（通信与信息系统专业论文）tdscdma频点拉远系统的fpga设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着t d s c d m a 技术的不断发展，t d s c d m a 系统产品也逐步成熟并随之 完善。产品家族圈益丰富，室内型宏基站、室外型宏基站、分布式基站 ( b b u + r r u ) 、微基站等系列化基站产品逐步闯世，可以满足不同场景的建圈需 求。焉分布式基站( b b u + r r u ) 越来越多地受到业冥的关注和重视。 本文丰要从t d s c d m a 频点挝远系统( r r u ) 和软件无线电技术的发展入 手，重点研究t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现。 t d 。s c d m a 通信系统通过灵活分配不同的上下行时隙，实现业务的不对称 性，但是多路数字中频所构成的系统成本高和控制的复杂性，以及t d d 双工模 式下，系统的峰均比随时隙数增加丽增加，对整个频点拉远系统的前端放大器线 性输入提出了很高的要求。t d 。s c d m a 系统使用软l 牛无线电平台，一方面软件 算法可以有效保证时隙分再己的准确性，保证对前端控制器的开关控制，以及对上 下行功率读取计算和子帧的灵活提取，另一方面灵活的d u c c f r 算法可以有效 的提高频带利用率和抗干扰能力，有效的控制t d d 系统的峰均比，有效降低系 统对前端放大器线性输出能力的要求。 本文主要研究软件无线电中d u c 和c f r 的关键技术以及h ，g a 实现，d u c 主要由3 倍f i r9 , j 插成型滤波器、2 倍插值毒i 偿滤波器以及5 级c i c 滤波器级联 组成；而c f r 主要采用类似基带削峰的加窗滤波的中频削峰算法，可以降低相 邻信道的溢出，更有效的降低c f 值。将d u c c f r 以单片f p g a 实现，能很好 提高r r u 性能，减少其硬件结构，降低成本，降低功耗，增加外部环境的稳定 性。 关键字：r r u ；d u c ；c f r ；f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to ft d - - s c d m at e c h n o l o g y , t h et d - - s c d m a s y s t e mp r o d u c t sb e c o m em o r ea n dm o r em a t u r ea n dh e a df o rp e r f e c t i o n 。t h ef a m i l y o ft h ep r o d u c t sa r ei n c r e a s i n g l ya b u n d a n t ，s u c ha si n d o o rm a c r on o d e b 、o u t d o o r m a c r on o d e b 、s e p a r a t en o d e bs t r u c t u r e - b b u + r r ua n dm i c r on o d e b t h e s en o d e b s e r i e sh a v eb e e np u b l i s h e d ，a n dt h e yc a nm e e tt h ed i f f e r e n tr a d i os c e n ea p p l i c a t i o n s b u t ，t h es e p a r a t en o d e bs t r u c t u r e b b u + r r uc a t c hm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n d r e c o g ni t i o nf r o mt h ee x p e l si nt h i sf i e l d t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et d s c d m a s y s t e mr a d i or e m o t e u n i t ( r r u ) a n ds o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y , a n dr e s e a r c ht h ef p g a sd e s i g na n d r e a l i z a t i o no f t h et d s c d m ar r u s y s t e m t h et d s c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e ma l l o c a t e st h ed i f f e r e n tu p d o w n l i n kt i m e s l o t sw i t hf l e x i b i l i t ys ot h a tt h et d s c d m as y s t e mc a nb