直接中频采样全数字化多模式接收机

直接中频采样全数字化多模式接收机

张　健　向敬成Ξ

关键词:软件无线电,直接中频采样,多模式,全数字化接收机

【摘要】本文讨论了兼容多种传输体制的直接中频采样全数字化多模式接收机,着重

基于HSP50214B可编程数字下变频器软件无线电接收芯片,对接收机的基本原理和

设计方法进行了研究。

一、引 言全数字化接收机是软件无线电中的一个

重要问题,软件无线电接收的基本思想是要

在标准化的硬件平台上构成灵活可变的多频

段多模式接收机,以适应通信、测控和雷达中的各种不同的传输体制,如AM、ASK、FM、

FSK、PM、PSK、QAM等。全数字化接收机

是在传统的基带数字化接收机基础上的一次

革命性的飞跃,目前直接射频数字化还有一

定困难,一般先经模拟下变频至适当中频,然

后在中频直接数字化,经数字下变频(DDC)

至基带,模拟下变频中的本振采用DDS/PLL

可编程频率合成器,完成初步的频段选择,带

通信号直接中频采样完成第二次频率变换,

DDC中的数控振荡器(NCO)完成最后细微

的数字精调谐(有时还包括载波同步)。本文

研究了直接中频采样全数字化多模式接收机

的基本原理,并讨论了采用Harris公司新近

推出的HSP50214B可编程数字下变频器构

成全数字化多模式接收机的设计方法。

二、基本原理

直接中频采样全数字化多模式接收机的

构成如图1所示,可见它由直接中频采样、数

字下变频、抽取滤波、成形滤波、定时同步、载

波同步、多模式解调/译码与数据恢复等部分

构成。11直接中频采样与数字下变频

这部分采用一个抗混叠带通滤波器

(BPF)、一个ADC变换器和两个数字混频器

完成传统接收机中的模拟正交下变频功能,输出正交的复基带I、Q信号,也称正交数字

解调。其主要参数包括采样频率、量化比特

数和NCO数字频率。量化比特数主要由动

态范围决定。采样频率fs要考虑两个因素:一是要满足带通信号抽样定理,抽样后频谱

不发生混叠;二是当采用过抽样技术时,要满

足后级处理对采样频率的要求。由于带通信

号采样具有频移功能,输出序列的数字载波

频率(即NCO数字频率)为f0=fc-Nfs,f0<

fs,fc为采样前的中频信号的载波频率,N为

整数。

21过抽样与抽取滤波

数字下变频一般均与一个抽取滤波器结

合在一起,一方面是因为许多时候直接中频

采样得到的序列为高速宽带序列,必须从中

选取所需的窄带序列(如FDM系统),并降

低抽样速率;另一方面直接中频采样时往往

采用过抽样技术(fsµ4W,fs为抽样频率,W为调制信号基带带宽,一般fs

信号最高频率,因而相对于fh而言,仍为“欠

抽样”),过抽样起到下列两个作用:若按奈奎

斯特频率采样,则要求采样前的抗混叠带通

滤波器(BPF)为通带带宽B=2W的理想滤

・75・《电讯技术》1999年第5期 ・研究与开发・

Ξ张　健　中国工程物理研究院电子工程研究所博士　成都　610003向敬成　电子科技大学教授　成都　610054波器,而理想滤波器是不可实现的,考虑到多

级抽取数字滤波器能够较好地逼近理想滤波

器,故一般采用过抽样技术降低对抗混叠带

通滤波器的要求,即抗混叠带通滤波器可以

有较宽的过渡带,且其不良的通带起伏特性也可由后续的数字抽取滤波器进行均衡补

偿;当量化比特数不变时,过抽样技术可提高

动态范围。抽取滤波器一般采用多级半带滤

波器实现,对于高抽取情况,第一级通常采用

整数系数梳状滤波器。

图1　直接中频采样全数字化多模式接收机构成原理示意图

31成形滤波

即接收波形匹配滤波器,在有干扰和衰

落情况下,需进行信道估计与均衡。对于扩

频体制,还要完成解扩的匹配滤波器功能。

成形滤波器的输出带宽一般为

W

。

41定时同步/载波相位恢复/AFC/AGC

通过对成形滤波器输出的基带信号进行

处理,可提取各种误差信息,包括定时误差、

载波相位同步误差、频率误差、增益误差等。

这些信息反馈到各部分电路中去,完成定时

同步、载波相位恢复、AFC、AGC等功能。

全数字接收机中的抽样时钟独立振荡于

固定频率,

定时同步与定时调整是通过重采

样内插滤波器来完成的,内插滤波器采用多

相结构实现,一般由重采样NCO驱动,定时抖动与多相数有关。载波相位同步可通过反馈控制数字载波NCO实现,也可在基带估

计ejθ,θ为载波相位。

51多模式解调/译码判决与数据恢复

由于任何调制信号均可分解为I、Q分

量,或分解为极性分量(R、θ、dθ/dt),故对I、

Q、R、θ、dθ/dt5种信息进行处理可完成任何

调制方式的解调,如对I、Q星座进行映射可

完成PSK、QAM解调,对R处理可完成幅度

解调,对θ处理可完成相位解调,对dθ/dt处

理可完成频率解调。数据恢复包括以下过

程:若是数字矢量调制,对同步后的I、Q信

号采用某种判决准则进行接收信号到星座的

映射,再进行星座(符号)到比特的映射;若是

模拟调制,则采用某种必要的估计(滤波)算

法进行解调。

・85・《电讯技术》1999年第5期 ・研究与开发・三、设计方法

Harris公司在推出HSP50016数字下变

频器之后,最近又推出了功能更强的

