宽带中频信号采集与处理技术的研究

1廊坊师范学院本科生毕业论文题目：宽带中频信号采集与处理技术的研究学生姓名：指导教师：二级学院：专业：年级：学号：完成日期：2014年1月15日2目录摘要、关键词..........................................................3第一章绪论..........................................................41.1引言.......................................................51.2本文研究的课题背景.........................................51.2本文研究的主要内容.........................................6第二章宽带中频信号采样方法研究.......................................72.1.宽带中频信号采集与处理技术介绍.............................72.2.宽带中频信号采集与处理设计原理.............................72.2.1.采样理论.................................................72.2.2.Nyquist采样定理.........................................82.2.3模拟正交采样.............................................92.2.4带通采样................................................10第三章宽带中频信号处理技术的研究...................................123.1宽带中频信号接收机.........................................123.1.1数字正交相干检波理论......................................123.1.2多通道接收机..............................................133.2频带分割滤波器的优化设计....................................153.2.1频带分割滤波器组设计......................................163.2.2频带分割滤波器组性能分析..................................18致谢.................................................................20参考文献............................................................3摘要现代无线通信系统中，大量实时信号的传输需求对数据采集系统提出了高速率的要求，宽带采集技术是解决高速率的一个有效途径，随着软件无线电的发展趋势，需要对中频信号乃至射频信号进行采样处理，发展到目前，宽带中频信号采集与处理系统满足需求。宽带中频信号采集系统采集的对象为速度较高的中频信号，则要求采集系统有足够宽的带宽以容纳高速信号，而宽带宽会带来噪声谐波等影响，给设计带来困难。本文针对宽带中频信号采集与处理系统中的问题，首先从采样原理出发，分析采样原理在带通信号采集系统中的应用方式，结合ADC分类具体分析常用ADC—连续逼近型((SAR)ADC,FLASH型(也叫并联比)ADC、流水线型(Pipeline)ADC及E一△型ADC—特性，选取peline型AD9640作为模数转换电路的核心器件。通过研究模拟前端输入匹配条件，选取变压器为输入信号由单端信号转为差分信号的转换器;综合考虑电路时钟需求，分析时钟误差影响，计算时钟抖动范围;隔离电源、地噪声;以及考虑在PCB板上器件位置布局、相互影响和考虑高速信号布线规则分析及模数混合设计注意事项;尤其注意对保证宽带信号采集系统质量上起重要作用的抗混迭滤波器，并进行了更细致的研究。最后对设计中的不足给出了关键技术的优化分析设计。关键字:宽带;中频;数据采集;抗混叠滤波;模数转换器4第1章绪论1.1.引言在通信、雷达、电子战接收机等现代通信系统中，要求传输的信息量远远超出了一般信息处理器的容量，如在通信系统中，全球范围内的无线通信技术由原来的2GHz或2.5GHz为核心的技术正在向以3GHz或4GHz为核心的技术演变;而在雷达通信系统中，工作频率则更是提高到了2GHz到1OOGHz范围内，常用的雷达信号频率也达到了2GHz到18GHz高频率范围内。这样宽的带宽对信号采集、处理系统的处理速度和精度提出了更高的要求，宽带中频信号采集技术的出现，符合这一发展趋势的需求，很快受到人们的关注。宽带为瞬间捕获大量信息提供了可能，缩短了响应时间。随着软件无线电思想的提出，一方面拓宽了数据采集系统的带宽，另一方面实现了无线电信号的直接中频数据采集(即中频A/D变换)，采集的数据在数字部分实现下变频、通道选择、滤波、调制解调等功能的设计，使信号处理灵活性提高，因为信号的大部分处理都是通过软件来实现的，可以通过更新模块的软件设计很容易的改进和增加所需功能，同时，由于采用标准化、模块化结构，硬件可以随着发展需要复制型的更新扩展，避免了模拟设计所需的大量硬件设备耗材。且基于软件无线电设计思想的用数字设计克服了模拟中频处理器件，如混频器、模拟滤波器和放大器等，带来的温飘和非线性失真等问题，提高了电路的可靠性和稳定性，也简化了制板、调试等过程。信号采集系统的主要组成单元模拟数字转换器(ADC:Analog-to-DigitalConverter)，发展到现在工艺己发展的非常成熟，性能每年都有提升。