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数字波束形成原理及其系统的设计和实现.pdf

数字波束形成原理及其系统的设计和实现

xl46512 2012-05-08 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《数字波束形成原理及其系统的设计和实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含电子科技大学硕士学位论文数字波束形成原理及其系统的设计和实现姓名:黄庆申请学位级别:硕士专业:电子科学与技术指导教师:杨中海摘要摘要数字波束形成(D符等。

电子科技大学硕士学位论文数字波束形成原理及其系统的设计和实现姓名:黄庆申请学位级别:硕士专业:电子科学与技术指导教师:杨中海摘要摘要数字波束形成(DBF)技术是一种以数字方法来实现波束形成的技术由于在基带上保留了天线阵列单元信号的全部信息因而DBF可以采用先进的数字信号处理技术对天线阵列信号进行处理可显著提高阵列天线的性能这些性能包括t快速自适应波束置零、超低副瓣、自适应空时处理、进行非线性处理改善角分辨率等等。数字波束形成技术能够极大提高雷达系统的抗干扰能力是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。此外DBF技术在通信、导航及地震、医疗电子等领域均有广阔的应用前景。一直以来数字收发组件高额的成本限制了DBF技术的普遍应用但随着近几年电子器件技术、微波组件技术和高速数字处理设备技术的发展DBF技术不仅在相控阵雷达的应用中获得越来越广泛的重视而且其应用不再限于窄带或子阵水平。DBF系统设计包含的内容繁多文章主要就以下的内容进行了研究和创新:.结合实际应用需要分析了用于评价ADC性能的动态静态等参数指标研究出目前非常准确的ADC动态参数测试算法和基于matlab平台的测试软件。.目前ADC越来越靠近天线也即数字接收机的使用更为普遍文章研究了窄带接收机的基本结构设计方法最后在FPGA内实现对于宽带接收机分析了目前常采用的几种方案对其设计和实现进行了初步探索。.针对目前变频模块输出到芯片部分的阻抗匹配关注较少的情况文章分析了由于阻抗不匹配带来的信号反射等信号完整性问题。提出了基于修正模型的网络匹配优化方法该方法在实验中所用的一款ADC中得到了验证和使用取得了良好的效果。.建立了DBF射频前端的ADS仿真模型对纯软件的DBF综合仿真系统进行了初步的探索和研究。.设计和实现了存取速率高达MBit的DBF存储系统。关键词:数字波束形成ADC动态参数测试修正模型软件DBF系统高速数据采集和存储ABSTRACTABSTRACTDigitalbeamformingtechnologyisameanstoachievebeamformingwithdigitalmethodsitcallprocesstheantennaarraysignalbyusingadvanceddigitalsignalprocessingtechnologiesaSitretainallthemessagesofantennaunitsignal.ThetechnologyofdigitalbeamformingCandramaticallyenhancesarrayantennaperformances.Theseperformancesincludingfastadaptivepatterningultra.wsidelobesadaptivespacetimeprocessinghi曲resolutiondirectiontidingetc.Thetechnologyofdi百talbeamformingisoneofthekeytechnologiesoftargetdetectionforthenewmilitaryradar.BesidestheDBFtechnologyhasbroadprospectsforapplicationincommunicationsnavigationearthquakesmedicalelectronicsandotherfields.FormanyyearsThehi曲costofT/Rrestrictitsuse.Howeverwiththedevelopmentofelectronicdevicesmicrowavecomponentsandhighspeeddigitalprocessingequipmentinrecentyearsthisproblemisresolvedgradually。