AD采样分析
软件无线电设计的A／D采样分析
摘要：模数变换（A／D）是实现软件无线电的关
键技术之一。本文首先介绍了软件无线电的概念，然后
着重分析了A／D变换器的各项技术指标，并结合实例，详细论述了A／D采样的设计方法。
关键词：软件无线电；A／D；带通采样；速率
1引言
在1992年5月的全美远程系统
（N a t i o n a l T e l e s y s t e m s C o n f e r e n c e）会议上，M i t r e公司的科学家J o e M i t o l a在同I E E E的一位会员谈话时，
首先提出了软件无线电的概念。他认为：软件无线电系
统基于硬件平台，其A／D变换应尽量地靠近天线，而将尽可能多的无线通信功能用软件来实现。软件无线电系
统的一般结构如图1所示。
与传统无线电系统相比，软件无线电将A／D变换尽量向射频端靠拢，而将中频（甚至射频）以后全部进行
数字化处理，他带来的好处是射频前端小型化、通信功
能软件化、系统硬件通用化。最初软件无线电是美军为
了解决各种军用电台之间的互通问题，软件无线电电台
的特点是宽频带、多频段、多调制方式、多编码方式、
多协议、小体积、便于升级等。为此，美国国防部高级
研究计划总署（A R P A）提出了S p e a k e a s y计划，该计划
第一阶段的目标是研制开发多频段多模电台（M B M M R），S p e a k e a s y I的先期开发模型（A D M）已于1994年8月对
政府的一些代表做了演示，他共演示了以下几项内容：（1）分别与4种政府装备的标准电台互通，其中包
括战术无线电台H a v e Q u i c k、H F M O D E M
（M I L-S T D-188-110A）、自动链路建立A L E（M S-188-141A）和单信道地面和机载无线电系统S I N C G A R S；
（2）在H a v e Q u i c k和S I N C G A R S的跳频网上同时发射，实现同时与这两种电台通信；
（3）作为网桥／关连接H a v e Q u i c k和S I N C G A R S网，
使2个网上的用户信息透明地传输；
（4）在2部S p e a k e a s y电台上，同时改变S I N C G A R S
的波形参数后仍能互通，显示了波形可编程能力。
这次演示的内容包括语音、数据及计算机产生，并
通过H F M O D E M传输的视频图像。1999年该计划第二阶段
S p e a k e a s y I I的开发完成，他增加了软件无线电的网络
功能，扩展了M B M M R电台可兼容的波形，包括G P S、W N A （无线网络接入）、蜂窝电话等。
由于软件无线电系统无可比拟的优势，他被越来越
多的领域所关注。1996年，由美国、日本的一些公司发
起成立了M M I T S论坛，旨在研究开发软件无线也准备将
软件无线电技术应用到第三代移动通信系统I M T-2000中，并已开始A C T S（A d v a n c e d C o m m u n i c a t i o n T e c h n o l o g i e s
＆S e r v i c e s）等计划。
实现软件无线电包括以下几项关键技术：宽带天线
和宽带射频模块、宽带A／D变换、高速D S P器件等。其
中A／D变换器性能的好坏直接影响到实现软件无线电的
程度和系统的性能指标，因此A／D变换器的选用是进行
软件无线电系统设计的基础。
2A／D变换器的性能参数
2.1采样速率与分辨率
采样速率指模数变换的速率，而分辨率表示变换输
出数字数据的比特数。这2个参数很重要，因为较高的采样速率与分辨率对应了高信噪比和较宽的信号输入带宽。近几年，A／D器件性能提高得很快，单是采样速率大约每两年就翻一倍。几种A／D器件的采样速率与分辨率如表1所示。
2.2信噪比
信噪比S N R（S i g n a l t o N o i s e R a t i o）指信号均方根值与其他频率分量（不包括直流和谐波）均方根的比值，信噪比S I N A D（S i g n a l t o N o i s e a n d D i s t o r t i o n）指信号均方根值与其他频率分量（包括谐波但不包括直流）均方根的比值，所以S I N A D 比S N R要小。若只考虑量化噪声，信噪比S N R可表示为：
其中：B为A／D转换器分辨率，f S为采样速率，f m a x为输入信号的最高频率。
