基于SDR的仿真中的真實(shí)信號與理想信號

　　設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能射頻系統(tǒng)并非易事，尤其是在考慮 GPS/GNSS 應(yīng)用的復(fù)雜挑戰(zhàn)時(shí)。幸運(yùn)的是，軟件定義無線電 （SDR） 的出現(xiàn)有助于克服傳統(tǒng)模擬無線電的一些最顯著的局限性，包括缺乏靈活性、精度有限和笨重。然而，信號處理中的非理想性仍然容易干擾GPS/GNSS系統(tǒng)的正常運(yùn)行，特別是當(dāng)涉及到SDR中最基本的組件之一：混頻器時(shí)。在這種情況下，對能夠解決混頻器引入的非理想性的射頻仿真環(huán)境系統(tǒng)的需求很大，特別是對于GPS/GNSS測試。開發(fā)此類系統(tǒng)時(shí)，最重要的步驟之一是分析理想信號和實(shí)際信號之間的差異，以及這些差異在實(shí)際應(yīng)用中的影響。

　　本文討論了真實(shí)世界信號和理想理論信號之間的主要區(qū)別，更具體地說，介紹了偽影、雜散、IQ不平衡、壓縮和互調(diào)。我們還討論了混頻器的基本概念和類型，以及它們的工作原理與上述信號非理想性的關(guān)系。最后，我們討論了所提出的每個(gè)非理想性對GPS/GNSS測試模擬環(huán)境的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的影響。本文假設(shè)讀者對 GPS/GNSS 模擬器和軟件定義無線電有核心了解，因此如果您需要有關(guān)用于 GPS/GNSS 模擬器的 SDR 的更多信息，請閱讀“使用 SDR 作為 GPS/GNSS 模擬器”。

　　攪拌機(jī)基礎(chǔ)知識

　　為了更好地理解真實(shí)世界的射頻環(huán)境如何影響接收信號以及如何對其進(jìn)行仿真，我們需要首先討論混頻器的基本特性，并確定其使用過程中最重要的非理想性?；祛l器可用于上變頻和下變頻，即在頻譜上向上或向下移動(dòng)信號，這是無線電收發(fā)器中的一項(xiàng)基本操作，以確保在板級可管理高頻通信。在架構(gòu)方面，SDR通常實(shí)現(xiàn)三種類型的混頻器：真正的RF混頻器、復(fù)雜的IQ混頻器和CORDIC混頻器。實(shí)質(zhì)上，混頻器是將輸入信號（可以是RF或IF，取決于轉(zhuǎn)換）和本振（LO）信號組合在一起的乘法器，用于在頻譜上上下移動(dòng)頻率成分（見圖1）。下變頻時(shí)，RF輸入與LO相結(jié)合，產(chǎn)生低于原始RF輸入的IF輸出，而上變頻則要求LO將RF輸出提高到原始RF輸入之外。在此過程中，可以創(chuàng)建邊帶，這些邊帶通常稱為圖像邊帶。通常，我們只對一個(gè)邊帶感興趣，因此必須通過濾波或相位操縱技術(shù)來消除另一個(gè)邊帶。上變頻時(shí)，可以使用濾波器或帶有Hartley調(diào)制器的單邊帶（SSB）混頻器。Hartley調(diào)制器利用相位操縱來消除邊帶，從而消除了使用窄帶濾波器來消除不需要的邊帶的需要。下變頻時(shí)，可以使用鏡像抑制（IR）混頻器或帶濾光片的標(biāo)準(zhǔn)混頻器來消除不需要的鏡像。

圖1：上變頻和下變頻。

　　IQ混頻器可以比實(shí)際混頻器更進(jìn)一步，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)工作在同相和正交信號中，從而可以獨(dú)立處理兩個(gè)元件并自然抑制邊帶，從而消除了對復(fù)雜且昂貴的窄帶濾波器的需求。IQ混頻器由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)混頻器和一個(gè)位于LO的正交混合耦合器組成（見圖2）?；旌?a href="http://www.ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合器將LO信號分成兩個(gè)輸出端口，其中一個(gè)輸出端口具有90°相移。在上變頻期間，每個(gè)分量都與同相LO或正交LO信號混頻，產(chǎn)生的輸出在RF端口中組合。相反，當(dāng)混頻器用于下變頻時(shí)，可以很容易地檢索兩個(gè)信號。最后，CORDIC混頻器（COrdinate Rotation DIgital Computer）本質(zhì)上是IQ混頻器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，通常在SDR的FPGA后端使用矢量旋轉(zhuǎn)算法進(jìn)行編程。在本例中，LO使用FPGA內(nèi)部的數(shù)控振蕩器（NCO）實(shí)現(xiàn)，用于上變頻和下變頻。在上變頻中，通過插值獲得更高的頻率，并有望出現(xiàn)側(cè)面圖像。在下變頻中，混頻后抽取起著重要作用，將采樣頻率降低到主機(jī)更易于管理的水平。

