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FDMA接收機(jī)解析和典型設(shè)計(jì)

冬至子 ? 來源:SATICOT學(xué)堂 ? 作者:QH ? 2023-06-15 16:12 ? 次閱讀

1.MF-TDMA收發(fā)機(jī)

接下來我會重點(diǎn)分享多頻道復(fù)用接收的典型設(shè)計(jì),當(dāng)然本文章盡量總結(jié)無線通信空口設(shè)計(jì)中的泛用理論和實(shí)現(xiàn)方法,達(dá)到從一葉而知秋的效果,幫助我們?nèi)ダ斫獠⒃O(shè)計(jì)信號收發(fā)系統(tǒng),不僅僅是衛(wèi)星寬帶系統(tǒng),任何一個FDMA模式的系統(tǒng)都可以,比如傳統(tǒng)的GSM、電臺系統(tǒng)或者一款定制的無線網(wǎng)絡(luò),當(dāng)然除了采用OFDM與之存在本質(zhì)區(qū)別的LTE類系統(tǒng)。

這里我會通過一篇很老的文獻(xiàn)中有關(guān)阿爾卡特朗訊MF-TDMA接收機(jī)的設(shè)計(jì),引出FDMA體制信號接收的處理機(jī)制。俗話說溫故而知新,通過對經(jīng)典通信理論和數(shù)字信號處理的回顧,我突然發(fā)掘我的腦容器好像被重新沖洗了一遍。貌似我的知識又被重組了一遍。對于一個希望成為基礎(chǔ)理論的踐行者來說,一些底層卻又不常被人們談及的話題,往往卻是最能觸及我們認(rèn)知底線的部分。

1.1概述

首先說一下一點(diǎn)體驗(yàn),很多時候我們?nèi)ゲ殚喴粋€專業(yè)的話題,可見的紙上談兵的文章、書籍很多,而真知灼見卻很少。這篇文章的內(nèi)容展現(xiàn)的順序體現(xiàn)得是我的一個思考路線。你會發(fā)現(xiàn),從一個完整接收機(jī)的視角切入去理解傳統(tǒng)的無線通信是一個十分有效的支點(diǎn),你會收獲很多實(shí)用化、工程性并且深入的認(rèn)識。

借鑒論文的內(nèi)容,以DVB系統(tǒng)hub側(cè)的多通道多頻收發(fā)機(jī)為例,說明MF-TDMA體制下終端的設(shè)計(jì)原理。

在衛(wèi)星通信的發(fā)展過程中,因?yàn)榻Y(jié)合了TDMA和FDMA的優(yōu)點(diǎn),MF-TDMA逐漸成為空口設(shè)計(jì)的主流方式,因此hub側(cè)需要部署一臺能夠同時處理多信道多頻率載波的收發(fā)機(jī)。如果按照傳統(tǒng)的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)模式,為了處理多個頻點(diǎn)的載波信號,信關(guān)站側(cè)需要部署多個解調(diào)器,每一個解調(diào)器接收處理一路信道IF頻帶內(nèi)的信號。如果在hub部署一個小型化的多信道多頻率突發(fā)模式的解調(diào)器,能夠大幅度降低hub設(shè)備部署和集成的復(fù)雜度。

本文記載了阿爾卡特貝爾空間中心研發(fā)的一個多信道多頻率突發(fā)模式解調(diào)器,用于MF-TDMA返向信道信號的接收處理。該接收機(jī)可以作為一個實(shí)例用于說明DVB-RCS/S終端的設(shè)計(jì)原理。該接收機(jī)遵循DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn),而且補(bǔ)齊了當(dāng)時阿爾卡特貝爾空間中心已有的DVB-RCS產(chǎn)品族。當(dāng)時阿爾卡特貝爾空間中心的DVB-RCS系列產(chǎn)品包括:返向鏈路處理器(實(shí)現(xiàn)信道/時隙分配和返向鏈路調(diào)度)、前向鏈路封裝器(將RCS時隙計(jì)劃表、NCR復(fù)用到MPEG流中)、ATM復(fù)用器(將10個不同用戶的ATM信元復(fù)用在OC-3 ATM接口)。

