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1、12.1 信号采样理论目的：对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直目的：对由天线感应的射频模拟信号尽可能地直接进行数字化，将其变换成适合数字信号处理器接进行数字化，将其变换成适合数字信号处理器（DSP）或计算机处理的数据流，然后通过软件）或计算机处理的数据流，然后通过软件（算法）来完成各种功能，使其具有更好的可扩（算法）来完成各种功能，使其具有更好的可扩展性和应用环境适应性；展性和应用环境适应性；面临的问题面临的问题如何对对工作频带（如如何对对工作频带（如0.1MHz 2GHz)内的信号进行内的信号进行数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样数字化，也就是如何对所感兴趣的模拟信号进行采样？
2、采样速率应该取多大？采样速率应该取多大？软件无线电中的采样有什么特殊性？软件无线电中的采样有什么特殊性？基本采样理论基本采样理论Nyquist采样定理采样定理带通采样理论带通采样理论第1页/共154页2Nyquist采样定理以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样，所得到的离散采以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样，所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。样值就能准确地确定原信号。抽样信号之频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加（幅度变化）抽样信号之频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加（幅度变化）信号重构、信号重构滤波器信号重构、信号重构滤波器第2页/共154页32.1.
3、1 模拟信号的抽样一、抽样定理一、抽样定理 抽样定理是模拟信号数字化的理论基础，抽样定理是模拟信号数字化的理论基础，是模拟信号数字化的第一步，也是收端将是模拟信号数字化的第一步，也是收端将获得的样值信号能不失真地恢复成原信号获得的样值信号能不失真地恢复成原信号的理论保证。的理论保证。1 1、抽样定理、抽样定理：一个频带限制在一个频带限制在F Fm m赫以内的时赫以内的时间连续的函数间连续的函数f f（t t），如果以），如果以Ts1/2FTs1/2Fm m的的等间隔时间抽样，则所得的样值可以完全等间隔时间抽样，则所得的样值可以完全的确定原信号的确定原信号f f（t t）。）。第3页/共154页
4、4 其数学表达式为：其数学表达式为：式中式中k=0、1、2，Ts=1/2Fm为抽样时间间隔，为抽样时间间隔，f(k Ts）为）为k Ts时刻时刻的抽样值。的抽样值。2.1.1 模拟信号的抽样第4页/共154页52 2、证明：、证明：模拟信号的抽样，可看成是模拟信号模拟信号的抽样，可看成是模拟信号f(t)f(t)与周期为与周期为TsTs的单位冲激函数的单位冲激函数TsTs（t t）的乘积。如下图所示：的乘积。如下图所示：2.1.1 模拟信号的抽样第5页/共154页6 为了解抽样后的为了解抽样后的f fs s(t)(t)的频谱特性，我的频谱特性，我们分别对们分别对f(t)f(t)和和 进行付氏变换
5、进行付氏变换 2.1.1 模拟信号的抽样第6页/共154页72.1.1 模拟信号的抽样第7页/共154页8 显然显然F Fs s（t t）是以中心频率为）是以中心频率为kfkfs s的无穷的无穷多个原始信号频谱的叠加。多个原始信号频谱的叠加。f fs s（t t）的频率谱特性可经付氏变换得到：）的频率谱特性可经付氏变换得到：2.1.1 模拟信号的抽样第8页/共154页92.1.1 模拟信号的抽样第9页/共154页10由上图可见：由上图可见：1 1）当）当f fs s2F2Fm m时，抽样信号的各频率分量互不重时，抽样信号的各频率分量互不重叠，因而，叠，因而，只要让信号通过一个截止频率为只要让信
6、号通过一个截止频率为F Fm m的理想低通滤波器，就可以取得原信号的频谱的理想低通滤波器，就可以取得原信号的频谱F(f)F(f)，也就是可以不失真恢复原信号也就是可以不失真恢复原信号f(t)f(t)。2 2）如果）如果f fs s 2F 2Fm m会出现上图（会出现上图（d)d)的状况，即频谱的状况，即频谱出现交叠现象，就不可能不失真的恢复原信号。出现交叠现象，就不可能不失真的恢复原信号。由此证明了对于频带限制在由此证明了对于频带限制在F Fm m赫以内时间连赫以内时间连函数函数f(t)f(t)，只有当，只有当Ts1/2FTs1/2Fm m的间隔时间抽样时，的间隔时间抽样时，抽样值才可以完全地
