（通信与信息系统专业论文）wimax系统数字中频模块的研究与设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 w i m a x 作为一种面向无线城域网的宽带接入方案，以其优异的性能和广阔的 市场前景而倍受业界关注。w i a m x 系统中的数字中频处理模块是连接基带信号和 射频信号的桥梁，其功能是对信号进行频谱搬移和速率转换，因此数字中频模块是 w i m a x 系统中重要的组成部分。 本文来源于“基于w a t m 的宽带无线通信技术与设备研制预研项目中一部 分，以软件无线电的设计思想为出发点，以w i m a x 系统为研究背景。在对数字上 下变频技术做深入分析的基础上以设计数字中频模块及实现其功能为目标展开研 究。全文的主要内容有以下几点： 首先，针对目前的软件无线电技术还不能实现信号从射频到基带的直接处理过 程，在w i m a x 系统中采用数字中频化方案。 其次，依据8 0 2 1 6 e 协议及射频与中频之间的接口对数字中频基本参数的选定 进行了详细的分析，并给出了数字中频模块的具体设计方案，针对数字中频的设计 方案及基本参数对其内部主要功能模块器件进行合理选型。 再次，对数字上下变频器g c 5 0 1 6 内部各个模块的结构及功能做了简单介绍， 并以数字下变频为例对g c 5 0 1 6 的应用做了详细的阐述，主要包括各个模块的参数 选定、采用m a t l a b 对f i r 滤波器进行设计、自动增益控制模块的原理分析及其 应用。并结合t i 公司的配置软件g c s t u d i o 对g c 5 0 1 6 内部寄存器进行配置。 最后，基于具体的中频设计方案设计了以g c 5 0 1 6 为核心芯片的数字中频硬件 电路并制出数字中频电路板。通过对数字中频硬件电路板与基带电路板的联合测试 验证了设计的数字中频模块功能的正确性。 关键词：w i m a x ，数字中频，g c 5 0 1 6 ，c i c 滤波器，f i r 滤波器 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a saw i d e b a n da c c e s ss c h e m ef o rw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，w i m a xi s c o n c e r n e db yi n d u s t r yf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n db o a r dm a r k e t t h ed i g i t a li f p r o c e s s i n gm o d u l ei s c o n s i d e r e dab r i d g ef o rc o n n e c t i n gb a s e b a n ds i g n a la n dr f s i g n a li nw i m a xs y s t e ma n di t su s e df o rm o v i n gt h es i g n a l ss p e c t r u ma n dc h a n g i n g t h es i g n a l ss a m p l i n gr a t e s ot h ed i g i t a li fm o d u l ei sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n ti n w i m a x s y s t e m t h et h e s i si s p a r to f t h ea d v a n c e dp r o j e c tn a m e da st h eb r o a d b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n td e v e l o p e do nw a t m ，a n di ti sb a s e do nt h e d e s i g nt h o u g h to ft h es o f t w a r er a d i oa n dt a k e st h ew i m a xs y s t e ma st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d a f t e rat h o r o u g ha n a l y s i so ft h et e c h n o l o g ya b o u tt h ed i g i t a lu pc o n v e r t a n dd i