FPGA在软件无线电中的工程应用之AD技术篇

谢大钊编著FPGAFPGA在软件无线电中的工程应用在软件无线电中的工程应用A/DA/D技术篇技术篇中嵌教育中嵌教育(())谢大钊谢大钊编著编著谢大钊编著软件无线电中的软件无线电中的A/DA/D技术技术软件无线电体系结构的一个重要特点软件无线电体系结构的一个重要特点是将是将A/DA/D尽量靠近射频前端尽量靠近射频前端..为减少模拟环为减少模拟环节节,,在较高的中频在较高的中频,,乃至对射频信号直接进行乃至对射频信号直接进行数字化数字化..这就要求这就要求A/DA/D器件具有适中的采样器件具有适中的采样速率和很高的工作带宽速率和很高的工作带宽..为适应错综复杂的为适应错综复杂的电磁环境电磁环境,A/D,A/D器件除了要有高速度器件除了要有高速度、、大带大带宽外宽外,,同时还需要大动态范围同时还需要大动态范围..谢大钊编著如下图所示，宽带如下图所示，宽带A/DA/D和和D/AD/A转换转换器是软件无线电硬件平台中必不可器是软件无线电硬件平台中必不可少的一部分。少的一部分。模拟前端宽带A/DFPGA/DSP宽带D/A软件无线电硬件平台软件无线电硬件平台谢大钊编著A/DA/D转换器原理转换器原理nn采样采样nn量化量化nn编码编码谢大钊编著nnA/DA/D转换器转换器功能功能::将模拟电压成正比地转将模拟电压成正比地转换成数字量换成数字量A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位谢大钊编著A/D电路模拟输入三态门数字输出寄存器精密稳压电源电源主机读取命令时序控制电路A/D转换命令（来自主机）转换完成信号由主机检测或申请中断A/D转换器A/DA/D转换过程转换过程谢大钊编著数据采集模块的设计数据采集模块的设计A/D转换器转换完成信号采样/保持器模拟输入读取数据命令FPGA接口A/D转换命令谢大钊编著nnD/AD/A功能功能::将数字量成正比地转换成模拟量将数字量成正比地转换成模拟量D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10VDA转换器原理谢大钊编著信号采样理论信号采样理论软件无线电的核心思想是对天线感应的射频软件无线电的核心思想是对天线感应的射频模拟信号尽可能地直接数字化，将其变为适合于模拟信号尽可能地直接数字化，将其变为适合于FPGAFPGA\\DSPDSP或计算机处理的数据流，然后由软件或计算机处理的数据流，然后由软件（算法）来完成各种各样的功能，使其具有更好（算法）来完成各种各样的功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性。的可扩展性和应用环境适应性。所以，如何对所感兴趣的模拟信号进行采所以，如何对所感兴趣的模拟信号进行采样？如何选取适当的采样方式减轻样？如何选取适当的采样方式减轻FPGAFPGA的处理的处理负担负担??如何选取适当的采样频率去除混叠信号？如何选取适当的采样频率去除混叠信号？如何采样才能实现无线电信号的频谱搬移（即降如何采样才能实现无线电信号的频谱搬移（即降低无线电信号的载频或中频）？也就成为了最关低无线电信号的载频或中频）？也就成为了最关键的问题。键的问题。谢大钊编著信号采样图示信号采样图示)(td0(a)t(b)t0)(tXS谢大钊编著NyquistNyquist采样采样NyquistNyquist采样定理采样定理::设有一个频率带限信号设有一个频率带限信号x(tx(t))，其频带限制在（，其频带限制在（00，，fh)fh)内，如果以不内，如果以不小于小于fsfs=2fh=2fh的采样速率对的采样速率对x(tx(t))进行等间隔采进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号样，得到时间离散的采样信号x(nx(n)=)=x(nTsx(nTs)()(其中其中Ts=1/fsTs=1/fs称为采样间称为采样间隔），原信号隔），原信号x(tx(t))将被所得到的采样值将被所得到的采样值x(nx(n))完全确定。