软件无线电中的模数转换器

如果GSM-900要求消除一个比带内信号高91dB以上、并远离带内信号3MHz的干扰信号,用数字技术消除此干扰,需要91dB动态范围来测定此信号,再加上测定带内信号的30dB动态范围,在基带中最强和最弱信号测量之间的差值为121dB。限定200kHz信道带宽,并假定在70MHz对IF信号进行取样,根据前面的公式,下变频器增加22.4dB,即真正的动态范围是98.6dB。数据变换器中每位大约等效于6dB,此动态范围就相当于16位。目前还不能批量生产16位、70MHz的变换器。

1.3 射频数字化

一个真正的软件无线电(见图4),是在天线之后对宽带RF模拟信号进行数字化,而且数字电路是通过软件来完成所有的滤波、解调和其它操作,从而去除了所有的IF以及与之相关的混频和滤波电路。这不仅使电路元件数显著减少,提高了可靠性,而且变换器还数字化了包括很多信道的相关频带。根据变换器的带宽,同一无线电可工作在宽频带,适合各种不同的空中信号接口,处理不同的业务,这对DSP提出了更高的要求。目前的A/D和DSP等器件也正向这一方向努力,但要实现这一最终目标,恐怕还要等待几年。

2 转换器的特性

决定A/D性能的因素主要有以下几个:

2.1 采样率和分辨率

采样率由信号带宽决定,分辨率(位数)则要满足一定的动态范围和数字信号处理精度,A/D的分辨率越高(位数越多),需要转换的时间越长,转换速率就越低,两者相互制约。高速A/D的结构主要采用全并行或闪烁式,而高分辨率A/D主要采用Σ-Δ结构。有关A/D的具体应用可见参考文献[1]。

2.2 无寄生动态范围的信噪比

无寄生动态范围(SFDR)用来度量转换器中的非线性误差源,常是高速器件性能的限制因素。如果没有最高线性度,任何失真或谐波都会产生强信号的像频,与真正的信号难以区分。信噪比(SNR)则是度量一个信号不论它比噪声底值高多少,转换器必须仍能检测到它。与SFDR有很大关系的是近远(near-far)问题。在某些系统,无线电即使只在几个信道外出现很强信号的情况下,也必须能检测到一个弱信号,而强信号的失真分量所产生的大寄生信号可能淹没弱边缘信号。SFDR性能指标允许对靠近噪声底值的信号进行SNR评估。解决近远问题的一个基本方法是采用可编程增益级。AGC的调节可以适合接收信号的强度,从而A/D总是接收一个同样强度的信号,降低对其动态范围的要求,但不适合接收多个不同强度信号的宽带接收机。

软件无线电宽波段设计的另一个困难是数据变换器的SFDR在数字化一个全标度信号时与较小信号工作时是不同的。对于较低电平的信号,SFDR比一般较好,因为变换器在其范围内的其余部分具有更高的线性度,而在全标度上变换器的非线性和跟踪/保持转换率受限制。因此,在全标度的附近减小信号也可以改善SFDR。

为了提取强信号环境下的弱信号,可选的A/D转换器主要有两种:A.管道式(pipeline)结构,其SFDR和SNR分别可以达到100dB(20MHz输入时)和75dB以上;B.粗细调整型A/D,采用称为数字两端式两级A/D转换结构,对输入信号进行粗采样、细采样,并对细采样数据进行校正,从而实现极低的采样抖动(达0.3ps)。

2.3 与处理器的接口

随着A/D和D/A速度的提高,转换结果到MCU和DSP的数据速度也需要提高。目前主要采用如下技术:①在A/D内部集成FIFO存储器和与处理器兼容的SPI串行接口;②采用并行接口;③直接把A/D或D/A集成在处理器内部。

由于处理器的数字噪声对A/D转换器性能有重要影响,在高速数据转换器的应用中,几乎都用与MCU或DSP分离的方法设计系统。

本文探讨了软件无线电中的数据变换器应用的若干问题,涉及不够全面。由于数据变换器的高速、大容量应用,在电路设计方面还有很多技巧。器件的不断发展也在提供着更好的处理方法。