一种软件无线电宽频多模式接收机的设计

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摘　要　软件无线电接收机是基于一个通用可编程硬件平台，通过软件来实现各种通信标准。随着数字处理技术不断进步，理想软件无线电的最终实现成为可能。本文对软件无线电中的关键技术、系统架构、射频信号处理、中频信号A/D处理技术、数字信号多模式处理、数字解调、软件无线电接收机进行探讨，以 AM、SSB、CW、FM信号为例，仿真了该设计方案的可行性。

关键词　软件无线电　系统设计　可行性研究

1　引言

软件无线电的基本思想是构造一个开放、标准、模块化的通用硬件平台，将无线电通信系统的各种功能如调制解调类型、数据格式、加密解密、通信协议等通过软件编程来实现。将宽带 A/D和D/A转换器尽可能靠近天线端，即尽可能早地将接收到的射频模拟信号进行数字化是软件无线电接收机的基础架构思路。

目前由于 A/D及 DSP或CPU等器件的处理速度限制，直接对射频进行采样还无法实现，对于高频更多地采用下变频并采用中频采样技术。在A/D采样后通过高速通信口送给计算机的SDR软件进行后续处理（如图 1所示）。

2　软件无线电理论基础

软件无线电是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心的，以微电子技术为支撑的新的无线通信体系结构。其基础理论主要包括数据采集理论和数字下变频技术，其中数字下变频又包括2.1　带通采样理论

带通采样定理：设一个有限带宽的信号x（t），其通带为（fl，fh），如果采样频率fs满足以下条件，则x（t）能被其采样

■ （1）

重构信号x（t）的表达式为：

■

（2）

式（1）中， M= fh /（fh-fl）-N，带宽 B= fh-fl，中心频率 fc=（fh-fl）/2，fh是上限截止频率， fl是下限截止频率。很显然，最小采样频率fs与B有如下关系: fs大于或等于2B小于4B。

3　接收机硬件设计与实现

在本接收机中，主要分为多段射频预处理部分、包含多频段天线、高放、混频、DDS本振部分，高速AD负责将MF频段、HF及VHF频段混频后的中频信号进行模数转换、MCU负责系统控制、PC通信，系统总体结构（如图 2所示）。

3.1　射频预处理部分

软件无线电中一项重要的技术就是理想天线技术，但实际中只能在特定的频段内实现相对理想的天线，因为在本方案设计中将本接收机的天线分为中频MF段0.3M-3M段、HF段3M-30M段、VHF低段30M-150M段共三段，使用三付相应频段的天线来代替全频段天线。

在各频段天线后设置独立的射频放大部分，将射频放大到适合后级采样或混频电路所需要的电平标准，使用分立高频放大电路实现。

3.2　本振及下变频部分

受限于A/D及后级处理能力，除MF段直接进行送往A/D模数转换处理之外，HF/VHF两个频段需要下变频到4.5M再送往A/D处理。本振采用直接数字频率合成器（DDS）来实现。

本设计中使用了一片DDS程控生成频率范围为3M-150M的正弦波本振信号源，对HF、VHF各使用了一片LT5512来混频，混频输出混合到一路，送入下级A/D变换，HF、VHF的混频控制由MCU控制DDS频率及LT5512的使能端实现两路分离。

3.2.1　AD9851 180 MHz完整DDS频率合成器

AD9851是一款高度集成的器件，采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能数模转换器和比较器，共同构成数字可编程频率合成器和时钟发生器。以精密时钟源作为基准时，AD9851能产生一个频率稳定、相位可编程的数字化模拟输出正弦波。该正弦波可以直接用作频率源，或在内部转换为适合捷变时钟发生器应用的方波。AD9851的创新型高速DDS内核提供一个32位频率调谐字；对于180MHz基准时钟，输出调谐分辨率可以达到0.040Hz。AD9851内置独特的X6基准时钟乘法器电路，无需高速参考振荡器。该6X PLL乘法器对无杂散动态范围（SFDR）和相位噪声特性的影响极小。该器件还提供5位数字控制相位调制，使其输出能够以180°、90°、45°、22.5°、11.25°及其任意组合的增量发生相移。

3.2.2　LT5512有源双平衡频混器

LT5512是一款有源双平衡混频器 IC，专为高线性度 HF、VHF 和 UHF 应用而优化。该 IC 包括一个用于驱动混频器的集成 LO 缓冲器放大器和一个用于改善 LO-RF 隔离度的 RF 缓冲器放大器。内部偏置电路免除了增设精准外部电阻器的需要，并允许采用使能控制（EN）引脚来关断器件。外部匹配的 RF 和 IF 端口使得混频器能够在非常低（1MHz 以下）或高达 3GHz 的频率条件下使用。差分 LO 输入是专为单端或差分输入驱动而设计的。LT5512 是无源二极管混频器的一种高线性度替代方案。与具有转换损耗并需要高 LO 驱动电平的无源混频器不同，LT5512 提供了转换增益且所需的 LO 驱动电平低得多。

3.3　模拟数字转换部分

根据A/D理论SNR公式：

■

（3）

由（3）式我们可以看出，模数转换的信噪比与这三个参数有关：A/D 的转换位数N、采样速率sf和输入信号的最高频率maxf。在本接收机的设计中，输人模拟中频信号最高频率为15MHz，接收解调对象AM、SSB、CW、FM等基带均为窄带信号，但为有更宽的接收带宽，故采用较为高速、分辨率较大的A/D转换器件。选用AD公司的AD6659，其性能参数（如表1）。

AD6659是一款混合信号双通道中频接收机，支持需要两条接收机信号路径的无线电拓扑结构，例如主信号/分集通道或直接变频。该通信系统处理器由两个高能性模数转换器（ADC）和噪声整形再量化器（NSR）数字模块组成。AD6659专为支持各种需要高动态范围性能和小尺寸的通信应用而设计。高动态范围ADC内核采用多级、差分流水线架构，并集成了输出纠错逻辑。各ADC的差分流水线第一级采用宽带宽开关电容采样网络。