軟件無線電接收器的結(jié)構(gòu)

常規(guī)的外差式無線電接收器已經(jīng)使用了近一個(gè)世紀(jì)，如圖所示。我們?cè)俅位仡櫼幌?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬接收器的結(jié)構(gòu)，以便于和數(shù)字接收器進(jìn)行比較。

首先，來自天線的射頻信號(hào)被放大，通常射頻部分利用一個(gè)調(diào)諧器將感興趣的頻段區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行放大。這個(gè)放大的射頻信號(hào)被送入一個(gè)混頻器。來自本振的信號(hào)也被送入混頻器，其頻率由無線電的調(diào)諧控制決定?；祛l器將所需的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻，如圖所示。

中頻部分是一個(gè)帶通放大器，只允許一個(gè)信號(hào)或者無線電臺(tái)通過。常見的中心頻率是455kHz和10.7MHz，用于商業(yè)的AM和FM廣播。解調(diào)器從幾個(gè)不同的方案中選擇一個(gè)，將中頻輸出信號(hào)還原成初始調(diào)制信號(hào)。例如，AM利用包絡(luò)檢波器，F(xiàn)M利用頻率鑒別器。在一個(gè)典型的家用收音機(jī)中，解調(diào)后的輸出信號(hào)被送入到一個(gè)音頻功率放大器，驅(qū)動(dòng)一個(gè)揚(yáng)聲器。

混頻器對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行模擬相乘，生成一個(gè)差頻信號(hào)。通過設(shè)置本振頻率，從而使得本振頻率與想要的輸入信號(hào)(你想要接收到的無線電臺(tái))的差值等于中頻。例如，你想接收頻率為100.7MHz的調(diào)頻電臺(tái)，中頻為10.7MHz，你需要將本振調(diào)整至：

此過程稱作“下變頻”，因?yàn)橐粋€(gè)高頻信號(hào)通過混頻器下移到低頻率。

中頻部分的作用相當(dāng)于一個(gè)窄帶濾波器，只允許被轉(zhuǎn)換后的射頻輸入的一個(gè)“片段”通過。中頻部分的帶寬等于你試圖接收到的信號(hào)(或者“無線電臺(tái)”)的帶寬。商業(yè)調(diào)頻電臺(tái)的帶寬大約為100kHz，調(diào)幅電臺(tái)帶寬為5kHz，分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的頻道間隔200kHz和10kHz。

軟件無線電接收器

軟件定義的無線電接收器框圖如圖所示。射頻調(diào)諧器將模擬射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬中頻，與模擬接收器的前三個(gè)階段相同。

接下來，A/D轉(zhuǎn)換器將中頻信號(hào)數(shù)字化，從而將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字樣點(diǎn)。這些樣點(diǎn)被送入下一級(jí)，即圖中虛線框所示的數(shù)字下變頻(DDC)。數(shù)字下變頻通常是一個(gè)單獨(dú)的芯片電路或者FPGA的IP核，它是SDR系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

01數(shù)字下變頻(DDC)

一個(gè)常規(guī)的DDC包含三個(gè)主要部分：

一個(gè)數(shù)字混頻器;

一個(gè)數(shù)字本振;

一個(gè)FIR低通濾波器。

數(shù)字混頻器和本振將數(shù)字中頻樣點(diǎn)向下轉(zhuǎn)換至基帶。FIR低通濾波器限制了信號(hào)帶寬，并作為一個(gè)抽取式低通濾波器使用。數(shù)字下變頻使用大量的硬件乘法器、加法器和移位寄存器存儲(chǔ)器來完成這項(xiàng)工作。

然后，數(shù)字基帶樣點(diǎn)被送入到數(shù)字信號(hào)處理模塊中，執(zhí)行的任務(wù)諸如解調(diào)、解碼和其它處理任務(wù)。通常，這些需求是通過專門的特定用途的集成電路(ASICs)和可編程的DSPs來處理。

在混頻器的輸出端，來自A/D輸入的高頻寬帶信號(hào)(如圖所示)已經(jīng)被下變頻為基帶的復(fù)數(shù)I和Q分量，其頻移等于本振頻率。

這類似于模擬接收器的混頻器，只是這里的混頻是在中頻下完成的。通過在其工作范圍內(nèi)調(diào)整本振，射頻輸入信號(hào)的任何部分都能混頻至基帶。實(shí)際上，寬帶的射頻信號(hào)頻譜能夠圍繞0Hz左右滑動(dòng)，只需調(diào)整本振即可。請(qǐng)注意，上下邊帶仍是保留的。

由于本振使用的是數(shù)字相位累加器，其具有一些很好的特性。它在頻率之間的切換具有相位連續(xù)性，因此能夠精確地生成FSK信號(hào)或者掃頻如圖所示。

頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性完全由A/D時(shí)鐘決定，因此它本身與采樣頻率是同步的。由于它完全由數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)，因此不存在老化、漂移或者校準(zhǔn)。

02抽取濾波

由于FIR濾波器的輸出是有限帶寬的，Nyquist定理允許我們降低抽樣率。如果我們只保留N個(gè)樣點(diǎn)中的一個(gè)，如圖所示，那么我們就將采樣率降低了N倍。

這個(gè)過程被稱作抽樣，它意味著每N個(gè)信號(hào)樣點(diǎn)只保留其中一個(gè)。如果抽樣后，輸出的樣點(diǎn)率是輸出帶寬的兩倍，那么就不會(huì)有信息丟失。最明顯的好處是抽樣后的信號(hào)更容易被處理，能夠以較低的速率傳輸，或者占用的內(nèi)存更少。因此，抽樣能夠明顯減少系統(tǒng)成本。

DDC執(zhí)行了兩個(gè)信號(hào)處理操作：1、頻率轉(zhuǎn)換，其調(diào)諧由本振控制;2、低通濾波，其帶寬由抽樣設(shè)置所控制。

軟件無線電發(fā)射器

接下來，我們將注意力轉(zhuǎn)移到軟件定義的無線電發(fā)射器。SDR系統(tǒng)發(fā)射端的輸入是一個(gè)數(shù)字基帶信號(hào)，通常是由DSP級(jí)生成的，如圖所示。

01數(shù)字上變頻(DUC)

虛線中的數(shù)字硬件框是一個(gè)DUC(數(shù)字上變頻)，其將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻頻率。緊接著，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字中頻樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)。接下來，射頻信號(hào)上變頻將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換至射頻頻率。最后，功率放大器提升信號(hào)能量后，送入天線。

DUC的內(nèi)部組成如圖所示，右側(cè)的數(shù)字混頻器和本振將基帶樣點(diǎn)信號(hào)上變至中頻頻率。中頻轉(zhuǎn)換頻率由本振所決定。

混頻器為其兩個(gè)輸入樣點(diǎn)各生成一個(gè)輸出樣點(diǎn)。而且，混頻器輸出的采樣頻率必須等于D/A采樣頻率fs。因此，本振的采樣率和基帶的采樣率必須等于D/A采樣頻率fs。本振已經(jīng)以fs的采樣率工作，但是左側(cè)的輸入基帶采樣頻率通常很低。這個(gè)問題可以通過插值濾波器解決。

02插值濾波

插值濾波器必須將基帶輸入的采樣頻率fs/N提高到混頻器輸入和D/A輸出所要求的采樣頻率fs。插值濾波器通過一個(gè)系數(shù)N提高基帶輸入信號(hào)的采樣頻率，該系數(shù)被稱為插值系數(shù)。圖中底部的圖片顯示了插值濾波器在時(shí)域中的作用。

注意到，通過在原始輸入樣點(diǎn)的空隙間填入額外的樣點(diǎn)，將基帶信號(hào)頻率信息完全地保留了下來。通過插值濾波器執(zhí)行的信號(hào)處理操作是我們前面DDC部分討論的抽樣濾波器的逆向操作。數(shù)字上變頻的頻域如圖所示。

本振的設(shè)置與要求的中頻信號(hào)頻率相等，就如DDC一樣。數(shù)字下變頻執(zhí)行的兩步處理如圖所示。

利用本振和混頻器，將中頻信號(hào)下變至基帶頻率?！罢{(diào)諧旋鈕”代表了本振頻率的可編程性，可以選擇所需的信號(hào)下變頻至基帶。通過設(shè)置抽樣系數(shù)N和低通FIR濾波器來設(shè)定基帶信號(hào)帶寬：

基帶帶寬方程反映了典型的80%通帶特征，以及(I+Q) 復(fù)數(shù)樣點(diǎn)。“帶寬旋鈕”代表了抽樣系數(shù)的可編程性，從而選擇所需的基帶信號(hào)帶寬。數(shù)字上變頻執(zhí)行的兩步處理如圖所示。

所需的輸出采樣率與輸入基帶采樣率之間的比值決定了插值系數(shù)N：

同樣，基帶帶寬方程呈現(xiàn)了一個(gè)(I+Q)復(fù)數(shù)基帶輸入和80%濾波器?！皫捫o”代表了插值系數(shù)的可編程性，從而選擇所需的輸入基帶信號(hào)帶寬。利用本振和混頻器，將基帶頻率上變至中頻?！罢{(diào)諧旋鈕”代表了本振頻率的可編程性，可以選擇所需的中頻頻率，由基帶信號(hào)向上變頻。