圖 2：IQ Mixer 架構(gòu)。

　　使用混頻器時(shí)，高端SDR工程師通常會(huì)采用復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，以最大程度地減少非理想性，包括用于電路對稱的混合結(jié)，以確?；祛l器平衡，從而在端口之間建立隔離并消除互調(diào)產(chǎn)物。然而，無論系統(tǒng)設(shè)計(jì)得多么好，混合偽影總是存在的。其中一些偽影包括LO饋通、IF饋通和邊帶形成。無論是來自混頻器的LO、RF還是IF側(cè)的信號饋通，都是由于寄生電容、電感和電源的耦合導(dǎo)致端口之間的隔離有限的結(jié)果。這種非理想性會(huì)影響混合信號的頻率成分，在LO、RF或IF頻率處引入諧波。盡管任何類型的饋通都不是可取的，但由于與所需諧波的距離較遠(yuǎn)，IF或RF側(cè)的泄漏可以很容易地濾除。然而，LO信號仍然存在，這會(huì)顯著影響性能。使用實(shí)際混頻器時(shí)，即使考慮理想電路，鏡像頻段或邊帶也是混頻本身的產(chǎn)物，因此必須通過濾波消除不需要的頻帶。在實(shí)際應(yīng)用中，使用單面上變頻或單面下變頻IQ混頻器，實(shí)現(xiàn)具有相位消除架構(gòu)方案的架構(gòu)，以消除不需要的邊帶。此外，RF混頻器除了產(chǎn)生所需的頻率積外，還會(huì)產(chǎn)生雜散產(chǎn)物，這些雜散產(chǎn)物可以使用平衡技術(shù)進(jìn)行抑制，但在某些調(diào)諧和LO頻率下仍可能出現(xiàn)在頻譜中。

　　在處理 IQ 過濾器時(shí)，平衡是成功的關(guān)鍵。LO或I/Q通道相位平衡的任何缺陷都可能導(dǎo)致邊帶抑制降低和/或通道隔離性能降低，以及LO饋通、RF/IF饋通和雜散產(chǎn)物增加。例如，由于兩個(gè)內(nèi)核之間的轉(zhuǎn)換損耗不平衡，IQ混頻器的I和Q波形之間存在直流失調(diào)，這可能導(dǎo)致不希望的LO泄漏到輸出信號的頻譜中，從而降低LO至RF隔離度，并限制IQ調(diào)制/解調(diào)性能。圖 3 顯示了直流失調(diào)對 16-QAM 信號的影響。此外，IQ通道之間的相位和幅度不匹配會(huì)導(dǎo)致混頻器輸出出現(xiàn)重大問題，使這些信號的星座圖失真，并影響整體性能（見圖4）。這兩種失配都是由混合耦合器的平衡問題以及差分連接長度和損耗的差異引起的，對于更高頻率的IF尤其成問題，強(qiáng)調(diào)需要相同的差分路徑來實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

　　圖 3：16-QAM 星座圖中直流失調(diào)的影響。

　　圖 4：振幅和相位不平衡的影響。

　　理想情況下，混頻器可以看作是完美的變頻器，在輸入/輸出和恒定的轉(zhuǎn)換損耗之間線性傳輸功率。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，轉(zhuǎn)換損耗隨輸入功率而變化，導(dǎo)致輸入/輸出功率之間出現(xiàn)非線性關(guān)系，稱為壓縮。如圖5所示，IF/RF曲線的斜率從線性開始，具有恒定的轉(zhuǎn)換損耗和恒定的“增益”。但是，當(dāng)功率輸入過大時(shí)，斜坡會(huì)下降，曲線變?yōu)榉蔷€性。壓縮中最重要的指標(biāo)是1dB壓縮點(diǎn)，它被定義為輸出偏離理想點(diǎn)1dB所需的輸入功率，是RF混頻器中輸入信號的最大推薦值。提高混頻器1dB壓縮點(diǎn)的一種方法是增加電路中二極管的導(dǎo)通電位。