1.2多信道多頻率概念

多信道解調(diào)器能夠同時解調(diào)多個信道上的突發(fā)信號。不同信道間的帶寬(符號速率)、信噪比特性不一。多頻率的含義是信道的頻率能夠跳變。接收機(jī)處理通道能夠按照跳頻調(diào)度,動態(tài)自適應(yīng)的跟蹤通道頻率。時隙間預(yù)留出頻率跳變需要的時間。示意圖如下所示,

圖片

該文獻(xiàn)記錄的時間,阿爾卡特貝爾空間中心研發(fā)的設(shè)備能夠同時支持4路信道。信道帶寬為20MHz,信道符號速率為64KHz-2MHz。

1.3解調(diào)器結(jié)構(gòu)

突發(fā)解調(diào)器的架構(gòu)如圖所示。麻雀雖小五臟俱全,小小的解調(diào)器蘊(yùn)含了一個完整MF-TDMA系統(tǒng)的所有理論和設(shè)計(jì)。當(dāng)然我們盡可能關(guān)心其中最核心和關(guān)鍵的要素。我著重整理下面幾個部分。

因?yàn)閷?shí)際文章中的描述采用的都是言簡意賅的英文,但是每一句描述其實(shí)背后都會牽扯出一大片的理論依據(jù)和計(jì)算過程,需要用盡你所能想到的所有通信原理。因此,我會對一些直接的結(jié)論進(jìn)行深入淺出的展開,以直觀得理解抽象的內(nèi)容。

首當(dāng)其沖是模擬前端,它做的事情是什么:其實(shí)就是2件事, 變頻、模擬變數(shù)字 ,輸出的結(jié)果是中頻IF數(shù)字復(fù)信號,給到通道濾波和成形濾波得到基帶符號。

1.3.1I/Q數(shù)字調(diào)制

首先重新回顧一下I/Q數(shù)字調(diào)制后的射頻信號波形。

編碼后的比特通過星座調(diào)制變?yōu)閺?fù)數(shù)形式的符號。由于非理想特性的帶限信道限制,在奈奎斯特定義下,數(shù)字基帶符號不會通過常量數(shù)值的方波進(jìn)行調(diào)制,通過升余玹滾降脈沖成形轉(zhuǎn)換為能夠在帶限信道傳輸?shù)幕鶐盘柛袷健?/p>

數(shù)字調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)的架構(gòu)如下( 參考知乎上的圖 )。有一點(diǎn)需要注意的是 進(jìn)入I/Q調(diào)制器的信號是模擬信號 (可以是中頻信號,也可以是基帶信號)。

圖片

IQ調(diào)制器通常包含四個端口:模擬I輸入,模擬Q輸入,LO(本振)端口以及射頻輸出端口。2路正交調(diào)制后的載波最后合成1路載波信號發(fā)射。

圖片

1.3.2模擬前端(外差接收機(jī)/零中頻接收機(jī))

模擬前端作為無線通信接收機(jī)的通用元器件,一般簡稱為AFE。因?yàn)槟M前端直接處理的信號為模擬信號,在無線通信終端中就是射頻信號,所以在很多設(shè)計(jì)中也稱之為RFFE。

模擬前端的功能主要是 I/Q變頻收發(fā)

本模擬前端接收的模擬射頻信號的頻段為L頻段:950MHz-2150MHz。

設(shè)計(jì)中采用非零中頻接收,電路結(jié)構(gòu)上基于2個90相位差的混頻器實(shí)現(xiàn)I/Q雙路射頻變換(這里注意一點(diǎn), 我們從與I/Q數(shù)字調(diào)制發(fā)射對稱的反向過程去理解接收機(jī) )。從接收機(jī)的角度看,I/Q解調(diào)器的輸出是模擬基帶信號,因此 無論是非零中頻接收機(jī)、還是零中頻接收機(jī),最后一環(huán)都是I/Q兩路混頻器 ,得到模擬基帶信號。

