数字化接收机正交解调理论分析与实现.doc

数字化接收机正交解调理论分析与实现

摘 要：通过对数字化接收机正交解调理论以及一些常见模型的分析，可以得出正交解调所具有的不同于单通道数字化接收机的特点。另外，选取了MAXIM公司的MAX2451正交解调芯片进行了分析和外围设计，并对后端的数字信号处理部分也进行了相应的分析。
关键词：正交解调 数字化接收机 MAX2451 数字信号处理

1．正交解调理论分析
自然界的物理可实现信号都是实信号，而实信号的频谱具有共轭对称性，即满足：
（1）
即实信号的正负频率幅度分量是对称的，而它们的相位分量是正好相反的。对于任意一个实信号，只需由其正频率分量部分或负频率分量部分就可以完整描述，而不会丢失任何信息，也不会产生虚假信号。
定义希尔伯特（Hilbet）变换为：
（2）
对的希尔伯特（Hilbet）变换，有：
（3）
即只取正频率分量部分，可以得到一个新信号，它的频谱可表示为：
（4）
的分量加倍是为了使与原信号的能量相等。
可见，一个实信号的正频率分量所对应的信号是一个复信号，其实部为原信号，而其虚部为原信号的希尔伯特（Hilbet）变换。被称为的解析表示，同时把的实部称为的同相分量，而把的虚部称为的正交分量。之所以把的实部与虚部称为正交是因为
（5）
一个复信号可以用极坐标表示：
（6）式中，表示的瞬时包络，由下式给出：
（7）
表示的瞬时相位，由下式给出：
（8）
而复信号的瞬时角频率可表示为：
（9）
可见，通过解析信号很容易获得信号的三个特征参数：即瞬时幅度，瞬时相位和瞬时频率，而这三个特征参数是信号分析、参数测量或识别解调的基础，因此，一个实信号的解析表示（正交分解）在信号处理中有着极其重要的作用，而在接收端进行正交解调就显得十分重要。
一个载频为的实调制信号可以表示为：
（10）
则其复信号解析式为：
（11）
其中，表示的瞬时包络，表示信号的瞬时相位，而
（12）
表示信号的瞬时角频率。各种调制方式的信号调制信息都包含在这三个特征参量中了。经正交解调后得到的零中频信号（基带信号）为：
（13）
其中，和分别为基带信号的同相分量和正交分量，或称I路分量和Q路分量。
中频信号经正交解调后，其信号调制信息都包含在I、Q两路分量信号中，依据信号的调制方式对I、Q两路信号作相应的运算处理就可以完成具体调制信号的恢复。
现今，正交解调有许多方法，如FFT法、希尔伯特变换法、数字内插法、直接数字混频法、直接乘法等。直接数字混频法与模拟解调原理一样，是理想的解调，相比其他方法而言，具有精度高、误差小的特点，但其电路复杂，要求高。希尔伯特法是在中频采样后对其中一路信号进行希尔伯特变换及滤波，另一路进行延时，I/Q信号的相位正交性与幅度一致性则完全取决于滤波器的精度。数字内插法是中频信号进行正交采样，交替产生I/Q信号，由于时间上未对齐和幅度分别被和所调制，所以需要解调与时间延时，滤波时再对其中一路信号进行相移，才能得到时间上对齐的I/Q信号。

2．相应正交解调模型
常用的正交解调模型有：
（１）直接乘法
其结构框图如图1所示：

这是一种在模拟域对中频信号进行正交解调的方法。中频信号通过带通滤波器后分成两路信号分别进行处理。本振信号也分成两路，对其中一路进行90度相移，得到与另一路正交的信号。这两路本振信号分别与两路中频信号进行运算，得到两路正交的信号，即I路和Q路信号，紧接着对这两路正交信号进行A/D转换，得到数字域的I/Q信号，再根据具体的调制信息进行相应的解调，得到所需的基带信号。
（2）希尔伯特变换法
其结构框图如图2所示：

