（通信与信息系统专业论文）dmrdpmr数字端机中频基带模块的设计与实现.pdf

摘要 嘲 d i g i t a lm o b i l er a d i o ( d m r ) 和d i g i t a lp f i v a t em o b i l er a d i o ( d p m r ) 是欧洲电信标 准协会( e t s i ) 分别于2 0 0 5 和2 0 0 6 年开始提出的最新的全球性开放式数字无线电 标准。d m r 采用4 f s k 调制方式，t d m a 双时隙结构，其频谱效率高，结构简单， 且支持从直通模式到集群通信的多层次应用。由于采用时分多址方式，d m r 系统 对频率调制解调的线性度、稳定性和反应时间都有很高的要求，而在传统的模拟 调频中晶振和l c 滤波器等器件反应时间较长，以及鉴频器的稳定性和线性度不足 等，容易成为制约时分系统性能的软肋。本文以软件无线电技术为基础，提出并 实现了一种d m r 端机的数字中频模块，它采用数字中频结构，可以在数字电路中 实现完整的4 f s k 调制解调，提高了频率调制解调的精确度和反应时间，简化了射 频电路设计。 d p m r 协议采用f d m a 多址方式，信道间隔为6 2 5 k h z ，相比于当前窄带标 准普遍的1 2 5 k h z 信道，它提供了翻倍的频率利用率。本文在实验室第一版d m r 端机基带模块的基础上进行了改进，并在该硬件平台上实现了d p m r 协议的对讲 机通信。 。 本文首先介绍了d m r d p m r 标准的主要技术特点，阐述了数字中频处理技术 的基本原理；其次详细阐述了中频模块整体方案的设计，并以f p g a 和d s p 为主 要芯片进行了中频模块电路板的设计；然后对电路板进行了详细的功能和电气测 试；接下来在f p g a 上实现了数字上变频模块，主要包括了数字内插滤波和数控 振荡器的设计和实现。测试结果表明中频电路板满足系统要求，上变频模块能够 正常工作。最后，文章介绍了d p m r 协议的对讲机通信实现。 关键词：d m r 数字中频f p g a 数字上变频d p m r a b s t r a c t d i g i t a lm o b i l er a d i o ( d m r ) a n dd i g i t a lp r i v a t em o b i l er a d i o ( d p m r ) a r et h e l a t e s t g l o b a lo p e n s t a n d a r d sf o r d i g i t a l r a d i o d e v e l o p e db y t h e e u r o p e t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e ( e t s i ) i n2 0 0 5a n d2 0 0 6 e m p l o y i n g4 f s k m o d u l a t i o na n dt d m a2 - s l o ts t r u c t u r e ，d m rh a sh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c ya n ds i m p l e i m p l e m e n t a t i o ns t r u c t u r e d m rs u p p o r tm u l t i l a y e ra p p l i c a t i o n s f r o md i r e c tm o d e c o m m u n i c a t i o nt ot n m k e ds y s t e m t h el o n gr e s p o n s et i m eo ft h eo s c i l l a t o ra n dl cf i l t e r , c o u p l e d 、析t l ll o ws t a b i l i t ya n dl i n e a r i t yo ff r e q u e n c yd e t e c t o ri nt r a d i t i o n a la n a l o gf m m o d u l a t i o nr e s t r i c t st h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i s l o ts y s t e ms u c ha sd m r b a s eo n s o f t w a r ed e f i n e dr a d i ot e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da n di m p l e m e n t sak i n do f d i g i t a li fm o d u l ef o rd m r t e r m i n a l t h i sm o d u l ec a ni m p r o v et h ea c c u r a c ya n d