nOWtheDBFtechnologyplayamoreimportantroleinthephasearray,anditsllseisnotlimitedtothe/larrowbandoratsubarraylevel.Themainresultsareasfollows:.AhighprecisionandfeasiblealgorithmsoftwareforADCdynamicparameterstestachievessuccess..RealizenarrowbandDBFinFPGA,preliminaryaccomplishbroadbandDBF’designandverification..Proposeanovdimpedancematchmethodfor/FoutputtoADCfindandresolveabadimpedancematchADCoflinearwhichweused..ResearchDBFsystemsynthesizesimulationfinishedthebehavioursimulationofRFfrontend.PreliminarystudytheCO.simulationwithmatlabcadenceetc..FinishaflashmemorysystemwhichCansavedatasatarateofMBit.Keywords:digitalbeamformingADCdynamicparametertestcorrectivemodelsoftwareDBFsystemhighspeedsampleandstorageII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:菝塞日期:D叶年多月谚日关于论文使用授权的说明.本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名:囊鏖导师签名:二茎!尝’日期:瑚。丫年占月艿曰第一章绪论.研究背景及意义第一章绪论数字波束形成(DBF)是随着数字信号处理方法的发展而建立起来的一门新技术这种技术不仅能充分保留阵列天线上收集的信息而且能利用复杂的数字信号信号处理方法对信息进行处理因此它具有一般雷达不具有的超低分辨率和低副瓣的性能波束扫描自适应波束控制等。由于采用了先进的数字信号处理方法和自适应技术DBF雷达不仅性能优越而且非常灵活被认为是下~代雷达系统中广泛使用的一项新技术。相对于一般模拟波束形成技术数字波束形成技术具有非常多的优点比如超低分辨率超低副瓣抗电子干扰扫描迅速多目标处理高性能并行数字处理等。自适应波束形成(ADBF)卅针对复杂信号环境对波束形成的一个很好的补充。它的核心思想是采用各种优化算法和自适应算法根据阵列对不同环境的响应产生不同的加权系数己取得最好的信号特征。自适应波束形成可以实现自适应的空一时处理进行各种非线性处等波束灵活抗干扰强具有较好的自校正和自适应能力。.研究历史及发展现状年前德国就研制成功了第一部采用DBF技术的雷达时至今日DBF技术尚未达到广泛成熟使用的地步。目前在大型阵列上实现DBF技术的普遍应用还具有很大的难度一是它会极大的增加雷达系统的复杂程度二是在某些技术上还不足以实现多波束的瞬时处理还有一个是它的造价比较昂贵这也限制了它的广泛应用。多年来世界各国在DBF技术中投入了大量的人力物力取得了许多突破性的进展陌嘲。在DBF技术的研发和应用领域美国走在了前面比如其著名的静寂哨兵等雷达系统。此外还有德国的ELRA相控阵雷达英国普莱赛公司和英国海军研究所共同研制的MESA多功能相控阵雷达法国汤姆逊公司的RIAS系统等。电子科技大学硕士学位论文随着各种雷达器件的高速发展和各国对DBF雷达的重视DBF技术得到了越来越好的发展。可以预见今后DBF技术的应用将会在阵列规模和带宽大小以及自适应技术上得到不断突破和完善。对于大型阵列以前只能形成子阵级的DBF。现在情况不然了比如以色列埃尔塔公司已经在S波段、个阵元阵列的单元级实现DBF这是一个重大的突破口。利用DBF可以省去模拟混合硬件与模拟下变频与之相关的所有误差也不再存在。这样将带来超低的旁瓣允许波束指向不同的方向。利用DBF技术可以在同一时间内针对不同的应用自适应的使用天线的不同部分。还可以使平均发射功率与搜索占用频率降低两倍由此而节省的成本比因增强信号处理而增加的成本要大的多同时搜索精度提高了%DBF还可以获得更好的自适应阵列处理。.本文的主要内容和章节安排本文针对DBF系统的设计和实现进行了研究。第二章主要介绍了数字波束形成技术原理自适应波束形成技术原理以及分析了带宽大小对波束形成的影响最后简要介绍了数字波束形成系统的工作原理和结构。第三章详细介绍数字接收机的原理和硬件实现分别介绍了窄带和宽带数字接收机并在FPGA内实现了窄带接收机。接着对数字接收机的关键器件ADC的性能做了详细地分析和描叙对于动态参数计算中的影响计算精度的频谱泄漏问题提出了采样后相干的解决办法使动态参数的测试方法和精度更进了一步结合时频域计算以及经典谱估计中的周期图法最后完整的解决了动态参数的测试问题。相比其他公布方法该方法是目前比较准确和方便的已得到较好的应用。第四章讨论了数字/模拟系统中的信号完整性问题主要针对以前对下变频后到ADC芯片输入的匹配关注不多的情况进行了研究。随着电路工作频率的不断提高和数字处理速度的不断增长信号完整性的问题面临着越来越严重的挑战。