软件无线电中的模数转换器

所谓软件无线电,就是采用数字信号处理技术,在可编程控制的应用硬件平台上,利用软件来定义实现无线电台的各部分功能:包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议全部由软件编程来实现。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的A/D和D/A转换器,尽早地完成信号的数字化,使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之,软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片,以软件为核心的崭新的无线电通信体系结构。既然要采用数字技术,必不可少的器件就是要使用模数转换器,而A/D/A在软件无线电中的位置是非常关键的,它直接影响到软件无线电的软件化程度。

1 转换器(A/D、D/A)的位置

目前转换器的主要应用选择方式有三种,即基带(Baseband)、中频(IF)和射频(RF)。

1.1 基带数字化

传统的超外差接收机是一种模拟和数字电路相结合的系统结构(如图1所示),在这种接收机结构中,它的前端全部采用模拟信号,混频器在RF级接收已调载波并下变频到一中频。与RF相比,在IF级更容易制作廉价滤波器电路,以衰减不需要的信号和混频分量及噪声。这时的RF级混频器需要一个可变频率振荡器(VFO),可调整其频率使之调谐于有用信号,而IF级的混频器则需要一个固定频率振荡器。对模拟信号的数字化采样处理仅仅是在基带部分采用A/D/A,然后再用DSP进行数字处理。

这种传统结构的优点在于技术比较成熟,模拟低损耗的RF器件和IF器件比较容易实现。但接收支路的动态范围大,为了满足整个系统的指标,要在接收支路设置AGC电路,来控制接收机的动态范围。这样一来,就对AGC电路的响应速度提出了较高的要求,其速度必须适应每个时隙的要求。另外,电路受元器件老化和温度的影响,造成性能的变化,也是不可忽视的。而且,这种设计把整个接收链路只用于一个解调信号或信道,如果要增加一路载波,就要添加一整套相同的从RF变换到基带的设备,代价很大。因此,在软件无线电中,不采用这种电路结构形式。

1.2 中频数字化

现在的A/D变换器已足以在中频(IF)对模拟信号进行数字化,如图2所示。此时,由于LO(本地振荡器)输出一个固定频率,不需要调谐IF混频器,从而使电路更简单。

目前,已经出现了一些在IF能使多个信道的信号实现数字化的A/D变换器,这给必须同时处理多个信道的接收机(如基站)带来了极大的好处。因为数字化的IF中包含了来自所有相关信道的信息,只需要一个RF前端,体现了软件无线电的通用性。由图2可以看出,把宽带数字化信号直接送入到DSP中,并用软件实现其后的所有其它功能(如调制、解调、编/解码、加/解密等)。由于DSP可以用软件来调整和更新,从而可以适应不同的空中信号接口标准以及今后的技术更新,摆脱了更新硬件结构的重新设计。

从目前的技术能力来看,从高速、高分辩率的A/D获得数据后,再用DSP处理来完成所有的处理任务是不现实的。好在有公司开发出了专用器件――下变频器DDC来执行大部分的IF处理工作。DDC对一个数字化的输入进行下变频后,再抽取和低通滤波,从而输出一个低比特率的基带信号,使得DSP摆脱了这些重复的处理工作,去完成其它处理任务。

在IF级采用数字化技术除了可以进行多信道操作外,还可以获得其它好处。如一个DDC根据公式10log其中Bw为信道带宽,Fs为采样频率,可以增加处理增益,从而增大了链路的信噪比(SNR),一般认为可有20dB的处理增益。

当然,在中频进行数字化处理时,要求DSP必须满足下列要求:

?运算速度快。DSP必须具有高指令执行速度,同时还要具备功能强大的指令系统,支持单周期内完成常用的浮点运算和逻辑运算的能力。

?高精度的数据处理。由于数字信号处理中所固有的量化效应和有限长寄存器效应的影响,在实际处理过程中会出现误差,并随着运算的增加遂渐积累。这就要求数据一定要有足够的精度,并且处理器支持高精度运算,才能减小这些误差。DSP至少要支持32位浮点运算的能力。

?高速数据交换能力。软件无线电各模块之间需要进行大量的数据交换,DSP总线必须有足够的数据传输和I/O吞吐能力,才能保证对信号的实时处理。另外,开放的设计应用条件是总线系统必备的特征要素。

?支持多SHARC同时工作。

图3给出了一个基站中中频应用软件无线电的例子。它直接在中频对信号进行A/D转换,转换后的数字信号送入专用处理芯片――可编程下变频器(PDC)中处理,完成对IF的选频和滤波。

当采用一个12位、60dB动态范围的转换器,从一个数字控制的可变增益放大器获得40dB增益,另外,系统的数字下变频器大约增加20dB处理增益。这样,总的动态范围就达到120dB,扣除解调的6～7dB和峰值储备(headroom)的6～7dB,还有100dB,能够满足GSM-900的要求。