ea d a p t e dt od i f f e r e n t e n v i r o n m e n t sa n d d e p l o y m e n t s c e n a r i o sb u t ，t h e s y s t e m se x p e n s ew h i c h i s c o m p o n e n to fm u l t i - l i n k sd i g i t a l - i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi sm o r eh i g ha n dt h ec o n t r o l i sm o r ec o m p l e x i t y i nt h et d dd u p l e xm o d e ，t h es y s t e m sp e a k - t o - a v e r a g er a t i o ( p a r ) b e c o m e sh i g hw i t ht h es l o t si n c r e a s i n gs ot h a tli n e a r i t yr e q u i r e m e n t sf o rt h e p o w e ra m p l i f i e r ( p a ) o fr a d i or e m o t eu n i ta r ei n c r e a s e d 。t h et d s c d m as y s t e m u s e st h es o f t w a r ew i r e l e s sr a d i op l a t f o r mi no r d e rt h a to nt h eo n eh a n ds o f t w a r e a l g o r i t h mc a ne n s u r et h es l o ta s s i g n m e n tv e r a c i t yi ne f f e c ta n ds w i t c hc o n t r o l l i n g e x a c t l y ，a n dc a na l s or e a dt h eu p d o w n l i n kp o w e ra n dd i s t i l lt h es u b f r a m e s ，o nt h e o t h e rh a n df l e x i b l ed u c c f ra l g o r i t h mc o ul d i m p r o v et h ef r e q u e n c yb a n d w i d t h e f f i c i e n c ya n da n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y c o u l dc o n t r o lt d ds y s t e m sp a ri ne f f e c t ， a n dc o u l da l s or e d u c et h el i n e a r i t yo u t p u tr e q u i r e m e n t sf o rt h ep o w e r a m p l i f i e r i nt h i sp a p e r ，1p a ym o r ea t t e n t i o nt ok e yt e c h n o l o g i e so fs o f t w a r ew i r e l e s sr a d i o a n df p g ai m p l e m e n t d u c ( d i g i t a lu pc o n v e r s i o n ) i sc o m p o n e n to ft h r e et i m e s i n t e r p o l a t i o n s h a p i n gf i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) ，t w i c ei n t e r p o l a t i o n c o m p e n s a t i o nf il t e ra n df i v ec l a s s e sc i c ( c a s c a d e di n t e g r a t o ra n dc o m b ) f i l t e r a n d i i a b s t r a c t t h e nc f r ( c r e s tf a c t o rr e d u c t i o n ) m a i nb a s e do nw i n d o wf i l t e r i n gi fc r e s tf a c t o r a l g o r i t h m sw h i c hi s s i m i l a rw i t hb a s e b a n dc r e s tf a c t o rc a nr e d u c ea d j a c e n tc h a n n e l s p i l l o v e r i no r d