本章对信号完整性的几个方面进行了论述主要分析了反射中的阻抗匹配问题特别是针对ADC芯片级的匹配进行了讨论和实践提出可基于修正模型的新方法取得了很好的研究成果。本章还对信号串扰和其他信号完整性问题进行了讨论和分析并提出了相应的解决措施。第五章首先介绍了DBF系统的结构和工作流程接着分析了EDA技术在DBF系统中的应用并建立了射频前端行为仿真模型在EDA工具中进行了仿真和验证在验证设计合理性的同时也验证了EDA工具在系统设计中的重要作用然后第一章绪论对纯软件的DBF设计进行了初步探讨和展望。最后介绍了DBF高速数据存储系统的设计和实现。第六章对全文进行了总结。电子科技大学硕士学位论文第二章数字波束形成技术本章将介绍数字波束形成的原理和优点自适应波束形成的原理和常用算法信号带宽对数字波束形成的影响数字波束形成的工作原理和结构。.数字波束形成技术概述阵列信号处理是现代信号处理的一个分支其本质是利用空间分散排列的传感器阵列和多通道接收机来获取信号的时域和空域等多维信息以达到检测信号和提取其参数的目的。迄今为止阵列信号处理的应用已经开始涉及诸如雷达声纳导航等领域。阵列信号处理的主要内容可分为波束形成技术哺空间谱估计等方面技术他们都是基于对信号进行空间采样的的数据进行处理因此这些技术是相互渗透和相互关联的。..数字波束形成原理假设接收天线为N阵元均匀直线阵目标的来波方向为口第k个波束指向为幺相邻阵元间距为d信号波长为名且各阵元都是各向同性的对K阵元的加权分别为WKw置...w胧信号是窄带信号。简单地讲数字多波束形成器就是一个乘加器如图所示。茏表示第f阵的接收信号经过A/D变换和数字正交后的’一复数字信号。加权系数Ⅵt=qexp(jAO^)其中。=等dsinok表示提供的阵内几相位补偿值ai表示降低天线副瓣所需的幅度加权。进行相位和幅度补偿后并对各阵列的输出信号相加即可得:NE(D=wt薯()i=对式(一)进行求模就可以得到第K个波束的天线方向图函数。天线的方向图不是唯一的根据要求相同的数据可以用不同方法加权(改变权因子)以便形成不同形式的波束、和任意多的波束。通过数字波束合成后输出的信号(如信号确实投射在该波束内)可以大幅度的提高信号的SNR。最后得到的复输出信号再直接送入后续处理单元。第二章数字波束形成技术图I自适应数字波束形成原理图表示成矩阵形式如下:E(秒)=%r五()嵫为权矢量%为数据矢量T表示转置它们都为列矢量。..数字波束形成的优点波束形成按照其实现方式的不同可以分为模拟波束形成(AnalogousBeamForming)和数字波束形成(DigitalBeamForming)两大类。数字波束形成的主要处理过程要求全部信号与某个复数加权因子分别相乘然后把这些加权量加在一起改变加权因子可以形成各种不同的波束。数字波束形成技术在抗干扰处理上具有很明显的优势主要表现如下:()由DBF的基本原理可知通过数字波束合成后输出的信号强度大大增加(如信号确实投射在该波束内)因此可以大幅度的提高信号的SNR如图所示。电子科技大学硕士学位论文图DBF对信号SNR的影响()波束形成器还可以对杂波信号进行抑制。由于杂波具有较大的角度扩展因此降低旁瓣电平在目前是一种行之有效的方法对数字信号进行相位加权求和可以改变其波束的指向同时对数字信号进行幅度加权则可以达到压低旁瓣电平的目的使其从主波束以外的地方进入的信号得到一定抑制。但降低旁瓣电平的同时主瓣波束将会展宽增益下降因此应根据实际应用进行折中。在覆盖。的方位面内产生个波束l波束的指向为。。如图所示。图是所示的是同样的波束但进行了压低旁瓣的处理按一dB旁瓣电平的切比雪夫幅度加权结果。比较图和图可以发现压低旁瓣后主瓣波束展宽了.倍}’}’‰。P。x々l羚}:第二章数字波束形成技术图旁瓣dB加权产生个波束()波束形成器的另一个作用是通过一定的算法设置可以对干扰方向置零从而抑制了干扰源对有用信号的干扰。到目前为止置零的方法逐渐得到完善形成了窄带窄角、窄带宽角、宽带窄角、宽带宽角等多种的置零方法。图展示的是宽带宽角的置零方法其原理是采取窄带权和时变宽带相结合的办法预先生成窄带权使得该窄带权形成的方向图在干扰方向形成零点并且让该零点加深加宽。宽的凹口对小的方向偏移不敏感可增加干扰方向的稳健性。用单频权与时变宽带权相乘并作适当的处理可在宽带干扰方向形成零点。罗。:叩雕唧zj一譬掣辫一一叫一玛’誓一呷罗笋’y嚣。”弦零。盯”谭一r一“甲巾m’霹£霎媚罗:薄}/一//\、j{‘M一指向方位角。:。二一j。。|一.图宽带宽角DBF置零电子科技大学硕士学位论文.自适应数字波束形成的原理和常用算法..自适应数字波束形成的原理DBF技术是当代雷达的热点技术之一对于阵列信号处理来说它往往和自适应技术相互联系。因为面对非常复杂的环境时候恶化的工作环境将会使不具备自我适应自我调整能力的DBF雷达的性能急剧下降。因此为了提高DBF系统的抗干扰能力必须求助于自适应数字波束形成(ADBF)n们技术自适应阵列是实现ADBF的基础。自适应阵列的结构框图如图示。从图中可以看出自适应阵列是由按一定空间排列的多个阵单元构成是一种在实际环境下自行控制其方向图的天线系统。