r e s p o n s et i m e 、析t hi t sd i g i t a lf r e q u e n c ym o d u l a t i o nd e s i g n d p m rs t a n d a r de m p l o y sf d m as t r u c t u r e w i t hi t sc h a n n e lb a n d w i d t ha s6 2 5 k h z ， d p m rh a sd o u b l eb a n d w i d t he f f i c i e n c yo fc u r r e n tg e n e r a l1 2 5 k h zn a r r o w - b a n d s y s t e m t h i sp a p e ri m p r o v e st h ef i r s te d i t i o no fd m r b a s e b a n dm o d u l ea n di m p l e n t s d p m r i n t e r p h o n eo ni t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h em a i nt e c h n i c a lc h a r a c t e r so fd m r d p m rs t a n d a r d s a n db a s i cp r i n c i p l e so fd i g i t a li fs i g n a lp r o c e s s i n g t h e ni te l a b o r a t e st h eo v e r a l li f m o d u l ed e s i g na n dt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n 、析mf p g aa n dd s pa sm a i n p r o c e s s i n gc h i p s l a t e rt h eh a r d w a r ec i r c u i ti st e s t e da n dt h ed i g i t a lu pc o n v e r s i o n ( d u c ) m o d u l ei sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nf p g a w i t l lh d l l a n g u a g e t h ed u c m o d u l em a i n l yc o n s i s t so fi n t e r p o l a t i o nf i l t e ra n dn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( n c o ) t e s tr e s u l t ss h o w st h ei fb o a r dm e e ts y s t e md e s i r ea n dt h eu pc o n v e r s i o n m o d u l ec a nw o r k f i n a l l yt h ed p m r i n t e r p h o n ei m p l e m e n t a t i o ni si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：d m rd i g i t a li f f p g a d i g i t a lu pc o n v e r s i o n d p m r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字集群通信系统的发展 数字无线通信系统从服务范围上说可以分为数字公用无线通信系统和数字专 用无线通信系统。数字专用无线通信系统主要以数字集群无线通信系统为代表。 集群通信系统是一种专用调度通信系统，其所有用户共享全部可用信道。上世纪 九十年代，m o t o r o l a 率先提出了世界上最早的数字集群系统( m i r s ) ，标志着集群 通信进入了数字时代。与模拟集群相比，数字集群功能更强，既可以提供话音、 短数据业务，还可以提供文字、数据、图像等业务；采用话音插空以及数字信号 处理技术和多址技术，数字集群具有频谱利用率高、系统容量大、抗干扰能力强、 话音质量好、数字加密容易可靠、保密性好等优点。 数字集群通信系统是指在各个环节都要进行数字化处理，包括话音编码、信 道编码、调制技术、数字信令和多址方式等，这需要采用一些新技术来支持，如 同步技术、分集技术等。1 9 9 8 年国际电联( i t u ) 经过审核推荐了七种数字集群通 信系统和体制，分别为t e t r a 、a p o c 2 5 、i d r a 、d i m r s 、t e t 黜婶o l 、e d a c s 和f h m a 标准。