7、确定原信号。抽样值才可以完全地确定原信号。2.1.1 模拟信号的抽样第10页/共154页11抽样定理的实现框图如下图所示抽样定理的实现框图如下图所示 低通低通滤波器滤波器fs(t)TsTs（t t）fs(t)f(t)f(t)2.1.1 模拟信号的抽样第11页/共154页12此外，还可以用数学方法进行证明：此外，还可以用数学方法进行证明：设理想低通滤波器的传输函数为：设理想低通滤波器的传输函数为：其冲激响应为其冲激响应为则则2.1.1 模拟信号的抽样第12页/共154页13 k k(t)(t)为抽样函数，这样为抽样函数，这样f(t)f(t)就可以就可以表示成许多强度不同的抽样函数之和，表示成许多
8、强度不同的抽样函数之和，如图如图2 23 3所示所示2.1.1 模拟信号的抽样第13页/共154页14 T Ts s=1/2F=1/2Fm m 为奈奎斯特间隔（或周期）为奈奎斯特间隔（或周期），是不失真抽样的最大时间间隔。，是不失真抽样的最大时间间隔。因为因为TsTs（t t）是周期性单位冲激响应）是周期性单位冲激响应函数，滤波器为理想低通滤波器，所以上函数，滤波器为理想低通滤波器，所以上述抽样为理想抽样。述抽样为理想抽样。其全过程可用下图表示：其全过程可用下图表示：2.1.1 模拟信号的抽样第14页/共154页15采样过程第15页/共154页163 3、实际信号在抽样中存在的问题、实际信号在
9、抽样中存在的问题：实际的抽样并不是理想抽样，实际的抽样并不是理想抽样，f(t)f(t)总是总是时间有限的函数，它的频谱成分不可能完全时间有限的函数，它的频谱成分不可能完全的限制在的限制在F Fm m内，所以抽样信号的恢复难免有内，所以抽样信号的恢复难免有失真。失真。第16页/共154页17通常的解决方法是：通常的解决方法是：第一：在抽样之前加截止频率为第一：在抽样之前加截止频率为F Fm m的的低通滤波器，滤出低通滤波器，滤出F Fm m赫以上的频谱成分，赫以上的频谱成分，从而消除折叠现象和避免由此引起的失从而消除折叠现象和避免由此引起的失真。真。第17页/共154页18第二：由于收端的低通滤
10、波器不可能做成理想的，特第二：由于收端的低通滤波器不可能做成理想的，特别是在截止频率附近，与理想的特性相差甚大。别是在截止频率附近，与理想的特性相差甚大。为了减弱因幅度和相位不理想造成的失真，通常选为了减弱因幅度和相位不理想造成的失真，通常选择的抽样频率略大于择的抽样频率略大于2F2Fm m。第18页/共154页19第三、实际的抽样脉冲不可能是单位冲第三、实际的抽样脉冲不可能是单位冲激脉冲，只能是高度为激脉冲，只能是高度为A A，宽度为，宽度为tt，重复频率为重复频率为1/T1/Ts s的矩形窄脉冲序列的矩形窄脉冲序列s(t)s(t)第19页/共154页204 4、自然抽样：、自然抽样：抽样脉
11、冲为抽样脉冲为S S（t t）时的抽样）时的抽样这时所得的抽样信号为这时所得的抽样信号为其频谱其频谱实际抽样过程中信号波形及频谱分布情况实际抽样过程中信号波形及频谱分布情况第20页/共154页21实际抽样过程中信号波形及频谱分布第21页/共154页22有关自然抽样的几点说明：有关自然抽样的几点说明：当当k k0 0时，时，自然抽样和理想抽样的频谱仅差一自然抽样和理想抽样的频谱仅差一个系数个系数A A t/Tt/Ts s，同样可通过截止频率等，同样可通过截止频率等于于F Fm m的理想低通滤波器来不失真的恢复的理想低通滤波器来不失真的恢复原信号。原信号。自然抽样得到抽样信号自然抽样得到抽样信号f
12、 fs s(t)(t)是一系是一系列顶部与抽样原始信号列顶部与抽样原始信号f(t)f(t)保持一致的保持一致的脉冲串。脉冲串。第22页/共154页235 5、平顶抽样、平顶抽样 抽样信号的脉冲顶部是抽样信号的脉冲顶部是“平顶平顶”的抽样，样值的抽样，样值等于抽样点上的取值。等于抽样点上的取值。平顶抽样是通过一个保持时间为平顶抽样是通过一个保持时间为tt的脉冲保持的脉冲保持电路来实现的。如图电路来实现的。如图2 27 7所示所示第23页/共154页24 平顶抽样信号的频谱函数不再与理想抽样平顶抽样信号的频谱函数不再与理想抽样的频谱函数保持线性关系。为了无失真的恢复的频谱函数保持线性关系。为了无失
13、真的恢复原信号，必须在低通滤波器前（或后）接入频原信号，必须在低通滤波器前（或后）接入频率特性为率特性为 的校正网络。如图的校正网络。如图2 28 8所示所示第24页/共154页25平顶抽样信号为平顶抽样信号为脉冲形成电路的冲击响应为脉冲形成电路的冲击响应为其频谱为：其频谱为：为满足上式，理论上还应插入一增益为为满足上式，理论上还应插入一增益为A t的线性放大器。的线性放大器。第25页/共154页26这样这样fH（t）的频谱为）的频谱为在在k=0时时 校正网络输出信号的频谱为校正网络输出信号的频谱为 可见，经校正网络后的输出信号与原可见，经校正网络后的输出信号与原信号成线性关系。信号成线性关系