它能实时地对外界未知的干扰环境作出反应在干扰的到达方向形成零点或降低此方向的副瓣电平这样便可以保证接收所需信号与干扰噪声的信噪比有一个最佳值。自适应阵列正是利用这种空间特性改善了阵列输出SNR抑制了强干扰。自适应技术的核心思想是优化理论n我们熟悉的优化理论有拉格朗日求极值函数的变分法最陡下降法最tJ、乘法等。目前常用的最佳准则有最小均方误差(MMSE)最大信噪比(MaxSNR)线性约束最小方差(LCMv)最大似然(ML)最小二乘法(LS)等下面简单介绍几种较常使用的准则n纠引。()最小均方误差准则(MMSE)最小均方误差准则就是使阵列输出E(秒)=%rt(k代表k时刻)与参考信号d(k)的均方误差最小均方误差为:E(e(尼))=Ed(尼)一W名Tjl】()上式展开得E(e(尼))=Ed(尼)】%.呢’尺%()其中r=E(d(k)Xk)R=E(XXⅣ)一般地将R称为互相关矩阵。将式()对于权向量求梯度得到梯度算子:V矽(E(£(尼)))=rR%()令梯度算子为零得到最小均方误差准则下的最佳权向量:Wopt=R一()()最大信噪比原则(MaxSNR)最大信噪比原则是基于期望信号的功率与噪声功率之比最大的准则假设期望第二章数字波束形成技术信号为S且足=E(ssⅣ)R=E(uuⅣ)其中u表示噪声则有:《=E(IWHsl)=矽HR)V《=E(IWHul)=形片RW()()这时输出的信噪比SNR为:SNR:莲=些坚()《形爿R形经计算使得输出信噪比最大的最佳权向量是对应于矩阵巧R的最大特征值的特征向量得到的最佳权系数满足:巧足%=k%()()线性约束最小方差准则(LCMV)在已知期待信号的来波方向和参考信号的条件下最小方差准则是通过最小化阵列输出的噪声方差来取得对信号S的较好的增益。经权重后的波束形成器的输出为:y(t)=Wrx(t)=Wrs形rU()为保证波束形成对信号S的增益必须对波束形成器的权向量加以限制使其在信号S的方向产生一定的增益即:‘WⅣa口=g()其中%为期望信号的方向矢量则最佳权重可以表示为:Wopl=穗()..自适应波束形成算法自适应波束形成器则是在信号干扰环境的统计特性是未知或是变化的情况下利用实时的输入信号和干扰矢量进行估计从而算出近似最佳权值。常用的自适应算法有LMS算法、采样矩阵求逆(SMI)递推最小二乘(RLS)算法等下面分别简单介绍。()最小均方算法(LMS)最小均方算法是应用最广的一种波束形成算法它是在已知期望信号的参考信d的条件下利用随机梯度法最小化误差e(k):P(尼)=dW(k)X(k)()电子科技大学硕士学位论文从而得到权向量的迭代公式:W(k)=W(k)juX(k)e(尼)()其中为步长因子它决定了算法的收敛速度。()采样矩阵求逆算法(SMI)直接采样矩阵求逆(SMI)算法是一种数字开环计算方法它通过直接求解阵列协方差矩阵R来估计权矢量从而避免了闭环自适应中收敛速率对输入相关矩阵特征值的依赖性。R的无偏估计可由下式给出:R=专《碟()Z』J‘而采样的互相关向量为:尸=专《K()矿U通过矩阵求逆可以进一步确定最优权矢量估计为:W=R一P()()递推最小二乘算法(RLS)一一这是一种数据域递归算法RLS算法使利用递推方法来完成矩阵求逆运算的即:pc尼=丢r尸c后一兰a兰兰专蚤{喜{{毛黼c一口十五‘I厅十l}烈拓)五I庀十lJ权矢量更新的递推关系式表示为:w(k)=删鬲笔煮嚣丽从)Ⅳm“)()这里d(k)表示第k次快拍的参考信号:a(O<a<)称为遗忘因子其作用是削弱旧的快拍数据对当前数据的影响:p=R~。.信号带宽大小对数字波束形成的影响前面我们讨论的各种情况都是在窄带下进行的下面我们将研究当信号带宽增加时将会对数字波束形成有什么影响。波束控制器主要根据各种约束条件产生最佳的复数权矢量孵。若按产生多波束为约束条件当空间的波束指向位置按需要设计好之后可以下式来确定复数权值。第二章数字波束形成技术噬=《exp(~jtmdsin(O.)/)()上式中以是为产生第N个波束(波束指向为只)在第M个子阵上的幅度加权指数函数就是其相位权值。从式()还可以看出权函数降:实际上还是频率的函数即在不同的频率时要得到不变的波束指向加权的权值是不一样的否则会引起波束指向的偏移。下面对信号带宽引起的波束指向偏穆进行理论分析井验证上述结论。假设频率为石时波束指向为只则子阵之间的相位差为p=硝sin以/C()当频率为正时若使用相同的相位差则波束指向新的方向只蟊因此,raf,sina./c=trdfsin(e.十五)/c()对于微小的频率变化其方向的变化也是很小的并且s访(R蟊)=sine.以cos只()由此可以得出以=(』一A)tge./工()因此波束指向的最大偏差与信号频率和波束扫描角n有关。将上式用曲线表示见下图。图中的曲线是取信号的带宽为妊Iz按中心频率计算权值则是太频率差为MItz信号中心频率分别为MHz、VHz和瑚。的情况。图波束指向偏差与扫描角和频率的关系(V=MHz)从图中可以看出频率升高信号带宽带来的影响要小些在(一)的扫描角范围内没有出现大于。的指向误差。