e rt or e d u c et h ec r e s tf a c t o rv a l u ei nm o r ee f f e c t d u c c f r i m p l e m e n t e di ns i n g l ef p g ac a ni m p r o v er r up e r f o r m a n c ew e l l ，r e d u c e t h e h a r d w a r es t r u c t u r e ，r e d u c ec o s t sa n dp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n di n c r e a s et h es t a b ili t yo f t h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：r r u ；d u c ；c f r ；f p g a i i i 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：幸占玖 弘习年r 月炯 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密() ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 形灰 拗 1 日期：沙四年f 厅龉日 日期：埘年f 月讶日 第1 章绪论 1 。1 论文研究背景和意义 第1 章绪论 随着基站产品多元化的发展下，分布式基站( b b u + r r u ) 的应用场景越来越 受到瞩目，其组网多样性，灵活性以及成本廉价性，为r r u 的发展带来美好的前 景。t d - s c d m a 频点拉远系统随着通信技术的不断发展，已经由传统的模拟通信 过渡到数字通信领域，传统的光纤直放站就是耦合一部分基站模拟信号莠用光纤一 传输到远端后转为模拟信号再放大输出。这种应用方式在目前的3 g 的实验网络 以及一些规划中已经很少看见了。而一些新的概念产生了，首先是很多基站厂家 提出了频点拉远的概念( r r u ) ，这种概念又分数字光纤拉远和射频光纤控远。其 中射频光纤拉远的概念可能和传统的光纤直放站改动不大，区别是基站本身并没 有功放和低噪放了，直接通过低功率射频接口光模块拉到远端放大再生，这样也 就没有以前所谓的耦合和接负载的概念了。丽数字拉远的话，是直接将基站的数 字信号拉远，射频部分全部在远端。 目前，频点拉远系统中发射机的任务就是将低速率的语音信号或数据信号调 制到所规定的高频频段 1 ( 8 7 0 - - 8 9 0 m h z ，9 3 5 9 6 0m h z ，1 8 0 5 - 一1 8 8 0m h z ， 1 9 3 0 - - 1 9 9 0m h z ，2 0 l o 一一2 0 2 5 m h z ，2 1 1 0 - - 2 1 7 0m h z ，2 1 7 0 - - 2 2 0 0m h z ) 发射出去。 如果直接用d a 进行数模转换，则输出采样频率就必须大于4 0 0 0 m h z ，这样高 速的d a 目前是无法从市场获得的。此外，d a 后的窄带滤波器也很难实现，因 此采用混频结构，对输入数据进行各种调制和频率变换，既在数字域实现调制和 混频。可以采用专用芯片来实现数字上变频，如a d 公司的a d 9 8 5 7 a d 6 6 3 3 ，t i 公司的g c 5 0 1 6 g c 5 3 1 6 等，但硬件成本、功耗以及p c b 体积都要有所增加，目前 很多通信设备商开始采用软件无线电思想，用现场可编程门阵列( f 腿度) 中实现。 f p o a 器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、流水线级 甚至是任务级的并行执行，加快了计算速度。 软件无线电( s d r ) 2 】是具有可重配置硬辞平台的无线设备，可以跨多种逶 信标准。因为具有更低的成本、更大的灵活性和更高的性能，软件无线电已迅速 成为军事、公共安全和商用无线领域的事实标准。s d r 成为商用流行的主要原因 l t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 之一是它能够对多种波形进行基带处理和数字中频( i f ) 处理。i f 处理将数字 信号处理的领域从基带扩展到r f 。在频点拉远系统中，用支持基带和中频处理 能力的软件无线电实现发射枧任务，增加了系统灵活性，弱时减小了制造成本。 软件无线电在数字频率变化上具有比传统模拟无线处理方式更高的性能。两 f p g a 则提供了一种高度灵活和集成的平台，在这之上以合理的功率实现大计算 量的数字i f 功能，这在射频拉远系统发射机中是一个关键的因素。能够在f p g a 上实现的i f 功能包括数字上变频器( d u c ) 和下变频器( d d c ) ，以及数字预畸变 ( d p d ) 和波峰系数削减( c f r ) ，帮助降低功放的成本和功率。用f p g a 实现发射 机几种关键技术是具有可行性和实用性的。它提供了通用的计算结构，非常适合 予软件无线电中基带和王f 数字处理的需要。