14、。第26页/共154页27二、带通信号的抽样 带通信号的带宽限制在带通信号的带宽限制在ffL L，f fH H,其频带宽其频带宽度为度为B B f fH H f fL L。任何带通信号都可以通过混频电路将其频任何带通信号都可以通过混频电路将其频谱转换成低通型的基带信号。因而，原则谱转换成低通型的基带信号。因而，原则上说，只要抽样频率不低于带通信号带宽上说，只要抽样频率不低于带通信号带宽B B的两倍，就可以不失真的恢复原信号。的两倍，就可以不失真的恢复原信号。第27页/共154页28下面分两种情况来讨论：下面分两种情况来讨论：（1 1）当信号的最高频率）当信号的最高频率f fH H为频带宽度整数
15、倍时，即为频带宽度整数倍时，即f fH H/B=n,n=1,2,3,/B=n,n=1,2,3,为正整数，选抽样频率为正整数，选抽样频率f fs s2B 2B 图图2 21010第28页/共154页29（2 2）若信号的最高频率）若信号的最高频率f fH H不是频带不是频带B B的整数倍。令的整数倍。令f fH H/B/Bn+k,nn+k,n为小于为小于f fH H/B/B的最大整数，的最大整数，k k为分数，为分数，如果仍按如果仍按f fs s2B2B来选择抽样频率，样值信号的频谱来选择抽样频率，样值信号的频谱是重叠的。若把抽样频率增加是重叠的。若把抽样频率增加2 2（f fH HnBnB）/
16、n/n，频，频谱则无重叠。因此，必须使抽样频率满足谱则无重叠。因此，必须使抽样频率满足 nfnfs s2nB2nB2 2（f fH HnBnB）2f2fH H 即即第29页/共154页30fH/B为非整数倍时的抽样频谱第30页/共154页31若要求各组频率分量之间的间隔都相等，若要求各组频率分量之间的间隔都相等，并等于并等于2f2f则可令则可令满足上述要求的抽样频率为满足上述要求的抽样频率为各频率之间的间隔为各频率之间的间隔为第31页/共154页32带通采样图中任何一个中心频率为图中任何一个中心频率为 f f0n0n ，带宽为，带宽为B B 的通带信的通带信号均可用同样的采样频率采样号均可用同
17、样的采样频率采样只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混迭。同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混迭。可以采用跟踪滤波器（抗混迭滤波器）先进行滤波可以采用跟踪滤波器（抗混迭滤波器）先进行滤波频带宽度应理解为处理带宽，在其中可以包括多个信频带宽度应理解为处理带宽，在其中可以包括多个信号号第32页/共154页33带通采样带通采样的结果是把位于带通采样的结果是把位于(nB,(n+1)B)(n=0,1,2,(nB,(n+1)B)(n=0,1,2,)的的不同频带上的信号都用位于不同频带上的信号都用位于(0,
18、B)(0,B)上相同的基带频谱来上相同的基带频谱来表示；表示；当当n n为奇数时，其频率对应关系相对中心频率是反折的。为奇数时，其频率对应关系相对中心频率是反折的。即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量通带上的低频分量对应基带上的高频分量偶数频带与采样后与数字基带频谱是高低频率分量一一偶数频带与采样后与数字基带频谱是高低频率分量一一对应对应第33页/共154页34采样中的几个关注参数 采样速率采样速率单位单位 KSPS、MSPS过采样倍数过采样倍数编码位数与编码方式编码位数与编码方式分辨率，量化最小量
19、化电平分辨率，量化最小量化电平自然二进制码，折叠二进制码，反射二进制码自然二进制码，折叠二进制码，反射二进制码量化信噪比量化信噪比正弦信号：正弦信号：6.02n+1.76均匀分布信号：均匀分布信号：6.02n动态范围动态范围最大功率输出和最小功率输出之比的对数最大功率输出和最小功率输出之比的对数 有效位有效位无杂散动态范围（无杂散动态范围（SFDR）：）：输出信号有效值（输出信号有效值（dB）与输出信号新生的频率分量中最高幅度那）与输出信号新生的频率分量中最高幅度那一个有效值之差。一个有效值之差。第34页/共154页35过采样理想的采样（低通、带通）对抗混迭滤波器提出了严格理想的采样（低通、带
