再进行星座(符号)到比特的映射;若是模拟调制,则采用某种必要的估计(滤波)算法进行解调。
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三、设计方法
Harris 公司在推出HSP50016数字下变频器之后,最近又推出了功能更强的HSP50214B 可编程下变频器(PDC )。事实上其功能已远远不只是下变频,还包括了成
形滤波器、定时同步内插滤波器、重采样
NCO 、(I ,Q )→(R ,θ,d θ/dt )变换、数字A GC 等功能,即包含了图1中除BPF 、ADC 、误差
提取、解调、译码与数据恢复之外的所有功
能,其各个部分均是可编程的,将其与DSP 结合,便可构成一个标准的全数字化多模式软件无线电接收机硬件平台,如图2所示,对于某种具体的传输体制,只需更换DSP 软件和对HSP50214B 进行不同的编程设置即可。DSP 软件完成定时误差与载波相位误差的提取、解调译码与数据恢复、以及PDC 的编程控制等。误差提取与滤波也可直接利用HSP50210完成
。
图
2 直接中频采样全数字化多模式接收机的一种实现框图
HSP50214B 的编程是直接中频采样全
数字化接收机设计的关键,下面简要讨论
HSP50214B 的编程设计。
图3 HSP50214B 中的滤波器示意图
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