我国信息产业部于2 0 0 0 年1 2 月2 8 日发布了我国的数字集群通 信系统体制电子行业推荐性标准，确定了两种数字集群移动通信标准，即i d e n 标准和t e t r a 标准。2 0 0 4 年，我国自主研发的数字集群移动通信标准g o t a 和 g t 8 0 0 也通过了专家鉴定委员会的审核，成为我国推荐的数字集群移动通信标准。 如此，目前我国现有数字集群标准有四个：欧洲的t e t r a ，美国的i d e n ，以及我国 中兴和华为公司的g o t a 和g t 8 0 0 i i j 。 d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 数字对讲机集群通信标准是e t s i ( 欧洲电信标 准协会) 为了满足欧洲各国的中低端专业及商业用户对移动通信的需要而制订的 开放性标准。d m r 标准于2 0 0 5 年推出，在2 0 0 7 年得到完善。e t s i 发布的d m r 标准包含了四个协议文件e t s it s1 0 23 6 1l 4 ，分别规定了d m r 标准三个层次的 应用。d m r 标准规定的是一个可升级的系统：其第一阶段实现为没有获得许可证 的个人对讲机业务；第二阶段实现为专业应用市场提供直通或转发模式的通信； 第三阶段应用是数字集群系统1 2 】。d m r 标准发布后，一些国际领先的无线设备生 产商联合签署了d m r 开发备忘录，后又成立了d m r 协会( d m ra s s o c i m i o n ) 。 该协会成立后致力于将d m r 标准应用提升至新的水平。目前，已经有数家无线设 备生产商宣布成功的开发d m r 系统，并在世界各地有成功的应用案例。 d p m r ( d i g i t a lp r i v a t em o b i l er a d i o ) 也是e t s i 组织发布的数字对讲机标准。 这个标准的提出晚于d m r 标准，e t s i 于2 0 0 6 年发布此标准的初始版本，最初的 2 d m r d p m r 数字端机中频，基带模块的设计与实现 应用是单纯的端对端数字专用移动通信( p e e r - t o p e e rd i g i t a lp r i v a t em o b i l er a d i o ) ， 后来又提出更高阶段的应用，目前此标准的集群系统标准文件还在制定中。到2 0 1 0 年d p m r 标准已完成的标准文件有e t s it s10 24 9 0 ( p e e r - t o p e e rd i g i t a lp r i v a t e m o b i l er a d i ou s i n gf d m a 谢mac h a n n e ls p a c i n go f6 ，2 5k h zw i t he r p o fu pt o5 0 0 m w ) 和e t s it s10 26 5 8 ( d i g i t a lp r i v a t em o b i l er a d i o ( d p m r ) u s i n gf d m aw i t ha c h a n n e ls p a c i n go f 6 ，2 5k h z ) 等。类似于d m r 标准，e t s i 也为d p m r 标准设计了 三层不同阶段的应用：无基站的直通通信、单基站的常规通信以及集群通信系统。 d p m r 标准的核心是以真正低成本方式，为用户提供最佳的通信需求解决方案。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于西安电子科技大学信息科学研究所与某公司合作开发的 d m r d p m r 数字对讲机项目。此项目着眼于开发基于d m r d p m r 协议的可以商 用的数字对讲机。目前实验室已经完成了第一版d m r 端机板的设计和开发。该设 计能完好地实现对讲机的语音单工通信。该方案的d m r 端机由基带模块和射频模 块组成，4 f s k 调制与解调由两个模块共同完成。在发送端，麦克风输入的语音信 号首先在基带模块进行模数转换、组帧、映射、成形滤波和数模转换，生成四电 平基带信号，再由射频模块对该基带信号进行频率调制后，进行混频、滤波、放 大等处理，最后送给天线进行发射；在接收端，从天线接收到的射频信号首先在 射频模块进行混频、滤波后鉴频输出基带信号，基带模块再将其转换成语音信号 送给耳机。在这个方案中，4 f s k 调制的映射和符号成形在基带模块完成，频率调 制和解调在射频模块完成。由于d m r 协议采用时分多址方式，这就对射频模块频 率调制解调的线性度、稳定性和反应时间都有很高的要求。而在射频模块中晶振 和l c 滤波器等器件反应时间较长，鉴频器的稳定性和线性度不足，容易成为制约 时分系统性能的软肋。因此第一版端机的设计在进行d m r 双工通信时效果不佳， 信号质量较差。 为了解决上述问题，本文提出了一种新的d m r 数字端机方案，对信号进行完 全数字调制解调，射频前端只进行混频。新方案的端机包括中频模块和射频前端。 在发送端，中频模块完成语音信号的模数转换、组帧映射、成形滤波、4 f s k 调制 和上变频，并对数字中频信号进行数模转换送给射频前端；射频前端通过混频和 滤波送给天线发送出去。