这表明当信号带宽在lO脏Iz以内电子科技大学硕士学位论文时可以认为加权系数与频率近似无关即根据本振信号设定信号的中心频率在IOMHz带宽内可不用修改权值了。当频率大于IOMHz时也就是当带宽逐渐向宽带靠拢时如果还采用窄带波束形成的技术波束的指向将会不可避免的出现大的指向误差此时只能采用宽带DBF技术才能保证其准确性。.DBF系统的工作原理和结构图DBF的基本结构一般的DBF系统口盯包括个部分:阵列天线射频前端数字接收机波束运算器和波束控制器。射频前端完成下变频、滤波放大和限幅使信号满足ADC转换器的要求。数字接收机包括ADC转换器和数字下变频抽取等实现模拟到数字转换和频率变换它对数字波束形成的动态范围起了决定作用。数字波束形成器能进行快速的并行数学运算实现接收阵元信号和权矢量的内积产生波束。波束控制器主要根据各种约束条件产生最佳的矢量控制信号。.本章小结本章介绍了DBF和ADBF的技术原理和发展现状对DBF技术的优点:提高信噪比杂波抑制和波束置零等进行了仿真验证给出了仿真结果。分析了信号带宽增加对数字波束形成的影响最后给出了DBF系统的工作原理和结构。第三章数字接收机的原理和设计第三章数字接收机的原理和设计.数字接收机的原理数字接收机一直是国外大力研究的项目n副数字接收机可以对复杂的宽带调制雷达信号进行数字化处理实现精确测量大大改进对信号的分选和识别。在灵敏度检测方面大大提高了对低截获概率雷达的检测能力。配以合适的天线装置可以更准确的进行辐射源定位。新技术的发展使得高速运算FFT的器件得以在现代电子战中得以应用数字接收机的研制成为了可能。数字接收机的关键技术之一是如何将接收机前端的射频或中频信号下变频到基带信号为保持原信号的幅度和相位信息中频信号下变频到基带信号时必须采用I/Q正交变化。数字接收机不带晶体视频检测器ADC输出的是数字化后的数据。这种处理技术的优点是不存在模拟电路中的温度漂移增益变化和直流电流偏移等现象具有更好的稳定性。这样就不需要采用过多的校正措施。如果采用高精度的频谱计估计技术可以使频谱分辨率做的很细。许多频谱估计中能达到的效果在高信噪比的条件下可以和CramerRao界相比拟这对于模拟接收机是不可能达到的。模拟回波射频信号经过ADC采样之后的数据被同步的送给FPGA做数字下变频(DDC)处理得到基带数字化正交信号I(n)Q(n)。数字下变频由数字振荡器(NCO)数字乘法器数字滤波器三部分组成其组成的系统框图如下图所示:数字混频’嘧喇恤蛹基囱带处落w功I数字滤波暑《Qc聍理图数字下变频结构..采样定理如果信号的最高频率是厶为了使抽样所得的离散值不丢失原信号的信息电子科技大学硕士学位论文那么至少以厶的速率进行抽样。即当采样率fs厶得到的离散信号x(nT)可以完全恢复原模拟信号x(f)这就是著名的奈奎斯特采样定理n引。对于某些应用信号的带宽只占可用频段的很小一部分相比于上沿或下沿频率(五厶)要小的多。此时采用低通抽样是不合适的特别是当(无厶)比较大时对ADC的要求将会大大提高对于这种情况可采用带通采样定理。带通采样定理:盗F丝(一)n。nl当用最小抽样率且整数带时玎=等(z是整数上舍入到最大的整数)。D带通信号定理允许我们对窄带信号以相当低的速率进行抽样并且能避免混叠。带通信号的无混叠欠抽样有两种常用的办法一种是所谓的整数带抽样另一种采用了正交调制技术第二种比较复杂在此不多做讨论。整数带欠抽样技术:给定一个带通信号如果频率无厶是信号带宽的整数倍那么就可以按照理论上的最小抽样率B对信号进行抽样而不混叠:Fs(rain)=B~()当信号的下沿频率与带宽之比或者上沿频率与下沿频率与带宽之比为整数的时候:ffz=纽或者n=且()Bb如果信号带宽不是整数倍的那么可以宽展带沿频率使之有效带宽变成整数倍的。..正交变换原理正交变换是软件无线电的基础理论。数字混频正交变换实际上就是两个正交本振序列cos(co行)和sin(con)分别和数字化后输入的接收信号相乘再通过数字低通滤波来实现。从频谱上看数字下变频n讲输入的ADC采样信号从中频变换到基带。这样的处理由两步来完成首先将输入信号和载波相乘然后进行数字滤波滤除不需要的频率分量。图显示了数字下变频各处理阶段的频谱变化。第三章数字接收机的原理和设计血I由由由由l由一lIl、llfI’l、Af、{s一{。|s{。七{。AD采样后频率频诣"tfzF(Hz)土I工.一石flNCO频谱F(Hz)由由由由由由由由由.一l一t£一jIf、一氏f。l|一天fs{sf、混频后频谱FCHz、一)、j、F(Hz)滤波后频谱图.数字下变频频域上处理过程设输入信号为:x(n)=AcoscqnO(n)()NCO产生的信号为:厶(栉)=cos(cqn)Q(胛)=sin(o碹刀)则数字混频后有:.M(z)=x(n)x(n)=彳/{coscqn秒(z)cos秒(z)))b(刀)=x(聆)Qi(n)=A/{sinn口(z)sin臼(z))数字滤波之后得到:‘(z)=A/eosO(n)Q(z)=A/sinO(n)式中n..