数字信号处理在软件无线电A/D中的应用摘要:讨论了数字信号处理对软件无线电发展的影响及其在软件无线电中的应用。

并对在几种软件无线电结构中的应用作了讨论。

而A／D变换器是软件无线电的关键器件，本文主要介绍数字信号处理在A/D技术中得应用。

在介绍了软件无线电的概述和原理．转后介绍A／D变换器的研究现状和存在的问题，最后讨论了解决的办法并得出结论。

关键词：数字信号处理，软件无线电，AD，中频，射频。

一.引言1992年 5 月，在美国电信系统会议上首次明确提出了软件无线电的概念。

其中心思想就是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。

其主要特点有：尽可能多地采用dsp（数字信号处理）技术；开放程度高；适应性强；空中接口可下载。

其目的是为了实现不同通信频段，不同的词制方式和数据编码方式的特殊军事电台之间的互相通信，以及延长电台的使用寿命。

近几年来，随着个人通信的迅速发展，在移动通信系统中，多种通信体系并存，比较有代表性的是美国的窄带CDMA，日本的宽带CDMA和欧洲的基于GSM 的TDMA，由于受到各自利益的驱使，他们不可能统一标准，因此为了密切跟踪发展的趋势，延长设备的使用寿命，蜂窝基站的灵活性和兼容性变得十分关键。

而采用软件无线电可以顺利的解决标准兼容和灵活性的问题。

软件无线电是指将硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信功能用软件来实现，使得整个系统具有多频带通信，多标准兼容，可重新通过软件再配置等特点，具有很大的灵括性和兼容性，这是继模拟到数字，固定到移动之后无线通信领域的又一次重大突破，被称为第三代移动通信。

本文将首先概述数字信号处理技术在软件无线电中的几个关键技术；接着给出软件无线电的基本概念，并说明这些技术在软件无线电中的作用；然后文中主要讲述AD技术，介绍目前的发展状况和存在问题，比较现在的一些AD技术方法，发现不足，并给出一定的技术解决方案，最后是结论。

二. 软件无线电2.1 软件无线电的概念软件无线电是一种宽频段、支持高速率多模式、功能由软件实现的无线电台。

它采用模块化设计原则，具有开放式ISO／oSI体系结构，具有良好的软件可移植性和功能可编程性，可以不断升级。

这些特点使得软件无线电台能够保持当今最先进的通信技术，同时若要更新或增加新功能时所投入的费用也很低。

理想的软件无线电台的组成见图1：2.2 软件无线电的关键技术软件无线电的关键技术有宽带A／D变换、高速DSP、宽带RF前端、宽带天线等。

1.宽带A/D转换软件无线电的基本特征就是将A／D变换尽量靠近射频天线。

根据奈奎斯抽样理论：采样速率至少是模拟信号最高频成分的两倍，即f≥2fs。

，才能保证原信号被无失真地还原。

A／D变换器的主要性能包括采样速率和分辨率的比特数，这两项性能指标将直接影响到A／D变换器输出信号信噪比的动态范围。

2.高速DSP经过模数转换的数据流高达几十甚至几百Mbps，对数字中频进行数字滤波、数字变频、频率合成等处理往往需要几百甚至上千MOPS（每秒百万次操作）的运算资源和几十甚至上百Mbps的I/O速度，所以必须采用告诉并行DSP 的多处理模块(MCM)或专用集成电路。

3.宽带射频前端宽带射频前端要求有较宽的频率范围，主要完成宽带低噪声放大、滤波、混频、自动增益控制以及输出功率放大等功能。

可以考虑分成2～30MHz、30～500MHz、500～2000MHz三个频段的可置换标准模块。

这一部分与传统的无线电台基本相似，下变频到10MHz左右的中频而不必用模拟电路处理到几十K№的基带信号，从而简化了射频前端的实现。

三．软件无线电中的A/D技术软件无线电的目标是将数字化技术尽可能应用到晟接近天线的部分，从而在接收天线的输出端直接数字化RF信号。

这就要求A／D具有高采样速率和高模拟输入带宽，将宽带 RF信号转换成DSP能处理的基带信号。

采样频率越高，可恢复的带宽潜力就越大，因此实现软件无线电的瓶颈之一就是A／D转换器的速率和性能。

衡量A／D转换器的性能指标有：采集频率( )，有效的采样位数，SNR，SFDR，模拟输入带宽+IMD+功耗等，而采样位数 N越高，SNR越高而采样频率越低。

ADC信噪比与采样速率和分辨率之间的关系公式：SNR=6.02N+1.76+10log10(f s/2f max)(dB) (公式1) 其中N表示模数转换的位数，即分辨率的比特数，fs为采样数率，fmax为输入模拟信号的最高频率，SNR为A/D变换器的输出信噪比软件无线电台要求能达到80dB。

根据公式1，利用计算机模拟得到A/D变换器的信噪比与采样速率，分辨率的比特数之间的关系如下图2、图3、图4所示。

可以得出这样的初步结论：(1)从图2中可以看出，当中频信号fmax=50MHZ时，若使SNR达到80dB。

采样速率达到200Msps（每秒百万次采样）。

分辨率也不能小于14位。

(2)从图3中我们可以看出，当分辨率位N=12位时，若使SNR达到80dB,中频信号包餐50MHZ，采样速率应达到近400Msps。

(3)从图4中可以看出，当fs=100MHZ，中频信号fmax=10MHZ，分辨率位数N=12时，才能保证SNR达到80dB。

现在能够提供的A/D器件的厂商如下表1所示：表1：目前一些高速A/D器件的参数表从中可以看出以目前的商用A／D器件．由于受到量化噪声、采样瞬间孔径抖动、量化比较器的不确定等困素的影响，再加上半导体自身特性的限制，还没有哪一种商用器件能够满足软件无线电的要求。