g i t a ld o w nc o n v e r t ，t h et h e s i sl a u n c h e st h er e s e a r c hb yd e s i g n i n gt h ed i g i t a li f m o d u l ea n dr e a l i z i n gi t sf u n c t i o n t h em a i np o i n t so ft h et h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w ： f i r s t l y , i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ec u r r e n ts o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y c a n tr e a l i z et h ed i r e c t l yp r o c e s s i n gf r o mt h er ft ot h eb a s e b a n d ，t h es c h e m eo ft h e d i 酉t a li fi su s e di nw i m a xs y s t e m s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h e8 0 2 1 6 ea g r e e m e n ta n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nr fa n d i f , t h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h ed i g i t a li fa r es e l e c t e db yd e t a i l e da n a l y z i n g t h e nt h e s p e c i f i cd e s i g ns c h e m eo fd i g i t a li fm o d u l ei sa l s og i v e n ，a n dt h ed e v i c et y p e sw h i c h a r et h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e si nd i g i t a li fa r ea l s or e a s o n a b l ys e l e c t e d a g a i n ，t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n so fe a c hm o d u l eo ft h ed i g i t a lu pa n dd o w n c o n v e r t e rg c 5 0 1 6a r es i m p l yi n t r o d u c e d ，a n dt h e nt a k i n gt h ed d ca sa ne x a m p l et o e l a b o r a t et h ea p p l i c a t i o no fg c 5 0 16 i ti sm a i n l yi n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fp a r a m e t e r s ， t h ed e s i g no ff i rf i l t e rw i t hm a t l a b ，t h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no f a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lm o d u l e t h eg c 5 0 1 6i n t e r n a lr e g i s t r a t i o n sa r ec o n f i g u r e db y g c s t u d i ow h i c hi st h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo ft ic o m p a n y f i n a l l y , t h ed i g i t a li fh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do nt h es p e c i f i ci fd e s i g n s c h e m e ，a n dt h