数字抽取滤波器()()()()()()数字下变频技术式软件无线电的关键技术之一它的一个重要的任务是收到AD转换器的数字信号后在保证信号不失真的情况下降低信号的采样率这样有利于信号的后续处理可以减轻器件的负担。在一般的接收机方案中都有专用器件负责信号的下变频工作。数字信号的下变频主要是通过对数字信号的抽取来完成。当信号的采样数据量过大时为了减少数据量以便于处理和计算对采样数据每隔D个抽取一电子科技大学硕士学位论文个这就是整数倍抽取D称为抽取因子。对于信号的整数倍抽取可以通过积分梳状(CIC)滤波器n胡来实现。CIC滤波器的冲击响应具有如下的形式:坳=怯巍如~净显然这是一种无乘滤波器它可以通过简单的加法运算实现信号的多级抽取可以较大的减少运算的时间式中D是数字滤波器的阶数也是滤波器的抽取倍数当输入为z时输出为:y(咒)=h(k)x(nk)=Ex(nk)()通常CIC滤波器以级联的方式工作其系统函数为:一pHL鲨lz卜啪睁其中且(z)=l与I为积分滤波器H(zD)=fZDK为梳状滤波器K为一z。fL。。滤波器的级联数。CIC抽取滤波器的一般结构如图所赢广一'【。。正~lI卜一Z.I一lI:JzI.一一jL..一J{L.一一。/‘、厂。、、{。E。厂。、厂。、\L一J、L:ox(n)\//\、//\//\y(nIz一部分ziDi:器部f,/Di图.CIC抽取滤波器的一般结构一般而言FIR滤波器在某时刻的输出为该时刻输入之前D点的加权平均其权值由滤波器的系数和窗函数决定。由式()可知CIC滤波器实质上是权值恒为l的平均运算其窗函数为普通的矩形窗这也是CIC滤波器的优点和缺点的根源所在。CIC抽取滤波器的优点是:无需乘法运算只包含加减法运算和延迟单元所需的寄存器单元少结构简单易于级联。CIC滤波器的缺点在于:时域采用矩形窗其频响特性为辛克函数阻带波纹大第一旁瓣电平高达.dB过渡带较宽只能适用于窄带滤波调谐参数少频响特性改变难积分部分工作在高速段等。第三章数字接收机的原理和设计常用的抽取滤波器还包括半带滤波器(HB)半带滤波器特别适合与实现D=肘倍的抽取和内插。采用半带滤波器实现采样率变换时只有一半的计算率有很高的计算效率。半带滤波器的特点是阻带宽度协一心)与通带宽度w。相等通带纹波与阻带纹波相等即{驴wp=嗔z:w万。()气\')一上‘士l吒=嗔=万半带滤波器的频率响应如图的实线所示可以证明半带滤波器的频响具有如下性质:j日(gJ‘W!lH(e且”)()‘IH(ej)=o.滤波器的系数为:=,n=互’...(一)图半带滤波器的频谱特性半带滤波器的系数在偶数点全为零所以采用半带滤波器来实现采样率变换时只需~半的计算量计算效率很高。当进行倍抽取时理想的抽取滤波器应该满足:日():』l叫鲰化()、’Io其他从图可以看到半带滤波器在n'/~Ⅵ区间不为零(过渡带)不满足无混叠抽取条件在抽取后将产生混叠。信号的混叠发生在w。~万区间抽取前位于w。~n'/频段的信号无法恢复。但是抽取后通带~w。仍无混叠即在抽取前电子科技大学硕士学位论文位于O~%频段的信号是可以恢复的。所以就其通带信号而言完全可以采用半带滤波器进行倍抽取。当抽取率为的幂次方时即可以用M个半带滤波器来完成抽取滤波。对于数据速率很高的接收机一般采用半带滤波器(HB)与积分梳状滤波器(ClC)的级联对信号进行下变频。.ADC转换电路性能的测试和计算数字接收机的首选器件是ADC它将影响着接收机的性能。与接收机有关的ADC重要参数包括:位数、有效位、最大采样频率以及输入带宽等。ADC对接收机最显著的影响是动态范围因为动态范围与接收机的灵敏度相关而灵敏度是接收机动态范围的下限。准确评估高速ADC性能的关键是如何获得准确的ADC动态参数。目前的测试方法比较多但至今为止还没有一种大家公认的最佳方法因为频谱泄漏栅栏效应等问题总是影响着信号和噪声功率的计算。虽然加窗相干采样等方法可以在一定程度上抑制频谱泄漏但由于方法本身带来的误差或者要求的测试条件过高等原因准确度依然不够好。本节针对频谱泄漏的问题提出了采样后相干的新方法它是相干采样的很好补充和改进实验结果表明它对频谱泄漏的抑制效果非常好对于在频域计算信号功率易受到栅栏效应影响的问题论文采用了时一频域分别计算的方法。通过信号的重构我们恢复出测试信号并在时域内计算信号的功率从而避免了频谱泄漏和栅栏效应的影响。最后在频域内计算出噪声功率由此计算出信噪比信号与噪声加失真比有效位等动态参数。实践证明该方法具有很高的准确性易于实现。..ADO性能指标介绍和测试方法分析关于ADC性能的参数分为动态参数和静态参数n钔两种下面简单介绍几种比较重要的参数:()分辨率:又称量化水平假设一个AD的输入电压是(v)位数为N则它的量化水平为:V=v/川。显然AD位数越多输入电压越小它的分辨率越高。()信噪比(SNR):它被定义为输入信号基频的功率与时钟频率一半以下的其他所有频谱分量功率的比单位为dB但不包括直流和前个谐波分量。鉴于第三章数字接收机的原理和设计ADC转换后大都会产生谐波而信噪比反映的是信道的优劣情况与ADC芯片产生的谐波无关因而要去掉ADC的直流和谐波分量后再计算噪声功率一般按照采样时钟频率的一半来求噪声电平的积分。