完全确定。谢大钊编著如果如果()()则则混叠混叠所以，所以，èè)(wXHw-Hw0w)(a)(wSXHw-Hw0wSw-Sw)(b抽样前后的信号频谱HHS谢大钊编著带通采样定理带通采样定理::设有一个频率带限信号设有一个频率带限信号x(tx(t))，，其频带限制在（其频带限制在（flfl，，fh)fh)内，如果其采样速率内，如果其采样速率fsfs满足：满足：fsfs=2(fl+fh)/(2n+1)=2(fl+fh)/(2n+1)式中，式中，nn取能满足取能满足fsfs大于等于大于等于2(fh2(fh--fl)fl)的最大的最大正整数（正整数（0,1,20,1,2…………..），则用），则用fsfs进行等间隔进行等间隔采样所得到的信号采样值采样所得到的信号采样值x(nTs)x(nTs)能准确地确能准确地确定原信号定原信号x(tx(t))。。带通采样带通采样谢大钊编著若用带通信号的中心频率若用带通信号的中心频率fofo和频带宽度Ｂ也可表示采和频带宽度Ｂ也可表示采样速率：样速率：fsfs=4fo/(2n+1)=4fo/(2n+1)式中，式中，fofo=(fl+fh)/2,=(fl+fh)/2,其中其中nn取能满足取能满足fsfs≥≥2B(B2B(B为频带宽为频带宽度）的最大正整数。度）的最大正整数。可以看到，在上式中当可以看到，在上式中当fofo=fh/2=fh/2、、B=B=fhfh时，取时，取n=0n=0，就，就是是NyquistNyquist采样定理，即满足采样定理，即满足fsfs=2fh.=2fh.当频带宽度Ｂ一当频带宽度Ｂ一定时，为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率定时，为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率（（fsfs=2B)=2B)对带通信号进行采样，带通信号的中心频率对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足：必须满足：fofo=((2n+1)B)/2=((2n+1)B)/2或或fl+fhfl+fh=(2n+1)B=(2n+1)B也即信号的最高频率加上最低频率是带宽的整数倍，也即信号的最高频率加上最低频率是带宽的整数倍，带通采样带通采样谢大钊编著也就是说对任何一个中心频率为也就是说对任何一个中心频率为fon(nfon(n=0,1,2=0,1,2……))带宽为Ｂ的带通信号均可以用同样的采样频率带宽为Ｂ的带通信号均可以用同样的采样频率fsfs=2B=2B对信号采样，这些采样均能准确地表示对信号采样，这些采样均能准确地表示位于不同频段（中心频率不同）的原信号．位于不同频段（中心频率不同）的原信号．需要注意的是，上述带通采样定理适用的前提需要注意的是，上述带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中一个频带上存在信号，条件是：只允许在其中一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混叠．但在不同的频带上很可能将会引起信号混叠．但在不同的频带上很可能会同时存在很多信号，那么怎么解决这个问题会同时存在很多信号，那么怎么解决这个问题呢？呢？带通采样带通采样谢大钊编著射频直接带通采样软件无线电结构射频直接带通采样软件无线电结构nn组成结构如图所示：组成结构如图所示：双工器窄带电调滤波器放大器A/D功放“0”内插上变频D/AFPGA0fSf窄带电调滤波器谢大钊编著宽带中频带通采样软件无线电结构宽带中频带通采样软件无线电结构nn组成结构如图所示：组成结构如图所示：分波段滤波器功放高放双工器一本振一中放滤波A/DD/AFPGAfs放大放大一本振二中放谢大钊编著从射频直接带通采样软件无线电结从射频直接带通采样软件无线电结构和中频带通采样软件无线电结构可以构和中频带通采样软件无线电结构可以看出在Ａ／Ｄ前加上跟踪滤波器就可以看出在Ａ／Ｄ前加上跟踪滤波器就可以通过调节跟踪滤波器（理想的跟踪滤波通过调节跟踪滤波器（理想的跟踪滤波器）的中心频率来实现对整个工作频带器）的中心频率来实现对整个工作频带（如（如1MHz~1GHz1MHz~1GHz）内任何一个信道上的）内任何一个信道上的带通信号进行采样数字化，然后用软件带通信号进行采样数字化，然后用软件方法进行解调分析．