eh a r d w a r eb o a r do ft h ed i g i t a li fi sa l s om a d ea n di t sc o r ec h i pi s g c 5 0 1 6 t h ec o r r e c t n e s so ft h ef u n c t i o na b o u tt h ed i g i t a li fm o d u l ei st e s t e dt h r o u g h j o i n t i n gt h ed i g i t a li fa n db a s e b a n dc i r c u i tb o a r d k e y w o r d s ：w i m a x ，d i g i t a li f , g c 5 0 1 6 ，c i cf i l t e r , f i rf i l t e r 重庆邮电大学硕士论文图、表清单 图、表清单 图1 1 采用数字中频的软件无线电系统结构2 图2 1 奈奎斯特采样定理过程6 图2 2 信号的恢复过程7 图2 3 带通信号的频谱7 图2 4 整数倍内插的时域过程( i 一2 ) 9 图2 5 内插过程前后的频谱结构( i 一2 ) 1 0 图2 6 完整的内插器方框图1 0 图2 7 整数倍抽取前后序列( d 一2 ) 1 1 图2 8 与x ( n ) 对应的e ( n ) 和t o ) 序列。1 1 图2 9 整数倍抽取前后频谱结构( d 一2 ) 1 2 图2 1 0 加滤波器无混频时抽取前后的频谱结构( d 一2 ) 1 3 图2 1 1 完整的抽取器方框图1 3 图2 1 2 数字下变频基本框图1 4 图2 1 3n c o 的结构原理图1 5 图2 1 4n 1 8 ，寻址为1 4 位时n c o 输出的本振信号频谱1 6 图2 1 5c i c 滤波器原理框图1 7 图2 1 6 尺一5 ，m 一1 时的m a t l a b 仿真图1 8 图2 1 7c i c 梳状部分和总的幅频特性1 9 图2 1 8 直接型f i r 滤波器结构2 0 图2 1 9 数字中频中f i r 滤波器的直接型结构2 1 图2 2 0 数字中频中f i r 滤波器的高效结构2 1 图2 2 1 数字中频中f i r 滤波器的多相结构2 2 图3 1 收发模式时的数字中频结构框图2 3 图3 2w i m a x 系统数字中频模块的设计方案2 6 图3 3g c 5 0 1 6 内部结构框图( d u c 和d d c ) 2 9 图3 4d a c 5 6 6 2 内部结构框图3 0 图3 5a d s 5 2 3 2 内部结构框图3 2 图3 6 基于专用芯片的数字中频模块设计方案3 3 图4 1g c 5 0 1 6 的a 、b 通道作为d u c 时框图。3 5 图4 2g c 5 0 1 6 的c 、d 通道作为d d c 时框图。3 7 图4 3d u c 模式c i c 滤波器的幅频特性4 0 v 重庆邮电大学硕士论文图、表清单 图4 4c i c 滤波器的通带衰减情况4 1 图4 5f i r 滤波器的幅频特性4 2 图4 6f i r 滤波器与c i c 滤波器级联的幅频特性4 2 图4 7f i r 滤波器与c i c 滤波器级联时通带补偿情况4 3 图4 8f i r 滤波器的信息报告。4 3 图4 9 自动增益控制模块功能框图4 5 图4 1 0g c l 0 1 开发板与g c 5 0 1 6 子板及电脑连接实物图4 6 图4 1 1g c s t u d i o 软件的g c 5 0 1 6 操作窗口4 6 图4 1 2d d c 信号的输入模式配置4 7 图4 1 3d d c 信号的输出模式配置4 7 图4 1 4 混频器的参数配置4 8 图4 1 5c i c 滤波器的参数配置4 8 图4 1 6f i r 滤波器参数配置4 9 图4 1 7g a i n 的参数配置4 9 图4 1 8 一个d d c 通道的基本参数5 0 图4 1 9 时钟同步控制模块参数配置。5 0 图5 1 电源及时钟电路原理图5 2 图5 2g c 5 0 1 6 外围电路原理图5 3 图5 3d a c 和a d c 外围电路原理图5 5 图5 4 中频模块与基带模块的接口电路5 5 图5 5 数字中频测试框图( 上变频) 5 6 图5 6 数字中频测试实物连接5 6 图5 7 基带发送的单音信号( i 、q 两路相同) 5 6 图5 8d a c 输出信号的时域波形5 7 图5 9d a c 输出信号的频谱5 7 图5 1 0 数字中频测试框图( 下变频) 5 8 图5 1 1 射频输出的中频信号5 8 图5 1 2 数字中频下变频时输出信号频谱5 8 图5 1 3 基带、中频、射频联调实物连接5 9 图5 1 4 基带发送的o f d m 信号频谱5 9 图5 1 5d a c 输出的o f d m 信号频谱6 0 图5 1 6 基带接收的o f d m 信号频谱6 0 图5 1 7 超级终端捕捉基带板发送的测试数据6 1 图5 1 8 超级终端捕捉基带板接收的测试数据6 1 重庆邮电大学硕士论文图、表清单 表1o f d m 信号的基本参数2 4 表2 数字上变频的基本参数2 5 表3 数字下变频的基本参数2 6 表4 不同厂商典型的d u c 芯片比较2 7 表5 不同厂商典型的d d c 芯片比较2 8 表6d d c 五种输入模式3 8 表7c i c 滤波器的基本参数。