由式（1）可见，当f S采样速率等于奈奎斯特（N y q u i s t）速率，即f S＝2f m a x时，分辨率每增加1 b i t，信噪比约增加6d B。并且，当f S大于奈奎斯
特速率2f m a x时，由于采样过程将集中在奎斯特频带（D C～f m a x）内的噪声能量展宽，信噪比会随着采样速率的提
高而增加。
实际上，A／D转换器的信噪比还要考虑内部非线性、孔径抖动等因素，实际的信噪比要小得多。
2.3无失真动态范围
无失真动态范围（S F D R，S p u r i o u s F r e e D y n a m i c R a n g e）为信号幅度均方根值与其他最大失真频率分量的幅度均方根的比值，失真频率分量可以是谐波也可以不是谐波。这一参数表征了A／D 转换器检测弱信号的能力，他在接收系统设计中尤为重要。
2.4有效比特数
有效比特数（E N O B，E f f e c t i v e N u m b e r o f B i t s）是对应于实际信噪比的比特数，一般，E N O B比器件分辨率低1～2b i t s，E N O B计算如下：
2.5谐波失真
谐波失真（H a r m o n i c D i s t o r t i o n）表示单音频输入时信号幅度均方根与谐波分量均方根的比值。
2.6交调失真
交调失真（I M D，I n t e r m o d u l a t i o n D i s t o r t i o n）指多频率分量输入时，信号幅度均方根与信号交叉调制产物均方根的比值。
2.7全功率输入带宽
全功率输入带宽（F u l l P o w e r A n a l o g I n p u t B a n d w i d t h）指当输出信号幅度降低3 d B时的输入信号频率点，一般采样速率越高，全功率输入
带宽就越宽。
2.8孔径抖动
由于每次取样的时间间隔并不是非常精确，这种取样时间的不确定性称为孔径抖动。由孔径抖动造成的噪声可用下式来衡量：
其中：t a为A／D转换器的孔径抖动，一般为p s级。
除了上述几项，还有采样转换非线性、数据输出时延等参数。对通信系统而言，信噪比S N R、输入信号带宽及无失真动态范围S F D R是最重要的几个参数。
3软件无线电系统设计中A／D采样方式的确定目前较为常用的采样方式有过采样（O v e r s a m p l i n g）、正交采样（Q u a d r a t u r e S a m p l i n g）和带通采样（B a n d p a s s S a m p l i n g）等。
3.1过采样
根据奈奎斯特定理，当f S≥2f m a x时，就能够从采样后的数据中无失真地恢复出原来的信号。我们知道，信号在时域的采样等效于信号频谱在频域的周期拓延，周期为f S，使f S≥2f m a x就是为了保证采样后的信号频谱不重叠。当f S＝2f m a x时，采样前后的信号频谱如图2所示。
在电路设计中，采样前需加抗混叠滤波器，以便滤
除带外噪声，通常要求带外抑制50 d B，为了使抗混叠滤
取波器易于实现，可以将采样速率取得高一些，一般f
S
为f
的2.5倍以上，这就是过采样。过采样在基带处m a x
理中应用较多，但如果在中频或射频进行过采样，在同
等分辨率情况下，他要求A／D转换器达到很高的采样速
率，比如对频率70M H z，10M H z带宽的中频信号采样，
分辨率为12b i t s，A／D转换器的采样速率需达150M S
／s，这时A／D转换器所提供的信噪比将比较低，而且
对后端数据处理部分的压力也很大，所以在软件无线电
系统设计中不提倡用过采样。
3.2正交采样
正交采样方式如图3所示。
正交采样将信号分为2路，分别与本振的2个正交分量相乘，将射频信号变到中频或基带再采样，由于每路信号分量仅有原始信号带宽的1／2，采样速率就可以降为原来的1／2，但其代价是要用2片相位一致的A／D 转换器，这实现起来比较困难。
3.3带通采样
带通采样又叫欠采样（U n d e r S a m p l i n g）或谐波采样（H a r m o n i c S a m p l i n g），在中频或射频采样中主要采
取这种方式。根据奈奎斯特定理，需要f
S ≥2f
m a x
，目的
就是保证采样后的信号频谱不重叠，这样才能无失真地恢复出原始信号。对中频（或射频）带通信号，设带宽为B，只要取f
S
≥2B的某些值，就可以保证采样后的信号频谱不重叠。采样速率可由下式确定：
其中：f
H 表示带通信号的最高频率，f
L