困此，如何设计一个采样位数多(信噪比高)．采样速率高，输入带宽大的A／D变换器是软件无线电的关键。

三. 解决的方法为了解决这个问题，我们可以从从下面三个方面入手：采样方法，系统结构，器件材料。

这里主要讨论数字信号处理技术方面的方法，也就是采样方法。

采样方法有低通采样，带通采样和过采样。

3.1 低通采样低通采样要求采样的频率(fs)是信号最高频率的2倍，采样后能恢复出0～ fs/2的所有信号。

很明显一方面由于信号频率很高(GHz)，要求采样的位数在14位以上，以目前的科技水平，还没有办法生产出满足这种要求的半导体A/D变换器，另一方面．即使A/D变换器可以实现，辖出的高速率的数据流，DSP也来不及处理。

所以一般来说低通采样一般不采用在A/D变换器中。

3.2 过采样过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。

设数字音频系统原来的采样频率为fs，通常为44.1kHz或48kHz。

若将采样频率提高到R×fs，R称为过采样比率，并且R>1。

在这种采样的数字信号中，由于量化比特数没有改变，故总的量化噪声功率也不变，但这时量化噪声的频谱分布发生了变化，即将原来均匀分布在0 ~ fs/2频带内的量化噪声分散到了0 ~ Rfs/2的频带上。

由于过采样的采样频率大于低通采样，由上面分析知，过采样方法也不适合应用在A/D转换器中。

3.3 带通采样3.3.1 调制信号采样公式实际应用的通信信号一般是载波调制信号，如x(t)=f(t)cosw0t，信号频谱是X(w)，频率范围是[W L W H]，用周期是T S的脉冲δT(t)进行采样：…………(公式2) 它的傅里叶变换是：………（公式3）3.3.2 带通采样频率满足条件设信号频率范围是 [0,W H]，采样后信号频谱在频率轴上发生周期平移，信号的载波频率可能是信号带宽的几倍或几十倍，如果按奈奎斯特定律要求，采样频率fs≥2fH，这时采样率非常高而且采样后的信号频谱有很多频段空白。

而采用带通采样则可以避免这种情况，由于带通采样的采样频率与低通采样不一样，它与信号的最高额率没有关系，只与信号的带宽有关系，最小可等于信号带宽的2倍，而通信中信号常常为带通信号，这样采样时所需A/D变换器的采样频率就可以太大下降，同时可将载波频率为GHz的信号经采样后变为DSP能处理的中频。

其采样过程如下图5所示：图5：带通采样过程由于正负频谱之间的空白部分最多只能排列N对频谱要保证频谱不混叠必须服从条件：………(公式4)由公式4可以计算得带通采样频率满足下面公式：………（公式5）3.3.3 对带通采样的讨论1.选择采样率配合滤波器由式(4)看到，采样率的选取范围与信号带宽B的大小直接相关，通过选择W H和W L调整B和N，采样率的选取范围随之变化。

例如在N为5时，fs的范围是2.4B≤fs≤2.5B，N取4，fs的范围是3B≤ fs≤ 10B/3.如果采样后的信号使用滤波器提取，而滤波器有一定的过渡带，运用这种方法，可以拉开每组频率间隔，以降低对滤波器的要求。

2.单边带调制信号的带通采样为了让单边带调制信号在采样后可以通过低通滤波器直接恢复信号，这时必须使频谱减去采样率的整数倍能移到 [0，B]范围内，即满足：W H-kW s=0,W L-Kw s=B其中K是正整数。

把式 (5)代人，即可解出K值范围是：………(公式6) 由上式可得结论：只有当N取奇数时，K是正整数。

采用采样率2B(1+M/(N-1))进行采样后可以用低通滤波器直接恢复出为调制信号。

如图6：图6：采样频谱(N为奇数，Ws=2B（1+M/N-1）)3.双边带信号的带通采样一般由低频调制到载波的信号频谱是关于载波完全对称的双边带信号，例如伪随机码调制到载波上，在频处没有过渡带，仍然设信号的带宽是B=W H-W L,N=[W H/B],M=W H/B-N。

这时可以把整个双边带调制信号看做单边带信号按照采样后频谱不混叠的原则进行处理，处理之后的信号还有载波。

如果想直接恢复调制信号，可以利用双边带信号频谱的对称性，使采样后的信号完全重叠。

图7是双边带调制信号，图8是采样后完全重叠的信号频谱，图7双边带调制信号图8采样后完全重叠的信号频谱频谱宽度完全重合的最小频率应是：………（公式7）这种采样的问题是实际采样率不可能完全准确稳定，采样后的频谱会发生一定的畸变。

对于频谱连续的信号例如伪随机码信号，因为大部分频谱可以重合，采样率的误差对采样后的信号的影响小。

对频谱是离散的信号如正弦信号，可能造成大部分频谱无法重合，采样率的误差对采样后的信号的影响比较大。

四. 总结虽然目前满足软件无线电要求的A/D技术还不十分成熟，但是随着技术的发展，我们相信在不久的将来，很快会解决这个问题，对软件无线电的发展起重大的推进作用。

五. 致谢感谢做本次课题论文时候，同学好友的大力支持和交流，也谢谢王老师的指导。

六. 参考文献1.郑君里、杨为理、应启珩．信号与系统．高等教育出版社2.谈宜义、李元.软件无线电中的A／D技术.电子器件3.孟维晓、徐玉滨、张乃通.软件无线电关键技术分析与实现设想.通信技术4.成叶琴、刘桂英.软件无线电的理论研究.上海电机学报5.魏颖康、谈展中.带通采样特点和仿真.电子测量技术6.大唐移动通信设备公司.软件无线电：未来无线设备的DNA.无线宽带。