在接收端，中频模块对经过模数转换的射频前端送来的 中频信号进行数字混频、解调、拆帧最后转换成语音信号送给耳机；射频前端对 射频信号进行混频、滤波和放大输出中频信号给中频板。 d p m r 端机基带模块在第一版d m r 端机基带模块的基础上进行改进设计完 成，并在此硬件平台上实现了d p m r 的点对点通信。 第一章绪论 1 3 文章结构及主要内容 本文介绍了d m r d p m r 数字端机的中频基带模块的硬件设计及开发，首先 介绍了d m r d p m r 协议和相关理论，之后详细阐述了d m r 中频模块的硬件设计 方案和实现，然后对该中频板的硬件开发进行了详细介绍；最后介绍了d p m r 板 的改版和实现。 本文主要内容如下： 第二章介绍了d m r d p m r 协议和数字中频信号处理技术基础。 第三章阐述了d m r 数字端机中频模块的硬件设计，从方案设计、芯片选型、 功能模块设计、接口电路和p c b 设计等几个方面进行了详细介绍。 第四章给出了d m r 中频模块的功能调试结果，主要包括了电源、时钟、复位、 f p g a 、数模转换等模块的测试结果。 第五章阐述了数字上变频在f p g a 中的实现，分别详细介绍了成形滤波、插 值滤波、数控振荡器和相位调制等几个模块的设计。 第六章介绍了对d p m r 端机基带模块的设计，以及在该硬件平台上d p m r 对 讲机通信的实现。 第七章总结了本文的工作，并指出了进一步研究的方向。 4 d m r d p m r 数字端机中频基带模块的设计与实现 第二章d m r 数字中频实现技术分析 5 第二章d m r 数字中频实现技术分析 2 1 1d m r 协议栈 2 1d m r 协议简介 d m r 协议以图2 1 所示的分层结构为模型阐述了不同层次的技术细节。 怦叫档制信自 啊i jh ，a = l ，i p j i 一数据包业务 1r + 第三层 呼叫控制层 1 数据链路层 i 第二层 l 物理层 l 第一层 图2 1d m r 协议分层 图2 1 中第一层为物理层。它对物理信道上传输的比特流进行处理。这层包括 以下功能：调制解调、收发转换、射频信号参数定义、比特和符号的定义、同步、 突发的形成等。 图2 1 中的第二层为数据链路层。它处理多用户的媒介共享。在这一层，d m r 协议的分层结构被分成用户面和控制面，前者传输没有寻址能力的信息( 如语音 和数据流) ，后者进行信令控制。这层的主要功能包括信道编解码、确认和重传 机制、流量控制和信道管理、组帧和同步、突发和参数定义、链路寻址、数据承 载业务、与物理层的语音编解码器的接口和与呼叫控制层进行的信令与用户数据 的交换等。 图2 1 中的第三层为呼叫控制层。它只存在于用户面中，主要进行呼叫控制， 向上提供d l v l r 的各种业务。主要实现包括基站激活和休眠，呼叫的发起、保持和 终止，单呼和组呼的发送与接收，目的地寻址，通知传输控制和数据传输控制等 功能【2 l o 2 1 2d l v l r 协议的时隙结构 d m r 协议采用双时隙时分多址方式， 一个时隙为一个突发，每个时隙长3 0 m s ， 每6 0 m s 为一帧，每帧分为两个时隙。 两个时隙可以独立传输不同的呼叫。其 6 d m r d p m r 数字端机中频基带模块的设计与实现 帧结构如图2 2 所示【2 】。 1 010b-一 时间 ： s l o tlc e n t e r s l o t2c e n t e ri 型坐j 一。塑生一 匦l + 。+ 一兰墅三一卜塑! 曼垡坐一 图2 2d m r 帧结构图 协议中规定了两种突发类型：常规突发和反向信道突发。反向信道突发仅用 于上行链路。d m r 协议规定了三种反向信道，前两种用于下行链路，即内嵌反向 信道( e m b e d d e do u t b o u n dr e v e r s ec h a n n e l ) 和专用反向信道( d e d i c a t e do u t b o u n d r e v e r s ec h a n n e l ) ；第三种用于上行链路，即独立反向信道( s t a n d a l o n ei n b o u n d r e v e r s ec h a n n e l ) 。上面提到的反向信道突发是用于独立反向信道的，持续时间为 1 5 m s 。 常规突发持续时间3 0 m s ，其中2 7 5 m s 用于承载2 6 4 比特的信息，剩下的2 5 m s 在上行链路和下行链路中作用不同。在上行链路中，这2 5 m s 用来作为时隙间的保 护时间，保证一定的信号功率衰落增长延时和传播延时。在下行链路中，这2 5 m s 用于c a c h 信道( c o m m o na n n o u n c e m e n tc h a n n e l ) ，这个信道传输t d m a 帧编 号、信道接入指示和低速信令。 常规突发可以承载语音、数据和控制信息，且在承载不同的数据类型时有不 同的突发结构。语音突发的一般格式如图2 3 所示，每帧承载的语音信息为2 1 6 b i t ， 分布在帧的两边；中间4 8 b i t 为同步码或者嵌入式信令。