表示带通信号的
最低频率，n为整数，取值范围为：
这样，在选择采样速率时，我们只需关心带通信号
的带宽就可以了。带通采样带来的好处是显而易见的：
①降低了采样速率；
②可以减少后端数据处理的工作量，提高处理效率。
另外带通采样相当于一个变频器，后端可以直接在
信号采样后较低的谐波分量上进行处理，大大简化了电
路设计。在实际应用中，A／D采样前需加抗混叠带通滤波器，以消除带外噪声带来的频谱混叠。
4中频A／D采样参数分析
在软件无线电通信系统设计中，由于A／D转换器的信噪比等指标还不能满足射频采样的要求，现在一般采
取中频采样，中频A／D采样设计的目的就是根据系统带宽和灵敏度要求确定采样速率和对A／D转换器的信噪比要求，并选择A／D器件。下面以G S M蜂窝移动通信系统基站接收单元的设计为例，分析一下A／D采样参数的确定。基于软件无线电的G S M蜂窝移动通信系统基站接收单元如图4所示。
图4中，935～960 M H z射频信号经低噪放、一次64或二次变频后，变为带宽为25 M H z的中频带通信号，设中频为70 M H z，再经过抗混叠带通滤波，送入宽带A／D 转换器进行采样，P D C（可编程数字下变频器）的作用是完成数字下变频及200k H z单通道选择，最后由D S P进行各路控制、解调、解码等终端处理。
4.1采样速率的确定
在本系统中采取中频带通采样，中频I F＝70M H z，带宽B＝25M H z，则：
这样当n＝2时，f
S
的范围为82．5～115 M S／s，当
n＝3时，f
S 的范围为55～57．5M S／s。若取n＝2，f
S
较高，信噪比就高一些，采样后频谱的间隔也可以取得较大，缺点是后端的数据处理量加大及增大功耗；若取n
＝3，f
较低，减少了后端的数据处理量，但因为采样后S
频谱的间隔会很小，抗混叠带通滤波器实现起来比较困
难。权衡利弊，我们取n＝2，为使采样后频谱间隔最大，
一般取在最大、最小值的中间值附近，我们采样速率f
S
取f
＝100 M S／s。这时信号采样前后的频谱如图5所示。
S
通过图5，我们可以计算出采样后频谱的最小间隔为
15M H z，抗混叠带通滤波器实现起来比较容易。由于带
通采样兼具变频器的功能，信号频谱从70 M H z降到了30
M H z，后端的P D C可以直接在30M H z上进行处理。
4.2A／D采样对系统灵敏度影响的分析
在图4中，假设从天线到A／D采样之间的增益G＝
30d B，噪声系数N F＝12d B，则系统接收灵敏度就由A
／D转换器的性能来确定。为方便分析，我们采用A n a l o g
D e v i c e s公司生产的A／D芯片A D9432进行设计，A D9432
是12b i t s，100M S／s的A D C（模数转换器），全功率
输入带宽达到500M H z，在输入信号频率为70M H z、输
入幅度为－1 d B F S（相对于满量程）时，他可以提供66 d B
的信噪比（S N R）及80d B的无失真动态范围（S F D R），
他的满量程输入为＋4d B m／50Ω。
下面分析一下信噪比对系统接收灵敏度的影响。由输入信号幅度为－1d B F S时S N R＝66 d B可以得出，A D9432内部产生的噪声电平为4 d B m－1 d B－66 d B＝－63 d B m。
另外，根据噪声系数和增益可以计算系统前端加到A ／D输入端的噪声电平。系统折合到射频输入端的噪声温
度T
e ＝T
（10N F／10－1），其中T
＝290°K，于是噪声功
率P
e ＝k T
e
B，k为B o l t z m a n常数，k＝1．38×10－23，系
统带宽B＝25 M H z，计算得P
e
＝－88 d B m。又因为G＝30
d B，则呈现在A／D输入端的噪声功率为－88 d B m＋30 d B ＝－58d B m。经过A／D采样，再加上A D9432内部产生的噪声－63d B m，二者叠加，在输出端整个带宽内的噪声电平为－57 d B m，在信号满量程输入时信噪比为4 d B m ＋57d B m＝61 d B。A／D采样输出的数据进入P D C，P D C完成数字下变频器及200k H z单通道滤波，他产生的信噪
比增益为10l g（f
S
／200 k H z）＝10l g（100 M H z／200k H z）＝27d B，于是P D C输出送入D S P解调的信噪比为61d B ＋27d B＝88d B。假设如果要正确解调，输入信噪比需要10 d B，则信号幅度还有78 d B的余量，相当于在A D9432输入端最低电平为－74d B m，对应于在射频输入端的接收灵敏度为－104d B m。