随着输入信号频率增加SNR通常会变差这是因为ADC内部的比较器的精确度在较高输入压摆率(slewrate)时会变差。在ADC输入端加低噪声低失真的正弦信号再用FFT图就可以从FFT输出谱中计算出SNR。()信纳比(SINAD):也叫信号与噪声加失真比(s/(ND))它被定义为输入信号基频功率与时钟频率一半以下的其它所有频谱分量功率的比单位为dB包括谐波突发分量但不包括直流分量。由于它把所有不需要的分量与输入频率做比较因此它是ADC动态性能的一个总体衡量标准。同样SINAD可以由ADC输出信号FFT谱图计算得到。()动态范围(DR):通常~个幅度与ADC最大转换电平匹配的正弦波可表示为:名一一=ⅣQN为分辨率(位数)Q为量化电平最大功率:VNn‰=婿)=}()二V二。当没有输入噪声的情况下最小电压被认为是量化电平最小功率为:V‰=骨)=等()二~二。此时动态范围为:DR=丛生=N=N(aB)()pm近当最低位被噪声占据的时候最小信号用噪声的均方差来表示。()谐波失真(THD):THD是从转换输出信号的谐波特性来反应电路的线性度的理想的、纯净的正弦波在频谱上只有一个频率分量方波包含奇数个具有特定振幅和相位关系的谐波。理想条件下信号处理系统不会增减任何谐波分量(除非这是信号处理器需要的功能)。然而转换器的转移函数中的非线性将产生原始信号中没有的谐波。对称的非线性往往在输入频率的奇数倍产生谐波而其他的非线性在输入频率所有的倍数产生谐波ADC属于后一种情况。THD的值等于预先给定数目的谐波分量的功率和与输出信号的功率之比和谐波幅度的均方根值的平方和与基波幅度的均方根值平方之比相关:册=()电子科技大学硕士学位论文式中v门是基波振幅v二次谐波振幅以此类推。同样THD也可由FFT谱图得到。()有效位(ENOB):是一种有助于量化动态性能的参数。ENOB的意思是说转换器表现得就仿佛是分辨率为ENOB、理论上完美的转换器。完美的ADC绝对不失真并且它表现出的唯一噪声是量化噪声因此SNR等于SINAD。由于我们知道理想ADC的SINAD是(.N.)dB因此我们可以用ENOB来替换N并计算:ENOB:SNAD.().式中SINAD的单位是dB。因此有效比特数是定义说明SINAD的另一种方法也是说转换器等同于该有效位数(ENoB)的完美ADC。()无杂散动态范围(SFDR):无杂散动态范围(SFDR)是指输出信号的有效幅值(dB)与输入中不存在的最高幅度输出频率分量(可以是谐波或杂波)有效幅值(dB)之差。一些ADC供应商在规定SFDR时忽略了输入信号也会带入谐波因此有时输入不存在的最高振幅输出并不是ADC器件产生的谐波而是信号本身引入的此时得到的SFDR不能反映ADC的性能。SFDR代表了ADC从杂波和谐波中分辨小信号的能力。通常这个指标可由FFT输出的信号谱和最大谐波或杂波分量作差得到单位为dB如图所示:图SFDR的计算()非线性误差:非线性误差主要包括微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)它们都属于静态参数也是比较重要的ADC参数。DNL是指两个相邻代码之间变化LSB时测量值和理想值的偏差在理想的转换器中代码到代码转变点之间刚好相差LSB。例如在位ADC中这些变化彼此相差LSB即满刻度的/。理想的lLSB和“输出代码转变之间在最差情形下实际输入电压变化”之间的差别称为“微分非线性”(DNL)INL描述了与理想ADC的线性传输曲线的偏离它是对传输函数直线度的测o仰如彻印%一一一一一一一~一第三章数字接收机的原理和设计量且会大于微分非线性。随着现代制造工艺的进步和发展ADC的线性度已经做的很好一般会满足工程场合的应用。INLDNL的测量和计算比较复杂对测量仪器的精度要求很高。..ADG转换电路测试平台的搭建为合理测试高速ADC的动态参数最好选用制造商预先装配好的电路板或是参考数据手册中推荐的线路板布局布板高速数据转换器的布板需要高速电路的设计技巧通常应遵守以下基本规则:所有的旁路电容尽可能靠近器件安装最好和ADC在同一层面采用表面贴装元件使引线最短减小寄生电感和电容。模拟电源、数字电源、基准电源和输入公共端采用两个.MF的陶瓷电容和一个.MF(双极性电容并联对地旁路)。采用具有独立的地平面和电源平面的多层电路板保证信号的完整性。采用独立的接地平面时应考虑ADC模拟地和数字地的物理位置。两个地平面之间的阻抗要尽可能低二者间的交流和直流电压差低于.V以避免器件的损坏和死锁。模拟地与数字地应单点连接可以用低阻值表贴电阻(Q"'Q)、铁氧体磁珠连接或直接短路避免充满噪声的数字地电流对模拟地的干扰。如果模拟地与数字地充分隔离时也可以将所有的接地引脚置于同一平面。高速数字信号线应远离敏感的模拟信号线。所有的信号线应尽可能短而且无(拐角)时钟输入要作为模拟输入信号来处理远离任何模拟输入和数字信号。选择恰当的测试方案和正确的测试设备是获得数据转换器最佳参数的重要环节。竖P叮习坠Q瓦JI数字处理板l』!gJ由瞒丰齐兀石磊刨‘含待测AD和FP姒等’l图ADC测试平台本文ADC转换电路的测试平台如上图所示信号源为测试系统提供时钟信号源为测试系统提供测试信号。