下面展開一下射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)原理。

1)非零中頻接收機(jī)(外差/超外差接收機(jī))

外差接收機(jī)接收調(diào)制的RF信號經(jīng)過一個混頻器將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號,中頻信號進(jìn)入I/Q解調(diào)單元(中頻頻率的2路I/Q載波信號相乘,再經(jīng)過低通濾波器LPF)。

圖片

超外差接收機(jī)中,一般需要兩級混頻才能將調(diào)制的RF信號轉(zhuǎn)換到中頻。第一級混頻將RF信號轉(zhuǎn)換為高中頻信號,第二級混頻將高中頻信號轉(zhuǎn)換為低中頻信號,然后該信號進(jìn)入I/Q解調(diào)器,得到模擬基帶信號。

圖片

超外差接收(非零中頻)的缺點(diǎn):中頻多級結(jié)構(gòu)帶來額外的本地振蕩器和混頻器,同時需要濾波器消除本地泄漏和抑制鏡像頻率,增加了 體積、成本

超外差接收相比零中頻接收的優(yōu)先:避免直流偏置DC offset。

2)零中頻接收機(jī)

信號首先進(jìn)入LNA中放大,之后直接進(jìn)入I/Q解調(diào)器將信號轉(zhuǎn)換為基帶(即直流信號)。如果RF頻率信號和LO頻率信號相等,則該電路用作鑒相器硬件結(jié)構(gòu)。

圖片

1.4通道選擇和匹配濾波(復(fù)基帶信號處理)

如何將不同頻點(diǎn)傳輸?shù)幕鶐盘枏念l域上恢復(fù)出來是這種FDMA系統(tǒng)的本質(zhì)。從模擬前端接收到的非零中頻的數(shù)字信號,需要經(jīng)過頻率域的濾波處理。而在處理過程中,我們會觸碰到復(fù)信號的處理。因此這個就會涉及到一個很基本的數(shù)學(xué)問題或者是信號處理問題: 如何去理解復(fù)信號和頻譜

以本方案設(shè)計(jì)為例,從模擬前端接收的數(shù)字信號復(fù)帶寬為20Mhz。這里注意 實(shí)際系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘柖际菍?shí)信號 ,復(fù)信號只在數(shù)學(xué)運(yùn)算中使用。

1.4.1理解復(fù)信號和負(fù)頻率

首先,我們從物理意義的角度去回顧復(fù)數(shù)和復(fù)信號的內(nèi)涵是什么。

圖片

復(fù)數(shù)和實(shí)數(shù)表示數(shù)值不同的坐標(biāo)系。實(shí)際當(dāng)中我們計(jì)算使用的數(shù)都是實(shí)數(shù),而在某些特定場合下復(fù)數(shù)域是存在物理意義的。在復(fù)數(shù)域坐標(biāo)系中,通過j ^2^ =-1定義復(fù)數(shù)域j。 j表示數(shù)在復(fù)平面上逆時針(順時針)旋轉(zhuǎn)90°

從另一個角度去理解復(fù)數(shù),可以從上帝視角看待數(shù)學(xué)中的數(shù)值,實(shí)數(shù)就是一維世界中的數(shù)值, 復(fù)數(shù)是通過二維坐標(biāo)的視角看待數(shù)值

同理,實(shí)數(shù)函數(shù)也可以通過復(fù)平面去表證。實(shí)數(shù)函數(shù)就是復(fù)平面中的函數(shù)在實(shí)數(shù)域的投影 a(t)+jb(t) ,典型常用的就是歐拉定理 e ^jwt^ =cos(wt)+jsin(wt) ,其中w表示復(fù)數(shù)域的角頻率,?=wt表示的是復(fù)平面的弧度,對應(yīng)到信號理論中就是代表相位。