　　圖 5：1 dB 壓縮點(diǎn)。

　　我們將要討論的最后一個(gè)非理想性是互調(diào)失真。這種效應(yīng)的發(fā)生是由于混頻器的非線性行為造成的，其中兩個(gè)或多個(gè)信號同時(shí)到達(dá)輸入端，并在它們與它們的諧波之間產(chǎn)生頻率組合，如圖6所示。這些信號自然是非理想行為的不需要的產(chǎn)物，因此它們可以統(tǒng)稱為互調(diào)失真（IMD）。盡管大多數(shù)諧波的幅度會(huì)隨著頻率的增加而下降，從長遠(yuǎn)來看可以忽略不計(jì)，但三階IMD尤為重要，因?yàn)樗c基頻接近。此外，三階諧波的轉(zhuǎn)換斜率是基波信號的三倍，這使得情況變得非常糟糕。由于壓縮，三階諧波永遠(yuǎn)不會(huì)高于基波，但它們更接近 1dB 壓縮點(diǎn)。僅考慮線性斜率，基波和三階諧波應(yīng)在理論點(diǎn)相遇，稱為三階截點(diǎn)（IP3），這是IMD的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖 6：互調(diào)失真。

　　對模擬器的影響

　　射頻模擬器在 GPS/GNSS 測試中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它提供了足夠的射頻環(huán)境，可以復(fù)制實(shí)際場景中的條件。GPS/GNSS 測試對于確保這些系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。因此，GPS/GNSS仿真器能夠正確再現(xiàn)RF信號的非理想性至關(guān)重要，其中包括SDR混頻器引入的非理想性，包括互調(diào)失真、壓縮、IQ不平衡和其他混頻器偽影。此外，在GPS環(huán)境中，模擬器必須在移動(dòng)平臺上復(fù)制GNSS接收器的條件，再現(xiàn)車輛和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)、信號屬性和大氣條件。

　　混淆偽影是可能影響 GPS/GNSS 接收機(jī)的常見問題。當(dāng)接收到的信號與其他信號混合時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，從而導(dǎo)致不需要的分量。這可能導(dǎo)致信號質(zhì)量下降和系統(tǒng)性能下降。為了模擬這種效果，必須包括能夠自適應(yīng)地改變混頻器參數(shù)和條件的儀器。在這些場景中，CORDIC混頻器非常有用，因?yàn)閿?shù)字實(shí)現(xiàn)允許對混頻器的行為和性能進(jìn)行完全的重新配置。

　　IQ 不平衡也會(huì)影響射頻收發(fā)器，包括 GPS/GNSS 系統(tǒng)中使用的收發(fā)器。當(dāng)同相 （I） 和正交 （Q） 信號不完全平衡時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，從而導(dǎo)致接收到的信息表示不完美。這可能導(dǎo)致解調(diào)信號出現(xiàn)誤差，從而導(dǎo)致位置和定時(shí)信息不準(zhǔn)確。為了模擬這種效應(yīng)，測試環(huán)境仿真器中的SDR應(yīng)該能夠產(chǎn)生不平衡的信號，包括相位和幅度，并測量它們對接收機(jī)性能的影響。在傳統(tǒng)的模擬無線電系統(tǒng)中，改變每個(gè)組件的相位延遲和幅度以進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆抡娌⒉蝗菀?，尤其是考慮到 L1、L2 和 L5 頻段。因此，建議使用基于數(shù)字的系統(tǒng)，例如 SDR。

　　由于接收信號的功率水平極低，以及位置計(jì)算所需的高靈敏度和精度，互調(diào)效應(yīng)在GNSS應(yīng)用中尤為重要?；フ{(diào)失真會(huì)導(dǎo)致位置計(jì)算出現(xiàn)一系列誤差，包括衛(wèi)星識別不正確、噪聲和干擾增加以及信號質(zhì)量降低。為了仿真 GNSS 系統(tǒng)中 IMD 和 TOI 的影響，RF 收發(fā)器必須能夠復(fù)制現(xiàn)實(shí)生活中 IQ 混頻器的非線性行為，這還必須解決混頻器的壓縮效應(yīng)。模擬壓縮非常重要，因?yàn)?GNSS 信號的幅度可能會(huì)有很大變化。

　　結(jié)論

　　用于仿真的軟件定義無線電 （SDR） 中真實(shí)信號和理想信號之間的差異會(huì)顯著影響 GPS/GNSS 測試。雖然SDR有助于克服傳統(tǒng)模擬無線電的許多局限性，但混頻器仍然是可能干擾正常運(yùn)行的非理想性來源。本文討論了混頻器的特性及其非理想性，包括雜散、IQ不平衡、壓縮和互調(diào)，以及SDR中常用的三種混頻器：實(shí)RF混頻器、復(fù)數(shù)IQ混頻器和CORDIC混頻器。LO饋通、IF饋通和邊帶形成等混頻偽影的影響也得到了強(qiáng)調(diào)。為了為GPS/GNSS測試創(chuàng)建可靠的射頻仿真環(huán)境，考慮這些非理想因素并相應(yīng)地設(shè)計(jì)系統(tǒng)至關(guān)重要。通過分析理想信號和真實(shí)信號之間的差異，工程師可以優(yōu)化其仿真環(huán)境，從而在測試中實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　審核編輯：黃飛