d m r 协议规定语音编码 速率为3 6 k b s ，这样每个突发的语音域可以承载6 0 m s 的压缩语音信息。 图2 3 语音突发的一般格式 信令和数据突发的一般格式如图2 4 所示，其承载的有效信息为两个9 8 比特 的数据域，分布在帧的两边；中间是4 8 比特的同步码或嵌入式信令，以及用于确 第二章d m r 数字中频实现技术分析 7 定数据和时隙类型的两个1 0 比特信息域。协议规定对不同的信令采用不同的编码 方式。各种信令的具体含义是根据2 0 比特的时隙类型域来区分的。 图2 4 数据突发的一般格式 语音信息在d m r 系统中以超帧格式传输，结构如图2 5 所示。每个超帧包含 6 个帧，各帧依次以字母“a ”到“f ”标识。a 帧标志着该超帧的开始，它的中 间含有一段语音类型的同步信息域。在语音信息传输过程中，完整的t d m a 超帧 以3 6 0 m s 为周期不断重复，若发送结束时的语音信息长度不能构成一个超帧结构， 协议规定延长语音信息长度，组成完整的超帧进行传输后，发送语音结束帧。语 音信息传输的初始化在传统系统和集群系统中有所不同。在传统系统中，语音传 输的开始必须以一个语音控制开始信令( l c 头) 为标志，而集群系统中这个开始 帧则不是必需的。此外，在超帧开始传输之前，还有可能有一个隐私权限指示帧 ( p i 帧) ，这个并不是必需的，它跟系统的隐私级别及权限有关。图2 5 中所示前 面的l c 头和p i 头帧都属于控制信令，并不传递语音信号( 但是包含语音信息的 信源和信宿地址) 2 1 。 囝图囝囵囝囝图圈囝 塑堕三! 鱼塑! 一 2 1 3d m r 协议的调制方式 图2 5 语音超帧结构 d m r 协议采用4 f s k 调制，调制时每秒发送4 8 0 0 个符号，其中每个符号携带 两比特的信息。最大频偏d 定义如下： d = 3 h 2 t 式( 2 1 ) h 代表每个特殊调制的频偏系数，定义为0 2 7 ；t 代表符号周期，为0 4 8 0 0 ) s 。 根据式( 2 1 ) 可计算出最大频偏d 为1 9 4 4 k h z 。 表2 1 列出了特定符号与频偏的对应关系。 8 d m r d p m r 数字端机中频基带模块的设计与实现 不。 表2 1 符号与4 f s k 频偏的映射 比特序列 码元4 f s k 频偏 比特l比特0 01+ 3+ 1 9 4 4 k h z 00+ l+ 0 6 4 8 k h z lo10 6 4 8 k h z 1131 9 4 4 k h z 4 f s k 调制器由一个平方根升余弦滤波器和一个频率调制器组成，如图2 6 所 图2 6d m r 的4 f s k 调制 2 2d p m r 协议简介 d p m r 标准规定端机工作在4 4 0 - 4 7 0 m h z 频段，信道间隔为6 2 5 k h z ，采用 f d m a 多址方式和4 f s k 调制方式。协议还规定了语音编码的速率为3 6 0 0 b i t s ， 并详细规定了传输帧的结构及传输流程3 4 1 。 d p m r 规定信道上所有的传输都是异步的，支持半双工语音通信和单工数据通 信。图2 7 例示了一次典型的单工语音呼叫。 端机a端机b 图2 7d p m r 的单工语音通信 第二章d m r 数字中频实现技术分析 9 从图中可以看出，d p m r 的单工语音通信可以分为三个阶段：呼叫发起阶段， 发端发出连续的h e a d e r 和e n d 帧，并等待收端回复a c k ；呼叫持续阶段，发端以 h e a d e r 帧为开头，以超帧结构连续发送语音信息；呼叫结束阶段，发端连续发送 两对h + e 帧提示收端呼叫结束。 2 2 1d p m r 协议的帧结构 d p m r 的传输以8 0 m s 的载荷帧为基础，一个载荷帧包括3 8 4 b i t ，格式如图2 8 所示。 图2 8 载荷帧格式 其中各个域的内容如下所示： a ：2 4 b i t 的帧同步码或色码 b ：7 2 b i t 的信道控制信息( c c h ) c f - 分别为7 2 b i t 的有效信息( t c h ) 四个载荷帧组成一个超帧，结构如图2 9 所示： 图2 9 超帧格式 h e a d e r 帧的格式如图2 1 0 所示： 图2 1 0h e a d e r 帧格式 其中p 为7 2 b i t 的前导域，f s l 是4 8 b i t 的同步码，h 1 0 和h 1 1 分别为两个1 2 0 b i t 的头信息域，c c 为2 4 b i t 的色码域。 e n d 帧只有9 6 b i t ，其帧格式如图2 1 1 所示： 图2 1 1e n d 帧格式 其中f s 3 为2 4 b i t 的同步码，e n d 为7 2 b i t 的信息域。 2 2 2d p m r 协议的调制方式 d p m r 协议采用4 f s k 调制，调制时每秒发送2 4 0 0 个符号，其中每个符号携 带两比特的信息。最大频偏d 如式( 2 1 ) 所示，其中频偏系数h 为0 2 9 ，符号周 期t 为( 1 2 4 0 0 ) s 。