ADC对信号进行采集后送给FPGAFPGA对数据进行简单处理后通过JTAG传送给电脑并用matlab对采集的信号进行分析。。.ADO动态参数相关理论和测试方法研究、频谱泄漏无论是信号功率的计算还是噪声功率的计算目前采用的方法大多都是将ADCl电子科技大学硕士学位论文输出数据做FFT变换后在频域内计算。一组抽样数据的FFT并不是取自于过程的真实FFr这是由于过程是连续数据只是在一有限时间内以均匀的速率采样取得的值。从窗口函数的角度看一段时间长度为T的数据是将所有T时问闻膈内的抽样值乘以而T咀外的值乘以的结果这等效于用一个宽度为T高度为的矩形窗对信号加窗。由于矩形窗的旁瓣作用计算出的频谱产生了伪峰而且在每个频率分量上都存在这样的影响。所以在增加或消去各个频率分量的旁瓣和主瓣时整个频谱会产生失真。这种导致伪峰或消掉真实的峰的效应叫做频谱泄漏我们用采样速率为MHZ的ADC进行了频谱泄漏实验实验中采用的是普通的信号源结果如图所示。..。二.山一、lip”邢邢唧’『FT!r孵F‘剖N图频谱泄漏测试:采样频率lMHz.信q额率lOMHz在频谱分析中泄漏往往会模糊原来的原来真J下谱的形状窗函数过大的边瓣有可能产生虚假的峰值这些都不是希望看到的传统的解决办法主要是采取加窗处理和相干采样的方法。、加窗处理在实际工作中对信号的截断是不可避免的因此总要使用窗函数。矩形窗是擐简单的窗函数对信号的自然截断意味着使用了矩形窗。哈里斯(Harris)曾经考虑了不同窗特性对加窗性能的影响发现对窗质量主要的影响是最高旁瓣水平和最坏处理损失。性能比较好的窗有布莱克曼一哈里斯窗、多夫一切比雪夫宙和凯塞一贝塞尔窗。著名的泊松窗、汉宁窗和哈明窗的性能均较差。加窗可以很好的抑制频谱泄漏但也存在不少的缺点.一是加窗会使谱线变宽变模糊二是当数据被加窗时.数据序列的端部将会被缩减至零这说明有&《}第三章数字接收机的原理和设计信息丢失。反映到功率上简单的说就是降低了功率导致输出信噪比的降低一般来说它的最坏处理损失在.dB''.dB之间。因此加窗还是存在比较大的误差的比如汉宁窗它的误差最大仍会达到%左右。、相干采样相干采样啪要求采集信号长度为信号周期的整数倍由FFT理论知道当满足整数倍关系时信号频谱表现为周期性和无限长即使是矩形窗也能如实地体现出原信号频谱的特点。它要求满足如下的关系:丧=焉》fs唧leN式中厶为被采样的信号频率厶。缸为ADC的采样频率Ⅳ为用于FFT变换的数据点数必须是的整数次幂n为指定信号频率在Ⅳ个采样点中对应的位置。当z不为整数的时候.无的峰值必然落在两个谱线之间模糊的位置而不是具有确切值的某一谱线上这就是栅栏效应。因此z必须为整数才能保证被采样信号的峰值落在n点的谱线上才能避免栅栏效应的影响。由公式()可知z=Ⅳ/(k/尼)由于Z唧如/厶代表的是一个周期内采样点的个数因此和N相除便是代表Ⅳ个采样点所包含的周期数n为整数意味着采集信号长度为信号周期的整数倍对采集信号做FFT变换不会受到频谱泄漏影响。满足公式()就必须要测试前精确的设定频率值和具有较高分辨率的信号源。相干采样要求的条件非常苛刻不仅测试前的计算非常复杂而且对信号源、系统等硬件条件的要求也很高不容易满足。、采样后相干由前面的讨论可知加窗的方法能减少频谱泄漏的影响但是存在较大的处理损失相干采样原理上能完美消除频谱泄漏和的影响但实现困难。主要的问题是要找到既满足公式()又能满足Ⅳ为的整数次幂的测试频率困难。为此论文提出了采样后相干的方法。该方法不要求对采样设置精确设置也不要求高分辩率的信号源。它的原理是采样取得数据后在厶和Usample已经确定的情况下通过调节Ⅳ即窗的大小来控制n的取值。即Ⅳ不再必须是的整数次幂因为我们知道在matlab环境中进行FFT变换时任意点数的FFT都是可以的只是说Ⅳ长度的可以进行蝶形运算效率最高。因此通过调节Ⅳ的大小我们就可以获得整数n。例如用MHz的采样频率去采.MHz的信号采样点数为xn都能满足完整周期信号的要求。图是对图所用数据进行采样后相干处理的结果。电子科技大学硕士学位论文由图中可以看出频谱泄漏得到了很好的抑制由频谱泄漏引起的噪声基底抬升消除了而且处理损失几乎可以忽略其效果接近相干采样这是在频域内准确计算噪声功率的前提条件。O一一型lleO“铲菊面面r商if:}No””””罔采用采样后相干处理后的频谱图在时一频域计算ADG的动态参数经常采用低失真的正弦信号来进行测试因为它通过线性系统时不会产生失真因而构造了一个好的测试信号并且可以快速的计算FFT。但缺点是频域上它是个点频.容易受到栅栏效应的影响。如图所示在频谱上点频的幅值在极短短的频段范围内从一dBFS到dBFS如果指定的频率点落在两根谱线之间的话误差就发生了。因此论文采用时一频域分别计算信号和噪声功率的方法。、信号重构及时域内信号功率的计算从上面的讨论知道在频域内计算信号功率是存在较大误差的时域上计算则没有这个问题。我们知道

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