无线电数字信号处理与软件无线电技术综述

2012-04-24桑亚楼阮郑兴

电子科技 2012年6期

桑亚楼，阮郑兴

(中国人民解放军海军91678部队，福建宁德 352102)

随着无线电数字信号处理技术的发展，以及新标准和协议不断公布，无线电通信在迅猛发展的同时，带来了新的挑战和机遇。在数字技术得到快速发展的同时，软件无线电关键技术以及无线电信号处理相关技术，也受到广泛关注。与此同时，无线电通信技术从WLAN以及UWB逐渐发展到WiMAX，以及从2G到3G，再到最近讨论的4G通信技术，这些都体现了无线电技术的发展，以及在实际中的应用，更体现出无线电技术的重要性。随着与网络技术融合的加快，使得无线电信号处理与软件无线电关键技术变得更加重要。

1 多速率数字信号的处理

宽带数字中频软件无线电的原理，是对宽带频谱范围进行数字化，但前提条件，是将带通采样定理与前置滤波器进行有机结合，达到设计效果。带通采样定理的应用降低了中频采样频率，同时满足需要，但如果采样频率寄生进行处理，就会对增加采样量化的降噪比，有助于设计目标的实现。所以要在两者之间寻找合理的平衡点，就需要把采样频率调高，同时使得瞬间采样带宽达到一定的带宽值。对于多速率信号的处理，基本理念中抽去以及内插理论技术变得十分重要。

1.1 有关数字信号速率的整数倍抽取

整数倍抽取的定义，就是把原始采样序列x(n)每隔D－l个数据取一个，从而形成一个全新的序列x，也就是

式中，D为正整数。若x(n)序列的采样率取sf，则其无模糊带宽则为fs/2。根据计算公式，可以得出，抽取序列的频谱 XD(ejω)，是由抽取之前原始序列频谱χ(ejω)，经过频率转移并且进行D倍展宽，最后由D个频谱叠加得到。

图1 D倍抽取结构

经上述的分析，可得到如图1所示，带宽＜πD的低通滤波器。如果原始信号的频谱分量＜π(I)，就可以将前置低通滤波器省略。

图2 滤波原理图

1.2 数字信号处理的整数倍内插

对于数字信号处理的整数倍内插，就是在两个原始抽样点之间插入(I－1)个零点，这就是整数倍内插。如果原始抽样序列是x(n)，那么经过整数倍内插后的序列可通过相应的数学表达式进行表达，但是可以画出内插、经过压缩后的频谱如图3所示。

图3 压缩后的频谱

1.3 关于采样率的分数倍变换

上述数字处理技术，均为抽去和内插之间的特殊关系，实际是采样率变换方式中的一种特殊变换:整数倍变换，实际还存在着分数倍变换。如果分数倍变换比R=RD/I。那么可以进行完I倍内插后，再进行D倍抽取得到设计效果，但须注意内插与抽取的顺序需要特别规定，即先进性内插，再进行抽取。就可以保证，中间序列的基带频谱宽度大于原始信号频谱的基带谱宽度，达到设计要求，否则会导致信号失真。

1.4 关于抽样率转换的多级实现

经过多级变换实现高倍数抽取系统，可分为两个途径，第一种是寻求最优化的方法，根据每秒钟的乘法次数作为基准，找出各级内部最佳的抽取以及内插因子，完成对各级滤波器的设计。第二种是通过抽取或者内插器进行处理，这种抽取器的抽取因子为2。同时这种抽取以及内插因子为2的抽取以及内插器，可使用半带滤波器进行有效的滤波，并且，对于这种带有冲击响应的滤波器，其中有近1/2冲击响应的值为0。对于抽样率转换系统而言，它的总抽取因子，并不是在任何情况下，都可以用2的幂次方进行表示，但用某个整数与2的幂次方的乘积进行表示确是可行的，因此在能够多级实现抽样率转换系统中，就会出现抽取或内插因子是一个整数的抽取或者内插器。在这类的抽取以及内插器中，一般都是通过积分梳状滤波器实现抗混叠以及去镜像滤波的。

1.5 正交变换的有关理论

对于在自然界中可实现的信号都称为实信号，实信号的频谱具有共轭对称性，是指实信号的征服频率是堆成的，分量正好相反。依据此特性，对于任何实信号，都可对某一部分作相应的描述，然而不会丢失任何信息，也不会产生虚假信号。

