（通信与信息系统专业论文）数字中频技术在wcdma直放站系统中的应用和实现.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的快速发展，对于无线通信系统的要求越来越高，特别 是高速数据业务的发展对原有无线网络提出了更高的要求，而已有的g s m ( 2 g ) 无线网络的设计指标已经无法满足更高速率的数据业务需求，技术上更新换代 的第三代移动通信( 3 g ) 应运而生。目前i t u ( 国际电信联盟) 规定了四种3 g 国际标准：t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、w i m a x 。其中t d s c d m a 是 中国具有自主知识产权的技术标准。 基站是无线网络覆盖的节点，而直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一 种优选方案。本论文主要是在w c d m a 标准下进行数字直放站的研究，设计了 采用数字中频( i f ) 技术的选频直放站和宽频直放站。 本文首先对课题的技术背景进行了简单的介绍，包括直放站、软件无线电 和数字中频技术，在此基础上对课题涉及的数字中频理论进行了详细的论述。 然后按照w c d m a 的协议要求设计了一个详细的数字直放站系统技术方案，重 点阐述如何使用数字中频技术来解决问题。并按此方案实现了整个硬件系统平 台，完成了软件配置。在方案设计上突破了传统模拟直放站的技术限制，实现 了扩展性能良好的数字综合平台，能同时可靠地对多频点进行处理。对此平台 进行了多次测试，然后根据测试结果对硬件系统和软件配置进行了局部改动， 最后完成满足设计指标的直放站系统。 关键字：3 gw c d m ai f 直放站 第1 页 a b s t r a c t ab s t r a c t a l o n g 、) ，i t h t h ef a s t d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，p e o p l e a r c d e m a n d i n g m o r ea n db e a e r p r o d u c t s ，a n d w i t ht h e q u i c kd e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o nb u s i n e s s ，e s p e c i a l l yh i g h e rd a t ar e q u e s tt ot h ep r e s e n tw i r e l e s s n e t w o r ki sr e q u i r e d b u tt h eo r i g i n a lg s m ( 2 g ) w i r e l e s sn e t w o r kd e s i g nt a r g e ti sn o t a b l et os a t i s f yt h eh i g h e rs p e e dd a t as e r v i c eb u s i n e s s ，t h u st h et e c h n i c a l l yr e n e w e d 锄r dg e n e r a t i o n ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( 3g ) a r i s e sa tt h eh i s t o r i cm o m e n t a t p r e s e n t3 gh a sf o u rk i n d so fi 丁us t a n d a r d s ：t d s c d m a ，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 a n dw i m a x ，a m o n gw h i c ht d - s c d m ai st h et e c h n i c a ls t a n d a r dw h i c hc h i n a i n v e n t sb yi t s e l f b a s es t a t i o n sa r et h eb a s i cp o i n t so fw i r e l e s sn e t w o r kc o v e r i n g ，a n dr e p e a t e r s h a v eg r e a tc a p a c i t yt os o l v et h ee x t e n d e dc o v e r a g eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h i s l e c t u r ew i l lm a i n l yr e s e a r c hr e p e a t e r su n d e rt h ew