20、通）对抗混迭滤波器提出了严格的，通常是不可能实现的要求（过渡带、阻带衰减、相的，通常是不可能实现的要求（过渡带、阻带衰减、相位失真）位失真）为缓解对抗混迭滤波器的要求，可以适当提高采样率，为缓解对抗混迭滤波器的要求，可以适当提高采样率，即使用即使用“过采样过采样”的方法的方法过采样：采样率大于过采样：采样率大于NyquistNyquist采样率（低通）采样率（低通）过采样的采样信号频谱重复周期增大，信号最高频率和过采样的采样信号频谱重复周期增大，信号最高频率和1/21/2采样频率之间有一个缓冲带，可降低抗混迭滤波器采样频率之间有一个缓冲带，可降低抗混迭滤波器过渡带陡度的要求过渡带陡度的要求代价
21、：需要速度更快的代价：需要速度更快的ADCADC对较低频率信号采样；数据对较低频率信号采样；数据吞吐量增大；后继处理难度加大吞吐量增大；后继处理难度加大第35页/共154页36过采样两种情况：两种情况：采样频率，量化比特数：采样频率，量化比特数：L L 倍过采样，即倍过采样，即使两种采样保持相同的噪声功率谱密度，有使两种采样保持相同的噪声功率谱密度，有第36页/共154页37过采样结论：结论：1.1.将采样率提高将采样率提高L L倍，若保持同样的量化噪声谱密度，比特数可减少倍，若保持同样的量化噪声谱密度，比特数可减少 2.2.若标称比特数保持不变，若标称比特数保持不变，将采样率提高，将采样率提
22、高L L倍，则有效比特倍，则有效比特数将提高数将提高 。第37页/共154页38过采样意义：意义：当采用过采样时，量化噪声被分散到更宽的频当采用过采样时，量化噪声被分散到更宽的频带带 ，量化噪声功率谱密度降，量化噪声功率谱密度降低低L倍，在倍，在 的的Nyquist带宽内的带宽内的有效量化噪声功率也降低有效量化噪声功率也降低L倍。倍。第38页/共154页39窄带中频采样数字化软件无线电中必须采用带通采样软件无线电中必须采用带通采样实现方案一：窄带中频采样数字化实现方案一：窄带中频采样数字化缺点：能处理的信号中心频率有限缺点：能处理的信号中心频率有限实现困难：实现困难：A/DA/D前的抗混迭滤波
23、器无法实现，不可前的抗混迭滤波器无法实现，不可能在整个宽频带内保持相同的滤波器带宽和阻带特能在整个宽频带内保持相同的滤波器带宽和阻带特性性第39页/共154页40窄带中频采样数字化超外插接收体制窄带中频采样数字化超外插接收体制超外插接收体制：用一个本振信号与被数字化的输入信超外插接收体制：用一个本振信号与被数字化的输入信号进行混频（可经过几次混频），将其变换为统一的中号进行混频（可经过几次混频），将其变换为统一的中频信号，然后进行数字化。频信号，然后进行数字化。缺点：缺点：在天线与在天线与A/DA/D之间增加了很多模拟环节，不仅会造成信号失真，之间增加了很多模拟环节，不仅会造成信号失真，也对缩
24、小体积，降低成本和功耗不利；也对缩小体积，降低成本和功耗不利；模拟环节过多，使体制在对信号适应性以及可扩展性方面存在模拟环节过多，使体制在对信号适应性以及可扩展性方面存在明显不足。所以不是软件无线电意义上的一种理想结构形式。明显不足。所以不是软件无线电意义上的一种理想结构形式。第40页/共154页41软件无线电结构对采样的要求软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、软件无线电的基本思想是以一个通用、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。途的
25、电台设计方法中解放出来。功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、功能的软件化的实现方法势必减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（把数字化处理（A/DA/D和和D/AD/A变换）尽量靠近天变换）尽量靠近天线。线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。实现新的功能。第41页/共154页42软件无线电结构框图 软件无线电主要构成软件无线电主要构成天线天线射频前端射频前端高速高速A/D-D/AA/D
26、-D/A转换器转换器通用和专用数字信号处理器通用和专用数字信号处理器低速低速A/D-D/AA/D-D/A转换器转换器各种接口各种接口软件软件第42页/共154页43软件无线电的基本结构软件无线电的天线软件无线电的天线要覆盖比较宽的频段，比如要覆盖比较宽的频段，比如1MHz-2000MHz1MHz-2000MHz，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。为便于实现，可在全频段甚至每个频段使用几付天线，并采用智能天线技术为便于实现，可在全频段甚至每个频段使用几付天线，并采用智能天线技术 。RFRF部分部分发射时主要完成滤波、功率放大等任务发射时主
