软件无线电设计方案的选择

随着数字信号处理器技术的发展, 无线电台设计经历了从模拟到数字的演变过程, 并因ADC器件水平的提高, 数字化程度越来越高。如何将模拟信号变换为数字信号变成了实现超越以往无线电台系统的关键之一。根据ADC在电台系统结构中所处的位置。目前电台设计方案主要有以下三种方案。

1 应用ADC直接在射频端进行模拟数字变换的方案

该方案是理想的无线电台的设计方案, 具有很大的灵活性, 但存在如下的问题。

(1) 严重影响电台的选择性和灵敏度, 容易造成ADC超载或丢失弱信号, 加上为降低量化噪声, 要求ADC有很大的动态范围, 然而目前条件下, 难度很大。

(2) 采样频率fs高, 采样孔径抖动引起的信噪比恶化相对严重。

(3) ADC前的抗混叠滤波器难以适应多频段多制式的要求。

2 零中频方案

亦称直接变换方案DCR (Driect Converter Receiver) 提出了另外的一种解决方案。

该方案将RF信号直接转化到基带上。其优点在于:信号转化的步骤少, 能够用简单的模拟滤波器与DSP上的数字滤波器级联, 有更灵活的调谐范围和更大的信道带宽, 其缺点在于以下几点。

(1) 高增益低噪声混频器存在泄漏, 实现困难。

(2) 对模拟器件要求有极高的动态范围。

(3) 需要有准确的I、Q相位平衡。

(4) 直流偏移待消除。

3 宽带中频数字化方案

该方案是目前切实可行的方案。经过下变频, 将射频信号变换为中频IF信号, 在宽带ADC前可用一个中心频率固定的高性能抗混叠滤波器滤除带外无用信号, 并可在中放级实现自动增益控制, 获得最大信号增益, 减轻带内信号过载的可能性。同时, ADC后用数字滤波代替了模拟滤波, 提高了系统的灵活性和滤波器的选择性。而且, 就系统的可编程性而言, 宽带中频数字化与射频数字化方案相当。宽带中频数字化的特点有以下几点。

(1) 支持多频带多制式大动态范围输入。

(2) 高选择性, 高稳定性。

(3) 信号处理链可重组且硬件复杂度低。

(4) 调试周期短, 成本低。

宽带中频数字化电台中, AD变换之前的模拟滤波器是一款带通滤波器, 包括多个信道。ADC同时对多个信道数字化, 用数字滤波的方法, 可分离出多个信道, 且各个信道可以是不同带宽的。这种结构灵活性强, 且可最大限度的降低硬件复杂度, 与传统电台相比具有极大的优越性。综合以上分析讨论, 本设计采用中频数字化接收的方案是合理可行的。

4 软件无线电短波电台的设计结构

软件无线电系统可以带来许多明显的好处。它可以减少系统器件数量, 从而减少无线电系统的造价, 尺寸和整体功耗。利用可编程处理器实现无线电系统意味着当系统增加新的功能或系统进行升级时, 不需要重新设计硬件, 而设计硬件, 特别是高频电路时往往花费很多的时间和费用。现在只需要编写和装入软件就可以了。这样从整体上, 软件无线电系统灵活, 容易修改和升级, 相对而言比基于硬件的系统要廉价。软件无线电技术还具有其他优点:利用数字化技术, 系统具有更高的可重复性和稳定性, 在信号处理中, 可以用数字化方式完成模拟器件难以完成的一些功能, 如可以实现电路中经常用到的具有尖锐特性和线性相位特性的滤波器等。

宽带中频带通采样软件无线电短波电台的结构组成如图1所示。接收部分结构与常规的超外差无线电台收讯机是类似的, 但两者的本质区别是中频带宽不一样, 常规电台的中频带宽为窄带结构, 而图1所示的软件无线电的中频带宽为宽带结构。由于中频带宽不仅使前端电路 (如本振频率合成器等) 设计得以简化, 信号经过接收通道后的失真也小, 而且与常规窄带超外差电台相比, 这种宽带中频结构再配以后续的数字化处理, 使其具有更好的波形适应性, 信号带宽适应性以及可扩展性。所以图1所示的这种宽带中频带通采样软件无线电从结构形式上看似乎与常规窄带超外差电台没有多大区别, 但这种软件无线电台从性能上将会有质的飞跃, 是窄带系统所无法达到的。

由图1所示的组成结构, 这种软件无线电电台的射频前端 (A/D前的预处理电路) 比较复杂, 它的主要功能是把射频信号变换为适合于A/D采样的宽带中频信号通过相对复杂的射频前端把高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信号后, 给后续的高速A/D采样数字化大大减轻了负担。这时不仅不需要超高速采样, 而且使A/D设计大大简化, 这是射频前端复杂性所带来的好处。在A/D器件无法满足要求的情况下, 增加一点复杂性也是值得的, 况且这种宽带射频前端与窄带超外差前端相比还是相对要简单一些, 无疑是近期软件无线电一种较可行的设计方案。1.5MHz～30MHz射频信号被射频天线感应接收以后, 先进行预选和低噪声放大, 然后通过混频器与一个可调谐本振混频, 滤波放大后产生一个中频信号, 通过抗混叠滤波后作为高速模拟/数字变换器 (ADC) 的模拟输入信号, 模拟自动增益控制 (AGC) 可以提高电台的输入信号动态范围。ADC通过采样将模拟信号数字化, 并将量化后的信号送到数字下变频器 (DDC) , 数字下变频器完成数字化频谱搬移、降采样, 最后用数字滤波抑制带外能量, 并将数据传送给通用数字信号处理器, 用通用数字信号处理器进一步完成信号的分路、同步等功能。解调的信号经过低速D/A转换芯片还原成语音音频信号。同样道理, 语音信号经过低速AD送入处理器进行分路、调制经过DUC、高速DA送到射频部分完成语音的发送。相比之下语音的接收较为复杂。

对于电台软件发射机部分, 有以处理器加数字下变频为硬件核心及以处理器加DDS为硬件核心的2种软件无线电发射机。处理器加数字上变频方案运用了数字正交调制技术、数字上变频技术及多速率转换技术。随着器件处理能力的提高, 最终所有这些技术都能在处理器中用软件编程来实现。那么这种方案的发射机就近似于理想的软件无线电发射机。它的缺点是:在目前器件技术水平上。发射机受数字上变频器 (DUC) 性能的限制, 降低了发射机的灵活性。处理器加DDS方案的优点是运用了直接数字频率合成技术。处理器与DDS结合起来实现多模调制功能, 方法简单易行、软件编程灵活。缺点是由于DDS本身电路结构的问题其输出杂散成份丰富, 从而对发射机的性能影响较大, 需要采用专用的措施来抑制“杂散”, 提高性能。但在目前我们的技术条件和经济状况, 这种方案仍不失为一种切实可行的HF软件无线电发射机方案, 本文设计即采用了这一方案。

摘要：在列举现有软件无线电台的设计方案后, 折衷选取了切合实际可行的设计方案, 并且具体阐述了本软件短波电台的设计结构。

关键词：软件无线电,变频