4 0 表8f i r 滤波器的基本参数4 1 v 重庆邮电大学硕士论文 缩略词 w i 嗽 i f r f f i r i p o f d m o f d m a m i m 0 w c d m a c d m l 屹0 0 0 t d s c d m a d a c a d c d s p c i c d d s n c o d u c d d c f p g a h b f r c f g s m s f d r i n l d n l p f i r 缩略词 w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y r a d i of r e q u e n c y f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e i n t e r n e tp r o t o c o l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s2 0 0 0 t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u s c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r n u m e r i c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r d i g i t a lu pc o n v e r t e r d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r h e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y h a l fb a n df i l t e r r a i s e dc o s i n ef i l t e r g l o b a ls y s t e mo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y d i f f e r e n c i a ln o n l i n e r p r o g r a m m a b l ef i r i i 全球互通微波接入 中频 射频 有限冲击响应 网络间互连协议 正交频分复用 正交频分多址 多输入多输出 宽带码分多址 码分多址2 0 0 0 时分同步码分多址 数模转换器 模数转换器 数字信号处理器 级联积分梳状 直接数字频率合成器 数字控制振荡器 数字上变频器 数字下变频器 现场可编程门阵列 半带滤波器 升余弦滤波器 全球移动通信系统 无杂散动态范围 积分非线性 差分非线性 可编程f i r 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1w i m a x 系统的概述 第一章绪论 随着第三代移动通信技术的快速发展及其大规模商用，人们对于通信的需求日 益增加，整个通信技术产业的发展逐渐呈现宽带化、i p 化及无线化等趋势。宽带无 线接入技术作为下一代网络的核心接入技术，越来越受到业界的关注和青睐。而 w i m a x 是一项新兴的宽带无线接入标准，采用o f d m o f d m a 和m i m o 先进技术。 随着这些先进技术的深入研究及其发展，w i m a x 将实现更高容量、更大覆盖范围 并将逐步实现宽带业务的移动化，与3 g 网络共存并互为补充。 w i m a x 的另一个名字是i e e e8 0 2 1 6 ，i e e e8 0 2 1 6 标准已于2 0 0 1 年1 0 月完 成，2 0 0 2 年4 月发布，其标准名称是p a r t1 6 ：a i ri n t e r f a c ef o rf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s ss y s t e m s ，该标准是针对1 0 6 6 g h z 的固定宽带无线接入系统。