另外，f p g a 作为通用处理器，能够 增强功能，可软件升级、扰干扰能力强，可改善吞吐量，减小系统成本和降低系 统功率等。 1 2t d - s c d m a 频点拉远系统的f p g a 实现概况 对于频点拉远系统收发信机的实现框架如图1 - 1 ，发信机的数字中频部分主 要包括数字上变频模块( d u c ) 、削峰模块( c f r ) 以及数字预失真模块( d p d ) ， 本文主要研究d u c 和c f r 两个模块。 块： 图1 - 1 软件无线电收发信机的基本功能组成 由于该系统属于t d s c d m a 基站的拉远系统，故它还包括如下的系统功能模 ( 1 ) 载波选择模块：上下行6 载波，载波可选，每个载波可独立歼、关； ( 2 ) 下行缓存功能，最大支持2 0 0 u s ： 2 第l 章绪论 ( 3 ) 支持下行基带数据上、下行时隙分配、切换，d w p t s 功率计算； ( 4 ) 支持上行基带数据上、下行时隙分配、切换，d w p t s 前8 5 0 c h i p 插5 5 a a ， 功率计算； ( 5 ) 支持r f 数据上、下行时隙分配、切换、下行时隙功率读取； ( 6 ) 支持5 m st d 子帧提取； 图1 - 2 频点拉远系统收发射机的f p 6 a 实现框架 3 、 ， t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 其中，主要研究的目标是实现上变频和c f r 的功能，达到t d s c d m a 频点拉 远系统的性能指标。其中根据其系统的主要功能，收发射机的的f p g a 实现框架 如图卜2 所示。 由于该论文主要对移动通信系统发射机的d u c 和c f r 技术做重点研究，故中 频处理的d p d 以及d d c 部分不做阐述。下面重点讨论d u c 和c f r 的实现方法以及 各个功能模块的设计实现。 1 3 论文的内容及结构 本文主要的研究是t d - s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现，由于系统的 指标要求，其还包括很多的模块功能，论文最重点的部分是对t d - s c d m a 频点拉 远系统的发射机关键技术进行深入研究，对整个系统分模块化进行设计，按模块 细分为数字传输模块、数字上变频模块以及削峰模块等等。 亡互3 喘， 图i - 3t d - s c d m a 频点拉远系统的外部接口结构 曰ll t 园 曰 i x 7 圈哪回一7 ，回 l 图1 - 4t d - s c d m a 频点拉远系统的内部结构 如图i - 3 所示，频点拉远系统的外部接口结构主要是基站的基带池数据单元 4 第l 章绪论 ( b b u ) 通过光纤拉远到远端信号盲区或者弱区，其中组网方式多样，并且可以 实现一拖多个的r r u 的构造。而频点拉远系统的内部结构如图1 - 4 所示，来自基 带池的数据经过s f p 接口，通过b r i c 2 的协议解析为全数字基带信号，来自b r i c 2 的下行链路基带数据主要由核心芯片f p g a 控制，由f p g a 实现各种功能模块和发 射机的关键技术，最后经过削峰处理的中频信号通过d p d 的预失真处理，a d 采 样后送往射频单元，其中a d 7 9 3 3 是实现r r u 对功放输出的功率读取。 频点拉远系统的f p g a 设计是本文的研究基础，其目是按照系统所需求的技 术指标，设计实现主要以f p g a 为核心，并使用相应的软件实现发射机的关键技 术，包括数字上变频、波峰系数削减等。 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 研究以全数字方式实现f p g a 内部的基带数字传输的相关算法，完成仿真。 这些算法包括载波路由选择算法、时序控制、5 m s 子帧提取、开关切换以及功率 读取、数字上变频以及削峰算法等。 ( 2 ) 参与设计r r u 数字板平台。该平台以f p g a 为核心，负责基带数字信号 处理，并配合外围的接口芯片完成与系统其他单元间数据交互。 ( 3 ) 对基带传输中的相关算法进行v e r i l o g h d l 语言软件编程，并在r r u 数字 板平台上完成软硬件联合调试，实现在单板上完成与b b u 的r e c 端及功放模块的 链路通信，并达到系统指标。 本文的结构安排如下： ( 1 ) 第一章介绍论文的研究背景及意义、频点拉远系统的f p g a 实现概况、论 文的研究内容及结构安排。 ( 2 ) 第二章介绍r r u 中的数字上变频技术的理论和削峰原理，并详细描述了 软件无线电中的几种关键技术一带通采样定理、多速率信号处理( 内插和抽 取) 、多项滤波结构、正交变换以及高效数字滤波的原理和削峰原理。 ( 3 ) 第三章介绍频点拉远系统中的f p g a 硬件设计与实现，详细描述f p g a 周 边接口电路的原理设计以及芯片配置等。 ( 4 ) 第四章介绍频点拉远系统的f p g a 软件设计与实现，主要介绍各个模块的 实现方法，详细描述了本文采用的d u c c f r 算法以及d u c 内部的各种滤波器的实 现原理和方法，其中包括f i r 内插成型滤波器的原理和设计、c i c 滤波器和补偿 5 t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 滤波器原理和设计。 ( 5 ) 第五章介绍系统调试、性能测试与分析。主要从各个关键性能指标进行 整机联调，给出调试结果，并对整机联调中出现的问题进行性能分析与解决。 ( 6 ) 第六章介绍结论和展望。 6 第2 章t d s c d m a 频点拉远系统中发射机的几种关键技术 第2 章t d - s c d m a 频点拉远系统中发射机的几种关键技术 目前，中国3 g 的t d - s c d m a 试验网已经在试商用，其网络结构主要采用分布 式基站( b b u + r r u ) 。频点拉远系统的关键技术研究就显得尤为重要。t d s c d m a 频 点拉远系统中发射机中的关键技术包括数字上变频器( d u c ) 、下变频器( d d c ) 、 数字预畸变( d p d ) 和波峰系数削减( c f r ) 等，他们的实际应用可以用软件无线 电思想来实现。这样，本文的论文重点在于软件无线电在t d - s c d m a 频点拉远系 统中发射机关键技术的应用实现，丽不是深入软件无线电的理论研究。 2 1 软件无线电关键技术 1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i l o l a 首次明确提出了软件无线电 ( s o f t w a r er a d i o ) 的概念 1 ，它是当今计算技术、超大规模集成电路和数字 信号处理技术在无线通信中的应用产物。其中心思想是构造一个具有开放性、标 准性、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据 格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可熊 靠近天线，从蔼以软件方式来代替硬件实施信号处理，以研制感具有高度灵活性、 开放性的新一代无线通信系统。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程 性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现新功能，并有利于硬件模块的不 断升级和扩展。 目前，软件无线电在t d - s c d m a 系统中有以下几项主要的关键技术 1 3 ： ( 1 ) 宽带多频段智能天线 软件无线电的工作频段在1m h z 2 g h z ，要设计如此宽频带的天线传统方法 是很难实现的。当前大多数系统采用的是组合式多频段天线的方案。智能天线是 一种基于自适应天线原理的移动通信新技术。它结合了自适应天线技术的优点， 剩用天线阵列对波束的汇成和指向的控制，产生多今独立的波束，可以自适应地 调整其方向图以跟踪信号的变化。智能天线所使用的自适应算法分为时间参考 ( t r ，t i m er e f e r e n c e ) 算法和空间参考( s r ，s p a t i a lr e f e r e n c e ) 算法，t r 算法分为两类，种是需要诫练序罗l 的j # 盲自适应算法，包括d m i 算法、峪算 7 t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 法、r l s 算法和m s d 算法等，另一种是不需要训练序列酌盲算法，它们基于信号 的一些特性来确定加权矢量。s r 算法通常是根据来波d o a 的估计确定赋形翔权 矢量，d o a 估计算法有m u s i c 和e s p r i t 等。这些算法用软件无线电实现，可以 达到软件可编程性、可升级性以及算法灵活性。 ( 2 ) 宽带a d 、d a 转换技术 对软件无线电通信系统来说，其基本要求就是尽可能多地以数字形式处理无 线信号，或者说a d 和d a 转换器应尽可能地靠近天线端，至少要对中频进行数 字转换。在射频变换部分，宽带、线性、高效射频放大器的设计和电磁兼容翊题 的处理是比较困难的。当然，也可以简化射频前端的功能，但相应的也就会大大 提高对数字处理的要求，这样一来，必须要求a d 转换器有足够的工作带宽( 2 g h z 以上) ，较高的采样速率( 一般来说，采样速率要高于2 5 倍的信号带宽，具体 的数值要综合考虑采样后系统的处理能力和a d 的速度以及系统的要求来决定。 一般要求在6 0 m h z 以上) ，而且要有较高的转换位数、较大的无寄生动态范围 ( s f d r ) 和较高的数字处理精度。 ( 3 ) 数字信号处理技术 d s p 技术是软件无线电的核心。它主要完成数据解调、编码鳃码、滤波、基 带信号处理等任务，这其中包括了多用户检测、v i t e r b i 译码、t u r b o 译码等复 杂算法，这些任务都是需要巨大的运算量，以目前的硬件处理速度，单靠d s p 来 完成以上任务是不太可能的，因此我们用现场可编程专用芯片f p g a 来完成，同 时也能保持软件无线电的结构通用性和适应性。 ( 4 ) 数字上交频 数字上交频( d u c ) 主要完成将基带信号( 频率较低信号) 调制为数字中频 信号( 频率较高信号) 的功能，郎对输入数据进行各种调制和频率变换，在数字 域内实现调制和混频，是整个系统中运算量最大的一个部分之一。一般t o s c d m a 系统在提高数据流速率的时候，要进行过百次的采样，对于一个系统，如果它的 系统带宽为1 2 8 m h z ，采样率大子3 2 m h z 就至少需要3 2 0 0 m i p s 的处理速度，就 现状的d s p 处理速度很难达得到，目前，这一部分功能通常采用利用了直接频率 合成技术( d d s - - d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 的数字上变频专用芯片来实现， 但是其可编程性、灵活性及可升级性都很差，因此渐渐地使耀现场可编程逻辑器 8 第2 章t d s c d m a 频点拉远系统中发射机的几种关键技术 件f p g a 开始多起来，也成为了国际通信行业领域上的一种趋势。 ( 5 ) 数字下变频 数字下变频( d d c ) 是接收信号经 o 变换后所完成的数字信号处理过程， 包括数字下变频、二次采样和滤波，其主要功能是将数字中频信号解调为基带信 号并同时降低数据流速率，这部分和d u c 类似，不做累述。 ( 6 ) 削峰技术 t d - s c d m a 每个码道可以提供一个用户单独使用，而且为了提高系统容量，运 营商使用多载波技术，峰均比必然提高，对放大器也提出了很高的要求，在f p g a 上实现峰值可削减技术，对放大器的动态线性范围要求降低，有效提高功率放大 器的转换效率，进而减少整机体积与重量，降低整机生产成本。 综上所述，软件无线电在t d s c d m a 系统的应用受到极大的关注，但仍然存 在着一些需要解决的问题，高速数字信号处理( d s p ) 部分是个瓶颈，作为过渡 阶段的软件无线电，使用f p g a 实现数字上下变频器及削峰技术来完成数字中频 段的处理，以实现整个系统的功能，是个必然发展的趋势。本文重点研究数字上 变频技术和削峰技术在t d - s c d m a 频点拉远系统中的应用。 2 2t d - s c d m a 频点拉远系统的数字上变频技术1 1 4 】 2 2 1 带通信号采样理论 t d - s c d m a 频点拉远系统中最重要的问题就是对工作频率带宽( 比如1 m h z 2 g h z ) 内的信号进行数字化，对感兴趣的模拟信号进行采样，而采样率应取多少 成为了t d - s c d m a 频点拉远系统最基本、最为关键的问题。信号采样理论是软件 无线电的重要理论基础。 在信号理论基础中，n y q u i s t 采样定理是最为基本的，它的准备定义为：假 设有一个频率带限信号x ( ，) ，其频带限制在( 0 ，厶) 内，如果以不小于z = 2 厶 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 ( n ) = x ( 刀i ) ( 其 中t , = l l l 称为采样间隔) ，则原信号x ( ，) 将被所得到的采样值x ( n ) 完全地确定。 也就是如果对某一时间连续信号进行采样，当采样速率大于或等于信号最高频率 9 t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 的两倍时，那么，根据这些采样值就能准确地确定原信号。 实际上，目前无线通信系统中的无线信号，其信号频率带宽分布在某一有限 的频带( 无，厶) 上，而且往往其频带都很窄，如果对中心频率为几十m h z 甚至几 百m h z 的带通信号仍采用n y q u i s t 采样定理进行采样，其采样率会很高，以至于 很难实现，或者后续处理速度也满足不了要求。为了降低对系统的要求，提出了 带通采样定理，其定义为：假设一个频带信号x ( ，) ，其频带限制在( 五，厶) 内， 如果其采样速率z 满足： z = 篆髻 沼， 其中，r l 取满足z 2 ( 厶一无) 的最大j 下整数( o ，1 ，2 ，) ，则用z 进行等间隔 采样所得到的信号采样值x ( n r , ) 能准确地确定原信县sx ( t ) 。 式( 2 1 ) 若用带通信号的中心频率五和频率带宽b 可表示为： z = 面4 f 丽o ( 2 2 ) 式中，z ：五去立，n 取能满足z 2 b 的最大正整数。 很显然，当五= 厶2 ，b = 厶时，r l 取0 ，上述式子就是n y q u i s t 采样定理， 即满足z = 2 厶。从( 2 2 ) 式子还可以看出，当频率带宽b 一定时，为了能用 最低采样速率即两倍频率带宽速率z = 2 b 对带通信号进行采样，带通信号的中 心频率必须满足： 五：掣b ( 2 - 3 - 1 ) 或( 无+ 厶) = ( 2 n + 1 ) b ( 2 3 2 ) 也即信号的最高( 或最低) 频率是带宽的整数倍，如图2 - 1 所示，任何一个中心 频率为五。( n = 0 ，1 ，2 ，3 ，) 带宽为b 的带通信号均可以用同样的采样频率 z = 2 b 对信号进行采样，而且这些采样均能准确地表示不同中心频率点的原始 信号x o ( t ) ，毛( f ) ，而( f ) ，。 