軟件無線電中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器

 所謂軟件無線電,就是采用數(shù)字信號處理技術(shù),在可編程控制的應(yīng)用硬件平臺上,利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能:包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議全部由軟件編程來實現(xiàn)。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器,盡早地完成信號的數(shù)字化,使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)?？傊?軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理(DSP)芯片,以軟件為核心的嶄新的無線電通信體系結(jié)構(gòu)。既然要采用數(shù)字技術(shù),必不可少的器件就是要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器,而A/D/A在軟件無線電中的位置是非常關(guān)鍵的,它直接影響到軟件無線電的軟件化程度。

1 轉(zhuǎn)換器(A/D、D/A)的位置

    目前轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用選擇方式有三種,即基帶(Baseband)、中頻(IF)和射頻(RF)。

1.1 基帶數(shù)字化

    傳統(tǒng)的超外差接收機是一種模擬和數(shù)字電路相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖1所示),在這種接收機結(jié)構(gòu)中,它的前端全部采用模擬信號,混頻器在RF級接收已調(diào)載波并下變頻到一中頻。與RF相比,在IF級更容易制作廉價濾波器電路,以衰減不需要的信號和混頻分量及噪聲。這時的RF級混頻器需要一個可變頻率振蕩器(VFO),可調(diào)整其頻率使之調(diào)諧于有用信號,而IF級的混頻器則需要一個固定頻率振蕩器。對模擬信號的數(shù)字化采樣處理僅僅是在基帶部分采用A/D/A,然后再用DSP進行數(shù)字處理。

 這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于技術(shù)比較成熟,模擬低損耗的RF器件和IF器件比較容易實現(xiàn)。但接收支路的動態(tài)范圍大,為了滿足整個系統(tǒng)的指標,要在接收支路設(shè)置AGC電路,來控制接收機的動態(tài)范圍。這樣一來,就對AGC電路的響應(yīng)速度提出了較高的要求,其速度必須適應(yīng)每個時隙的要求。另外,電路受元器件老化和溫度的影響,造成性能的變化,也是不可忽視的。而且,這種設(shè)計把整個接收鏈路只用于一個解調(diào)信號或信道,如果要增加一路載波,就要添加一整套相同的從RF變換到基帶的設(shè)備,代價很大。因此,在軟件無線電中,不采用這種電路結(jié)構(gòu)形式。

1.2 中頻數(shù)字化

    現(xiàn)在的A/D變換器已足以在中頻(IF)對模擬信號進行數(shù)字化,如圖2所示。此時,由于LO(本地振蕩器)輸出一個固定頻率,不需要調(diào)諧IF混頻器,從而使電路更簡單。

目前,已經(jīng)出現(xiàn)了一些在IF能使多個信道的信號實現(xiàn)數(shù)字化的A/D變換器,這給必須同時處理多個信道的接收機(如基站)帶來了極大的好處。因為數(shù)字化的IF中包含了來自所有相關(guān)信道的信息,只需要一個RF前端,體現(xiàn)了軟件無線電的通用性。由圖2可以看出,把寬帶數(shù)字化信號直接送入到DSP中,并用軟件實現(xiàn)其后的所有其它功能(如調(diào)制、解調(diào)、編/解碼、加/解密等)。由于DSP可以用軟件來調(diào)整和更新,從而可以適應(yīng)不同的空中信號接口標準以及今后的技術(shù)更新,擺脫了更新硬件結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計。

    從目前的技術(shù)能力來看,從高速、高分辯率的A/D獲得數(shù)據(jù)后,再用DSP處理來完成所有的處理任務(wù)是不現(xiàn)實的。好在有公司開發(fā)出了專用器件——下變頻器DDC來執(zhí)行大部分的IF處理工作。DDC對一個數(shù)字化的輸入進行下變頻后,再抽取和低通濾波,從而輸出一個低比特率的基帶信號,使得DSP擺脫了這些重復的處理工作,去完成其它處理任務(wù)。

    在IF級采用數(shù)字化技術(shù)除了可以進行多信道操作外,還可以獲得其它好處。如一個DDC根據(jù)公式10log其中Bw為信道帶寬,Fs為采樣頻率,可以增加處理增益,從而增大了鏈路的信噪比(SNR),一般認為可有20dB的處理增益。

    當然,在中頻進行數(shù)字化處理時,要求DSP必須滿足下列要求:

    ·運算速度快。DSP必須具有高指令執(zhí)行速度,同時還要具備功能強大的指令系統(tǒng),支持單周期內(nèi)完成常用的浮點運算和邏輯運算的能力。

    ·高精度的數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)字信號處理中所固有的量化效應(yīng)和有限長寄存器效應(yīng)的影響,在實際處理過程中會出現(xiàn)誤差,并隨著運算的增加遂漸積累。這就要求數(shù)據(jù)一定要有足夠的精度,并且處理器支持高精度運算,才能減小這些誤差。DSP至少要支持32位浮點運算的能力。

    ·高速數(shù)據(jù)交換能力。軟件無線電各模塊之間需要進行大量的數(shù)據(jù)交換,DSP總線必須有足夠的數(shù)據(jù)傳輸和I/O吞吐能力,才能保證對信號的實時處理。另外,開放的設(shè)計應(yīng)用條件是總線系統(tǒng)必備的特征要素。

    ·支持多SHARC同時工作。

    圖3給出了一個基站中中頻應(yīng)用軟件無線電的例子。它直接在中頻對信號進行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入專用處理芯片——可編程下變頻器(PDC)中處理,完成對IF的選頻和濾波。