27、要完成滤波、功率放大等任务接收时实现滤波、放大等功能。接收时实现滤波、放大等功能。第43页/共154页44对ADAD变换的要求因实现射频直接带通采样，要求因实现射频直接带通采样，要求A/DA/D转换器转换器有足够的工作带宽（例如有足够的工作带宽（例如2000MHz2000MHz以上），以上），较高的采样速率（一般在较高的采样速率（一般在60MHz60MHz以上），以上），较高的较高的A/DA/D转换位数，以提高动态范围转换位数，以提高动态范围目前目前8 8位位A/DA/D转换器的工作带宽已做到转换器的工作带宽已做到2000MHz2000MHz以上。以上。第44页/共154页45软件无线电的基本
28、结构模拟信号进行数字化后的处理任务全由模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSPDSP和专用的可编程处理器的软件来承担。和专用的可编程处理器的软件来承担。通用通用DSPDSP主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，比如信号的调制解调，主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，比如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等。还要完成经信源编码后的前向各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等。还要完成经信源编码后的前向纠错（纠错（FECFEC）,帧调整、比特填充和链路加密等算法。也有采用多帧调整、比特填充和链路加密等算法。也有采用多DSPDSP芯片并行处芯片并行处理的方法，以
29、提高其处理的能力。理的方法，以提高其处理的能力。第45页/共154页46软件无线电的基本结构为了减轻通用为了减轻通用DSPDSP的处理压力，通常把的处理压力，通常把A/DA/D转换器传来的数字信号，经过专用数字转换器传来的数字信号，经过专用数字信号处理器件（如数字下变频器信号处理器件（如数字下变频器DDCDDC）处理，降低数据流速率，并把信号变至基）处理，降低数据流速率，并把信号变至基带后，再把数据送给通用带后，再把数据送给通用DSPDSP进行处理。进行处理。由于高速宽带由于高速宽带A/DA/D和和D/AD/A转换器目前还比较困难，价格也高，下变频和上变频模块转换器目前还比较困难，价格也高，下
30、变频和上变频模块（DDC/DUCDDC/DUC）都用模拟线路放在）都用模拟线路放在RFRF部分中。部分中。第46页/共154页47软件无线电的基本结构软件无线电的结构基本上可以分为三种软件无线电的结构基本上可以分为三种 1 1）射频全宽带低通采样软件无线电结构）射频全宽带低通采样软件无线电结构 2 2）射频直接带通采样软件无线电结构）射频直接带通采样软件无线电结构 3 3）宽带中频带通采样软件无线电结构）宽带中频带通采样软件无线电结构第47页/共154页48射频全带宽低通采样软件无线电结构这种结构的软件无线电，结构简洁，把模拟这种结构的软件无线电，结构简洁，把模拟电路的数量减少到最低程度，如图
31、所示。电路的数量减少到最低程度，如图所示。双工器超宽带滤波器超宽带放大器超高速超宽带A/D分波段滤波器超宽带功率放大器超高速超宽带D/A超高超高速速 DSP软件软件第48页/共154页49射频全带宽低通采样软件无线电结构优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电优点：对射频信号直接采样，符合软件无线电概念的定义。概念的定义。缺点缺点：（1）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动）需要的采样频率太高，特别还要求采用大动态、多位数的态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件水平时，显然目前的器件水平无法实现。无法实现。（2）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范）前端超宽的接收模式会对整个结构的动态范
32、围有很高的要求，工程实现极为困难。围有很高的要求，工程实现极为困难。所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。所以这种结构只实用于工作带宽不太宽的场合。这种结构的优缺点这种结构的优缺点第49页/共154页50例：短波例：短波HF频段低通采样软件无线电结构频段低通采样软件无线电结构对于工作频段处于对于工作频段处于0.1MHz到到30MHz范围的范围的HF就可能采用上述结构，因为采就可能采用上述结构，因为采样频率在样频率在100MHz左右精度为左右精度为14位的位的AD已基本能满足要求。已基本能满足要求。双工器双工器滤波器滤波器放大器放大器A/D滤波器滤波器功放功放D/ADSP软件软件0.1MHz