c d m as t a n d a r d ，a n dd e s i g n s e l e c t e d f r e q u e n c yr e p e a t e r s w h i c hu s e d i g i t a li f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) t e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ef i r s th a sc a r r i e do nt h es i m p l ei n t r o d u c t i o nt ot h et o p i c st e c h n o l o g y b a c k g r o u n d ，i n c l u d i n gr e p e a t e r s ，s o f t w a r ed e f i n er a d i oa n dt h ed i g i t a li ft e c h n o l o g y b a s e do nt h e s e ，t h ed i g i t a li ft h e o r yw h i c hi n v o l v e dt ot h et o p i ci si l l u s t r a t ei nd e t a i l t h e nt h ea u t h o rd e s i g n sad e t a i l e dp l a no fd i g i t a lr e p e a t e r ss y s t e ma c c o r d i n gt ot h e w c d m a p r o t o c a l ，a n df o c u so nt h ep a r ts o l v e dw i t hd i g i t a li ft e c h n o l o g y w i t ht h e i n s t r u c t i o no ft h i sp l a n , t h ea u t h o rr e a l i z e dt h eh a r d w a r es y s t e mp l a t f o r ma n dt h e s o f t w a r ew h i c hm a t c h e st ot h ep r o j e c t d u et ot h ed e s i g no ft h es c h e m e ，w eb r e a k t h r o u g ht h et e c h n i c a lc o n s t r a i n t so ft r a d i t i o n a la n a l o gr e p e a t e r s ，c o m p l e t et h ed i g i t a l i n t e g r a t e dp l a t f o r mw h i c hh a sg r e a te x p a n s i b i l i t y ，a n dh a v et h ea b i l i t yt op r o c e s s m u l t i f r e q u e n c ys i g n a ls y n c h r o n o u s l ya n dr e l i a b l yt h r o u g ht h ep l a t f o r m a n dt h e nw e t e s ti t a c c o r d i n gt ot h et e s t e dr e s u l t s ，t h eo r i g i n a lh a r d w a r es y s t e mi sp a r t l ym o d i f i e d f i n a l l y ，ar e p e a t e r - s y s t e mw h i c hs a t i s f i e st h ed e s i g nt a r g e ti sc o m p l e t e d k e yw o r d s ： 3 gw c d m ai f r e p e a t e r 。 第页 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 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d m a 支持高速数据传输( 慢 速移动时3 8 4 k b i t s ，室内走动时2 m b i t s ) ，支持可变速传输。其主要特点如下： 码片速率为3 8 4 m h z ，码道间隔为5 m h z ； 基站支持异步和同步的基站运行方式，组网方便、灵活： 调制方式上行为b p s k ，下行为q p s k ，导频辅助的相干解调方式； 适应多种速率的传输，同时对多速率、多媒体的业务可通过改变扩频比和 多码并行传送的方式来实现； 功率控制快速、高效，大大减少了系统的多址干扰，提高了系统容量，同 时也降低了传输的功率； 核心网络基于g s m g p r s 网络的演进，并保持与g s m g p r s 网络的兼容性； 支持软切换。