软件无线电中上下变频技术应用研究

李军孝+申壮良

【摘 要】随着软件无线电理论和应用的日渐成熟，软件无线电在全世界的各个领域得到了广泛关注，在移动通信领域，软件无线电已经得到了广泛应用，软件无线电已成为未来通信技术发展的一个大方向。软件无线电通信系统组成部分之一是数字信号处理部分，因得到的数字信号速率比较高，运算量难以满足实际要求，因此对软件无线电中上下变频技术进行探讨具有重要价值。

【关键词】软件无线电；上下变频技术；应用研究

引言：

软件无线电在民用无线通信领域方面有很强的需求。早在20世纪80年代我国引入模拟制TACS系统（1G），90年代初引进数字制的GSM和CDMA系统（2G），到现在使用的3G，在不久的将来又将步入4G时代。随着通信服务质量的日趋提高，通信系统的升级换代的速度是相当惊人的。如果现有的通信系统的基础硬件建立在软件无线电原理的基础上，那么随着服务质量和性能要求的不断提高现在乃至将来系统在更新换代的成本将会大幅度降低。

一、软件无线电概述

目前软件无线电通信系统主要包括模拟信号处理子系统和数字信号处理子系统两部分。数字处理部分进一步分为高速中频处理部分和基带处理部分。从原理上来讲，软件无线电可以利用A/D转换器将接收到的RF信号或者已经下变频至中频（IF）频段的信号进行数字化处理，由于RF信号频率很高，以奈奎斯特（Nyquist）频率进行采样是很困难的，所以目前的技术水平实现理想的软件无线电有很大的难度。而带通采样定理能极大地降低所要求的采样率，因此被应用于A/D转换的过程中。而软件无线电系统中的数字上变频和数字下变频所要求的运算量很大，是系统实现中最困难的部分。因而研究数字上下变频的关键技术具有十分重要的意义。

二、上下变频技术的理论技术分析

软件无线电技术主要以DAC为载体，将数字部分、模拟部分连接为一体，但是DAC器件的质量、性能等，都会对软件无线电的性能带来很大影响。此外，因为软件无线电工作频带比较宽，频率比较频繁的情况下，能够进行多频段采样工作。采样工作完成后，其获得的离散序列要能够准确回复最初的原始模拟信号。因此采样过程中需要严格遵守相关规律，即采样定理。采样定理一般包括以下2类：

（一）低通采样

其内容是一个连续信号m（t）在（0，fs）频带限制范围内，若实施等间隔采样时，以不小于fs=2f（H）的采样频率进行，则x（t）就能够被已经获得的采样值完全确定。相反，若采样率fs低于2f（H）恢复信号，便容易出现失真现象。软件无线电关于低通采样方法的应用有严格要求，因此，低通采样一般仅用在系统最高频率比较低的情况下，如果采用相关技术将高频转化为低频，就需要在天线和器件之间增设硬件设施，就完全违背了软件无线设计的思想。

（二）带通采样

软件无线电要符合低通采样的相关标准，模数转换器的采样频率就应该高于被采样信号最高频率的2倍，目前已有的器件基本上无法满足此要求，由于当前应用的通信信号大部分是带宽在几兆赫兹的带通信号，因此，带通信号在其相关原理的指导下，采样速率也不一定非要是最高频率的2倍，即使采样速率比较低，也能够准确反映带通信号的具体情况。

三、软件无线电中上下变频技术的设计与实现

（一）上变频设计与实现

在上变频设计中，选择ADI公司生产的器件AD9826，AD9826是高性能混合信号前端处理器，在無线宽带通信系统当中得到了十分广泛的应用，其发送通道具有良好的性能指标，并且包含可编程增益放大器、内插滤波器、数字滤波器以及数字混频器。

一般来说，ROM越大（从而可表示的相位数越多，幅度值越精确），数控振荡器的频谱也就越纯。一个最基本的压缩技术就是利用正弦函数的对称性，只存储P/2的幅值信息，然后根据控制电路按要求寻址和决定极性。在这以后，还有许多方法来压缩这1/4周期的波形信号。不同的方法其压缩率、硬件实现代价和性能都是不尽相同的。在此，本文介绍最简单的利用对称性的压缩方法。利用正弦函数的对称性，可以只需要存储1/4周期的正弦信号幅值。查找表容量的减少需要增加额外的逻辑电路来输出整个周期的波形。k比特的相位信息只用k-2比特来进行ROM寻址，最高的2比特提取出来作为控制信息。第k-1位数据决定所在的相位是一、三象限还是二、四象限，0为一、三象限，1为二、四象限，当相位在二、四象限时对ROM寻址的地址需要进行变换。第k位（MSB）决定输出的正弦幅值的极性，0为正，1为负。

（二）下变频设计与实现

数字下变频设计的主要目的是把中频信号逐渐转化为基带信号，并使数据传输速率符合USB2.0的要求，从而把数据传输给计算机，便于计算机进行数据处理操作，使软件无线电的功能得到强化。其中NCO能够获得数字本振信号，CIC是低通滤波器组的第一级，主要由联积分梳状滤波器组成；HB是低通滤波器组第二级，主要由半带滤波器组成；FIR是冲激响应滤波器，和脉冲响应滤波器是互相匹配的。

数字信号处理技术的发展，使信号处理指标要求也逐渐提高，而信号处理工作量也逐渐增大，用不同采样率进行处理或者转化，可以有效节省存储空间，因此，进行多速率信号处理对系统设计具有重要作用，多速率滤波器主要包括CIC、HB以及FIR等，其主要特征是抽取、插值以及低通滤波，由于CIC、HB的组织结构比较简单，性能好，且可操作性强，因此得到了比较广泛的应用。由于无线通信数据传输率逐渐在增加，而CIC滤波器则得到了十分广泛的应用，因为此滤波器结构比较简单，适合用在采样率比较高的环境下。

四、结语

无线通信在现代通信中占据着极其重要的位置，无线通信技术是当前发展最快的技术之一，各种全新的通信概念层出不穷，各种新体制及其关键技术层出不穷。被广泛应用于商业、气象、军事、民用等领域。而软件无线电技术的主体思想是在一个具有开放性、标准化、模块化的通用平台上，通过加载不同的软件来来实现不同的功能，以满足各种通信系统之问互联互通的要求。

参考文献：

[1]张孝龙.基于FPGA的软件无线电上下变频技术的研究与设计[D].南京邮电大学，2013.

[2]喻黎霞，王辉，周计文.基于软件无线电的数字下变频原理和实现[J].微处理机，2008.

[3]刘泽军，刘波粒.变频技术在软件无线电中的应用研究[J].无线电通信技术，2007.endprint