大動(dòng)態(tài)射頻直接采樣方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

隨著無(wú)線(xiàn)通信需求從單一頻段、單一功能向多頻段、多功能發(fā)展，以硬件技術(shù)為主的傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿(mǎn)足新的需求 [1]，業(yè)內(nèi)逐步開(kāi)始采用軟件無(wú)線(xiàn)電的設(shè)計(jì)方法，射頻直接采樣接收機(jī)得到廣泛關(guān)注與研究 [2]。由于模數(shù)變換器可處理的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍有限，因此射頻直接采樣接收機(jī)的信號(hào)處理能力受到了極大制約。

本文提出一種大動(dòng)態(tài)射頻直接采樣方案，該方案采用高低增益雙通道接收方法擴(kuò)展 ADC 接收動(dòng)態(tài)范圍，使用射頻直接采樣技術(shù)簡(jiǎn)化模擬電路設(shè)計(jì)，使用數(shù)字信號(hào)處理軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻及信號(hào)處理功能，可有效擴(kuò)展接收機(jī)信號(hào)處理能力，滿(mǎn)足多種通信體制的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由射頻前端與數(shù)字信號(hào)處理兩部分組成，組成框圖如圖 1 所示。射頻前端由高低增益接收信道、射頻發(fā)射信道、功分電路、ADC 采樣電路及 DAC 發(fā)射電路組成。高增益接收信道對(duì)接收的射頻信號(hào)進(jìn)行 40 dB 放大，低增益接收信道對(duì)接收的射頻信號(hào)不進(jìn)行放大。射頻發(fā)射信道對(duì) DAC 產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大濾波后輸出 [3]，功分電路將接收信號(hào)分為兩路送入高低增益接收信道，ADC 采樣電路完成對(duì)接收信號(hào)的帶通采樣及模數(shù)變換，DAC 發(fā)射電路完成基帶信號(hào)的上變頻處理及數(shù)模變換。

數(shù)字信號(hào)處理部分主要由數(shù)據(jù)交互接口、外圍接口初始化模塊、譯碼數(shù)據(jù)最優(yōu)判決模塊、數(shù)字信號(hào)接收處理 A/B 及發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生模塊組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻、DDC/DUC、同步捕獲、調(diào)制解調(diào)及編譯碼等數(shù)字信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)外圍接口電路的初始化，完成兩路接收信道譯碼數(shù)據(jù)的最優(yōu)判決。

2 高低增益接收信道設(shè)計(jì)

接收信道主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)選、濾波及放大處理，完成對(duì)模擬信號(hào)的帶通采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換。實(shí)際應(yīng)用中受限于數(shù)字電路設(shè)計(jì)能力、時(shí)鐘抖動(dòng)及應(yīng)用環(huán)境等因素的影響，一般ADC 器件的動(dòng)態(tài)范圍為 55 dB 左右，無(wú)法滿(mǎn)足大動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用需求，本文采用高低增益雙信道同時(shí)接收數(shù)據(jù)解決此問(wèn)題，接收電路設(shè)計(jì)框圖如圖 2 所示。

兩路接收信道電路基本一致，通過(guò)調(diào)節(jié) DGA/DSA 控制兩路接收信道增益，高增益接收信道的鏈路預(yù)算如圖 3 所示。

圖 3 高增益接收電路鏈路預(yù)算

本文使用的 ADC 動(dòng)態(tài)范圍為 55 dB，由于高增益通道為40 dB 左右增益，因此理論上該接收機(jī)可處理的動(dòng)態(tài)范圍為95 dB 左右。

由于 ADC 的前端帶寬較大，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)帶通抗混疊濾波器 [4]，濾除其他奈奎斯特域的噪聲，否則多個(gè)奈奎斯特域噪聲疊加，會(huì)造成信噪比嚴(yán)重下降。帶通濾波器架構(gòu)如圖 4 所示。

圖 4 帶通濾波器架構(gòu)

3 數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)

兩路接收信道接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通采樣后送入數(shù)字信號(hào)處理部分進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)框圖如圖 5 所示。

由圖 5 可知，信號(hào)處理流程為 ：首先對(duì)兩路接收信道的采樣數(shù)據(jù)分別進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換、數(shù)字混頻、濾波抽取、同步捕獲、解調(diào)及譯碼 [5] 等處理，然后將產(chǎn)生的譯碼數(shù)據(jù)、譯碼完成標(biāo)志及譯碼狀態(tài)送入譯碼數(shù)據(jù)最優(yōu)判決模塊，最后在譯碼數(shù)據(jù)最優(yōu)判決模塊中根據(jù)譯碼狀態(tài)選擇最優(yōu)的譯碼數(shù)據(jù)。譯碼數(shù)據(jù)最優(yōu)判決處理流程如圖 6 所示。

4 測(cè)試驗(yàn)證

輸入 -85 dB 信號(hào)，使用發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)的方式對(duì)方案可行性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如圖 7 所示。

由測(cè)試結(jié)果可知，編號(hào)為 10 的設(shè)備發(fā)送 20 000 組用戶(hù)數(shù)據(jù)，編號(hào)為 20 的設(shè)備端準(zhǔn)確無(wú)誤地接收到 20 000 組通信測(cè)試數(shù)據(jù)（用戶(hù)數(shù)據(jù)欄里的無(wú)線(xiàn)接收），實(shí)現(xiàn)了正常的收發(fā)通信。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種大動(dòng)態(tài)射頻直接采樣方案，給出了設(shè)計(jì)框圖、指標(biāo)分配及處理流程，并對(duì)方案的可行性進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。該方案可有效擴(kuò)展 ADC 接收動(dòng)態(tài)范圍，解決射頻直接采樣接收機(jī)信號(hào)處理能力不足的問(wèn)題，簡(jiǎn)化模擬電路設(shè)計(jì)，使用數(shù)字信號(hào)處理軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字混頻及信號(hào)處理功能，可有效擴(kuò)大接收機(jī)的使用范圍，滿(mǎn)足多種通信體制的需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。