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软件无线中的宽带射频前端

作者:时间:2009-07-16来源:网络收藏
引言

随着微电子技术的迅速发展,数字信号处理器(DSP)和A/D变换器的性能在成倍的提高,使得电在技术实现上成为可能,从而引起了人们对于电技术研究的兴趣。电的功能主要由软件实现,通过运行不同的算法,实时的配置信号波形,从而提供各种语音编码、信道调制、载波频率、加密算法的无线电通信业务。

软件无线电最初起源于军事通信。由于软件无线电的完全可编程性、软件化、模块化以及宽频段多功能等特点,使得各种电台很容易综合为一个整体,能够实现不同类型电台间的直接互通,在提高各军兵种协同作战能力中发挥了重要作用。而且,功能的软件化、模块化,减轻了系统的尺寸、重量,同时缩短了开发周期,能够方便地实现与新业务、新技术和通信标准的兼容。

理想的软件无线电是一种“纯软件”的电台,如图1所示,A/D变换器单元紧靠天线,除低噪声放大器、功率放大器以及电源等模块外,绝大部分功能均可通过DSP芯片采用软件编程实现。无论在机械结构还是电器特性上均采用模块化、开放式结构。然而,基于目前的技术水平,只能进行中频处理。因此,仍需要一个灵活的,对信号进行适当的处理。以下针对软件无线电的实际特点,讨论了实现模拟的一些问题。

软件无线中的

系统要求

理想的软件无线电台应完全数字化,一般要求在数字化处理之前仅做极少的模拟处理,这样才能使整个电台系统具有充分的灵活性。然而,由于目前工艺水平和技术的限制,A/D转换器以及DSP芯片的性能仍达不到所需的技术指标,使得这种构想无法付诸实践。

根据RF频率和奈奎斯特采样定理可知,若ADC直接置于接收机的前端,要求A/D变换器高端采样速率至少为6GHz,且应该具有120dB以上的无杂散噪声动态范围(SFDR)。而实际中的A/D转换器最多仅能提供20MHz的带宽和80dB的SFDR,几种A/D转换器的性能指标如表1所示,远远达不到系统要求。若再考虑功耗问题,ADC的高功耗需求很难使电台成为便携式。理论计算,对于1个采样保持A/D转换器件(5GHz,18bit)的最小功率也要超过10W。因此,就目前的A/D转换器的性能指标,无法实现理想的软件无线电结构。

表1 几种A/D变换器的主要技术指标
名 称分辨率(位)采样速率(MSPS)功 耗SNR(dB)SFDR(dB)
AD90421241+5V/575mW70-82
ADC31201420±15V±5V/5W75-90
SPT787010100±5V/1.7W56-58
LTC1410121.255V/160mW  
MAX10085005V/5.2W45 
ADC12662121.55V/200mW70-80
AD664012655V/710mW68-80

软件无线电需要一个高品质因数、、线性好的射频前端。考虑到软件无线电台对于电磁兼容和操作维护等灵活性的要求,射频前端及功放作为一个独立且可互换的电台单元,必须是可编程的。作为调谐电路,在提高增益、抑制镜频、提高SNR和选择性的同时,必须减少对软件定义参数的限定,因此对于电台的发射、接收部分在设计上提出了新的挑战。

两种结构

软件无线电可以采用两种结构:超外差型和直接变换型。超外差是传统电台普遍采用的结构,而直接变换是近年来兴起的,与超外差结构相比在一些方面具有一定优势。直接变换结构没有镜像响应,可以省去固定频率的抑制镜频滤波器,并且,理论上一个去假频基带滤波器可以集成在LSI芯片上。但是,由于器件并非十全十美,直接变换接收机在零频仍具有残留的镜频响应。同时,下变频混频器中带内调制的大信号在直流成分附近会产生二阶非线性失真,对于多信道接收机尤为严重。目前,直接变换接收机的主要应用方向是手持/便携等对体积、功耗等方面要求高的通信任务。

由于超外差结构一般在中频A/D变换,而直接变换结构采用基带A/D变换。鉴于基带A/D变换在理论和实践上已经成熟以及电台软件化的要求,我们当前研究的重点应是进行中频高速A/D变换的超外差结构。

宽带射频前端

宽带射频前端要求器件有较宽的频率范围,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。借鉴美军软件无线电台 Speakeasy的方案,射频前端可分三段实现:2~30MHz,30~500MHz,500~2000MHz,做成可置换的标准化模块(见图2)。

这一部分与传统的无线电台基本相似,只是下变频到10MHz左右的中频即可,而不必用模拟电路处理到几十KHz的基带信号,从而简化了射频前端的实现,具有较大的实用性和灵活性。

设计中实际问题

由于接收机中有一些滤波器单元,在一定程度上降低了接收链路的动态范围,而且这些滤波器只有固定的中心频率和带宽,调谐性能也较差。这些因素的综合,严重影响了电台的灵活性。考虑到电台对体积、价格、性能等要求,在设计中应该尽量减少使用滤波器的数量。

减少滤波器数量,虽然提高了电台的灵活性,但是却对射频/中频模块的线性要求很高。同时还要在混频之前进行镜频抑制。然而,射频前端的线性度和动态范围比较有限,容易造成有用信号的失真,因此要采取一些补偿技术。

放大器线性化

宽带接收机系统,要求较高的动态范围,而非线性放大器有较大的交调干扰和调谐失真,必然加大有用信号的失真,降低接收机的动态范围。因此应尽量减少使用非线性放大器。


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