實(shí)際系統(tǒng)中我們只關(guān)心實(shí)數(shù)量,而不會關(guān)心虛部部分。如果一個復(fù)信號乘以j,其實(shí)就代表它在復(fù)平面逆時針旋轉(zhuǎn)90°。

1.4.2頻譜負(fù)頻率

如何理解傅里葉頻譜的負(fù)頻率,就需要從復(fù)數(shù)域去理解復(fù)信號的內(nèi)涵。我們通過 傅里葉變換得到的頻譜分量對應(yīng)的是復(fù)平面的角頻率 。頻譜表示的是信號在復(fù)平面角頻率對應(yīng)的分量如何合成一個完整的信號。

這一點(diǎn)也反映了頻譜的數(shù)學(xué)意義,通過復(fù)數(shù)域頻率變換的計(jì)算幫助我們?nèi)フJ(rèn)識和理解實(shí)數(shù)域的信號特性。通過一個最簡單的信號實(shí)例就可以印證這一點(diǎn),那就是一個標(biāo)準(zhǔn)的余弦信號cos(wt)。

cos(wt)的頻譜是正頻率w沖擊函數(shù)和負(fù)頻率-w沖擊函數(shù)的合成,其實(shí)反映到復(fù)平面上就是正頻率分量和負(fù)頻率分量的合成, cos(wt)=1/2(e ^jwt^ +e ^-jwt^ ) 。我們可以通過下面這個圖去清晰得看出頻譜的正負(fù)頻率分別對應(yīng)到復(fù)平面的角頻率。其實(shí)從另一個角度講,數(shù)學(xué)意義上的傅里葉變換運(yùn)算也是把實(shí)信號的變化特性映射到了復(fù)頻域上,各種逆時針旋轉(zhuǎn)的分量(+頻率)和順時針旋轉(zhuǎn)的分量(-頻率)。

圖片

1.4.3復(fù)數(shù)字信號帶寬

通過對信號頻域和復(fù)數(shù)域的解釋,就引出了復(fù)數(shù)字信號帶寬的概念,這也是文章中關(guān)于信道選擇的主要內(nèi)涵。我們知道,實(shí)際的I/Q調(diào)制系統(tǒng)中,實(shí)際傳輸?shù)男盘柺荌和Q兩路基帶模擬信號a(t)和b(t)對正交的載波進(jìn)行乘法得到的,其數(shù)學(xué)表達(dá)是 a(t)cos(w0t)+b(t)sin(w0t) 。如果采用復(fù)信號的方式,該表達(dá)式可以轉(zhuǎn)換為下面的方式:

*s(t)=Re[a(t)+jb(t)e-jw0t]

也就是說,加載波后的射頻信號也可以通過上帝視角,也通過復(fù)平面的信號格式表示。在這個方案中,模擬前端出來的數(shù)字信號復(fù)帶寬為20Mhz,里面包含4個不同復(fù)載波頻率的帶通信道。這里需要清楚1個理論, 帶通信號可以通過復(fù)基帶信號表示

采用復(fù)數(shù)形式去表征并且計(jì)算數(shù)字信號的頻譜有這樣一個好處,就是我們可以得到 單邊帶的頻譜 。這樣的話,各個載波頻率的信號以復(fù)信號的方式疊加在一起,以復(fù)載波頻率的形式,在頻域上可以得到連續(xù)間隔分布的單邊帶頻譜。這樣通過復(fù)數(shù)乘法器(這里就不展開復(fù)數(shù)乘法器的實(shí)現(xiàn)方法了)可以將中頻信號恢復(fù)為基帶符號,計(jì)算方式如下,以及通過低通濾波可以得到每一路的基帶信號。