、 第1 页 第一章背景及相关介绍 第二节直放站简介 直放站主要用于基站信号过弱的地区，作中继站用，通过直放站放大基站 信号，再传向更远更广的地区，扩大了网络覆盖范围；直放站是一个双向传输 的双工放大器，一路是接收基站信号经放大后发射传向移动台，一路是接收移 动台信号经放大后发射传向基地台。因此，直放站的组成主要是接收机、发射 机、天线。 一直放站概述 直放站( 中继器) 属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信 号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率 增强器。直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过 带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次 发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同 样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机 的信号传递。 直放站是一种中继产品，衡量直放站好坏的指标主要有：智能化程度( 如 远程监控等) 、低i p 3 ( 无委会规定小于3 6 d b m ) 、低噪声系数m f ) 、整机可靠 性、良好的技术服务等。使用直放站作为实现“小容量、大覆盖目标的必要 手段之一，主要是由于使用直放站一是在不增加基站数量的前提下保证网络覆 盖，二是其造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统。直放站是解决通信网络延 伸覆盖能力的一种优选方案。它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便 等优点，可广泛用于难于覆盖的盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车 站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所，提高通信质 量，解决掉话等问题。 ：直放站种类 按传输方式分，直放站有无线直放站和光纤直放站两种。无线直放站采用 天线接收发射信号，光纤直放站采用光纤作为传输媒介，但是需要基站侧和直 放站侧具有光传输能力。 按信道带宽来分，直放站又可以分为宽带直放站和选频直放站。宽带直放 站对某一段频率都可以放大；选频直放站只对选定的频点放大，是窄带的直放 站，并且放大的频点有限。 第2 页 第一章背景及相关介绍 三直放站的信号覆盖 直放站的选址应在施主基站和盲区之间，如果是定向天线，直放站站址最 好靠近盲区边沿，力求能够覆盖足够大的盲区。覆盖示意图见图1 1 所示。 基站 图1 1 直放站覆盖区域选择示意图 盲区 根据直放站系列产品的特点和移动通信网络的需求，不同的地理环境及应 用场合，系统的解决方案是不同的，这需要认真分析，区别对待。对于无线直 放站来说，信号的隔离显得尤为重要。无线直放站是从空间接收信号，势必要 求空间信号尽可能纯净；而在基站较为密集区域，分离不同基站或扇区信号的 难度将大大增加，容易使直放站增加对基站干扰。所以在基站较为密集区域， 建议尽量采用有线信号的引入方式，比如光纤直放站。在不具备使用光纤直放 站条件的场所，只能采用无线直放站，但其施主天线必须具有足够的方向选择 性。 针对各类地区及应用场所，由于基站的密集性、用户话务量等不同，建议 采用如下直放站的应用原则： l 城市密集区 由于用户量大，基站数量较多，一般不存在大范围的信号盲区，直放站只 是用于解决小范围区域的补盲以及建筑物内的信号覆盖。在光纤到楼尚未普及 的情况下，需采用无线直放站。随着建筑物的增多，所需的直放站数量也会随 之增加，就会出现一个基站配置多台直放站的情况。 但直放站的引入必然对基站产生干扰，干扰会随着直放站数量的增多而加 大，特别是大功率直放站的引入，会使系统干扰明显加剧。因此，在城市密集 区应当采用小功率( 1 w 以下) 直放站。 2 城市边缘 第3 页 第一章背景及相关介绍 在c d m a 网络建设初期，由于基站数量较少，可以采用大功率的无线或光 纤直放站。城市边缘地区，主要是解决信号覆盖问题。在已铺设光纤的地区最 好采用输出功率为1 0 w 的光纤直放站。无光纤资源时，可利用无线直放站进行延 伸覆盖。采用方向性好的施主天线提取较为纯净的源信号，输出功率为5 w 1 0 w ， 等同于基站的输出，达到较好的覆盖效果率。 郊区、乡村郊区、乡村主要是解决覆盖问题。在铺设光纤的地区最好采用 大功率光纤直放站( 1 0 w 2 0 w ) 扩大覆盖范围。 对于无光纤资源但又能收到基站信号的地区，可采用无线直放站解决覆盖 问题。