其发展到现在，经历了电子管、晶体管、集成电路到片上系统集成电路过程。发展到片上系统后，使得ADC大批量的生产成为可能。大批量的生产大大降低了成本，提高了器件的可靠性。现在ADC的采样速率可达到GHz以上，达到16位分辨率，在采样速率和精度上较原来都有了非常大的提高。为宽带中频信号采集系统的实现提供了可能。而对于高速高精度ADC器件要想使高转换速度、高转换精度、高分辨率、大动态范围、低功耗等性能指标在实际使用中达到最佳状态，信号采集电路的射频模拟前端、供电电源、接地、时钟及电路板的布局布线设计成了非常关键的环5节:其一，ADC的信噪比及射频模拟前端的增益决定了接收的动态范围。当ADC的信噪比一定时，如果射频模拟前端的增益增大，则接收的瞬时动态范围减小;当射频模拟前端增益一定时，ADC的信噪比增大，会使接收的瞬时动态范围增大。其二，电源、地噪声在今天的高速设计中通常占据30%以上的噪声预算。电源提供稳定可靠的电压，才能使各个器件正常工作，如果电源质量下降，直接影响到器件能否工作或者使产生误差。其三，时钟抖动带来的误差。理想的时钟是没有抖动的，但实际电路中各种不确定的因素必然会带来时钟的抖动，而且是不可避免的。在低速时不会带来很大影响的时钟抖动，对于高速信号则会产生很大影响，采集得到的信号没有任何使用价值，甚至会带来错误的结果。其四，高速ADC电路中合理布局布线，使敏感器件和噪声源分开布局，对敏感信号进行保护。另外，布局布线时对器件工作功率也要考虑，对产生热量多的部分，要考虑散热。否则会导致系统崩溃。在实际设计过程中，转接口的选择也很重要的，系统设计也需进一步简化。1.2.本文研究的课题背景以软件无线电技术为背景，从设计尽可能使模数转换单元靠近射频前端着手，尽早进行数字化以用数字设计实现更多通信功能。本文基于对宽带中频信号采集与处理系统的研究，通过对信号采集理论进行研究，分析不同类型ADC特征并比较，选取符合系统要求的ADI公司的AD9640芯片进行模数转化设计，进一步对设计高速中频电路中可能遇到的问题进行分析和优化设计，包括模拟前端变压器的设计选取、抗混叠滤波器设计、时钟电路设计及噪声分析、电源和地优化设计、高速电路器件布局、布线考虑等。1.3.本文研究的主要内容6本文主要研究了以下几个方面:1宽带中频信号的采样方法。2宽带中频信号的处理技术。7第二章宽带中频信号采样方法研究2.1宽带中频信号采集与处理技术介绍1宽带中频信号采集与处理技术，是一种基于软件无线电理论思想的高速高精度信号采集与处理的新型技术，通信或雷达等宽带信号接收后，经模拟前端放大滤波处理后，直接对所得中频信号采样，即进行A/D变换，在数字部分完成包括下变频、调制解调、抽取、插值等处理过程，由接口电路送到DAC处理部分，进行适当后续处理操作。宽带中频信号采集与处理系统总体结构框图如下图所示。图2.1宽带中频信号采集与处理系统总体结构框图ADC处理速度和精度决定了宽带中频信号采集与处理系统的质量，故选取合适的ADC，为系统的实现提供必备的条件。随着现代数字电子技术的不断发展，ADC的性能有了很大提高，尤其高性能的ADC.性能提高更快。2.2.宽带中频信号采集与处理设计原理数据采集技术虽然在采集速度和精度上都有很大提高，但采样过程都遵循采样定理。如下所示。2.2.1采样理论所谓采样(sampling)就是采集模拟信号的样本。采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用，转换成时间上离散（时间上有固定间隔）、但幅值上仍连续的离散模拟信号。所以采样又称为波形的离散化过程。模拟前端ADCRSPFPGE+DSP数字信号处理单元接口电路8X(t)Y(t)典型ADC转换系统框图图中，模拟信号x(t)经过抗混迭滤波、放大后，进入采保(S/H)电路，由采样时钟信号f(t)对其进行时域离散化，然后经过A/D变换，实现幅度离散化和数值编码，输出数字信号y(t)2.2.2Nyquist采样定理2奈奎斯特频率（Nyquistfrequency）是离散信号系统采样频率的一半，因哈里·奈奎斯特（HarryNyquist）或奈奎斯特－香农采样定理得名。采样定理指出，只要离散系统的奈奎斯特频率高于被采样信号的最高频率或带宽，就可以避免混叠现象，如下图所示：抗混迭滤波器S/HA/D9从理论上说，即使奈奎斯特频率恰好大于信号带宽，也足以通过信号的采样重建原信号。但是，重建信号的过程需要以一个低通滤波器或者带通滤波器将在奈奎斯特频率之上的高频分量全部滤除，同时还要保证原信号中频率在奈奎斯特频率以下的分量不发生畸变，而这是不可能实现的。在实际应用中，为了保证抗混叠滤波器的性能，接近奈奎斯特频率的分量在采样和信号重建的过程中可能会发生畸变。因此信号带宽通常会略小于奈奎斯特频率，具体的情况要看所使用的滤波器的性能。需要注意的是，奈奎斯特频率必须严格大于信号包含的最高频率。如果信号中包含的最高频率恰好为奈奎斯特频率，那么在这个频率分量上的采样会因为相位模糊而有无穷多种该频率的正弦波对应于离散采样，因此不足以重建为原来的连续时间信号。2.2.3模拟正交采样模拟正交采样将带通信号经过模拟正交解调转化为基带信号，然后进行采样，采样速率很低，只需大于等于信号带宽即可。模拟正交采样原理在雷达、声纳和通信系统中，常常要将接收到的带通信号转换成相应的基带信号，并分离出同相分量I和正交分量Q,这称为正交解调。通过正交解调可以直接获得带通信号的幅度和相位信息。传统的正交采样方法是由模拟正交混频器作正交解调，得到模拟的I,Q分量，再用两路A/D分别采集，经过低通滤波后得到正交的I(n),Q(n)分量。这种方法应用十分广泛,原理图如下图所示。)cos(20t)(txlI(n)X(t)fQ(n))sin(20t)(txQ模拟正交采样原理图对模拟正交解调而言，信号的同相分量I和正交分量U之间的幅度一致性和LPFLPFA/DA/D10相位正交性是衡量系统性能的关键指标之一。实现正交解调关键在于本振的产生