s(t)=a(t)+jb(t)e-jwIF1tejwIF1t

s(t)=a(t)+jb(t)e-jwIF2tejwIF2t

s(t)=a(t)+jb(t)e-jwIFntejwIFnt

圖片

所以在I/Q調(diào)制后的射頻信號變?yōu)橹蓄l信號處理過程,從復(fù)信號處理的視角去理解通過I/Q混頻方式得到中頻信號。

1.4.4解析信號analytic signal

文獻(xiàn)中指出,從模擬前端得到的解析信號將進(jìn)入到后續(xù)處理環(huán)節(jié)。所謂解析信號就是沒有負(fù)頻率分量的復(fù)值函數(shù)形式,也就是上面所描述的通過復(fù)數(shù)字信號表達(dá)方式所得到的單邊帶的頻譜。從模擬前端過來的信號為解析信號,按照通道數(shù)量,能夠解調(diào)出4個復(fù)載波頻率。每個通道的帶寬不同。

1.53階CIC低通濾波器

低通濾波器的目的是把通過復(fù)數(shù)乘法器得到的基帶信號給濾出來,具體的實(shí)現(xiàn)方式如果感興趣可以專門研究,這里也不過多展開了。

1.6載波相位頻率同步

文章中給出了2部分內(nèi)容分別是載波同步和時間同步,但是沒有講具體原理,因此這里我們?nèi)ブv清楚其底層的內(nèi)涵是什么。

文獻(xiàn)中給出了其使用的載波同步和時間同步方法:1)DA數(shù)據(jù)輔助方法( 基于導(dǎo)頻序列的載波相位和頻率估計(jì)、時間估計(jì) ,尤其適合在衛(wèi)星通信領(lǐng)域像典型的DVB-S2/RCS2,具有突發(fā)性的特性,而突發(fā)通信需要快速估計(jì)出調(diào)制信號的相關(guān)參數(shù),因此接收機(jī)必須在短時間內(nèi)完成同步。導(dǎo)頻可以輔助實(shí)現(xiàn)快速捕獲)和2)NDA方式(基于未知接收凈荷數(shù)據(jù)的盲估計(jì),可以 跟DA方式級聯(lián)使用,通過迭代的方式實(shí)現(xiàn)精確估計(jì) ,但會增加計(jì)算時間和資源開銷)。

在這里首先說明 載波同步和時間同步 ,以及會簡單說明是存在的原因以及造成的影響。

1)載波同步

載波同步包括 2部分內(nèi)容:相位同步和頻率同步 。對于使用相干解調(diào)的數(shù)字通信系統(tǒng)來說,載波同步十分重要。而且需要完全同頻同相,缺一不可。對于基帶通信系統(tǒng),沒有載波的概念,就不需要載波同步了。

如何去理解載波同步呢?

還是回到我們上面給出的復(fù)信號表達(dá)式:*a(t)+jb(t)e-jw0t

當(dāng)然我們的載波信號可能存在一個初始的相位,我們復(fù)數(shù)形式的基帶符號也存在一個隨時間變化的相位函數(shù)。那么帶通形式的基帶信號符號就長下面這個樣子。

**Am(t)ej?(t)e-j(w0t+?0) Am(t)是a(t)和b(t)的幅度值

不去考慮在射頻前端所有的頻率域的處理過程,我們只關(guān)注信號在時域的計(jì)算過程,其實(shí)就是將載波 e-j(w0t+?0) 這部分去除,最終我們還是會得到的一個時域的原始信號符號(在匹配濾波的最佳采樣時刻Ts)。

**Am(Ts)ej?(Ts)e-j(w0t+?0)

Am(Ts)ej?(Ts)這個就是原始的星座圖符號,從復(fù)平面星座圖旋轉(zhuǎn)的角度就可以很清晰的去理解為什么w0t+?0*估計(jì)的偏差會影響星座圖符號的接收了。具體來說,載波失步會噪聲誤比特率的誤碼平層,可以參考推薦的書,其數(shù)據(jù)曲線參考如下。