特殊情况下，还可采用移频直放站来增加覆盖距离。 四数字中频直放站 前面所述都是模拟直放站，这个技术是从上世纪8 0 年代传入国内的，历经 了2 0 余载，并未做出大的发展。但是随着无线技术的发展，多制式、多频点、 多运营商的模式已经开始普及。以国内为例，到时候可能每栋楼由中国移动、 中国联通、中国电信共同覆盖，包括g s m 、t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 多种制式，每个运营商在不同的制式中占据不同的频点。那么，直放站需要对 多个频点多种带宽的信号进行处理，传统的模拟方法实现起来不仅困难而且成 本很高。数字直放站就可以很好地实现这一点，其多通道设计，高性能的数字 滤波器能很好的实现多频点覆盖，良好的开关性能能随时根据需要开关对应的 频点。 本课题要研究的就是数字中频技术在w c d m a 数字直放站中的应用，通过 数字变频技术来灵活处理多频点信号”； 第三节软件无线电 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托， 通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计 方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件 电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠近天线。 软件无线电强调体系结构的开放型和全面编程性，通过软件的更新改变硬件的 配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构， 以利于硬件模块的不断升级和扩展。 第4 页 第一章背景及相关介绍 理想软件无线电的组成结构如图1 2 所示。 电话 图像 数据 传真 图1 2 软件无线电结构框图 由于技术的变化和应用的扩展，有关软件无线电的概念、结构实现、用途 等都在发展之中，目前还很难给出一个严格而全面的定义。但是根据大多数专 家的理解，可以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线 方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式 体系结构。软件无线电的核心思想是： 1 a d c 和d a c 尽可能靠近天线。 2 用软件来完成尽可能多的无线电功能。 软件无线电的主要特点可以归纳如下： 具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。 具有较强的开放性 软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和 技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。 软件无线电结构形式有三种：射频低通采样数字化结构、射频带通采样数 字化结构和中频带通采样数字化结构。 目前，由于a d 和d a 技术的限制，只有中频带通采样数字化结构，即数字 中频结构可以实现。数字中频结构与传统的超外差无线电台收发信机结构是类 似的，二者的本质区别是中频带宽不一样，传统的收发信机中频带宽为窄带结 构，而数字中频为宽带结构。由于中频带宽不仅使前端电路的设计得以简化， 信号经过接收通道后的失真也小，而且与常规超外差电台相比，这种宽带中频 第5 页 第一章背景及相关介绍 结构再配以后续的数字化处理，使其具有更好的波形适应性、信号带宽适应性 以及可扩展性。 数字中频结构是上述三种结构中最容易实现的，对器件的性能要求最低， 但它离理想的软件无线电的要求还有一定的距离。数字中频并没有实现完全意 义上的软件无线电，但是它是朝着软件无线电结构形式发展而来的，等将来芯 片技术的进一步发展，可以将这种结构逐步优化。 第四节数字中频技术 目前应用最广泛的通信收发信机要数传统超外差射频收发信机。超外差射 频发收信机的结构如下图所示； 图1 3 超外差式收发信机结构框图 超外差接收机采用二次混频的策略获得需要的中频，然后进行a i d 变换，进 入基带处理，发信机和接收机结构反着，基本一致。 使用这种传统超外差接收机有以下一些缺点： 1 ) 由于模拟电路的一致性不好，这种结构在外部模拟电路过多，特别是射 频端压力很大，会带来很多问题。 2 ) 二次混频一般会采用i q 调制的方式，使得信号进行i q 通道的独立处理， 第6 页 第一章背景及相关介绍 会带来i q 信号幅度和相位的不一致，带来信号失真的问题。 3 ) 不能同时进行多频点处理，只能分别对多频点进行处理，但是如果进入 多载波信号，一次只能处理一个频点。 数字中频收发信机是在软件无线电基础上发展起来的，和超外差式相比， 有着更广泛的应用前景。采用数字中频的收发信机结构框图如1 4 所示： 图1 4 采用数字中频的收发信机结构框图 数字中频结构与传统的超外差无线收发信机的结构的主要差别： 1 接收端a d c 直接对中频信号进行采样，采样后由数字下变频器进行i q 解调、抽取变换速率、滤波，然后送往基带处理。 