李建設(shè)

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數(shù)字下變頻器在軟件無線電接收機(jī)中的應(yīng)用

李建設(shè)

河南省開封市祥符區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，河南 開封 475100

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展，科技水平也得到了飛速的提高，相應(yīng)的軟件無線電接收機(jī)技術(shù)也在不斷進(jìn)步。當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)的最新應(yīng)用是與數(shù)下變頻器的結(jié)合，主要在研究數(shù)字下變頻技術(shù)的基本構(gòu)造和理論的基礎(chǔ)上，分析了數(shù)字下變頻器在當(dāng)前發(fā)展水平下的整體性能以及其在軟件無線電接收機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用的可行性，爭取能夠發(fā)現(xiàn)及改進(jìn)當(dāng)前存在的一些問題，爭取促進(jìn)我國數(shù)字下變頻器在軟件無線電接收機(jī)中的應(yīng)用水平的提高。

數(shù)字下變頻器；軟件水平；無線電接收機(jī)

引言

在軟件無線電的接收機(jī)這項(xiàng)工藝中，數(shù)字下變頻器是當(dāng)前完成這項(xiàng)工藝的最主要技術(shù)。所謂的數(shù)字下變頻技術(shù)，就是指能夠通過工具，將數(shù)據(jù)流從寬帶的大數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為一種窄帶的低數(shù)據(jù)流，這樣就會方便我們對其進(jìn)行及時(shí)處理。對于當(dāng)前被普遍使用的無線電技術(shù)，數(shù)字下變頻器可以很好地完成對于中間頻率波段信號的處理任務(wù)，所以我們對于軟件無線電接收機(jī)中的功能、結(jié)構(gòu)以及主要的工作原理都應(yīng)有最基本的了解。

1 軟件無線電技術(shù)的誕生與發(fā)展

軟件無線電技術(shù)，作為一項(xiàng)較為新型的技術(shù)，最初這項(xiàng)概念被提出是在1992年的美國電信系統(tǒng)會議上。這項(xiàng)技術(shù)的核心思想是構(gòu)建出一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)的和模塊化的被各界普遍使用的通用硬件工作平臺，然后通過一個(gè)軟件來實(shí)現(xiàn)構(gòu)想的這些功能，而且能夠使寬帶數(shù)模變換器和模數(shù)變換器最大限度靠近軟件的中心信號接收系統(tǒng)，也就是天線。在軟件的構(gòu)建中，我們通過在軟件中構(gòu)建出許多不同類型的功能模塊，讓他們承載著不同的功能，然后隨著技術(shù)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，軟件無線電的軟件與硬件這兩個(gè)方面都可以進(jìn)行功能上的升級，并不會隨著時(shí)代的發(fā)展而被淘汰，所以軟件無線電具有極強(qiáng)的靈活性、可持續(xù)發(fā)展性以及開放性。

在軟件無線電的搭建過程中，我們會要求數(shù)模變換器盡可能地靠近天線，所以為了能夠滿足這個(gè)要求，就需要我們最大限度提升數(shù)模變換器的性能，當(dāng)然也對數(shù)模變換器的信號處理器的工作能力有極高的要求。在當(dāng)前單片的數(shù)字信號處理芯片的前提下，如果想要滿足數(shù)模系統(tǒng)達(dá)到4?GHz速率的要求是非常困難的，所以當(dāng)前的軟件無線電中只能夠采用中等頻率的無線電，這就大大降低了發(fā)出的信號的質(zhì)量。數(shù)字下變頻器則可以將本來的高頻率的信號模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成中等頻率的，經(jīng)過波段過濾以后再將這些中等頻率的波段進(jìn)行數(shù)字化。數(shù)字化的信號再進(jìn)入數(shù)字下變頻器進(jìn)行頻率的混合、濾波和波速降低的多重處理，然后輸出到中央處理器進(jìn)行下一步的處理。這樣做可以大大降低數(shù)字模擬器對處理速率的要求，同時(shí)降低實(shí)現(xiàn)的條件以及最終需要的成本，所以數(shù)字下變頻器在軟件無線電接收機(jī)中有很大的作用。

數(shù)字下變頻器的位置是在數(shù)模變換器之后出現(xiàn)的，一般我們默認(rèn)經(jīng)過數(shù)模變換器數(shù)字化處理以后，將速度較快的數(shù)字信號輸入到中央處理器中進(jìn)行處理，這就要求數(shù)字下變頻器在很快的速度之下進(jìn)行運(yùn)算，而且需要有極好的計(jì)算能力。但是相較于其他的處理器，數(shù)字下處理器的結(jié)構(gòu)比較固定，所以影響數(shù)字下處理器的變頻性能的因素主要還是計(jì)算能力的大小和最大工作時(shí)鐘這兩點(diǎn)。

