大动态射频直接采样方案的设计与实现

引 言

随着无线通信需求从单一频段、单一功能向多频段、多功能发展，以硬件技术为主的传统无线电通信系统设计方法已无法满足新的需求 [1]，业内逐步开始采用软件无线电的设计方法，射频直接采样接收机得到广泛关注与研究 [2]。由于模数变换器可处理的信号动态范围有限，因此射频直接采样接收机的信号处理能力受到了极大制约。

本文提出一种大动态射频直接采样方案，该方案采用高低增益双通道接收方法扩展 ADC 接收动态范围，使用射频直接采样技术简化模拟电路设计，使用数字信号处理软件实现数字混频及信号处理功能，可有效扩展接收机信号处理能力，满足多种通信体制的需求。

1 系统设计方案

整个系统由射频前端与数字信号处理两部分组成，组成框图如图 1 所示。射频前端由高低增益接收信道、射频发射信道、功分电路、ADC 采样电路及 DAC 发射电路组成。高增益接收信道对接收的射频信号进行 40 dB 放大，低增益接收信道对接收的射频信号不进行放大。射频发射信道对 DAC 产生的信号进行放大滤波后输出 [3]，功分电路将接收信号分为两路送入高低增益接收信道，ADC 采样电路完成对接收信号的带通采样及模数变换，DAC 发射电路完成基带信号的上变频处理及数模变换。

数字信号处理部分主要由数据交互接口、外围接口初始化模块、译码数据最优判决模块、数字信号接收处理 A/B 及发射信号产生模块组成，实现数字混频、DDC/DUC、同步捕获、调制解调及编译码等数字信号处理算法，实现外围接口电路的初始化，完成两路接收信道译码数据的最优判决。

2 高低增益接收信道设计

接收信道主要对信号进行预选、滤波及放大处理，完成对模拟信号的带通采样及模数转换。实际应用中受限于数字电路设计能力、时钟抖动及应用环境等因素的影响，一般ADC 器件的动态范围为 55 dB 左右，无法满足大动态范围的应用需求，本文采用高低增益双信道同时接收数据解决此问题，接收电路设计框图如图 2 所示。

两路接收信道电路基本一致，通过调节 DGA/DSA 控制两路接收信道增益，高增益接收信道的链路预算如图 3 所示。

图 3 高增益接收电路链路预算

本文使用的 ADC 动态范围为 55 dB，由于高增益通道为40 dB 左右增益，因此理论上该接收机可处理的动态范围为95 dB 左右。

由于 ADC 的前端带宽较大，因此必须设计一个带通抗混叠滤波器 [4]，滤除其他奈奎斯特域的噪声，否则多个奈奎斯特域噪声叠加，会造成信噪比严重下降。带通滤波器架构如图 4 所示。

图 4 带通滤波器架构

3 数字信号处理设计

两路接收信道接收的信号经过带通采样后送入数字信号处理部分进行处理，实现框图如图 5 所示。

由图 5 可知，信号处理流程为 ：首先对两路接收信道的采样数据分别进行串并转换、数字混频、滤波抽取、同步捕获、解调及译码 [5] 等处理，然后将产生的译码数据、译码完成标志及译码状态送入译码数据最优判决模块，最后在译码数据最优判决模块中根据译码状态选择最优的译码数据。译码数据最优判决处理流程如图 6 所示。

4 测试验证

输入 -85 dB 信号，使用发送测试数据的方式对方案可行性进行测试验证，测试结果如图 7 所示。

由测试结果可知，编号为 10 的设备发送 20 000 组用户数据，编号为 20 的设备端准确无误地接收到 20 000 组通信测试数据（用户数据栏里的无线接收），实现了正常的收发通信。

5 结 语

本文提出了一种大动态射频直接采样方案，给出了设计框图、指标分配及处理流程，并对方案的可行性进行了测试验证。该方案可有效扩展 ADC 接收动态范围，解决射频直接采样接收机信号处理能力不足的问题，简化模拟电路设计，使用数字信号处理软件实现数字混频及信号处理功能，可有效扩大接收机的使用范围，满足多种通信体制的需求，具有广泛的应用前景。