2 发送端，基带信号经过内插、滤波、i q 调制后，进行d a 变换，变成中 频模拟信号，然后滤波后交射频变频后发射。 这种结构与传统的超外差无线电台收发信机的结构类似，但这种结构从性 能上将会有质的的飞跃，主要体现在三个方面： 1 减少收发信机的模拟器件，也就减少温度漂移等不良影响，增加系统的 可靠性和一致性；减少模拟器件还利于设计过程中p c b 板的布线，以及射频收发 信机的调试。 2 数字中频结构的收发信机中，多个信道共用射频前端，降低了基站费用。 传统的无线电收发系统中，每个信道使用一部收发信机。而使用数字中频的接 第7 页 第一章背景及相关介绍 收系统多个信道共享射频前端与高速a d c 或d a c ；这就降低了系统费用，带来 了很好的经济效益。 3 中频处理将使用数字器件，有利于高度集成。同时中频模块有很强的灵 活性和开放性。同时随着技术的发展，中频的频率会越来越高，射频的设计压 力会越来越小。 第五节论文简介及创新点 本课题是以赛乐( 天津) 微波科技有限公司研发部w c d m a 数字中频直放站 的设计为背景进行的。经过一年多的研究和开发，数字中频模块已经完成，并 且已经通过了实验室测试。目前一共做出了三版样机，第三版样机已经能够满 足3 g p p 制订的w c d m a 直放站测试标准。 论文一共分六章，研究的课题主要是以下几个方面： 1 ) 根据3 g p p 中w c d m a 协议和直放站相关硬件设计规范，分析数字中频各 个指标，选取合适的芯片，然后基于此制订详细而完整的方案。 2 ) 根据方案及要求，确定各个芯片的电路设计，包括芯片的内部设置。 3 ) 数字中频电路具体实现。包括原理图设计、p c b 设计，软件配置程序等。 4 ) 数字中频模块进行单独测试，发现问题并解决问题。 5 ) 和其他模块组建直放站系统，进行联调测试。 本文在创新方面做到了以下几点： 1 ) 突破了传统模拟直放站的诸多技术局限，通过软件配置就可以实现所承 载频段内所有载频频点的任意组合，精度高，可靠性高，稳定性好，能很好适 应新的通信运营模式下的信号覆盖。 2 ) 数字平台的新建，十分有利于扩展性，可以在数字中频的基础上发展数 字拉远( r u ) ，数字预失真( d p d ) 等，可以将直放站和其它网络优化设备能 够有效结合起来，构建完整的网络优化体系。 3 ) 数字中频端可以对功率进行检测和监控，配置出输出功率恒定模式和输 出增益恒定模式，解决w c d m a 高速数据业务信号室内覆盖时由于呼吸效应过于 强烈导致小区间干扰以及小区规划困难。 第8 页 第二章数字中频理论基础 第二章数字中频理论基础 数字中频技术是一种以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以 微电子技术为支撑的新的通信体系结构。本章对数字中频的理论基础进行叙述， 主要包含以下几个方面： 1 信号采样。 2 多速率信号处理，包括插值和抽取。 3 上变频和下变频常用的数字滤波器介绍。 第一节信号采样理论介绍 模拟信号经过采样变成数字信号进行数字处理。在这过程中如何保证信号 不失真，能有效恢复呢? 采样理论可以回答这些问题。采样理论整个信号处理 最基本也是最关键的问题。 2 1 1 基本采样理论一n y q u i s t 采样定理 设有一个频率带限的信号x ( f ) ，频带限制在( o ，厶) ，即频带带宽为b 。 如果以不小于丘= 的采样速率对x ( f ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样 信号x 0 ) = 石( 刀乃) ( 其中霉= j z 称为采样间隔) ，则原信号x ( f ) 将被所得的采 样值x ( n ) 完全地确定。 采样后频谱会以z 大小为间距进行扩展，如图2 1 所示。 - f ， 广、r 卅广1 广qo 飞厂 | 。9j 夕 图2 1 采样后信号频谱扩展图 n y q u i s t 采样定理是采样理论的基础，所有采样必须按照这个定理来采样， 第9 页 第二章数字中频理论基础 才能唯一地保证信号完整恢复。 2 1 2 带通信号采样理论 n y q u i s t 采样定理只讨论了其频谱分布在( o ，厶) 上的基带信号的采样问 题，如果信号的频率分布在某一有限的频带内( 以，厶) 上时，那么如何对这 样的带限信号进行采样呢? 当然，根据n y q u i s t 采样定理，仍然可以按照公式计 算出来的采样速率进行采样。但是人们很快会想到，当厶b = 厶一五时，也 就是当信号的最高频率远远大于其信号带宽b 时，如果仍然按照n y q u i s t 采样速率 来采样的话，则其采样频率会很高，以致很难实现，或者后处理的速度也满足 不了要求。由于带通信号本身的带宽并不一定很宽，那么自然想到用比较低的 速率来采样。 