2 數(shù)字下變頻器的結(jié)構(gòu)與組成

軟件無線電是這幾年微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來以后才開始快速發(fā)展的。理想狀態(tài)下，軟件無線電系統(tǒng)在運(yùn)用時(shí)著重強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和可編程性這兩個(gè)特性。對于靈活性不足的硬件電路，采取的是盡量避免的措施，然后將數(shù)字化處理系統(tǒng)盡量設(shè)置在靠近中央天線的位置，通過更新軟件改變硬件的配置結(jié)構(gòu)。但是這種理想狀態(tài)并不是很好實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)條件下，就需要經(jīng)過一定的處理將窄帶的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷拵У?。這種技術(shù)還需要依靠數(shù)字下變頻設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字下變頻器可以實(shí)現(xiàn)的功能分別是改變頻率、實(shí)現(xiàn)濾波以及降低數(shù)據(jù)的采樣率等。我們已經(jīng)知道，對于軟件無線電接收機(jī)而言，在使用過程中應(yīng)最大限度靠近天線，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上對信號進(jìn)行數(shù)字化處理。完成這個(gè)任務(wù)最關(guān)鍵的一環(huán)就是對信號進(jìn)行采樣。以下簡單介紹信號采樣的幾種方式。

2.1 Nyquist采樣

Nyquist采樣定理：通過設(shè)置頻帶（0，fH），知道其帶限信號可以表示為x（t），這個(gè)過程中，通過≥fs=2fH的速率完成間隔采樣，能夠得到時(shí)間離散信號結(jié)果，這個(gè)過程中原信號則能夠被直接確定下來。

我們可以對這個(gè)定理進(jìn)行簡單地解釋，就是說每一個(gè)信號都有著不同的頻率，而頻率又處在不斷的波動之中，所以一定會有最高頻率和最低頻率。如果頻率能夠確保在最高頻的2倍以上，這樣的采樣值也是完全可以使用的，因?yàn)檫@樣的數(shù)值比較準(zhǔn)確，而且最重要的是可以很有效地確定原始信號的位置。其實(shí)，根據(jù)理論知識來看，在理想條件下，在我們進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換時(shí)，如果我們使用可以防止混合疊加的濾波器，那么是可以對自己能夠用到的頻率實(shí)現(xiàn)完全通過的，因?yàn)槿绻l(fā)現(xiàn)超過了最高頻的信號，就要對它實(shí)現(xiàn)無限衰減，這樣的做法可以保證不同頻率的波段發(fā)生混合疊加的情況。但是實(shí)際上并不是這樣，因?yàn)閷?shí)際的濾波器根本達(dá)不到完全將不合適的波長完全消除的功能，所以對于這項(xiàng)特征是不能夠完全實(shí)現(xiàn)的。

2.2 帶通采樣

Nyquist采樣定理在通常情況下只能夠?qū)τ诎凑疹l譜分布的信號進(jìn)行采樣的問題進(jìn)行解釋，但是如果我們將這個(gè)定理進(jìn)行擴(kuò)展，就可以按照fs≥2fH的這樣一種實(shí)際采樣率來進(jìn)行進(jìn)一步的采樣。

為了能夠解決這個(gè)問題，其實(shí)我們還有一種同樣可行的采樣方式，即按照帶通采樣。我們可以將帶頻和帶限的信號進(jìn)行固定，然后根據(jù)這兩個(gè)數(shù)值對采樣率進(jìn)行計(jì)算。

2.3 欠采樣

我們一般對在最高頻率2倍以上的信號采用Nyquist采樣，而如果在2倍以下則采用欠采樣。我們在進(jìn)行欠采樣的時(shí)候，通常都可以減少頻率進(jìn)行采樣時(shí)會實(shí)際發(fā)生的可能性，大大降低相關(guān)部件以及需要的抽取率等要求，而且欠采樣對于頻率的選擇也是有針對性的，所以也有效避免了對于外來的其他波段頻率的干擾作用。在發(fā)揮作用方面，原理上會比較類似于變頻器，而且基本上滿足條件的信號都能夠完成欠采樣。

3 結(jié)語

綜上所述，我們可以大致總結(jié)一下文章的思路。我們當(dāng)前獲得的研究成果主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，首先是對當(dāng)前軟件無線電接收機(jī)中數(shù)字下變頻器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用原理、主要功能以及當(dāng)前研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。對于涉及的運(yùn)算問題，我們的科研工作者已經(jīng)在研究和分析，也掌握了涉及的關(guān)鍵技術(shù)。我們當(dāng)前最希望做到的就是能夠?qū)@個(gè)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步地革新，最終完成在這個(gè)領(lǐng)域的長足發(fā)展。

[1]史磊. 軟件無線電接收機(jī)中數(shù)字下變頻器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2016.

[2]孫丹丹，楊莘元，趙大勇. 數(shù)字下變頻器在軟件無線電接收機(jī)中的應(yīng)用[J]. 信息技術(shù)，2015（7）：2-4.

[3]李武翰. 軟件無線電接收機(jī)中可編程數(shù)字下變頻器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2014.

Application of Digital Down Converter in Software Radio Receiver

Li Jianshe

Henan Kaifeng Xiangfu Quality and Technical Supervision Bureau, Henan Kaifeng 475100

The current economic level continues to develop, and the level of science and technology has also been rapidly increased. The corresponding software radio receiver technology is also continuously improving. The latest application of this technology is a combination of digital frequency converter. It is mainly based on the study of the basic structure and theory of digital frequency conversion technology, and analyzes the overall performance of the current digital down converter at the current level of development and its feasibility of application in software radio receiver so as to find and improve some existing problems, and strive to promote the application of digital down converter in software radio receiver in China.

digital down converter; software level; radio receiver

TN851

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