与直接乘法不同的是，首先，中频信号完成带通滤波后，先进行A/D转换，在数字域才进行正交解调。得到的数字信号同样分为两路，一路信号送至希尔伯特滤波器，而另一路仅进行相应的延时而不作任何变换，对这两路数字信号进行移频或抽取就可以得到数字的I/Q信号。然后再根据具体的调制信息进行相应的解调，得到所需的数字基带信号。
（3）数字内插法
其结构框图如图3所示：

设输入的中频信号可表示为：
（14）
A/D的采样频率为，，它和中频信号的中心频率满足以下关系：
， （15）
其中，M为正整数，B为IF信号带宽。
若取M=1，则经过A/D转换后，变为：

　　　　　　　　　　　　　　　　 （16）
和再经过各自的内插滤波器即可得到所需要的正交信号和，然后再根据具体的调制信息进行相应的解调，得到所需的数字基带信号。
（4）直接数字混频法
其结构框图如图4所示：

比较直接乘法和图1，可以看到，它与传统的模拟I/Q解调是一致的，只不过是转换到数字域中来进行的。中频信号经A/D采样后直接与正交的两路本振信号（NCO）进行数字混频，然后经FIR低通滤波器输出，该滤波器带宽取决于基带信号带宽，从而实现I/Q解调。然后再根据具体的调制信息进行相应的解调，得到所需的数字基带信号。

3．相比单通道数字接收机所具有的特点
相比而言，数字化正交解调接收机比单通道数字接收机有不同的特点。
首先，采用正交解调的数字化接收机通过获得I/Q两路正交信号，可以较容易的获得信号的三个特征参数：即瞬时幅度，瞬时相位和瞬时频率，而这三个特征参数是信号分析、参数测量或识别解调的基础。
其次，它作为相干解调的一种方式，从表2来看，通过横向来比较，对同一种数字调制信号，采用相干解调方式的误码率低于采用非相干解调方式的误码率，比单通道接收机有更好的抗噪声及抗干扰性能。

表1 误码率比较
调制方式
误码率
相干解调
非相干解调
2ASK

2FSK

2PSK/2DPSK

另外，对于正交解调系统，其输出的I/Q两路正交信号有严格的幅相要求，即幅度要求一致，相位要求相差90度，若I/Q双通道的幅相误差很大，则解调出来的信号很难满足后续信号处理的要求。对于本振信号的产生，实际中要求本振和信号载波同频同相，否则正交解调后的信号会产生频差和相差，不利于信号恢复，对于两个本振信号和要完全正交，否则由I/Q两路信号恢复出原信号时会产生虚假信号。

4．集成芯片选取及外围电路设计
MAX2451是一个单片正交解调器集成电路，芯片内部包含了完整的正交移相器，具有本机振荡器和８分频前置分频器。MAX2451通常应用于无线数字电话、无线局域网、数字交换系统、GSM和北美蜂窝通信以及寻呼机中。
MAX2451解调器能够接收35至80MHz频率范围内的中频信号，具有51dB电压增益，并且能够将信号为I/Q基带信号。中频输入端具有一个400Ω的薄膜电阻，该电阻能够与外接的中频滤波器相匹配。基带输出信号是完全差动形式的，并且有1.2V（峰峰值）的信号摆幅。为了尽量减少寄生反馈，MAX2451内部振荡器的频率通过外接调谐元件设置为中频频率的两倍。
MAX2451电源电压为+3V，电流消耗为5.5mA。能使引脚ENABLE为低电平时，可以关闭MAX2451，使电源电流消耗减少到〈2μA。
MAX2451采用16引脚狭窄型SO封装。其引脚封装形式如图5所示，