带通采样定理：设一个频率带限信号x ( f ) ，其频带限制在( 以，厶) 内， 如果其采样速率f 满足： f ：三丝盟( 2 1 ) ( 2 n + _ ) 公式( 2 1 ) 中，n 取能满足z 2 ( 厶一无) 的最大整数( o ，l ，2 ，) ， 则用z 进行等f b - g 吾采样所得到的信号采样值x ( ，z 五) 能准确地确定原信号x ( f ) 。 公式( 2 1 ) 使得载波中心频率在n y q u i s t n 域的中心位置，以减轻抗混迭滤 波器的要求。 值得注意的是，上述带通采样定理的前提条件是：只允许在其中一个频带 上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混迭。 第二节多速率信号处理 软件无线电所基于的最基本的理论是带通采样定理，而且在前置窄带滤波 器的配合下，采用几个有限的采样频率就能实现对整个频带内的射频信号进行 直接采样数字化，然后通过软件或信号处理算法完成对各种类型或各种调制样 式的解调、处理功能。从对软件无线电的要求来看，带通采样的带宽应该越宽 越好，这样对不同信号会有更好的适应性；另外当对一个频率很高的射频信号 采样时，如果采样频率取得太低，对提高采样量化的信噪比是不利的。所以在 第1 0 页 第二章数字中频理论基础 可能的情况下，带通采样速率应该尽可能地选的高一些。 但是随着采样速率的提高带来的另外一个问题就是采样后的数据速率很 高，导致后续的信号处理速度跟不上，特别是对有些同步解调算法，其计算量 大，如果其数据吞吐率太高是很难满足实时性要求的，所以很有必要对a d 后的 数据流进行降速处理。多速率信号处理技术为这种降速处理的实现提供了理论 依据。本节将对多速率信号处理中的插值和抽取技术进行介绍。 2 2 1 整数倍抽取 所谓整数倍抽取( d e c i m a t i o n ) 是指把原始采样序列x 例每隔( d 1 ) 个数 据取一个，以形成一个新序y i jx o ( m ) ，即： 杨( ，z ) = x ( m d )( 2 2 ) 式中，d 为正整数，抽取过程见图2 2 所示： x ( 羚) n 1r ：3 瓦 图2 2 信号d 倍( d = 3 ) 抽取示意图 后的信号 ( d = t l = 3 ) 很显然如果z 例序列的采样率为z ，则其无模糊带宽为f 2 。当以d 倍抽 取率对x 例进行抽取后得到的抽取序y o x d ( m ) 之取样率为z d ，其无模糊带宽 为z ( 2 d ) ，当x 例含有大于z ( 2 d ) 的频率分量时，x d ( m ) 就必然产生频谱混迭， 导致从沏) 中无法恢复x 例中小于z ( 2 d ) 的频率分量信号。 为了避免抽取带来的信号频谱混迭现象，一般要抽取前加上前置低通滤波 第11 页 第二章数字中频理论基础 器，先对会产生混迭的信号滤除。这样也带来问题，会对信号造成损伤，但是 我们只要把损伤降低到可以承受的地步即可。抽取频谱变化图见图2 3 。 j迎乏 。i i 妨一万一 o 1 打 獗 w t l t t ( e叫 i1 1i 0 刀 纫w 一7 1 一 徽t j r7 。 。7 j| k拓 2 r e ；， r 、j l n 、。r ，鬈 一乃一加，观万 2 万 一 2 2 2 整数倍插值 图2 3 先滤波后d 倍抽取信号频谱变化示意图 所谓整数倍插值就是指在两个原始抽样点之间插入( i 1 ) 个零值，若设原 始抽样序列为x ，则插值后的序列x p ( m ) 为： r 昂( 加 缸盖) ，_ d ，+ p ，蚍)( 2 3 ) l0其他 式中，p 为正整数。 插值是在时域中进行的，那么在频域上会带来镜像问题。对于原来信号， 频域上以万为截止区间，那么插值后新的信号频谱会以；, r i p 的比例压缩，同时， 在整个频谱上和新信号频谱出现一个对应的镜像频点。那么，我们可以在后续 加入镜像滤波器进行滤除。从频谱上可以看出插值( 插入零点) 不仅可以提高 时域分辨率，而且也可以用来提高输出信号的频率。 第1 2 页 第二章数字中频理论基础 b ) 缅入零筑点后的信号殷冀频谬 图2 4 插值后信号频谱示意图 插值能够提高信号的采样速率，起到了上变频的作用，使输出频率变为原 来的p 倍，而其信号的频谱结构不变。 2 2 3 取样率的分数倍变换 假设取样率分数变换的变换比为：r = d i 。显然分数变换可以通过先进行i 倍插值再进行d 倍抽取来实现，如图2 5 ( a ) 所示。要注意的是必须插值在前，抽 取在后，以确保其中间序列s ( 七) 的基带频谱宽度不小于原始输出列x ( 聍) 或输出 序列y ( m ) 的基带频谱宽度，否则将会引起信号失真 嘞州虹) 争 互 冲砌， 图2 5 取样率的分数( d i ) 变换 c纱，=j：其o)他imin0( 芋 云) c 2 i ，其他j 第1 3 页 叶 秒 撇懈 一露 蝌撇 。中融嗲乩燃址殷盼腑 蛳翟玎制| 信 一 第二章数字中频理论基础 第三节数字中频中常用滤波器介绍 2 3 1 适合2 m 速率变换的半带滤波器 半带滤波器( h a l f - b a n df i l t e r ) 在多速率信号处理中有着特别重要的位置， 因为这种滤波器特别适合于实现d = 2 m 倍( 即2 的幂次方倍) 的抽取或插值，而 且计算效率高，实时性强。 