1 0 第2 章t d s c d m a 频点拉远系统中发射机的几种关键技术 上述带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在信 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叠。 图2 - 1 带透信号频谱 如图2 1 阴影部分所示，当在( 2 b ，3 b ) 频带上存在信号时，其他任何频 带上就不能同时存在信号，为解决这个问题，可以采样跟踪滤波器的办法，既在 采样前先进行滤波。如图2 - 2 所示，当需要对某一个中心频点的带通信号进行采 样时，就先把跟踪滤波器的滤波频点搬移到对应的频点工。上，滤出感兴趣的带 通信号( f ) ，然后再进行采样，以防止信号混叠，这样的跟踪滤波器称为抗混 叠滤波器。如采取b = i 6 m h z ，通过调节抗混叠滤波器的中心频点，就可以很好 地实现0 1 m h z 2 g h z 频段内的任俺一个信号( 信道闽隔l 。6 m h z ) 上的带透信号 的数字采样。 图2 - 2 带通信号采样 另外需要洼意的是：上述频带宽度b 不仅只限于某一信号的带宽，单从对模 拟信号的采样数字化来说，该b 应理解为处理带宽。也就是说在这一处理带宽内 可以同时存在多个信号，而不局限于一个信号。 如图2 2 所示，经过滤波蜃的带透信号频带主要位予( 艘，( n + 1 ) b ) t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 ( n = 0 ，1 ，2 ，) 上，再z = 2 b 采样，其不同频带上的信号均可以用( 0 ，b ) 上 的相同基带信号频谱来表示。但要注意的是，当n 为奇数时，其频率对应关系是 相对中心频率“反折 的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇 数通带上的低频分量对应基带上的高频分量。而偶数频带与采样后的数字基带谱 是高低频率分量一一对应的。如图2 3 给出了( b ，2 b ) 和( 2 b ，3 b ) 频带采样 后在基带谱上的信号一一对应关系，具体证明其对应关系的推导过程请参考文献 厂1 。 0 厶 b 石i 2 b 厶 3 b ， 图2 - 3 带通信号采样的基带谱频率一一对应关系 2 2 2 多速率信号处理 软件无线电的另一个重要基本理论是多速率信号处理。带通采样定理在应用 中虽然降低了射频或中频采样速率，但是在实际要求中，带通采样的带宽应该越 宽越好，这样能更好地适应不同频率的信号，而且在相同工作频率范围内所需的 “盲区”采样频率数量会越少，并对提高采样量化的信噪比也是有利的，所以在 可能的情况下，带通采样速率应该尽可能地选得高一些，使瞬时采样带宽尽可能 地宽。但是随着采样速率的提高带来一个问题就是采样后的数据流速率很高，导 致后续的信号处理速度跟不上，所以对a d 处理后的数据流进行降速处理或n q - 次采样是完全必要的，这就是我们所要引述的多速率信号处理。 通常，一个信号处理过程有时需要不同的抽样率。这样做的目的有时是为了 系统中各处需要不同的抽样率，以利于信号的处理、编码、传输和存储。多速率 信号处理技术为这种降速和提速处理的实现提供了理论依据，其中最为重要的理 论是抽取和内插，它们为数字上下变频的成功实现奠定了重要的基础。抽取是降 1 2 第2 章t d s c d m a 频点拉远系统中发射机的几种关键技术 低采样率去掉多余数据的过程，插值是提高采样率增加数据的过程。 2 2 2 1 整数倍抽取 整数倍抽取( d 倍抽取) 就是把原始采样序列x ( n ) 每隔d 一1 个数据取一个， 以形成一个新序歹t j y ( n ) ，抽取用符号表示为图2 4 ， 图2 - 4 抽取器的符号表示 其中： 输入输出函数时域关系：y ( n ) = x ( n d ) ( 2 4 1 ) 输入输出函数频域关系：髟( p 问) = 去x e j ( a , - 2 m ) d ( 2 - 4 2 ) u i = 0 这一抽取关系可用图2 - 6 所示，而从图2 7 中可以看出，时域抽取越大，即 d 越大，或抽样率越低，则频域周期间隔越近，因而有可能产生频率响应的混叠 失真，所以对x ( n ) 不能随意抽取，只有在抽取之后的抽样率仍满足抽样定理要求 时，才不会产生混叠失真，因而才能恢复出原来的信号，否则必须采取另外的措 施，例如图2 5 所示，在抽取前端加抗混叠滤波器，也就是说，把序列x ( n ) 先通 过数字低通滤波日( p 归) ，使信号的频带限制在! 亨以下，z 。一i o 】，( p 问) ，然后再进 行抽取得到虬( p 归) 。该方法虽然把x ( 刀) 中的高频部分损失掉了，但由于避免了 信号混叠现象，黼x a ( e 归) 中仍然完好地保存了x ( e 弦) 低频部分。在信号恢 复时可以从髟( p 归) 恢复x ( p 问) 的低频部分。这样对托( p j 。) 进行处理等同于对 x ( e y 甜) 的处理，而且对前者的数据流速率只有后者的1 d ，大大降低了对后处理 速度的要求。图2 5 很好的显示了抽取所对应的时域、频域的整个过程。 1 3 t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 图2 - 5 前端加抗混叠滤波器的抽取器 o - tr 卜 j以，) l |； 唧0 脚 1 颤1 l l 八 q 五旷i i l 八八r 爪八八 。 