方法进行解调分析．带通采样带通采样谢大钊编著)(fXf000f01f02fBB2B3带通信号采样的频率对应关系图示带通采样的结果带通采样的结果谢大钊编著带通采样的结果带通采样的结果如上页图所示，带通采样的结果是把位于如上页图所示，带通采样的结果是把位于(nB,(n+1)B)(n=0,1,2,(nB,(n+1)B)(n=0,1,2,……))不同频带上的信不同频带上的信号都用位于（号都用位于（0,B0,B）上相同的基带信号频谱）上相同的基带信号频谱来表示，但要注意的是这种表示在来表示，但要注意的是这种表示在nn为奇数为奇数时，其频率对应关系是相对中心频率时，其频率对应关系是相对中心频率““反折反折””的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量．基带上的高频分量．谢大钊编著偶数通带与采样后的数字基带谱是偶数通带与采样后的数字基带谱是高、低频率分量一一对应的．这种高、低频率分量一一对应的．这种奇、偶频带有别的频率对应关系在奇、偶频带有别的频率对应关系在带通信号采样定理实际工程应用时带通信号采样定理实际工程应用时是需要特别注意的．是需要特别注意的．带通采样的结果带通采样的结果谢大钊编著基于基于FPGAFPGA的采样数字化的采样数字化由于软件无线电所覆盖的频率范围很由于软件无线电所覆盖的频率范围很宽（因为软件无线电具有很广泛的适应宽（因为软件无线电具有很广泛的适应性），所以采用性），所以采用NyquistNyquist采样定理基本上是采样定理基本上是不现实的，在软件无线电应用中通常会采不现实的，在软件无线电应用中通常会采用带通采样。用带通采样。下面介绍几种基于下面介绍几种基于FPGAFPGA的采样数字化的采样数字化模型。模型。谢大钊编著窄带中频采样数字化接收机窄带中频采样数字化接收机滤波A/DFPGA（软件）fS2SfB≤Sfnf4)12(0+=理想带通采样模型谢大钊编著nn这是理想化带通采样模型。这是理想化带通采样模型。nn那么这个理想能成为现实吗？那么这个理想能成为现实吗？11）由带通采样定理知：当采样速率）由带通采样定理知：当采样速率fsfs固定的时候，该模型所能处理的信号的固定的时候，该模型所能处理的信号的中心频率只有有限的几个，即：中心频率只有有限的几个，即：22）该模型要求）该模型要求A/DA/D前面的抗混叠滤前面的抗混叠滤波器在整个频带上保持相同的滤波器带波器在整个频带上保持相同的滤波器带宽和阻带特性，这几乎是不可能做到宽和阻带特性，这几乎是不可能做到的。的。）……=+=0,1,2(n4)12(0Sfnf谢大钊编著nn那么怎么解决这个问题呢？那么怎么解决这个问题呢？nn采用超外差接收体制采用超外差接收体制滤波放大A/DFPGA（软件）本振fLfSfi2SSfBB≤≤Sfnf4)12(0+=谢大钊编著该模型先用一个本振信号与被数字化该模型先用一个本振信号与被数字化的输入信号进行混频，将其变换为统一的的输入信号进行混频，将其变换为统一的中频信号，然后进行数字化。中频信号，然后进行数字化。这样，这样，A/DA/D之前的信号的中心频率是之前的信号的中心频率是固定不变的，如果固定不变的，如果fofo取值恰当，则取值恰当，则A/DA/D前前的抗混叠滤波器就会容易的多。的抗混叠滤波器就会容易的多。谢大钊编著nn那么这么改进就不存在什么问题了吗？那么这么改进就不存在什么问题了吗？nn很显然这样改进是违背了软件无线电的设很显然这样改进是违背了软件无线电的设计思想的。计思想的。nn有得必有失，毕竟目前有得必有失，毕竟目前FPGAFPGA的处理速度是的处理速度是有限的。有限的。谢大