所谓半带滤波器是指其频率响应满足以下关系的f i r 滤波器。 国2 万一 8 s = 0 = 万 ( 2 5 ) 或者说半带滤波器的阻带宽度和通带宽度是相等的，且通带阻带的波纹也 相等。 可以证明半带滤波器具有以下性质： h ( e 问) = j h ( e j ”一珊) h ( e 扭2 、= 0 5 c 尼，= l ，妻三羔，4 ， ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 也就是说半带滤波器的冲激响应h ( k ) 除了零点不为0 之外，其余偶数点全为 0 ，所以采用半带滤波器来实现取样率变换时，只需要一般的计算量，有很高的 效率。特别适用于实时处理。 2 3 2 积分梳状( c i c ) 滤波器 积分梳状滤波器是指该滤波器的冲激响应具有以下形式： r 】0 n d z 办( 玎) 2 锰其他 ( 2 p ) 公式( 2 9 ) 中，d 即为c i c 滤波器的阶数( 在抽取滤波器中为抽取因子；内 插滤波器中为内插因子) 它的实现框图如图2 6 所示，由图可见，c i c 滤波器由两部分组成，积分器和 梳状滤波器的级联。 第1 4 页 第二章数字中频理论基础 图2 6 一阶c i c 抽取滤波器实现示意图 c i c 滤波器的频谱是梳状，有着多个旁瓣，逐次递减。单级的c i c 滤波器旁 瓣阻带衰减性很差，很难满足要求。所以，我们一般使用多级滤波器。使用5 级 就可以将旁瓣抑制到7 0 d b 左右，配合其他数字滤波器，能起到很好的滤除效果。 c i c 滤波器的主要用途是抽取或插值时提供非2 次幂的变速比，能灵活多变 地实现信号多速率的变换。 2 3 3 升余弦滤波器 在一定发送信号功率的情况下，使接收端的信噪比最大，发送和接收匹配 滤波器应该满足： l 珥( 州= i ( ) i = i h ( 刊 ( 2 1 0 ) 公式( 2 1 0 ) 中，h ( f ) 为所要求的成形滤波器的传递函数，日r ( 厂) 和日r ( 厂) 分别是发送和接收滤波器的传递函数，两者的合成特性是码间干扰为o ，且频谱 集中在传输频带内。 一般地，h ( f ) 采用升余弦滚降函数，则发送和接收滤波器的频域响应 珥( 厂) 和h r ( 厂) 为： i h r ( f ) l = i ( 刊= 压 o - l s l 郅叫寺 坠型i s l 2 ti i 坐2 t 堕 其他 ( 2 1 1 ) 公式( 2 11 ) 中，t 为码元间隔，口( 0 口) 为滚降系数，一般取口值 为o 2 2 。根据l 珥( 厂) i 和r ( 厂) 可以得到冲激( f ) 和( f ) 。 第1 5 页 第三章数字中频系统方案及指标分析 第三章数字中频系统方案及指标分析 本章以软件无线电理论为基础，结合w c d m a 无线直放站系统具体的性能 和指标要求，讨论数字中频系统方案的构成以及各个部分的指标分析。 第一节系统方案简介 对于整个直放站系统来说，中频处理部分是其核心部分。本方案使用数字 中频的方式对信号进行处理，见图3 1 框架图。 带逢滤拔卷 下变频器 图3 1 数字中频处理框架图 上图中的r fi n 处是经过射频模块进行处理过的信号。由于射频信号频段 太高，速率太大，不利于进行处理，因此首先需要进行变频。变频后射频信号 的频谱平移到中频段，在变频的过程中，会附带生成其他的镜像频段，那么就 需要在后面加入带通滤波器，确保只有我们需要的中频信号经过。中频信号经 过放大器放大后直接由模数转换器将其转换为数字信号，当然我们需要保证 a d c 的精度。转换后的数字信号速率偏高，需要进行下变频，d d c 能很好的做 到这一点，同时还能进行数字滤波，将其转换为基带信号。在基带频段，很多 数字处理能够很好的实施。处理后的基带信号通过上变频器将速率调整到合适 的中频，然后通过数模转换器( d a c ) 将数字信号转换为中频段的模拟信号。 信号再通过滤波器去除多余的噪声电压，变频后调整到规定频段的射频信号， 第1 6 页 第三章数字中频系统方案及指标分析 然后输出至射频模块进行下一级的处理。 在整个处理过程中，数字处理是核心。因此，在这个中频系统中，a d c 、 d a c 、d d c 、d u c 器件的选取也就显得尤为重要，这些芯片的性能对整个系统 起着决定性的影响。 第二节主芯片选型及指标分析 3 2 1a d c 和d d c 的选型 a d c 是数字中频最核心的部件，它的选取直接决定着整个系统的性能。对 于目前数字中频来说，对a d c 的要求比较高。对于a d c 来说，有以下几个重 要指标来衡量。 薹采样率与采样精度 3 g p p 组织分配给w c d m a 网络的频段带宽是6 0 m h z ，1 2 个频点，每个频 点分配5 m h z 的保护带宽，码道速率为3 8 4 m b p s 。那么对于宽带直放站而言， 要有处理4 6 个频点数据的能力，对应2 0 3 0 m h z 的带宽。