引脚功能如表2 所列：
表2 MAX2451引脚功能列表
引脚
名称
功能
1
IF
中频输入
2，3，16
GND
接地
4
NC
空脚
5
ENABLE
使能控制，高电平有效
6
PRE_OUT
本振通过8分频前置分频器的输出
7
LO_Vcc
本振电源电压，从Vcc单独的旁路
8
TANK
本振谐振输入
9
TANK
本振谐振反向输入
10
LO_GND
本振接地
11
Q
基带Q反向输出
12
Q
基带Q输出
13
I
基带I方向输出
14
I
基带I输出
15
Vcc
解调器的电源提供

MAX2451正交解调器内部结构如图6所示：

芯片内部主要由解调器，本振部分，正交相位发生器，前置分频器及偏置部分构成。
其中，解调器包括一个单端至差分的转换器，两个乘法器，两个固定增益的放大器。中频输入通过一个400Ω的电阻接地。中频输入信号是以交流耦合的方式输入到放大器中的，这个放大器有14dB的增益。为了解调，被放大的中频信号被馈送到I和Q通道混频器中。乘法器把中频信号和正交本振信号相乘，产生基带I和Q信号，其转换增益为15dB。该信号被基带放大器进一步放大到21dB。基带放大器通道是直流耦合的。
正交相位发生器使用两个锁存的2分频器对本振频率进行分频，同时产生两个精确的正交信号，内部的限制放大器形成近似于方波的信号去驱动乘法混频器。同时信号（本振频率的一半）被前置分频器4分频后输出。
在数字化接收机的实际应用中，对于输出的两路I/Q正交信号，需要用A/D转换器将模拟信号转为数字信号，得到两路I(n)和Q(n)数字正交信号，再交由相关的DSP处理芯片或通用CPU进行具体的解调。如图7所示：

5．后端数字信号处理分析说明
在完成正交解调后，得到I/Q两路数字信号，这仅是完成了数字信号解调的一部分工作，接下来是完成具体的解调，得到最终的基带信号。对于后端的数字信号处理，根据具体的工程要求进行相应的设计。
对于单一功能的、只接收单一调制信号的数字化接收机，在其后端的数字信号处理，可采用专用的DSP芯片或电路进行特定的解调得到最终的基带信号，例如对AM、FM、FSK、PSK、QAM、MSK、GMSK、QPSK等信号进行解调。
对于软件无线电的通用数化接收机，它要求将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载的方式实现各种无线通信功能，具有集中性和灵活性的优点，其数字信号处理是软件无线电方案的灵魂和核心所在。在其后端的数字信号处理部分，可有以下几类解决方法：数字信号处理器（DSP），用户定制的集成电路（ASIC），可由参数控制的硬件电路和可编程逻辑器件（FPGA）。其目的是使数字信号处理达到兼容性、实时性、准确性，实现高质量的通信接收。通过对五个特征参数：①零中心归一化瞬时幅度之谱密度最大值，②零中心非弱信号信号段瞬时相位非线性分量绝对值的标准偏差， ③零中心非弱信号信号段瞬时相位非线性分量的标准偏差 ，④零中心归一化瞬时幅度绝对值的标准偏差 ，⑤零中心归一化非弱信号段瞬时频率绝对值的标准偏差 的分析，可以实现数字调制信号的自动识别，完成相应的解调工作。

参考文献：
[1] 杨小牛，楼才义，徐建良 软件无线电原理与应用. 北京.电子工业出版社.2001年
[2] 叶金来, 黄洁, 江桦 中频信号正交解调原理与实现. 福建工程学院学报. 2006年4月
[3] 戴庆芬 中频数字化及数字式正交解调. 电讯技术. 1996年10月
[4] 黄骏，张欣 单片锁相环正交调制和解调器. 移动通信. 1998年第2期
[5] 邢燕 中频采样和数字正交器的原理及工程实现. 现代雷达. 2003年9月
[6] 李晶晶，江桦，王明坤 希尔伯特变换在信号解调中的应用. 信息工程大学学报. 2002年12
[7] 美信公司．MAX2451技术资料.