根据式( 2 - 1 ) 可计算出最大频偏d 为1 0 5 k h z 。 表2 2 列出了特定符号与频偏的对应关系。 1 0 d m r d p m r 数字端机中频，基带模块的设计与实现 表2 2d p m r 协议中符号与4 f s k 频偏的映射 比特序列 码元4 f s k 频偏 比特1比特0 0l+ 3+ 1 0 5 k h z 00+ 1+ 0 3 5 k h z 1o10 3 5 k h z l131 0 5 k h z 4 f s k 调制器的结构与图2 6 所示d m r 的4 f s k 调制器结构相似，只是其中 成形滤波和f m 调制的参数不一样。 2 3 数字中频信号处理技术 2 3 1 数字中频基本结构 采用数字中频方式实现d m r 端机，端机的结构主要包括：射频处理前端、模 数和数模转换器、上变频( d u c ) 和下变频( d d c ) 模块以及基带信号处理部分。 本文提出的数字中频方式的d m r 端机结构如图2 1 2 所示。 i 刊上变频h 数一模转换曲 射 频 刖 刮下变频f h 模一数转换芦 端 图2 1 2 数字中频方案的d m r 端机结构 对于接收机，射频前端的主要功能是将天线接收到的射频信号搬移到中频； 模数转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号；图2 1 2 中的下变频模块要完成 以下功能：一是将数字中频信号下变频到零中频信号，二是将满足带宽采样定理 的高速率采样信号降低为低速率采样信号，三是对接收信号进行频率解调，最后 送给基带处理部分。 对于发射机，射频前端把中频信号搬移到射频送给天线进行发射；数模转换 器将数字中频信号转换为模拟中频信号；中频数字化部分完成以下功能：将零中 频的基带信号上变频到中频，将低速率的数字信号内插为高速率的数字信号，以 及对基带信号进行频率调制。 采用数字中频结构，在中频对模拟信号进行带通采样，将其直接变换到数字 域进行处理，充分发挥了数字电路的功能，简化了射频前端的设计和功能；同时 可以避免同相和正交分量的不一致，提高了调制解调的性能。 第二章d m r 数字中频实现技术分析 2 3 2 多速率信号处理 多速率是指在一个系统中有两个或两个以上的信号抽样速率。抽样率变换是 指将一个信号的抽样率从一个给定的频率f = i t 变换为一个不同的频率 f = i t 。采用多速率技术有时是因为系统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，有时则是为了减小计算工作量。在数字中频结构中， 系统需要以较低的抽样率处理基带信号，以较高的抽样率处理已调信号。抽样率 变换包括抽取、内插和分数倍变换。 a ) 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原始采样序列x 0 ) 每隔( d 1 ) 个数据取一个，形成一 个新序列x d ( m ) ，即： x d ( m ) = x ( m d ) 式( 2 2 ) 式中，d 为正整数。从频域角度看，抽取后信号的频谱( 离散傅氏变换) x d ( p 如) 为抽取前原始序列的频谱x 扣) 经过频移和d 倍展宽后的d 个频谱的叠加和，用 公式表示为： ( p 归) = 上o 芝i = ox e j ( 。n - 2 2 1 ) d 式( 2 - 3 ) 从上式可以看出，如果原始序列频谱x ( p 归) 较宽，它不仅含有小于7 r d 的频 率分量，还含有大于7 r d 的频率分量，那么抽取后的序列就会发生频谱混叠现象， 使得从x n 0 如) 中无法恢复出x ( p 问) 中感兴趣的信号频谱分量。但是如果先用一个 数字滤波器( 滤波器带宽为7 r d ) 对x ( p 归) 进行滤波，保留其中感兴趣的信号频 谱分量( 这里假设感兴趣的频谱分量为】，0 问) ，其频率小于7 g d ) ，然后进行d 倍 抽取，则抽取后的序列频谱彳n ( p 归) 就不会发生混叠，从中可以完整的恢复出 】，( p 扣) ，直观表示如图2 1 3 所示： 1 2 d m t u d p m r 数字端机中频基带模块的设计与实现 图2 1 3 抽取( d - - - 2 ) 前后的频谱结构( 无混叠) 通过上述分析可以得出一个完整的d 倍抽取器结构如图2 1 4 所示。图中 ( p 问) 为带宽小于7 t d 的低通滤波器。但当原始信号的频谱分量x ( e 问) 本身就 小于万d 时，则前置低通滤波器可以省去【5 1 。 厂 厂 x ( e j 。) - 刊h i 2 ( e j 。) _ 刊ld - _ x d ( e j u ) 1 ，一i 一 图2 1 4 完整的抽取器框图 b ) 整数倍内插 所谓整数倍内插是指在两个原始抽样点之间插入( ，一1 ) 个零值，若设原始抽样 序列为x ( n ) ，则内插后的序列x l ( m ) 为： fr 朋、 而( 加) ： x l 了j ，( m ：0 ，垃，l ) 式( 2 3 ) i o ，其他 内插后的信号频谱为原始序列谱经，倍压缩后得到的谱。