一o 吃口， 图2 - 6 序列整数倍抽取( 1 ) 注：图2 5 所示，d = 3 t ，皱= 吾 1 4 第2 章t d s c d m a 频点拉远系统中发射机的几种关键技术 j| z ) l 、 一0 吃 2 x j、繇1 l i d 、余 2 2 2 l2 整数倍内插 一吃 o 2 , r 图2 - 7 序列整数倍抽取( 2 ) 整数倍内插( i 倍内捶) 就是指在原始采样序列x ( n ) 两个原始抽样点之间插 入i 一1 个零值，以形成一个新序列y ( n ) ，内插用符号表示为图2 8 ， 图2 - 8 抽取器的符号表示 其中： 输入输出函数时域关系： y ：妒予为整数( 2 - 5 - 1 ) 0 ，其他 输入输出函数频域关系：置( p 弦) = x ( g 洳) ( 2 - 5 2 ) 实际上内攒过程霹以看成擒取的逆过程，最篱单的整数倍内插是在已知的楣 邻抽样点之间插入( i - 1 ) 个抽样值，但由于这( i - 1 ) 个抽样值并不是已知的，所以 这个问题比整数倍抽驳看起来要复杂一些。通常我们为了解决这一问题，总是在 1 5 t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 已知抽样序列x ( ，2 ) 相邻抽样点间插入零值。 对以采样间隔为参考值的归一频谱而言，插值后信号频率带宽压缩了i 倍， 并且以2 4 _ 为周期重复。和抽取一样，只要原始采样满足采样定理，内插后就不 会发生信号频谱的混叠。而且，内插不仅可以提高时域分辨率，而且也可以提高 输出信号的频率。只要用一个带通滤波器取出插值后频谱中的所感兴趣的高频分 量即可，带通滤波器的频率特性为： 珥( 国) ： 1 ，当芋( 酬手埘 ( 2 - 6 ) 0 ， 当彩= 其他时 其中n 取l ，2 ，3 ，可以看出，不同的带通滤波器特性，其滤出的高频分量 不同，附加数字带通滤波器的插值框图如2 - 9 所示； 图2 - 9 附加带通滤波器的插值系统框图 这时候的内插器起到了上变器的作用，使得输出频率提高i 一1 倍，而其信号 频谱不变，只要很好地设置带通滤波器通带频率，就能实现很好地上变器功能。 当i 值很大时，还可以采用级联的方式实现插值。图2 一1 0 描述了内插的时域和 频域的变化过程。 1 6 第2 章t d s c d m a 频点拉远系统中发射机的几种关键技术 0 ji 凰，) l 卜? 一 i x , ( e 0 1 八八八；aaa ji 呐l |；、 图2 - 1 0 序列整数倍内插 2 2 2 3 分数倍的采样率变换 上述分析的整数倍抽取和内插，实际上是采样率变换的一种特殊情况，即整 数倍变换的情况。但在真正的工程应用中，往往会遇到非整数倍即比值为有理数 的变换情况。例如原来的抽样率为2 m h z 的信号，要变成3 6 m h z 的信号，可以先 将信号进行i = 9 倍的插值转换为抽样率为1 8 m h z 的信号，再进行d = 5 倍的抽取， 得到3 6 m h z 的信号。分数倍采样率变换一般都是先进行内插再抽取。因为如果 先进行抽取，信号的数据点会减少，会产生信息丢失，并且可能产生频谱混叠， 因此必须内插在前，抽取在后，以确保中间序列的基带谱宽度不小于原始信号频 谱的基带谱宽度，防止引起信号的失真。 2 2 3 多相滤波结构 上述详细介绍了多速率信号处理中的两个基本概念，即理想的抽取和内插， 也给出了实现抽取和内插的结构模型，但这在实际应用实现中是有一定困难的， 1 7 t d s c d m a 频点拉远系统的f p g a 设计与实现 这主要表现在抽取器模型中的滤波器是在抽取实现也就是降速前完成低通滤波 的，而内插器中的滤波器是在内插后也即提速后进行滤波的，所以，无论抽取器 还是内插器其抗混叠数字滤波都是在高采样率条件下完成的，这就大大增加了对 运算速度的要求，给实时信号的处理带来了很大的困难。根据信号与系统分析中 z 变换的性质可以得出有利于实时信号处理的多相滤波结构。 假设数字滤波器( 比如抽取、内插器中的低通滤波器) 的冲激响应为办( 甩) ， 则其z 变换为( z ) 定义为： 日( z ) = 办( 挖) z 叫 ( 2 7 ) 将式( 2 7 ) 展开可得： h ( z ) = + 办( 一d ) z d + h i 一( d 1 ) 】z d 一1 + + 厅( 一1 ) z 一1 + 办( o ) z o + 办( 1 ) z 一1 + + 忌( d ) z d + 办( d + 1 ) z 一d “+ = + 乃( 一d ) z d + 办( o ) z o + 办( d ) z d + 办( 2 d ) z 一2 d + + h i 一( d + 1 ) 】z d + 1 + 办( 1 ) z 一+ 厅( d + 1 ) z 一d + 1 + 办【2 ( d + 1 ) 】z 一2 d + 1 + + 办卜( 2 d 1 ) 】z 2 d 一1 + 办 ( d 一1 ) z 一d 一1 + 力 ( 2 d 一1 ) z 一2 d 一1 + d l + = z - r h ( n d + k ) 旷帕 k = oi