软件无线电中的模数转换器

    摘要：软件无线电的可编程性很大程序上取决于通信链路的哪一级对模拟信号进行数字化处理，探讨了几种可能性和技术特征。

所谓软件无线电，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的应用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议全部由软件编程来实现。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的A/D和D/A转换器，尽早地完成信号的数字化，使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理（DSP）芯片，以软件为核心的崭新的无线电通信体系结构。既然要采用数字技术，必不可少的器件就是要使用模数转换器，而A/D/A在软件无线电中的位置是非常关键的，它直接影响到软件无线电的软件化程度。

1 转换器（A/D、D/A）的位置

目前转换器的主要应用选择方式有三种，即基带（Baseband）、中频（IF）和射频（RF）。

    1.1 基带数字化

传统的超外差接收机是一种模拟和数字电路相结合的系统结构（如图1所示），在这种接收机结构中，它的前端全部采用模拟信号，混频器在RF级接收已调载波并下变频到一中频。与RF相比，在IF级更容易制作廉价滤波器电路，以衰减不需要的信号和混频分量及噪声。这时的RF级混频器需要一个可变频率振荡器（VFO），可调整其频率使之调谐于有用信号，而IF级的混频器则需要一个固定频率振荡器。对模拟信号的数字化采样处理仅仅是在基带部分采用A/D/A，然后再用DSP进行数字处理。

这种传统结构的优点在于技术比较成熟，模拟低损耗的RF器件和IF器件比较容易实现。但接收支路的动态范围大， 为了满足整个系统的指标，要在接收支路设置AGC电路，来控制接收机的动态范围。这样一来，就对AGC电路的响应速度提出了较高的要求，其速度必须适应每个时隙的要求。另外，电路受元器件老化和温度的影响，造成性能的变化，也是不可忽视的。而且，这种设计把整个接收链路只用于一个解调信号或信道，如果要增加一路载波，就要添加一整套相同的从RF变换到基带的设备，代价很大。因此，在软件无线电中，不要用这种电路结构形式。

1.2 中频数字化

现在的A/D变换器已足以在中频（IF）对模拟信号进行数字化，如图2所示。此时，由于LO（本地振荡器）输出一个固定频率，不需要调谐IF混频器，从而使电路更简单。

    目前，已经出现了一些在IF能使多个信道的信号实现数字化的A/D变换器，这给必须同时处理多个信道的接收机（如基站）带来了极大的好处。因为数字化的IF中包含了来自所有相关信道的信息，只需要一个RF前端，体现了软件无线电的通有性。由图2可以看出，把宽带数字化信号直接送入到DSP中，并用软件实现其后的所有其它功能（如调制、解调、编/解码、加/解密等）。由于DSP可以用软件来调整和更新，从而可以适应不同的空中信号接口标准以及今后的技术更新，摆脱了更新硬件结构的重新设计。

从目前的技术能力来看，从高速、高分辨率的A/D获得数据后，再用DSP处理来完成所有的处理任务是不现实的。好在有公司开发出了专用器件-下变频器DDC来执行大部分的IF处理工作。DDC对一个数字化的输入进行下变频后，再抽取和低通滤波，从而输出一个低比特率的基带信号，使得DSP摆脱了这些重复的处理工作，去完成其它处理任务。

在IF级采用数字化技术除了可以进行多信道操作外，还可以获得其它好外。如一个DDC根据公式10log[（2Bw）/fs]，其中Bw为信道带宽，Fs为采样频率，可以增加处理增益，从而增大了链路的信噪比（SNR），一般认为可有20dB的处理增益。

当然，在中频进行数字化处理时，要求DSP必须满足下列要求；

*运算速度快。DSP必须具有高指令执行速度，同时还要具备功能强大的指令系统，支持单周期内完成常用的浮点运算和逻辑运算的能力。

    *高精度的数据处理。由于数字信号处理中所固有的量化效应和有限长寄存器效应的影响，在实际处理过程中会出现误差，并随着运算的增加遂渐积累。这就要求数据一定要有足够的精度，并且处理器支持高精度运算，才能减小这些误差。DSP至少要支持32位浮点运算的能力。

*高速数据交换能力。软件无线电各模块之间需要进行大量的数据交换，DSP总线必须有足够的数据传输和I/O吞吐能力，才能保证对信号的实时处理。另外，开放的设计应用条件是总线系统必备的特征要素。

*支持多SHARC同时工作。

图3给出了一个基站中中频应用软件无线电的例子。它直接在中频对信号进行A/D转换，转换后的数字信号送入专用处理芯片-可编程下变频器（PDC）中处理，完成对IF的选频和滤波。