i e e e8 0 2 1 6 标准系列根据是否支持移动特性，又可以将其分为固定宽带无线接入空中接口标准 和移动宽带无线接入空中接口标准，其中8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 d 属于固定无线 接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动无线接入空中接口标准。i e e e 8 0 2 1 6 e 是以 i e e e 8 0 2 1 6 d 为基础，能够后向兼容8 0 2 1 6 d 的功能，其物理层的实现方式与i e e e 8 0 2 1 6 d 基本一致【。主要差别就是增加了一些支持移动性的相关技术，对o f d m a 进行了扩展，可以支持2 0 4 8 p o i n t 、1 0 2 4 p o i n t 、5 1 2 p o i n t 和1 2 8 p o i n t ，以适应不 同载波带宽的需要。因此，可以将i e e e 8 0 2 1 6 e 看作是8 0 2 1 6 d 的增补方案，它在2 6 g h z 的特许频段内支持低速的移动终端，填补了高速率移动性较差的无线局域网 和高移动性速率较低的蜂窝通信系统之间的空白，为企业和用户提供了对固定和移 动业务的双重支持。 w i m a x 标准在国际电信联盟于2 0 0 7 年1 0 月1 9 日在日内瓦举行的无线通信全 体会议上经过多数国家投票通过，正式被批准成为继w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a 之后的第四个全球3 g 标准。在没被确认为标准之前，w i m a x 组织早已 积极推动各方面力量来制定互通性测试标准，符合w i 幽8 0 2 1 6 协议的固定宽带 无线接入产品在2 0 0 5 年批量上市，工作频段在2 5 3 5 5 8 g h z ，采用基于2 5 6 o f d m 的物理层平台。将w i m a x 标准与需要授权或者免授权的微波设备相结合之后，因 其成本较低，w i m a x 组织将扩大宽带无线市场，逐步改善和提高企业与服务供应 商对其认知度。 w i m a x 因其自身的许多优势在市场上引发了巨大的需求，所以8 0 2 1 6 e 技术从 一出现便成为了业界的焦点。按照i e e e8 0 2 1 6 e 标准设定的目标，其主要特点有1 2 l ： 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 高接入速度。8 0 2 1 6 e 可以后向兼容8 0 2 1 6 d 的功能，因此可以同时支持固定 和移动无线接入，其移动速率可以达到1 2 0 k m h 。 应用于城域范围。因为8 0 2 1 6 e 单基站覆盖范围可达几千米的数量级，其覆 盖范围是无线局域网所不能比拟的。 采用宽带接入方式。w i m a x 因其灵活、低成本成为首选的宽带接入方式， 而且可以应用在很多宽带接入市场。 面向数据业务。8 0 2 1 6 e 标准中基于i p 协议的核心网接入，主要目的是提供 数据接入业务，也可以提供话音业务。 综上所述，基于8 0 2 1 6 e 标准的w i m a x 系统有很大的优势，因此基于这样一 个系统对数字中频模块进行研究和设计有一定的意义。 1 2 数字中频处理技术 数字中频处理模块是软件无线电系统结构中对信号处理的重要组成部分，软件 无线电的概念由j o s e p hm i t o l a 于1 9 9 2 年5 月在美国通信系统会议上首次提出1 3 1 。其 核心思想是建立一个标准化、模块化的通用硬件平台，但其功能的实现却是通过软 件编程来实现，因此提高了系统的可编程灵活性及与其他不同系统间的兼容性【4 1 。 用软件来实现系统功能意味着要减少硬件电路特别是减少模拟电路占整个系统的比 例，所以要求d a c 和a d c 尽可能的靠近天线，即尽早将信号数字化。但越靠近天 线的信号频率就越高，若用基本采样定理对信号进行采样，其采样速率与信号频率 成正比的增长，这就对d a c 和a d c 性能的要求更高。而且高速采样率的数字信号 不可能直接由低速的基带d s p 直接传输至d a c 或由a d c 直接输出给基带处理。因 此接近理想的软件无线电技术的射频低通采样结构和射频带通采样结构目前较难实 现。所以考虑在软件无线电技术中采用数字上下变频技术来连接d a c 或a d c 与基 带，而由数字上下变频、a d c 和d a c 连接而成的整体就是本文研究的数字中频模 块。 图1 1 采用数字中频的软件无线电系统结构 由上述分析可以得出实际可行的如图1 1 所示的软件无线电系统结构，此结构 虽然不是理想的软件无线电结构，但却是目前最可行且最容易实现的。