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无线电数字信号处理与软件无线电技术综述

作者:时间:2012-08-16来源:网络收藏

摘要 在中,宽带、多频段天线、高速、模数转换对于而言都是关键,通过组合使用,达到设计目的以及应用要求。文中通过对以及关键技术的处理两部分,分别论述,对其做出分析说明。
关键词 信号;;关键技术

随着无线电数字技术的发展,以及新标准和协议不断公布,无线电通信在迅猛发展的同时,带来了新的挑战和机遇。在数字技术得到快速发展的同时,软件无线电关键技术以及无线电信号处理相关技术,也受到广泛关注。与此同时,无线电通信技术从WLAN以及UWB逐渐发展到WiMAX,以及从2G到3G,再到最近讨论的4G通信技术,这些都体现了无线电技术的发展,以及在实际中的应用,更体现出无线电技术的重要性。随着与网络技术融合的加快,使得无线电信号处理与软件无线电关键技术变得更加重要。

1 多速率数字信号的处理
宽带数字中频软件无线电的原理,是对宽带频谱范围进行数字化,但前提条件,是将带通采样定理与前置滤波器进行有机结合,达到设计效果。带通采样定理的应用降低了中频采样频率,同时满足需要,但如果采样频率寄生进行处理,就会对增加采样量化的降噪比,有助于设计目标的实现。所以要在两者之间寻找合理的平衡点,就需要把采样频率调高,同时使得瞬间采样带宽达到一定的带宽值。对于多速率信号的处理,基本理念中抽去以及内插理论技术变得十分重要。
1.1 有关数字信号速率的整数倍抽取
整数倍抽取的定义,就是把原始采样序列x(n)每隔D—l个数据取一个,从而形成一个全新的序列x,也就是
xD(m)=x(mD) (1)
式中,D为正整数。若x(n)序列的采样率取sf,则其无模糊带宽则为fs/2。根据计算公式,可以得出,抽取序列的频谱XD(ejω),是由抽取之前原始序列频谱X(ejω),经过频率转移并且进行D倍展宽,最后由D个频谱叠加得到。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/176439.htm

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经上述的分析,可得到如图1所示,带宽πD的低通滤波器。如果原始信号的频谱分量π(I),就可以将前置低通滤波器省略。

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1.2 数字信号处理的整数倍内插
对于数字信号处理的整数倍内插,就是在两个原始抽样点之间插入(I-1)个零点,这就是整数倍内插如果原始抽样序列是x(n),那么经过整数倍内插后的序列可通过相应的数学表达式进行表达,但是可以画出内插、经过压缩后的频谱如图3所示。

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1.3 关于采样率的分数倍变换
上述数字处理技术,均为抽去和内插之间的特殊关系,实际是采样率变换方式中的一种特殊变换:整数倍变换,实际还存在着分数倍变换。如果分数倍变换比R=RD/I。那么可以进行完I倍内插后,再进行D倍抽取得到设计效果,但须注意内插与抽取的顺序需要特别规定,即先进性内插,再进行抽取。就可以保证,中间序列的基带频谱宽度大于原始信号频谱的基带谱宽度,达到设计要求,否则会导致信号失真。
1.4 关于抽样率转换的多级实现
经过多级变换实现高倍数抽取系统,可分为两个途径,第一种是寻求最优化的方法,根据每秒钟的乘法次数作为基准,找出各级内部最佳的抽取以及内插因子,完成对各级滤波器的设计。第二种是通过抽取或者内插器进行处理,这种抽取器的抽取因子为2。同时这种抽取以及内插因子为2的抽取以及内插器,可使用半带滤波器进行有效的滤波,并且,对于这种带有冲击响应的滤波器,其中有近1/2冲击响应的值为0对于抽样率转换系统而言,它的总抽取因子,并不是在任何情况下,都可以用2的幂次方进行表示,但用某个整数与2的幂次方的乘积进行表示确是可行的,因此在能够多绒实现抽样率转换系统中,就会出现抽取或内插因子是一个整数的抽取或者内插器。在这类的抽取以及内插器中,一股都是通过积分梳状滤波器实现抗混叠以及去镜像滤波的。
1.5 正交变换的有关理论
对于在自然界中可实现的信号都称为实信号,实信号的频谱具有共轭对称性,是指实信号的征服频率是堆成的,分量正好相反。依据此特性,对于任何实信号,都可对某一部分作相应的描述,然而不会丢失任何信息,也不会产生虚假信号。
数字上下变频器采用的基本处理方法,就是对信号进行分解、信号分析以及调制解调。但实际中较难找到理想的,通过Hilbert变换的阶跃滤波器,以至于数字信号处理经常采用正交分解进行处理,就是数字序列(fn)和两个正交本振序列cos(o)t和sin(o)t经过相乘后,凭借着数字低通滤波来实现。由于结果是两个正交本振序列和的乘积,所以就保证其正交性。此外,从工作原理上,数字上下变频慨念,就是把输入的数字信号以及一个本地震荡数字信号,经过相乘完成频谱转移。这种技术内容主要包括:数字控制振荡器、数字混顿器以及低通滤波器。通信系统中无线电信号处理与软件无线电技术密不可分,只有掌握才能更好地在科技生产中适应潮流发展。然而对于软件无线电技术,应尽量将其放在一个开放软件平台上,实现其功能。在尽可能靠天线近的地方,使用宽带模数转换,能够尽早完成信号数字化,这是软件无线电的基本处理思想。无线电系统包括射频、中频、和基带3个部分软件无线电是理想状态或是永远不存在的假设,但是可通过软件无限关键技术,实现其部分功能,这是软件无线电关键技术意义所在。