当采用一个12位、60dB动态范围的转换器，从一个数字控制的可变增益放大器获得40dB增益，另外，系统的数字下变频器大约增加20dB处理增益。这样，总的动态范围就达到120dB，扣除解调的6～7dB和峰值储备（headromm）的6～7dB，还有100dB，能够满足GSM-900的要求。

如果GSM-900要求消除一个比带内信号高91dB以上、并远离带内信号3MHz的干扰信号，用数字技术消除此干扰，需要91dB动态范围来测定此信号，再中上测定带内信号的30dB动态范围，在基带中最强和最弱信号测量之间的差值为121dB。限定200kHz信道带宽，并假定在70MHz对IF信号进行取样，根据前面的公式，下变频器增加22.4dB，即真正的动态范围是98.6dB。数据变换器中每位大约等效于6dB，此动态范围就相当于16位。目前还不能批量生产16位、70MHz的变换器。

1.3 射频数字化

一个真正的软件无线电（见图4），是在天线之后对宽带RF模拟信号进行数字化，而且数字电路是通过软件来完成所有的滤波、解调和其它操作，从而去除了所有的IF以及与之相关的混频和滤波电路。这不仅使电路的元件数显著减少，提高了可靠性，而且变换器还数字化了包括很多信道的相关频带。根据变换器的带宽，同一无线电可工作在宽频带，适合各种不同的空中信号接口，处理不同的业务，这对DSP提出了更高的要求。目前的A/D和DSP等器件也正向这一方向努力，但要实现这一最终目标，恐怕还要等待几年。

2 转换器的特性

决定A/D性能垢因素主要有以下几个：

2.1 采样率和分辨率

采样率由信号带宽决定，分辨率（位数）则要满足一定的动态范围和数字信号处理精度，A/D的分辨率越高（位数越多），需要转换的时间越长，转换速率就越低，两者相互制约。高速A/D的结构主要采用全并行或闪烁式，而高分辨率A/D主要采用∑-Δ结构。有关A/D的具体应用可见参考文献[1]。

2.2 无寄生动态范围的信噪比

无寄生动态范围（SFDR）用来度量转换器中的非线性误差源，常是高速器件性能的限制因素。如果没有最高线性度，任何失真或谐波都会产生强信号的像频，与真正的信号难以区分。信噪比（SNR）则是度量一个信号无论它比噪声底值高多少，转换器必须仍能检测到它。与SFDR有很大关系的是近远（near-far）问题。在某此系统，无线电即使只在几个信道外出现很强信号的情况下，也必须能检测到一个弱信号，而强信号的失真分量所产生的大寄生信号可能淹没弱边缘信号。SFDR性能指标允许对靠近噪声底值的信号进行SNR评估。解决近远问题的一个基本方法是采用可编程增益级。AGC的调节可以适合接收信号的强度，从而A/D总是接收一个同样强度的信号，降低对其动态范围的要求，但不适合接收多个不同强度信号的宽带接收机。

软件无线电容波段设计的另一个困难是数据变换器的SFDR在数字化一个全标度信号时与较小信号工作时是不同的。对于较低电平的信号，SFDR比一般较好，因为变换器在其范围内的其余部分具有更高的线性度、而在全标度上变换器的非线性和跟踪/保持转换率受限制。因此，在全标度的附近减小信号也可以改善SFDR。

为了提取强信号环境下的弱信号，可选的A/D转换器主要有两种：A管道式（pipeline）结构，其SFDR和SNR分别可以达到100dB(20MHz输入时)和75dB以上；B.粗细调整型A/D，采用称为数字两端式两级A/D转换结构，对输入信号进行粗采样、细采样，并对细采样数据进行校正，从而实现极低的采样抖动（达0.3ps）。

2.3 与处理器的接口

随着A/D和D/A速度的提高，转换结果到MCU和DSP的数据速度也需要提高。目前主要采用如下：①在A/D内部集成FIFO存储器和与处理器兼容的SPI串行接口；②采有并行接口；③直接把A/D或D/A集成在处理器内部。

由于处理器的数字噪声对A/D转换器性能有重要影响，在高速数据转换器的应用中，几乎都用与MCU或DSP分离的方法设计系统。

本文探讨了软件无线电中的数据变换器应用的若干问题，涉及不够全面。由于数据变换器的高速、大容量应用，在电路设计方便还有很多技巧。器件的不断发展也在提供着更好的处理方法。