33、30MHz第50页/共154页51射频直接带通采样软件无线电结构射频带通采样结构的软件无线电可以较好地解决上述射频低通采样软件无线射频带通采样结构的软件无线电可以较好地解决上述射频低通采样软件无线电结构对电结构对A/DA/D转换器、高速转换器、高速DSPDSP等要求过高，以致无法实现的问题。等要求过高，以致无法实现的问题。双工器双工器窄带电调滤窄带电调滤波器波器放大器放大器A/D功功放放“0”内插上内插上变频变频D/ADSP软件软件窄带电调窄带电调滤波器滤波器第51页/共154页52本结构说明本结构说明本结构采用了射频直接带通采样原理。本结构采用了射频直接带通采样原理。这种带通采样除了需要一个
34、主采样频率这种带通采样除了需要一个主采样频率fs外，还需要外，还需要M个个“盲区盲区”采样频率采样频率fsm(m=0,1,2M-1)，M值由下式确定：值由下式确定：式中，式中，INTx表示取大于等于表示取大于等于x的最小整数。的最小整数。盲区采样频率为：盲区采样频率为：，式中，式中，m=0,1,2,M-1对应盲区号。对应盲区号。第52页/共154页53主采样频率主采样频率fs的确定主要取决于的确定主要取决于A/D器件的性能；器件的性能；另外，还要考虑与后续另外，还要考虑与后续DSP的处理速度相匹配。的处理速度相匹配。为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频
35、率fmax一定的情况下，一定的情况下，fs应尽量选高。应尽量选高。本结构对本结构对A/D器件的要求是器件的要求是A/D需有足够高的工作需有足够高的工作带宽。带宽。优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不优点：与射频全宽开低通采样结构相比最大的不同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有A/D的采样速率不同；最后就是对的采样速率不同；最后就是对DSP的处理速度要的处理速度要求不同。实现可行性较强。求不同。实现可行性较强。第53页/共154页54缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的缺点：前置窄带电调滤波器和高工作带宽的A/D（高性能采样保持放大器）实现起来还是
36、有（高性能采样保持放大器）实现起来还是有相当的难度。另外，本结构需要多个采样频率，相当的难度。另外，本结构需要多个采样频率，增加了系统实现复杂度。增加了系统实现复杂度。因此，我们将介绍下面一种软件无线电结构因此，我们将介绍下面一种软件无线电结构宽带中频带通采样软件无线电结构。宽带中频带通采样软件无线电结构。第54页/共154页55宽带中频带通采样软件无线电结构宽带中频带通采样软件无线电结构宽带中频带通采样结构的软件无线电结构与目前的中频数字化接收机的结构宽带中频带通采样结构的软件无线电结构与目前的中频数字化接收机的结构是类似的，都采用了多次混频体制或叫超外差体制。是类似的，都采用了多次混频体制
37、或叫超外差体制。这种宽带中频带通采样软件无线电结构的主要特点是中频带宽更宽（比如这种宽带中频带通采样软件无线电结构的主要特点是中频带宽更宽（比如20MHz20MHz），所有调制解调等功能全部由软件加以实现。中频带宽更宽是这种），所有调制解调等功能全部由软件加以实现。中频带宽更宽是这种软件无线电与普通超外差中频数字化接收机的本质区别。软件无线电与普通超外差中频数字化接收机的本质区别。第55页/共154页56宽带中频带通采样结构分波段分波段滤波器滤波器 功功放放高高放放 双工双工器器 一本一本振振 一中一中放放 滤滤波波A/DD/A DSP(软软件件)fsf0放放大大放放大大 一本一本振振 二中二
38、中放放第56页/共154页57本结构说明本结构说明本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的中本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的中频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结构。频带宽为窄带结构，而本结构为宽带中频结构。本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接收本结构使前端电路设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化处理，通道后的失真也小，而且通过后续的数字化处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽适应性以本结构具有更好的波形适应，信号带宽适应性以及可扩展性。及可扩展性。本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射频本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射频信号转换为适合于信