根据n y q u i s t 采样定 理，采样率应该不低于6 0 m h z 。 直放站系统对于a d c 的精度要求很高，由于进来的信号波动幅度较大，这 就需要a d c 需要很高的采样精度才能保证数据完整性。因此，评估直放站来说 一般需要1 4 b i t s 的精度。 2 ，信嗓比( s n r ) 对于高速应用来说，a d c 的动态特性是非常重要的，而信噪比( s n r ) 和 无杂散动态范围( s f d r ) 是能够比较准确地衡量a d c 动态特性的一些参数， 而且它们也是被广泛认可的特性指标。 目前计算理论s n r 值的公式为： 册= 反。帅1 7 6 + 1 0 l g 嘉( r i b ) ( 3 1 ) 其中，n 是a d c 的采样精度，为采样率，b w 为输入信号的带宽。根据上式 可知，当提高采样率f 的时候，能有效提高固定精度的a d c 的信噪比。 3 无杂散动态范围( s f d r ) s f d r ( s p u r i o u s - f r e ed y n a m i cr a n g e ) 的定义是：当一个正弦信号输入到 第1 7 页 第二章数字中频系统方案及指标分析 a d c 时，正弦信号的功率除以在a d c 输出端信号频谱的最大寄生信号峰值功 率。s r d r 允许人们评价一个a d c 能够在非常大的信号存在的情况下，检测到 非常小的信号的能力。 综合考虑一下几个重要指标，a d c 需要满足频率在6 0 m h z 以上，1 4 b i t s 的 采样精度，s n r 要满足大于7 0 d b ，s f d r 要大于9 0 d b 。后两个指标实现起来难 度不大，但是对于1 4 b i t s 的a d c ，目前国内能自由使用的不会超过5 0 m h z ，而 高速a d c 需要在美国进行使用许可证，时间周期在6 个月以上，这对于做项目 工程是非常不方便的，因此我们选用a d i 公司集成a d c 和d d c 的一款芯片 a d 6 6 5 4 ，配备的a d c 能够提供高达9 2 1 6 m h z 的采样速率。这种集成a d c 的 芯片在i o o m h z 速率以下是不用申请l i c e n s e 的。 a d 6 6 5 4 是美国模拟器件公司( a d i ) 在2 0 0 4 年推出的一款集成芯片，由一 个1 4 b i t ，9 2 1 6 m s p s 的高速a d c 和6 通道多模式下变频单元组成的混合中频信 号转基带接收器。其中包括6 路独立的数字下变频和多级抽取滤波器。每个通 道数字下变频部分由n c o 和混频器组成，n c o 作为本振，能产生混频器所需要 的精确频率。此芯片将a d c 输出的信号经混频器和n c o 产生的正余弦信号相 乘得到数字i 、q 信号，然后经多级抽取滤波器滤波得到较好的i 、q 信号。此 芯片的组成框图如图3 2 所示。 ，瑚娥脯鳓 。砌删e l 黼删娴眭l 帆d 洲渊悯 - i 阿t r 懈e l ? j 峙a o l 爿! 竺吲竺! 塾吲兰墨! 吲! 墨! 譬爿墨吲美篓! 矧蚪 口 ： 垤孙互随墅圆；瑶薹眶蔓园 暑 持 篇锰 l 墨 还斟墨甄夏圆l趣匿龃蔓圆 舌 描c i g 器l爿鞭c 。目捆c ；l c ，瑚5 h - 雾：吲。嚣：譬l爿巍吲嚣篙。吲。背：譬 尊 l l 蒜l 麓竺鬟! 三t i 兰c s 卜逸墨囊! 曼# 基蕞塞鲨受签袅鬟冀； 萋 j 嚣l l ：c o 捆c ：l ，c 罐5 _ 一爨：一鬓： 葛麓晡c ：r ，c f ，。鬟。l 巩h b ：； k 腿嗍e lm o d e lo 啪 嚣踩唧葚耀鼹霉钿 s y - i cc l o c k 刚鼎臻乐磐9 晰蜊漱征0 t 2 3 u l t 阻l 暖 图3 2a d 6 6 5 4 芯片框架图 a d 6 6 5 4 的参数如下：片内集成1 4 位9 2 1 6 m s p sa d c ，中频处理速率高达 2 0 0 m h z ，内部2 4 v 参考电压，模拟输入信号峰峰值2 2 v ，模拟信号以差分方 第1 8 页 第二章数字中频系统方案及指标分析 式输入，具有跟踪、保持性能，可同时处理4 6 路宽带载波信号。具有可编程的 抽取f i r 滤波器、半带插值滤波器和9 6 d b 动态范围的可编程a g c ，三个1 6 位 可配置的并行输出端口，工作时钟达到2 0 0 m h z ，8 1 6 位微控并行接口、串行外 设接口、同步串口控制接口，可以与大多数符合上述标准的接口相连接。它具 有很强大的功能，可以将其应用于多载波、多模式数字接收机；可以适用于 g s m e d g e u m t s w c d m a c d m a 2 0 0 0 t d s c d m a 制式系统。 3 2 2i ) a c 和d u c 的选型 d a c 是数字处理完成后转换成模拟信号的器件。经过高速高精度的数字滤 波器的处理后，信号质量会比较好，这时候选取一款性能良好的d a c 就能获得 非常好的模拟信号。因此，d a c 的选取也关系着整个信号的质量。 d a 转换的核心