2 软件无线电的关键技术
2.1 宽带智能天线技术
作为软件无线电硬件出入口,对于理想的无线电系统,天线应该覆盖要求的所有无线通信波段。目前技术无法达到相应要求,但人们可采用组合式多频段天线,来尽量弥补缺陷,因此使用宽带智能天线被看作能够实现多频段天线系统的最佳方案。随着科技发展,很快RF微型机电系统,是一种高度小型化的器件,这种器件的研究成功,可使宽带实现可重构天线的设计方案成为可能。通过软件无线电以及智能天线相互渗透、相互促进的作用,可在将来无线通信中得到广泛应用,也会使得这种技术得到推广,将在其他无线电技术领域达到科技创新的最终目的。
2.2 高速数字信号处理部分
此部分包括基带处理、调制解调以及数字上下变频等方面。其中分为解扩和解跳在内两部分,这部分功能在于可实现对单片可编程器件要求更高,使得各器件能够更好地结合在一起,以至于完成更多功能若存单片可编程器件无法满足处理能力时,可用多个芯片并行处理的方式,提高运算能力来解决此问题,需要注意的是,数字下变频中难点是数字下变频和滤波以及二次采样,还有分离所需要的信号等问题。
2.3 高速A/D和D/A转换
软件无线电结构具有的基本特征,是对模数及数模转换器的要求很高,其中重要的是采样速率以及采样精度。所以对于A/D和D/A转换器而言,安装位置至关重要,近射频端。此特性也直接反映软件的软化程度。如果AD/变换器的动态范围在100~120 dB之间,同时最大输入信号频率在1~5GHz之间,就会符合理想的软件无线电标准。然而采样速率是由信号带宽决定的,所以采样速率一般要求在信号带宽的2.5倍以上。此外通过采收多个A/D并联使用的方法,达到进一步提高器件性能的目的。
2.4 高速DSP以及FPGA技术
DSP又称为数字信号处理器,是发展软件无线电的关键技术,无线电台的实现,需要快速数据处理,以及强大的精度支持,在当前无线电技术,运用的主要方案,有数字信号处理技术DSP以及专用集成芯片,还有现场可编程的门阵列FPGA,或者几种技术的结合产物。对于软件无线电而言,其核心部分是高速DSP芯片。随着微电子技术的不断发展,对于数字信号处理器件速度以及性能均有提高、对于DSP而言,通过一种精简指令的技术结构,对数字信号进行处理,此结构具有尺寸小、功耗低以及性能高的优点。因此,很多DSP厂商都进行改进处理,制成DS P系统集成电路,这种电路将DSP芯核、MPU芯核以及专用的处理单元,结合外围电路单元以及存储单元,统一进行集成FPGA就是现场可编辑逻辑门阵列,作为一种可重编程器件,能够实现的功能已超过现今的DSP处理器,不仅可实现软件的可编程性,还可加速硬件,同时进行重构。因此,FPGA可以成为真正的“软”硬件,同时融合硬件与软件的优点,能够实现在定制硬件以及灵活软件之间的折衷。近年来,对于FPGA的发展,可以看到,无论是在规模,还是处理速度上,以及功率消耗上,都有明显进步,这为软件无线电发展奠定有力的基础DSP与FPGA的完美结合,被认为是最理想的软件无线电与硬件相结合的成功范例。FPGA可以用于对接口协处理,从而更好地与DSP以及通用处理器,进行有效连接,不仅降低系统成本同时提高系统性能。并且可以自由选择基带处理算法的位置,因而提高了SDR的算法灵活性。
但当前由于受到硬件器件的限制,要实现软件无线电技术的数字化,主要是针对中频段进行处理,随着技术不断发展,软件无线电定会实现。

3 结束语
对于通信系统中无线电数字处理技术以及无线电关键技术,主要目的是可以在实际中起到作用,满足需求,因此随着信息技术以及计算机技术的发展,必将会导致新技术的变革与创新,所有技术瓶颈不再是问题,这些数字处理技术以及关键技术,也将成为无线电技术中具有基础性技术。

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