可以看出数 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 字中频模块是连接基带和射频处理模块的桥梁，而其中的数字上下变频模块又是连 接基带和d a c 或a d c 的重要部分，也是本文重点研究的数字中频部分。因此数字 中频处理是软件无线电系统中不可或缺的部分，而且数字中频还具有以下几方面优 点【5 】：第一，数字上下变频几乎可以做到绝对正交，克服了模拟正交调制解调中存 在的i 、q 幅度和相位不平衡、温度漂移和直流偏置等问题；第二，a d c 及d a c 的 可编程芯片的技术发展迅速，处理的信号带宽和速率将逐步增大；第三，数字上下 变频可以根据实际需求改变中心频率，具有可现场编程特性，大大提高了系统的灵 活性。 图1 1 所示的软件无线电系统结构同样也适用于w i m a x 标准的无线通信系统， 由图1 1 可以看出通过数字上下变频处理是对信号进行频谱搬移和速率转换，为前 续射频对模拟信号及后续d s p 对数字信号的进一步处理起到一个搭建桥梁的作用。 因此，采用软件无线电的思想来设计w i m a x 系统数字中频模块会是提高系统性能 和灵活性的较好选择。数字中频处理的核心技术是数字上下交频技术，其中图1 1 中数字上变频的功能是将输入的低速率数字基带信号采用内插原理转换成高速率的 数据信号，并且把数据信号通过数字混频搬移到更高的中频载波频率上。相反，图 1 1 中的数字下变频是将a d c 接收到的宽带高速数据流的信号通过数字混频提取出 所需的数据信号，即下变频为中心频率为o h z 的基带信号，然后采用抽取原理将其 转换成低速的基带信号，便于后续d s p 对基带信号的进一步处理。 1 3 数字上下变频技术的研究现状 数字上下变频技术作为数字中频处理的核心技术，在学术界提出该技术后许多 学者和研究人员开始进行相关理论的深入研究，发表过许多具有代表性的文章。比 如文献【6 】是克劳切尔针对数字上下变频技术中多抽样率数字信号处理的一本专著， 对后面学者的研究提供了有用的理论参考。文献【7 】是较早但很经典的关于数字上下 变频中数字滤波器的研究资料，研究内容是c i c 滤波器实现内插和抽取的原理。文 献 8 1 q 丁t i n e r y 等人首次提出d d s 的概念及其原理，为后面学者和研究人员对n c o 的研究有一定的参考价值。文献f 9 】是杨小牛等人关于软件无线电原理及技术编写的 一本专著，也详细介绍了数字上下变频的原理和运用，因通俗易懂、实用受到国内 很多学者的关注。 除了上述的相关理论研究外，近十年关于数字上下变频功能的产品发展迅速并 已经开始商用，即商用的数字上下变频专用芯片。其中d u c 的典型专用芯片有 i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 2 1 5 、i s l 5 2 1 7 ：a n a l o gd e v i c e s ( 简称a d ) 公司的a d 9 8 5 7 、 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 a d 9 9 5 7 ：t e x a si n s t r u m e n t s ( 简称t i ) 公司的g c 4 1 1 4 、g c 4 1 1 6 、g c 4 0 1 6 、g c 5 0 1 6 、 g c 5 3 1 6 、g c 5 3 1 8 等。d d c 的代表专用芯片i n t e r s i l 公司的h s p 5 0 0 1 6 、h s p 5 0 2 1 4 、 h s p 5 0 2 1 和6 i s l 5 4 1 6 ；a d 公司的a d 6 6 2 0 ，a d 6 6 2 4 ：t l 公司的g c 4 0 1 6 、g c 5 0 1 6 、 g c 5 0 1 8 、g c 5 3 1 6 、g c 5 3 1 8 等。这些数字上下变频器件的结构和算法主要采用多速 率信号处理技术，而且都具有优异的性能参数和较强的功能，因此可以根据实际情 况设计出能满足系统需求的高效实时结构。 目前主要有三种途径实现数字上下变频：基于通用d s p 微处理器；基于 f p g a ：采用商用的可编程专用芯片。采用通用d s p 微处理器，可以高速执行( 纳 秒级) 乘加指令和采用流水作业，而实际应用中输入数据速率一般都不会很低，但 d s p 处理器处理高速数据的能力较低。虽然采用多个d s p 组成并行处理模块可以提 高其处理能力，但总的功耗较大、价格较贵，是目前采用较少的方案。f p g a 具备 现场可编程性，灵活性高，开发周期短等特点，随着f p g a 芯片的迅速发展和更新， 其处理能力和性价比都在不断提高。