数字上下变频器采用的基本处理方法，就是对信号进行分解、信号分析以及调制解调。但实际中较难找到理想的，通过Hilbert变换的阶跃滤波器，以至于数字信号处理经常采用正交分解进行处理，就是数字序列(fn)和两个正交本振序列cos(o)t和sin(o)t经过相乘后，凭借着数字低通滤波来实现。由于结果是两个正交本振序列和的乘积，所以就保证其正交性。此外，从工作原理上，数字上下变频概念，就是把输入的数字信号以及一个本地震荡数字信号，经过相乘完成频谱转移。这种技术内容主要包括:数字控制振荡器、数字混频器以及低通滤波器。通信系统中无线电信号处理与软件无线电技术密不可分，只有掌握才能更好地在科技生产中适应潮流发展。然而对于软件无线电技术，应尽量将其放在一个开放软件平台上，实现其功能。在尽可能靠天线近的地方，使用宽带模数转换，能够尽早完成信号数字化，这是软件无线电的基本处理思想。无线电系统包括射频、中频、和基带3个部分。软件无线电是理想状态或是永远不存在的假设，但是可通过软件无限关键技术，实现其部分功能，这是软件无线电关键技术意义所在。

2 软件无线电的关键技术

2.1 宽带智能天线技术

作为软件无线电硬件出入口，对于理想的无线电系统，天线应该覆盖要求的所有无线通信波段。目前技术无法达到相应要求，但人们可采用组合式多频段天线，来尽量弥补缺陷，因此使用宽带智能天线被看作能够实现多频段天线系统的最佳方案。随着科技发展，很快RF微型机电系统，是一种高度小型化的器件，这种器件的研究成功，可使宽带实现可重构天线的设计方案成为可能。通过软件无线电以及智能天线相互渗透、相互促进的作用，可在将来无线通信中得到广泛应用，也会使得这种技术得到推广，将在其他无线电技术领域达到科技创新的最终目的。

2.2 高速数字信号处理部分

此部分包括基带处理、调制解调以及数字上下变频等方面。其中分为解扩和解跳在内两部分，这部分功能在于可实现对单片可编程器件要求更高，使得各器件能够更好地结合在一起，以至于完成更多功能。若在单片可编程器件无法满足处理能力时，可用多个芯片并行处理的方式，提高运算能力来解决此问题，需要注意的是，数字下变频中难点是数字下变频和滤波以及二次采样，还有分离所需要的信号等问题。

2.3 高速A/D和D/A转换

软件无线电结构具有的基本特征，是对模数及数模转换器的要求很高，其中重要的是采样速率以及采样精度。所以对于A/D和D/A转换器而言，安装位置至关重要，近射频端。此特性也直接反映软件的软化程度。如果AD/变换器的动态范围在100～120 dB之间，同时最大输入信号频率在1～5 GHz之间，就会符合理想的软件无线电标准。然而采样速率是由信号带宽决定的，所以采样速率一般要求在信号带宽的2.5倍以上。此外通过采取多个A/D并联使用的方法，达到进一步提高器件性能的目的。

2.4 高速DSP以及FPGA技术

DSP又称为数字信号处理器，是发展软件无线电的关键技术，无线电台的实现，需要快速数据处理，以及强大的精度支持，在当前无线电技术，运用的主要方案，有数字信号处理技术DSP以及专用集成芯片，还有现场可编程的门阵列FPGA，或者几种技术的结合产物。对于软件无线电而言，其核心部分是高速DSP芯片。随着微电子技术的不断发展，对于数字信号处理器件速度以及性能均有提高。对于DSP而言，通过一种精简指令的技术结构，对数字信号进行处理，此结构具有尺寸小、功耗低以及性能高的优点。因此，很多DSP厂商都进行改进处理，制成DSP系统集成电路，这种电路将DSP芯核、MPU芯核以及专用的处理单元，结合外围电路单元以及存储单元，统一进行集成。FPGA就是现场可编辑逻辑门阵列，作为一种可重编程器件，能够实现的功能已超过现今的DSP处理器，不仅可实现软件的可编程性，还可加速硬件，同时进行重构。因此，FPGA可以成为真正的“软”硬件，同时融合硬件与软件的优点，能够实现在定制硬件以及灵活软件之间的折衷。近年来，对于FPGA的发展，可以看到，无论是在规模，还是处理速度上，以及功率消耗上，都有明显进步，这为软件无线电发展奠定有力的基础。DSP与FPGA的完美结合，被认为是最理想的软件无线电与硬件相结合的成功范例。FPGA可以用于对接口协处理，从而更好地与DSP以及通用处理器，进行有效连接，不仅降低系统成本同时提高系统性能。并且可以自由选择基带处理算法的位置，因而提高了SDR的算法灵活性。

但当前由于受到硬件器件的限制，要实现软件无线电技术的数字化，主要是针对中频段进行处理，随着技术不断发展，软件无线电定会实现。