HSP50214B可编程下变频器(PDC)。事实

上其功能已远远不只是下变频,还包括了成

形滤波器、定时同步内插滤波器、重采样

NCO、(I,Q)→(R,θ,dθ/dt)变换、数字AGC等功能,即包含了图1中除BPF、ADC、误差提取、解调、译码与数据恢复之外的所有功

能,其各个部分均是可编程的,将其与DSP结合,便可构成一个标准的全数字化多模式

软件无线电接收机硬件平台,如图2所示,对

于某种具体的传输体制,只需更换DSP软件

和对HSP50214B进行不同的编程设置即可。

DSP软件完成定时误差与载波相位误差的

提取、解调译码与数据恢复、以及PDC的编

程控制等。误差提取与滤波也可直接利用

HSP50210完成。

图2

　直接中频采样全数字化多模式接收机的一种实现框图

HSP50214B

的编程是直接中频采样全

数字化接收机设计的关键,下面简要讨论HSP50214B的编程设计。

图3　HSP50214B中的滤波器示意图

・95・《电讯技术》1999年第5期 ・研究与开发・ HSP50214B有3个时钟:输入时钟clkin(最大值65MHz)、处理时钟procclk(最大

值55MHz)和本地参考时钟refclk(是否使

用用户可选)。输入电平检测、载波NCO和

级联积分梳状滤波器(CIC)工作于clkin,其

余处理部分工作于procclk。HSP50214B的

无寄生动态范围可达100dB,32位NCO用

于信道选择、载波跟踪与定时跟踪,调谐分辨

率为0.012Hz,总抽取率为4-16384,FIR成形滤波器具有256个抽头(加权系数数据

宽度22位),内插定时抖动为1/64(1.5%)。

HSP50214B包含了一系列灵活的滤波器,如

图3所示,每个滤波器都有其应用条件,彼此

的输入输出抽样率必须匹配,并满足动态范

围的要求。

HSP50214B设计时所需的系统参数有4个:中频输入频率fc、中频抗混叠滤波器带宽

B(包含通带与过渡带)、基带波特率或基带

带宽W、基带输出抽样率fso。fc和B用来确

定抽样频率,fso取决于W和后级处理的需

要,这样系统总抽取率为L=fs/fso,总的带宽

变换率为m=B/W,L和m将在各级滤波器

之间分配。

设计时应首先从255抽头FIR成形滤

波器开始,其输出带宽为W,其输出采样率

fs3>2W,成形滤波器的形式(实数或复数、对

称或非对称)、抽头数、各个抽头的加权系数

均是可编程的,其设计非常灵活,应满足对信

道失真的均衡、频谱成形和波形的匹配,还可

用于实现短序列伪码的相关解扩。

各级滤波器抽样率匹配时需要考虑两个

因素,一是各级滤波器处理速度的要求,二是

要保证相应的动态范围对带宽和抽样率的要

求。设半带抽取滤波器计算一个输出需要

n1个procclk时钟周期(n1取决于半带滤波

器的级数),则fs1

一级半带滤波器HB5,则n1=7。CIC抽样

率L1的选取应使CIC输出的抽样率与fs1匹

配。成形滤波器的抽头数与fs2的设计有关

(fs2越高,所需抽头数越少),应设计适当的

fs2以便尽量地充分利用255个抽头,当成形

滤波器被旁路时,需要两个时钟周期,即满足fs2

procclk时钟周期,则fs3

波器与内插半带滤波器被设计为一体,其处

理所需的procclk时钟周期也加在一起计算,设其为n2,则fs3

变换所需procclk时钟周期为n3(取决于转换

精度),则fs6

为了确保动态范围,抽取时对抗混叠滤

波器的3dB带宽和阻带衰减有相应要求,其

设计与抽取率有关。若要保证84dB的动态

范围,fs应为CIC滤波器带宽的8倍;若为

10倍,则可得到96dB的动态范围;若为12倍,则可得到100dB的动态范围。同样,为

了保证84dB的动态范围,fs1应为半带滤波

器带宽的2(2+N)倍以上,N为半带滤波器级

数,即fs2应为半带滤波器带宽的4倍以上,当然也为W的4倍以上。此时抗混叠带通

滤波器与抗混叠抽取滤波器的总的频率响应

引入的混叠可以忽略,从而不影响动态范围。

有关procclk时钟周期数计算和抽取率

的详细设计参见文献[4]。

HSP50214B提供了COF(载波NCO偏

移频率输入)和SOF(重采样NCO偏移频率

输入)两个接口,DSP提取的载波频率误差

和定时误差通过这两个接口反馈控制相应的

NCO,以建立载波同步和符号定时同步。重

采样多相滤波器和内插半带滤波器确定了

PDC的输出抽样率fso。注意重采样多相滤

波器的抽取率L4=fs3/重采样NCO频率,重采样NCO频率即为多相滤波器输出抽样

率,L4=1～4,可为非整数,这是全数字化接

收机实现定时同步的一种方式。半带内插滤

波器将多相滤波器的输出抽样率提高2或4

倍,以适应某些后级DSP处理的需要。

四、结束语

本文采用一种典型的可编程数字下变频

器HSP50214B研究了直接中频采样全数字

化多模式接收机的基本原理与设计方法,这

种接收机基于软件无线电接收理论与技术,提供了一个标准的硬件平台,可演化为多种

模式,即多种传输体制的接收机,其处理能力

完全可满足目前通信、测控和雷达中基带带

・06・《电讯技术》1999年第5期 ・研究与开发・