采用专用芯片实现数字上下变频的功能，因其 具有可编程性，所以可基于软件控制大大提高其灵活性和实用性，而且还具有性能 稳定、内插和抽取比大、功耗小、体积小和使用方便等优点，也是本文采用此方案 实现数字中频模块的原因所在。 1 4 本文的研究重点及章节安排 本文是研究项目“基于w a t m 的宽带无线通信技术与设备研制 的一部分，该 项目的研究目的是基于8 0 2 1 6 e 协议对w i m a x 系统的收发样机的研制。其中就包 括数字中频收发模块的研制，除了项目的研究内容外，本文还具体分析和研究了数 字中频处理及其数字上下变频技术的理论，在理论研究的基础上基于专用可编程芯 片对数字中频的各模块进行研究和设计。以下是本文各个章节的安排： 第一章首先对w i m a x 系统、软件无线电技术及数字中频处理技术做了一个简 单的阐述，再根据本课题目前的研究情况，总结了数字上下变频技术的研究现状。 第二章着重分析了数字中频处理技术所涉及的基本理论。首先对信号采样理论 做了一个简单的原理介绍；然后对多速率信号处理中整数倍内插和抽取原理进行了 有序的推导和分析：再次对数字混频和n c o 进行原理分析，并指出其中存在的问题； 最后是对数字滤波器理论的研究，主要包括c i c 滤波器和f i r 滤波器。 第三章首先根据w i m a x 标准中8 0 2 1 6 e 协议对o f d m 信号的参数要求，并结 合整个w i m a x 系统基带与射频模块的参数需求，列出数字中频的参数要求；然后 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 根据参数要求建立数字中频模块的结构设计方案；最后基于结构设计方案对各模块 进行选型，并给出更具体的物理层设计方案。 第四章重点对数字上下变频内部参数进行分析与设置。首先简单介绍g c 5 0 1 6 内部上下变频结构及功能；然后基于本文的设计要求结合配置软件对g c 5 0 1 6 参数 进行分析和设置，并给出了滤波器的m a t l a b 仿真结果；最后是关于g c 5 0 1 6 内部 寄存器的配置。 第五章基于已选型的专用芯片对数字中频硬件电路的设计及结果测试。主要有 时钟电路、电源电路、d a c 外围电路、a d c 外围电路和g c 5 0 1 6 外围电路设计。在 搭建的硬件平台基础上对整体电路进行测试及与基带和射频的联调测试，验证数字 中频的功能正确性。 第六章对整篇论文进行了概括性的总结，提出论文中存在的不足及今后需要进 一步研究的问题和方向。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章数字中频基本理论 第二章数字中频基本理论 本文绪论中提到在软件无线电系统中尽可能将d a c 和a d c 靠近天线，这对 d a c 、a d c 的性能有很高的要求。为保证原始信号的信息不被丢失，d a c 、a d c 通常都要满足采样定理，在实际应用中，d a c 通常要满足低通采样定理，而a d c 则要满足带通采样定理。所以本章将从采样定理着手分析数字中频处理所涉及的理 论知识，除此之外还包括多速率信号处理中整数倍内插和抽取理论、数字混频的混 频原理和n c o 原理及数字滤波器的相关理论。 2 1 信号采样定理 2 1 1 奈奎斯特采样定理 假设时间连续信号工9 ) 其频带限制在( o 厶) 赫内，要使信号工o ) 被等间隔采样后 能被信号的采样值唯一确定，则其采样速率必须满足无乏2 f h 。这就是低通采样 定理，即奈奎斯特采样定理。 上述奈奎斯特采样定理的过程可用图2 1 来直观表示，从图2 1 的( b ) 图和( f ) 图可以明显看出若以2 厶的采样速率对频带带限信号x o ) 进行等间隔采样，则采 样后信号x a t ) 的频谱t ) 相当于原始信号工o ) 的频谱x ( c o ) 以- n t a , 为间隔进行频移 之后的多个叠加。 x o ) ( e ) c j 嘞0o ) h ( b ) 6 q ) 图2 1 奈奎斯特采样定理过程 6 ) 一 ，o一 重庆邮电大学硕士论文第二章数字中频基本理论 由图2 1 ( f ) 可以看出采样后信号o ) 的频谱t ( 功中各频率成分之间没有出现 混叠现象，虚线框内为原始信号z o ) 的频谱，即( f ) 中包含了x o ) 的全部信息。此时 只需通过一个通带为的理想低通滤波器，就能滤出原始的带限信号戈 ) ，如图2 2 所示： 2 1 2 带通采样定理 j 日( ) 图2 2 信号的恢复过程 本文2 1 节中只是讨论了频带有限的基带连续信号的采样问题，然而在实际无 线通信系统中，传输的信号多数为频带分布于( 五，厶) 上的带通连续型信号，如图2 3 所示。但其本身带宽b 却远小于，或厶，若采用满足奈奎斯特采样定理的采样率 无之2 采样，则采样速率无很高，且不携带信息的频段( o ，无) 也被传输，从频谱利 用率和a d c 的采样速率及价格角度考虑显然不适合。 