圖片

2)時間同步

也可以按照載波同步同樣的方式去理解時間同步,無論信噪比如何,時間失步也會導(dǎo)致誤碼平層,系統(tǒng)接收性能受到毀滅性打擊。

時間同步是數(shù)字通信存在的概念,因?yàn)閿?shù)字通信中,是用波形中的采樣點(diǎn)代替符號,接收端需要對這些采樣點(diǎn)中的最佳時刻點(diǎn)進(jìn)行判決,以恢復(fù)符號。,由于信道的傳輸時延,接收兩端的時鐘偏移,接收端無法找到符號的最佳時刻來對其進(jìn)行采樣判決,使得接收端恢復(fù)出的數(shù)據(jù)與發(fā)送端的數(shù)據(jù)有誤差。

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    接收機(jī)和收信機(jī)指標(biāo) 接收機(jī)和收信機(jī)的指標(biāo)差距有靈敏度;鏡像抑制比(收音機(jī)接收機(jī)的差距很大);
    發(fā)表于 02-08 08:53 ?4089次閱讀

    GPS接收機(jī)基本工作原理

    GPS接收機(jī)基本工作原理GPS接收機(jī)主要由 1、GPS接收機(jī)天線單元;2、GPS接收機(jī)主機(jī)單元;3、電源三部分組成。
    發(fā)表于 09-03 18:18 ?2.2w次閱讀
    GPS<b class='flag-5'>接收機(jī)</b>基本工作原理

    雷達(dá)接收機(jī)的噪聲洗漱和靈敏度解析

    接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)中必不可少的的一部分,而接收機(jī)性能也關(guān)系到雷達(dá)的正作。接收機(jī)根據(jù)其系統(tǒng)架構(gòu)可以分成:超外差接收機(jī)、寬帶中頻接收機(jī)、零中頻
    的頭像 發(fā)表于 11-16 16:09 ?5361次閱讀

    接收機(jī)射頻電路

    接收機(jī)天線到接收I/Q信號輸出之間的電路是接收機(jī)射頻電路。
    發(fā)表于 06-08 11:14 ?69次下載

    頻譜儀與接收機(jī)的區(qū)別?

    在EMC測試設(shè)備選型時,常遇到這樣的問題:EMI接收機(jī)與頻譜儀到底有何不同,為何EMI測試要選用接收機(jī)?本文依據(jù)CISPR16-1(GB/T6113)和GJB152,對于接收機(jī)的測試原理進(jìn)行剖析
    的頭像 發(fā)表于 09-21 10:28 ?968次閱讀

    GNSS接收機(jī)是什么?怎么分類的?

    GNSS接收機(jī)是什么?怎么分類的? GNSS接收機(jī)是一種用于接收全球定位系統(tǒng)(GNSS)信號并提供位置信息的設(shè)備。GNSS接收機(jī)使用來自全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 10-30 11:01 ?4148次閱讀

    什么是北斗接收機(jī)?你了解北斗接收機(jī)嗎?

    今天跟大家聊聊北斗接收機(jī),首先北斗接收機(jī)是指用于接受北斗導(dǎo)航信號并解算位置、速度、時間等信息的設(shè)備。北斗接收機(jī)的使用范圍非常廣泛,可用于車載、船載、機(jī)載等多種交通工具,也可用于測繪、農(nóng)業(yè)、氣象、地震
    的頭像 發(fā)表于 01-16 10:51 ?1090次閱讀
    什么是北斗<b class='flag-5'>接收機(jī)</b>?你了解北斗<b class='flag-5'>接收機(jī)</b>嗎?

    頻譜儀和接收機(jī)的區(qū)別

    在無線通信、電子測試及頻譜分析領(lǐng)域,頻譜儀和接收機(jī)是兩種至關(guān)重要的設(shè)備。它們各自具有獨(dú)特的功能和特性,以滿足不同的應(yīng)用需求。本文將深入解析頻譜儀和接收機(jī)的區(qū)別,并探討它們在實(shí)際應(yīng)用中的差異。
    的頭像 發(fā)表于 05-14 15:49 ?1804次閱讀
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