39、号转换为适合于A/DA/D采样的宽带中频或把采样的宽带中频或把D/AD/A输输出的宽带中频信号变换为射频信号。出的宽带中频信号变换为射频信号。第57页/共154页58三种软件无线电结构的等效数字谱三种软件无线电结构的等效数字谱低通采样的软件无线电结构的数字谱：低通采样的软件无线电结构的数字谱：B Bf 图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画图中的频率全部用模拟频率来表示的，且仅画了正半频率。了正半频率。第58页/共154页59宽带中频带通采样的数字谱：宽带中频带通采样的数字谱：由带通采样定理，采样速率由带通采样定理，采样速率 与中频与中频 满满足条件：足条件：其其ADAD采样数字谱采样数字谱
40、 如下图如下图1 1所示，图所示，图2 2为中频信为中频信号模拟频谱号模拟频谱 ：图图1 1B0f第59页/共154页60图图2 2B0f 当上式中当上式中n为偶数时，数字谱和模拟谱的对应为偶数时，数字谱和模拟谱的对应关系为关系为 ；当；当n为奇数时对应关系为奇数时对应关系 。所以，无论。所以，无论 n 取确定的何值，带通采样的数字取确定的何值，带通采样的数字谱与原始模拟带通信号谱也是一一对应，只是根谱与原始模拟带通信号谱也是一一对应，只是根据不同的中频选取不同的数字模拟对应关系而已。据不同的中频选取不同的数字模拟对应关系而已。第60页/共154页61射频直接带通采样技术射频直接带通采样技术
41、为消除因前置跟踪滤波器和不理想而产生的为消除因前置跟踪滤波器和不理想而产生的采样采样“盲区盲区”，需要多个采样频率，其中包括一，需要多个采样频率，其中包括一个主采样频率个主采样频率 fS和和M个个“盲区盲区”采样频率采样频率 fSm。主采样时的数字谱和射频信号谱分别如下二图。主采样时的数字谱和射频信号谱分别如下二图。B0f图图1第61页/共154页62 这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取这时数字谱与模拟信号谱的对应关系主要取决于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器决于前置跟踪滤波器所处的位置，当跟踪滤波器（其中心频率设为（其中心频率设为 f fcentcent）位于偶数频段，满足：）位于
42、偶数频段，满足：B0f跟踪滤跟踪滤波器波器图图2第62页/共154页63 射频直接带通采样还存在射频直接带通采样还存在“盲区盲区”采样频带。采样频带。“盲区盲区”频带的中心频率频带的中心频率 f0m由下式定：由下式定：式中，式中，fS 为主采样频率，为主采样频率，m为为“盲区盲区”频带号频带号(m=0,1,M-1)，其数字谱和射频信号谱如下图所示，其数字谱和射频信号谱如下图所示B0f图图1B0f跟踪滤跟踪滤波器波器图图2第63页/共154页64 “盲区盲区”采样数字谱与采样数字谱与“盲区盲区”频带信号谱频带信号谱的对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置，的对应关系取决于前置跟踪滤波器所处的位置
43、，当其位于偶数当其位于偶数(m=0,2,4,6,(m=0,2,4,6,)“盲区盲区”时，其对时，其对应关系为：应关系为：当其为于奇数当其为于奇数 (m=1,3,5,7,(m=1,3,5,7,)“盲区盲区”时，时，其对应关系为：其对应关系为：所以，无论主采样还是所以，无论主采样还是“盲区盲区”采样都可以采样都可以用一个等效的基带数字谱来唯一地表示射频信号，用一个等效的基带数字谱来唯一地表示射频信号，只要确知前置滤波器在射频频带上所处的位置。只要确知前置滤波器在射频频带上所处的位置。第64页/共154页652.3 多采样率数字信号处理技术采样率应尽可能高一些：采样率应尽可能高一些：提高采样量化信噪