ji 石【j ) 入八 一 图2 3 带通信号的频谱 文献【1 0 】中将带通信号采样分为厶一，忸和厂n b + k b ( o k 1 ) 两种情况讨 论，其中露取小于厶肛的最大正整数。推导出其频谱不出现混叠现象时对信号等间 隔最低采样速率为： 正。2 b ( 1 + ) 式( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中n 为小于厶归的最大正整数。式( 2 1 ) 只是给出最低采样速率， 并没有给出采样速率具体的范围或实际中取值的考虑因素。所以文献【1 1 】中给出了 通用的采样速率范围，其表达式可表示为： 7 重庆邮电大学硕士论文第二章数字中频基本理论 型旦s ，- s 二，上式( 2 2 ) 刀 。 甩一l 式( 2 2 ) 中万为小于厶b 的正整数，当刀- 1 时为低通采样，刀2 时为带通欠 采样。虽然带通欠采样可以大大降低采样速率，但只取值并非越小越好。若以正 好不产生频谱混叠临界值，即以最低采样速率2 b 对带通信号进行采样，但临界值在 实际应用中却不是最佳选择。因为此种情况对后续滤波器的设计要求非常高，甚至 导致信号不能被重构。所以对于正的选择还要考虑在相邻频谱间留有一定的保护带 宽，由文献【1 1 】可知，珂取值越大，正取值就越小，但余留的带宽也越小，所以在实 际应用中应根据具体参数选择合适的，- 。 值得指出的是，上述带通采样定理可以通用的条件是只允许在其中的一个频带 上存在信号，而不允许在不同频带上同时存在信号，否则在采样后会引起信号混叠。 所以考虑在带通采样前先进行带通滤波，滤出所感兴趣的带通信号，以防止多频带 上存在信号而导致混频，此类型滤波器可称为抗混频滤波器。 2 2 多速率信号处理理论 多速率信号处理技术自2 0 世纪7 0 年代被提出以来，很快的被人们广泛应用于 很多领域系统，最具代表性的有通信系统、天线系统、语音和音频处理系统及雷达 系统中1 1 2 1 。多速率信号处理被广泛应用于许多系统的原因之一是其有极高的计算效 率，因此在某些场合，可以极大地降低计算量，有利于实现信号的实时处理。其中 多速率是指在一个系统中存在着两个不同甚至更多个不同的信号采样速率，所以需 要通过内插和抽取来改变信号的采样速率，以适应数字中频不同模块对信号速率的 不同要求，是数字上下变频技术实现的理论依据。 2 2 1 整数倍内插 假谬2 x ( n ) 是经采样速率正采样后得到抽样序列，若想将x ( n ) 的采样速率提高到 原来的整数倍( 无。玑，为整数) ，则需在x ( n ) 中每两相邻采样点之间插入( ，一1 ) 个抽样值的点，即可以将抽样时间间隔减小为原来的，倍( 即1 f ，) ，这就是所谓的 整数倍内插1 引。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章数字中频基本理论 图2 4 整数倍内插的时域过程( ji l l2 ) 因为插入的( ，一1 ) 个样值并不是已知的，所以可以将整数倍内插过程分为两步分 析，首先是插入【，一1 ) 个零值的点，然后进行低通滤波，目的是平滑插入抽样值的点， 即可以得到，倍内插的结果。为直观理解，可以参考如图2 4 所示，- 2 时的整个内 插过程，假设插入( ，一1 ) 个零值的点后的抽样序列为而o ) ，则而0 ) 可以表示为： 而o ) j x 呼) ，n i o ，“ 2 ， 式( 2 3 ) l o，其他 上述都是基于时域分析内插过程，所以下面从频域分析来理解内插器的作用， 抽样序列工o ) 、而o ) 的傅里叶变换分别为： x ( e 徊) - 罗工0 ) 细 j 晶 式( 2 4 ) 而0 ) 一蔓而o ) e 一扣_ i n 。- - 由于而o ) 除了n 为，的整数倍处为z 例，) 外，在其余值处都为零，所以插入 u 一1 ) 个零值的点后序列而q ) 频谱为： x l ( e j 。 ) - x ( n 1 ) e 一扣。一x ( e 加v ) 一z 扣) 式( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中- q l i l l lq i f 一叫，所以插入( ，一1 ) 个零值的点后0 ) 的频谱 五0 加) 是由x ( n ) 的频谱x ( e 如) 经，倍压缩后得到【1 4 1 。 图2 5 中( a ) 、( b ) 分别为内插( ，一1 ) 个零值的点前后频谱结构，此时i 一2 。图 2 5 ( b ) 是内插过程的第一步，所以还需进行第二步的滤波器平滑。因为此时的 五0 ) 中除了含有基带频率分量外，即川s 万j 区间内的原信号频谱，如图2 5 中 ( a ) 阴影部分所示，在1 0 9 is 石范围内还含