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第4章　软件无线电数学模型 4.1 软件无线电的三种结构形式 在软件接收机的前端，A/D起着关键作用，因为A/D不同的采样方式决定了射频处理前端的组成结构，也影响了其后DSP平台的处理方式和对处理速度的不同要求；而且A/D的性能也严重制约整个软件无线电性能的提高。对应A/D对射频模拟信号的不同采样方式，我们可以总结出图4a-c所示的四种典型的软件无线电结构：全宽开射频低通采样软件无线电结构、射频直接带通采样软件无线电结构、中频低通采样软件无线电结构、宽带中频带通采样软件无线电结构，后两种结构很相似归一为图4c）。 由于软件无线电的工作频段位于0.1MHz~2GHz之间，射频全宽开的低通采样软件无线电结构对于某些工作频段较高的场合显然是不适用的。若最高频率fmax＝2GHz，考虑到前置超宽带滤波器的矩形系数r＝2时，即使允许过渡带混叠，最低采样速率也应满足： fs≥(r+1)fmax＝6GHz 如此高采样速率的ADC和DAC目前显然是无法实现的，尤其是当需要采用大动态、多位数器件时就更加困难。而且对这种前端完全宽开的软件无线电，即前置滤波器带宽为整个工作带宽，由于同时进入接收通道的信号数大幅度上升，对动态范围的要求就更高，给工程实现带来了极大的难度。所以，射频全宽开的低通采样软件无线电结构一般只适用于工作带宽不是非常宽的场合，例如短波HF频段(0.1MHz一30MHz)或者是超短波VHF频段(30MHz～100MHz)，尤其是HF频段，根据目前的器件水平采用这种结构来实现是有可能的，因为此时要求A/D变换器的采样速率为100MHz以内，目前14位的A/D已基本达到了这个要求。 基于带通采样的射频宽开软件无线电结构，采用带通采样原理，使用一个主采样频率，若干个“盲区”采样频率来实现对整个工作频段的采样数字化。它的特点是采样速率不高，对A/D及后续DSP的要求比较低，但从硬件结构来看却非常接近于理想的软件无线电。而且整个前端接收通带并不是全宽开的，而是先由窄带电调滤波器选择所需的信号，然后进行放大，再进行带通采样，这显然有助于提高接收通道信噪比，也有助于改善动态范围。这种结构的缺点是要求A/D器件要有足够高的工作带宽，或者说A/D中采样保持器及放大器的性能要高，而目前10位以上的A／D也只能工作在1GHz左右。另外，窄带电调滤波器也是这种结构的软件无线电的关键部件，虽然已有商品上市，但其工作带宽还不够宽，如果要求工作带宽很宽(如0.1MHz～2GHz)则必须分几个，十几个分频段来实现，实现起来还是有相当难度的。该结构另一个缺陷就是需要多个采样频率，增加了系统的复杂度。 把图4b)与图4a)比较可见，两者的最大不同点是前置滤波器的差异，前者采用了窄带电调滤波器，而后者是宽带滤波器；另外就是A/D的采样速率不一样，前者为中高速采样(100MHz以内)，而后者为超高速采样，取决于最高工作频率。最后就是对DSP的处理速度要求不一样，前者要求低，后者要求高，如果要求工作带宽很宽，后者往往是无法实现的。由以上分析可以看出，射频直接带通采样的软件无线电结构实现起来要容易得多，可行的多。 中频低通采样软件无线电结构和射频宽开的低通采样无线电结构一样，在工作频段较高的情况下，要求ADC有足够高的采样速率；在工作频段较低的情况下，又需要复杂的射频前端电路。所以和中频带通采样软件无线电结构相比，就明显处于劣势。 宽带中频带通采样软件无线电结构与常规的超外差无线电台是类似的，但两者的本质区别是中频带宽不一样。常规电台的中频带宽为窄带结构，而软件无线电的中频带宽为宽带结构。由于中频带宽宽不仅使前端电路（如本振等）设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且与常规窄带超外差电台相比，这种宽带中频结构再配以后续的数字化处理，使其具有更好的波形适应性，信号带宽适应性以及可扩展性。这种软件无线电的缺陷是射频前端(ADC前、DAC后的模拟预处理电路)比较复杂，它的主要功能是把射频信号变换为适合于A/D采样的宽带中频信号或把D/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。然而通过相对复杂的射频前端把高频信号变换为中心频率适中、带宽适中的宽带中频信号后，给后续的A/D采样数字化大大减轻了负担。这与前两种软件无线电结构相比不仅不需要第一种结构所要求的超高速采样，也不要求第二种结构所需的高精度、高工作带宽所要求的采样保持放大器，使A/D转换电路的设计大大简化，这是射频前端复杂性所带来的好处。在A/D器件无法满足要求的情况下，增加一点复杂性也是值得的，况且这种宽带射频前端与窄带超外差前端相比还是相对要简单一些，无疑是近期软件无线电一种较可行的设计方案。 宽带中频带通采样软件无线电结构的等效数字谱： 软件无线电前端不同的A/D采样方式决定了不同的软件无线电接收机的结构，但采样后的数字