内插后的序列频谱 z ( e 归) 相对原始序列频谱x ( p 归) ，其结构保持不变，但由于其抽样率提高，倍， 使得互( e 归) 不仅含有x ( p 归) 的基带分量，而且还含有频率大于7 r i 的高频成分 ( 称其为x ( p 归) 的高频镜像) 。为了从五( e 问) 中恢复出原始谱x ( e 问) ，则必须对 内插后的信号进行低通滤波( 滤波器带宽为7 r i ) ，滤波后的序列频谱为】，0 归) 。 一个内插倍数为，的内插器的完整结构如图2 1 5 所示【5 l 。 x ( e j o ) 图2 1 5 完整的内插器结构 x i ( e j u ) 第二章d m r 数字中频实现技术分析 这时的内插序列x l ( m ) 中，原来插入的零值变为x ( n ) 的准确内插值，因此经过 内插原始序列的时域分辨率得到了大大提高。 c ) 取样率的分数倍变换 假设分数倍变换的变换比为： r = d i 式( 2 4 ) 显然分数倍变换可以通过先进行，倍内插再进行d 倍抽取来实现，如图2 1 6 所示。要注意的是必须内插在前，抽取在后，以确保其中间序列s ( 后) 的基带谱宽 度不小于原始输入序列x ( n ) 或输出序列y ( m ) 的基带频谱宽度。否则将会引起信号 失真。 半札互h 夏互p 黔怔互 耐佃 i 一j 。 图2 1 6 抽样速率的分数倍变换 2 3 3 数字滤波器的设计 从上节的讨论已经知道，实现取样率变换( 抽取与内插) 的关键问题是如何 实现抽取前或内插后的数字滤波。对于基带抽取，滤波器办( 厅) 为低通数字滤波器； 对带通信号的“整带”抽取，办) 为带通数字滤波器。总之，无论是抽取还是内 插，或者是取样率的分数倍变换，都需要设计一个满足抽取或内插( 抗混叠) 要 求的数字滤波器。由于数字处理器件的频率限制，要求数字滤波的算法尽量简单。 本节主要介绍两种数字滤波器：半带滤波器和积分梳状滤波器。 a ) 半带滤波器 所谓半带滤波器( h a l f - b a n df i l t e r ) 是指其频率响应日( p 扣) 满足以下关系的 f i r 滤波器： ，2 7 一? 式( 2 - 5 ) 6 c = 6 p = 6 或者说半带滤波器的阻带宽度( ，r 一吼) 与通带宽度( ) 是相等的，且通带阻带波 纹也相等，如图2 1 7 。 1 4 d m r j d p m r 数字端机中频基带模块的设计与实现 图2 1 7 半带滤波器的频率响应 可以证明半带滤波器具有如下性质： h ( e 归) = 1 一h ( e 。”一) h q 鲫、) = 0 5 m ，= ：，恐崽l 式( 2 6 ) 式( 2 7 ) 式( 2 8 ) 也就是说半带滤波器的冲激响应h ( k ) 除了零点不为零外，在其余偶数点全为 零，所以采用半带滤波器来实现取样率变换时，只需一半的计算量，有很高的计 算率，特别适合于进行实时处理。 以2 倍抽取为例，进行2 倍抽取的理想抽取滤波器应满足： 心( 一：j 1 ，悱i i t 式( 2 - 9 ) 【o ，其他 如图2 1 8 ( a ) 所示。而现在的半带滤波器( 如图2 1 8 ( b ) ) 在等吼区间内不 为零，不满足无混叠抽取条件，这势必要产生混叠，如图2 1 8 ( c ) 所示。由图可见， 经2 倍抽取后的信号在2 兀( 对应于抽取前的信号频率为等) 是混叠的，位于 这一频段的信号经2 倍抽取后是无法恢复的。但是我们注意到只要半带滤波器满 足图2 1 8 ( b ) 之特性，抽取后在其通带即0 2 c o c 仍无混叠。或者说采用半带滤波器 进行2 倍抽取后，位于通带内( 0 ) 的信号仍然是可以恢复的( 不会破坏通带内信 号的频谱结构) 。所以就其通带信号而言，完全可以采用半带滤波器进行2 倍抽取， 只需根据抽取前后的抽样速率和信号带宽对、吼进行仔细设计就行了。当抽取 率为2 的幂次方，即d = 2 肘时，可以用m 个半带滤波器完成抽取【5 1 。 第二章d m r 数字中频实现技术分析 h i d t p u ) h ( 分u ) ( b ) 图2 1 8 半带滤波器用作2 倍抽取滤波时的频谱混叠情况 b ) 积分梳状滤波器 所谓积分梳状( c i c ) 滤波器，是指该滤波器的冲激响应具有以下形式： 1 1 ，0 n d 一1 办( 胛) 2 1 孑，其他 式中，d 为c i c 滤波器的阶数。 c i c 滤波器的z 变换为： 日( z ) = 办( 行) z 1 2 河1 ( 1 一z 加) = q ( z ) 马( z ) 式( 2 1 0 ) 式中， ( z ) 专 式( 2 - 1 2 ) 皿( z ) = l - z 加 式( 2 1 3 ) 由式可见，c i c 滤波器由两部分组成，积分器t , ( z ) 和梳状滤波器马( z ) 的级 联。 c i c 滤波器的频率总响应为： 1 6 d m r d p m r 数字端机中频基带模块的设计与实现 h ( e 归) = q ( p 归) 马( e 归) f ，d 、 ：掣 式( 2 1 4 ) s i n f 竺1 s li i l2 以砌( 警) 勋( 詈) c i c 的幅频特性如图2 1 9 所示。单级c i c 滤波器的旁瓣电平是比较大的，只 比主瓣低1 3 4 6 d b ，这意味着阻带衰减很差，一般是难以满足实用要求的。