44、比；提高采样量化信噪比；降低对抗混迭滤波器的要求；降低对抗混迭滤波器的要求；高采样率使采样后数据速率高，给后继信高采样率使采样后数据速率高，给后继信号处理增加难度号处理增加难度降速处理降速处理多采样率数字信号处理多采样率数字信号处理抽取抽取内插内插第65页/共154页662.3.1 整数倍抽取所谓整数倍抽取是指把原始采样序列所谓整数倍抽取是指把原始采样序列 x(n)每隔每隔(D-1)个数据取一个，以形成一个数据取一个，以形成一个新序列个新序列xD(m)，即：，即：xD(m)=x(mD)式中，式中，D为正整数。抽取过程及抽取器符号见下图。为正整数。抽取过程及抽取器符号见下图。DX(n)XD(m)
45、抽取器的符号表示抽取器的符号表示第66页/共154页67整数倍抽取整数倍抽取第67页/共154页68直接抽取数据，行吗？直接抽取数据，行吗？公式证明！公式证明！定义一个新信号：定义一个新信号：根据恒等式：根据恒等式：则则x(n)可以表示为：可以表示为：第68页/共154页69 由于由于 xD(m)=x(Dm)=x(Dm)，对，对 xD(m)进行进行Z变换，可得：变换，可得：把把 x(m)的表达式以及的表达式以及 带入上式，得：带入上式，得：由上式可见，抽取序列的频谱为抽取前后原始序列之频由上式可见，抽取序列的频谱为抽取前后原始序列之频谱经频移和谱经频移和 D 倍展宽后的倍展宽后的 D 个频谱的
46、叠加和，因此可能个频谱的叠加和，因此可能存在混迭。存在混迭。第69页/共154页70直接抽取序列，频谱产生混叠直接抽取序列，频谱产生混叠第70页/共154页71预滤波预滤波 解决混叠的良药！解决混叠的良药！由上图可见，抽取后的频谱产生了严重的混叠，使得从由上图可见，抽取后的频谱产生了严重的混叠，使得从 中已经无法中已经无法恢复出我们所感兴恢复出我们所感兴 趣的信号频谱分量。但是，如果首先采用一数字趣的信号频谱分量。但是，如果首先采用一数字 滤波器对滤波器对 进行滤波，使进行滤波，使 中只含有小于中只含有小于 pi/D 的频率分量（对应模拟频率为的频率分量（对应模拟频率为pifs/D），再），再
47、进行进行D倍抽取，则抽取后的频谱就不会发生混叠。倍抽取，则抽取后的频谱就不会发生混叠。第71页/共154页72滤波后抽取序列，频谱不会混叠滤波后抽取序列，频谱不会混叠第72页/共154页73 经过抽取，数据流数率只有以前经过抽取，数据流数率只有以前的的1/D，大大降低了对后续处理（解调，大大降低了对后续处理（解调分析等）的速度要求。分析等）的速度要求。D完整的抽取器方框图完整的抽取器方框图第73页/共154页742.3.2 整数倍内插 所谓整数倍内插就是指在两个原始采样点之间插入（I1）个零值，若设原始抽样序列为x(n)，则内插后的序列 xI(m)为：第74页/共154页75内插过程整数倍内插
48、整数倍内插内插内插滤波滤波第75页/共154页76抽取导致频谱扩散，内插呢？内插内插(I=2)前后的频谱结构图前后的频谱结构图第76页/共154页77 从上图很容易看出，内插后的信号频谱相当于原始信号经过I倍压缩后得到的谱。并且在未经滤波前，频谱除了含有基带分量外，还含有原始信号的高频成分。因此，为了能恢复原始信号，内插后通常要进行低通滤波。I I完整的内插器方框图完整的内插器方框图如果说抽取提高了频域 分辨率，那么内插则是提高了时域分辨率。第77页/共154页782.3.3 取样的分数倍变换 前面讨论的整数倍抽取和内插实际上是取样率变换的一种特殊情况，即：整数倍变换的情况。然而在实际中往往会
49、遇到非整数倍变换的情况。假如分数倍变换的变换比为：R=D/I，怎么办？先内插，再抽取？先抽取，再内插？二者皆可？第78页/共154页79一定要先内插！IDx(n)y(m)S(k)x(n)y(m)ID取样率的分数倍变换取样率的分数倍变换第79页/共154页80从频域上不难理解到，如果先进行抽取，要么会引起混叠，使信号失真，要么是放弃一部分信号分量，也会引起信号失真！一定要先内插！第80页/共154页812.3.4 取样率变换的性质经过前面的分析，很容易得出内插及抽取的特性，如下图所示：DDDDDDDDDDx(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)y(m)y(m)y(m)y(
50、m)y(m)y(m)y(m)y(m)抽取器的抽取器的对等关系对等关系第81页/共154页82IIII DI=DDIIIIIII=D内插器的对等关系内插器的对等关系第82页/共154页83ID=IDI=DD1D2D3I1I2I3x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)x(n)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)y(m)D3=D1D2I3=I1I2抽取内插级联系统的对等关系抽取内插级联系统的对等关系第83页/共154页842.3.5 抽取内插器的实时滤波结构 多相滤波结构 前面所讨论的，无论是抽取还是内插，对系统运算速度的要求是相当高的。主要表现在抽取器模型中，