當采用一個12位、60dB動態(tài)范圍的轉(zhuǎn)換器,從一個數(shù)字控制的可變增益放大器獲得40dB增益,另外,系統(tǒng)的數(shù)字下變頻器大約增加20dB處理增益。這樣,總的動態(tài)范圍就達到120dB,扣除解調(diào)的6～7dB和峰值儲備(headroom)的6～7dB,還有100dB,能夠滿足GSM-900的要求。

    如果GSM-900要求消除一個比帶內(nèi)信號高91dB以上、并遠離帶內(nèi)信號3MHz的干擾信號,用數(shù)字技術(shù)消除此干擾,需要91dB動態(tài)范圍來測定此信號,再加上測定帶內(nèi)信號的30dB動態(tài)范圍,在基帶中最強和最弱信號測量之間的差值為121dB。限定200kHz信道帶寬,并假定在70MHz對IF信號進行取樣,根據(jù)前面的公式,下變頻器增加22.4dB,即真正的動態(tài)范圍是98.6dB。數(shù)據(jù)變換器中每位大約等效于6dB,此動態(tài)范圍就相當于16位。目前還不能批量生產(chǎn)16位、70MHz的變換器。

1.3 射頻數(shù)字化

    一個真正的軟件無線電(見圖4),是在天線之后對寬帶RF模擬信號進行數(shù)字化,而且數(shù)字電路是通過軟件來完成所有的濾波、解調(diào)和其它操作,從而去除了所有的IF以及與之相關(guān)的混頻和濾波電路。這不僅使電路元件數(shù)顯著減少,提高了可靠性,而且變換器還數(shù)字化了包括很多信道的相關(guān)頻帶。根據(jù)變換器的帶寬,同一無線電可工作在寬頻帶,適合各種不同的空中信號接口,處理不同的業(yè)務(wù),這對DSP提出了更高的要求。目前的A/D和DSP等器件也正向這一方向努力,但要實現(xiàn)這一最終目標,恐怕還要等待幾年。

2 轉(zhuǎn)換器的特性

    決定A/D性能的因素主要有以下幾個:

2.1 采樣率和分辨率

    采樣率由信號帶寬決定,分辨率(位數(shù))則要滿足一定的動態(tài)范圍和數(shù)字信號處理精度,A/D的分辨率越高(位數(shù)越多),需要轉(zhuǎn)換的時間越長,轉(zhuǎn)換速率就越低,兩者相互制約。高速A/D的結(jié)構(gòu)主要采用全并行或閃爍式,而高分辨率A/D主要采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)。有關(guān)A/D的具體應(yīng)用可見參考文獻[1]。

2.2 無寄生動態(tài)范圍的信噪比

    無寄生動態(tài)范圍(SFDR)用來度量轉(zhuǎn)換器中的非線性誤差源,常是高速器件性能的限制因素。如果沒有最高線性度,任何失真或諧波都會產(chǎn)生強信號的像頻,與真正的信號難以區(qū)分。信噪比(SNR)則是度量一個信號不論它比噪聲底值高多少,轉(zhuǎn)換器必須仍能檢測到它。與SFDR有很大關(guān)系的是近遠(near-far)問題。在某些系統(tǒng),無線電即使只在幾個信道外出現(xiàn)很強信號的情況下,也必須能檢測到一個弱信號,而強信號的失真分量所產(chǎn)生的大寄生信號可能淹沒弱邊緣信號。SFDR性能指標允許對靠近噪聲底值的信號進行SNR評估。解決近遠問題的一個基本方法是采用可編程增益級。AGC的調(diào)節(jié)可以適合接收信號的強度,從而A/D總是接收一個同樣強度的信號,降低對其動態(tài)范圍的要求,但不適合接收多個不同強度信號的寬帶接收機。

    軟件無線電寬波段設(shè)計的另一個困難是數(shù)據(jù)變換器的SFDR在數(shù)字化一個全標度信號時與較小信號工作時是不同的。對于較低電平的信號,SFDR比一般較好,因為變換器在其范圍內(nèi)的其余部分具有更高的線性度,而在全標度上變換器的非線性和跟蹤/保持轉(zhuǎn)換率受限制。因此,在全標度的附近減小信號也可以改善SFDR。

    為了提取強信號環(huán)境下的弱信號,可選的A/D轉(zhuǎn)換器主要有兩種:A.管道式(pipeline)結(jié)構(gòu),其SFDR和SNR分別可以達到100dB(20MHz輸入時)和75dB以上;B.粗細調(diào)整型A/D,采用稱為數(shù)字兩端式兩級A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),對輸入信號進行粗采樣、細采樣,并對細采樣數(shù)據(jù)進行校正,從而實現(xiàn)極低的采樣抖動(達0.3ps)。

2.3 與處理器的接口

    隨著A/D和D/A速度的提高,轉(zhuǎn)換結(jié)果到MCU和DSP的數(shù)據(jù)速度也需要提高。目前主要采用如下技術(shù):①在A/D內(nèi)部集成FIFO存儲器和與處理器兼容的SPI串行接口;②采用并行接口;③直接把A/D或D/A集成在處理器內(nèi)部。

    由于處理器的數(shù)字噪聲對A/D轉(zhuǎn)換器性能有重要影響,在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中,幾乎都用與MCU或DSP分離的方法設(shè)計系統(tǒng)。

    本文探討了軟件無線電中的數(shù)據(jù)變換器應(yīng)用的若干問題,涉及不夠全面。由于數(shù)據(jù)變換器的高速、大容量應(yīng)用,在電路設(shè)計方面還有很多技巧。器件的不斷發(fā)展也在提供著更好的處理方法。