为了降 低旁瓣电平，可以采用多级c i c 滤波器级联的办法来解决。例如，5 级级联c i c 滤波器具有6 7 d b 左右的阻带衰减，基本能满足实际要求。但q 级级联c i c 滤波 器的带内容差也是单级时的q 倍。所以，多级级联虽然能增大阻带衰减，减小混 叠影响，但也会增大带内容差。所以c i c 滤波器的级联数是有限的，不宜太多， 一般以5 阶为限【5 1 。 0 2 3 4 数控振荡器的设计 图2 1 9c i c 滤波器的幅频特性 随着数字通信技术的发展，对传送数据的精度和速率要求越来越高，如何得 到数字可控的高精度的高频载波信号是实现高速数字通信系统必须解决的问题。 而数字控制振荡器( n c o ) 是数字上下变频的必要组成部分，同时也决定了上下 变频器的性能。n c o 的目的是产生一个理想的数字可控的正弦或余弦波样本，如 式( 2 1 5 ) 所示。 跗，= 删( 2 万百a o 刁( 删名3 ，l ) 其中石为输入信号的采样频率，厶为本地振荡频率。n c o 的实现方法有实 时计算法、查表法和c o r d i c 算法等多种。实时计算法的正弦波样本需要实时计 算产生，该方法因其计算需要耗费很多时间只能产生较低频率的正弦波，而且存 在计算精度与计算时间的矛盾。当需要产生高速的正交信号时，实时计算法是无 法实现的。因此在实际应用中一般采用查表法或者c o r d i c 算法实现。c o r d i c 第二章d m r 数字中频实现技术分析 1 7 算法相对查表法能大大节省硬件资源，可以将多种难以用硬件电路直接实现的复 杂运算分解为统一的简单移位、加迭代运算，而且结构规则，运算周期可以预测。 本文的数控振荡器设计采用了c o r d i c 算法，下面对该算法的原理做一介绍。 c o r d i c 算法是一种基于向量旋转的数值计算方法，该算法通过迭代操作来 逼近三角函数及其他一些函数。对于图2 2 0 所示的矢量旋转，设起点坐标为( x ，y ) ， 终点坐标为( 工，y ) ，由三角函数理论得到式( 2 1 6 ) ： j x = x c o $ o _ y s i n 日式( 2 - 1 6 ) 【y = y c o s o + x s i n o 可以写成式( 2 1 7 ) ： 一 l 厂 、, y p ) ， ，烈x ，： l7 图2 2 0 矢量旋转示意图 对于第f 次旋转，令t a n o , = 2 一( i = o ，1 ，2 ，l ) ，则式( 2 - 1 7 ) 可改写为： h = r , l - x , - y , 每2 一 h = kb + 而4 2 一 其中k = c 。sa r c t a n 2 一) 2 胁为幅度畸变因子，4 = 1 ( 当逆时针旋转 时为+ l ，顺时针旋转时为- 1 ) 。因为a r c t a n 2 9 9 9 。，所以我们假设从x 轴开 始旋转，通过足够多的旋转次数后，就可以实现( 一，r 2 ：万2 ) 内的任意角度旋转。 每次旋转之后的实际矢量和目标矢量之间的误差角度如式( 2 1 9 ) ， 乃+ = 刁一t 曩g a r c t a n ( 2 一) 式( 2 1 9 ) 其中z o 为目标矢量角度，若乞 0 ，则4 = + l ，若乞 o ，则色= - 1 ，即刁来控制 旋转方向。 根据以上原理，在实现时幅度畸变因子k 不作处理，只是在最后对模做一个 ) ) d 9 哳 伽 y x 一 + p p | 宝 | 宝 = = x y ，、l 1 8d m r d p m r 数字端机中频基带模块的设计与实现 矫正即可，设初始向量+ 矶经n 次角度旋转后得到的向量吒+ 矾。1 1 次旋转迭 代后的结果为： 式( 2 2 0 ) 其中，后= 兀i 干f ，称为模校正因子。对于字长一定的运算，它是一个常 数，当i 很大时，则七= 1 6 4 6 7 。如果令= l k ，y o = o ，则= c o s z o ，儿= s i n z o 。 由上述推导可知，若己知角度z o 和初始向量的x o ，y o ，- ie h 式( 2 2 0 ) 迭代 运算得到角度z o 的余弦值，通常一次迭代会产生一位精度的二进制幅值，只要迭 代次数n 足够大，得到的余弦值就能满足一定的精度【6 】。 咖磊 一 + 螂 啷 ，-i、，-i、) 后 七“叫叫枷 矗磊 第三章d m r 端机基带模块改进硬件平台设计 1 9 第三章d m r 数字中频模块的硬件设计 本章对d m r 数字中频模块的硬件设计和实现做具体的介绍，包括总体电路设 计、芯片选型和接口电路设计，以及p c b 板图的设计实现。本章介绍的中频模块 继承了以前的基带端机板中一些基带处理电路，在文中只简单提及，重点介绍了 中频处理的各单元。 3 1 中频模块总体方案设计 本文提出的d m r 数字中频模块框图如下： 图3 1d m r 中频模块硬件框图 从图中可以看出，本文将d m r 数字中频模块的设计分为中频处理单元与基带 处理单元。中频处理单元要对数据率较高的中频信号进行处理，一般可以选择专 用芯片或通用芯片来进行设计。专用芯片只需进行简单地配置，就可以完成系统 设计中需要的处理功能；其缺点是价格较高，灵活性较差。选择通用芯片如f p g a ，