由上述分析过程可见，如若提高系统灵敏度，一是降低前端噪声系数，二是提高A／D转换器采样速率，改善其信噪比性能，三是在电路上增加A G C也可以提高系统灵敏度。
另外，对系统接收灵敏度还要考虑A／D转换器的
S F D R。A D9432的S F D R为80d B，这意味着在A／D输入端的信号最小电平为4d B m－80d B＝－76d B m，对应于在射频输入端的接收灵敏度为－106d B m。
在以上分析中，仅以单信号输入为例，实际设计中还要考虑多音频输入的情况。在选择A／D器件时，单就
系统接收灵敏度而言，其分辨率和采样速率越高越好，
但同时需要计算后端D S P处理的承受能力，二者折衷进
行选择。
5结语
根据以上设计，我们研制开发了一种无线通信系统
的中频数字化处理模块，经反复调试，各项性能指标均
达到要求。宽频带、高信噪比和较大的无失真动态范围
是软件无线电设计对A／D变换器提出的要求，这就需要进一步提高A／D变换器的分辨率和采样速率。如今，纳米技术已经出现，随着芯片制造工艺和设计技术的提高，将会生产出低功耗、小体积、更高速率和分辨率的A／D 变换器，最终在软件无线电系统设计中将可以直接对射
频采样。
参考文献
［1］R a y m o n d L a c k e y J，D o n a l d V p m a l W．S p e a k e a s y：T h e m i l i t a r y s o f t w a r e r a d i o［J］．I E E E C o m m u n i c a t i o n M a g a z i n e，1995，（5）．
［2］R u p e r t B a i n e s．T h e D S P B o t t l e n e c k
［J］．I E E E C o m m u n i c a t i o n M a g a z i n e，1995，（5）．［3］M i t o l a J．T h e s o f t w a r e r a d i o a r c h i t e c t u r e ［J］．I E E E C o m m u n i c a t i o n M a y a z i n e，1995，（5）．
[4]J e f f e r y A.A n a l o g-t o-D i g i t a l c o n v e r t e r s
a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s i n r a d i o r e c e i v e r s
［J］．I E E E C o m m u n i c a t i o n M a g a z i n e，1995，（5）．
[5]W a l d e n R H.A n a l o g-t o-D i g i t a l c o n v e r t e r s s u r v e y a n d
a n a l y s i s［J］．I E E E J o u r n a l o n S e l e c t e d A r e a s i n
C o m m u n i c a t i o n s，1999，
（4）．
［6］Z a n g i K C．S o f t w a r e r a d i o i s s u e s i n
c e l l u l a r b a s e s t a t i o n s［J］．I E E E J o u r n a l o n
S e l e c t e d A r e a s i n C o m m u n i c a t i o n s，1999，（4）．［7］张孝强．现代通信系统原理［M］．北京：人民邮电出版社，1994．
［8］郭峰，等．无线局域网［M］．北京：电子工业出版社，1997．
［9］H S P50214D i g i t a l D o w n
C o n v e r t e r．H a r r i s S e m i c o n d u c t o r，1998．
［10］贾玉涛，等．实用移动无线电通信［M］．北京：国防工业出版社，1995．
［11］T h e o d o r e R a p p a p S．无线通信原理与应用［M］．蔡涛，等译．北京：电子工业出版社，2000．