（通信与信息系统专业论文）b3g射频基带接口的设计.pdf

摘要 摘要 在b 3 g 项目( 国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划) 中，电子科技大学负责下行链路设计， 主要是基于现场可编程门阵列( f p g a ) 进行开发。b 3 g 的接收机从射频前端接收到 数据后传输到基带部分，再通过各个数字信号处理模块完成所需要的接收工作。 在射频与基带之间需要一个接口，来协调处理他们之间的运作。 本文讨论的b 3 g 射频基带接口硬件是基于x i l i n xv t r t e x i ip r o v p 7 0 的f p g a 进行开发的。在整个设计中用到了该f p g a 内嵌的p o w e r p c 4 0 5 硬核，这可以极大 的方便整个设计过程。基带射频接口通过s p i 协议来传输射频控制字符；此外还 加入了一个串口控制器，用其完成对射频数据的监控；为了方便b 3 g 射频基带接 口的调试，将c h i p s c o p e t m 核也嵌入到了平台中。 第一章概述了本文的研究背景、课题来源，并介绍了整篇论文的研究方向与 最终成果。 第二章详细介绍了与该接口相关的自动增益控制( a o c ) 、自动频偏控制( a f c ) 、 自动功率控, t j ( a p c ) 的基本原理与其在b 3 g 系统中的要求。同时根据b 3 g 的特点 与实际测试的结果，进行了多方面性能上的改进。 第三章是整个论文的核心，它对整个b 3 g 射频基带接口的设计做了详细的讨 论。整个接口的设计在本章中分成了v e r i l o g 代码部分与p o w e r p c 4 0 5 部分。前者 主要是完成a g c 所需的信号能量累加计算、频偏值的传递等工作，后者则是完成 具体的a g c 、a f c 、a p c 控制字符的计算，并将其发送出去；在整个p o w e r p c 部 分还加入了一个r s 2 3 2 模块，可以通过其在电脑上监控信号的参数指标。此外在 整个设计中还有一个c h i p s c o p e 模块，它可以方便的监控p o w e r p c 总线上的数据 传输，从而排除设计中的错误。 第四章是在外场对整个系统做测试的结果。本论文重点突出了射频基带接口 的性能结果。通过多方面的反复测试，性能完全达到了所要求的指标。 最后，第六章对全文进行了概括性总结，明确了下一步有待进行的工作和未来的 一些研究方向。 关键词；自动增益控制，自动频偏控制，自动功率控制，串行接口 a b s t r a c t a b s t r a c t u e s t ci si nc h a r g eo ft h ed o w n l i n ko ft h eb 3 gp r o j e c tt h a tb a s e so nf p g a ，1 l 饥 t h eb 3 gs y s t e mt a k e st h es i g n a l sf r o mr ff r o n t i e r , i ts h o u l dp a s st h e n lt ot h eb a s e b a n d p a r to ft h es y s t e mf o rt h o s ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s s ot h e r es h o u l db ea ni n t e r f a c e b e t w e e nt h er fa n db a s e b a n dw h i c hc o u l dc o r r e s p o n dw i 血e a c ho t h e re a s i l y t h ew h o l ed e s i g no f t h eb 3 gr f b a s e b a n di n t e r f a c ei sb a s e do nt h ef p a go f x i l i n x v i r t e x i ip r ov p 7 0 t h ed e s i g na l s ou s e st h ep o w e r p c 4 0 5h a r d c o r ew h i c he m b e d d e di n t h ef p g a t h i sk i n do fa r r a n g e m e n tc o u l dm a k et h ed e s i g ne a s i e r i nt h ei n t e r f a c e , a l l t h ec o n t r o ls i g n a l sa r ep a s s e dt h r o u g l ls p im o d u l e ，a n dt h i ss p ip a r tt a k e st h ec o r e f u n c t i o no ft h ew h o l ed e s i g n ；t h e r ci sa l s oar s 2 3 2m o d u l ew h i c hc o u l dp a s st h es i g n a l p e r f o r m a n c et ot h ec o m p u t ef o ra n a l y s e c h a p t e r1o ft h ep a p e l h a sa ni n t r o d u c t i o no ft h eb a c k g r o u n do ft h es y s t e ma n d s o m eo r i g i n a ls o b c co ft h er e s e a r c hf i e l d t i l i se h a p t e ra l s od e s c r i b e st h ed i r e c t i o na n d t h ef m i a lf r u i to f m yr e s e a r c h c h a p t e r2d e s c r i b e st h et h e o r yo ft h ea g ca f ca p cw h i c hr e l a t e t ot h e r f b a s e b a n di n t e r r a c ei nd e t a i l t l l i sc h a p t e ra l s om a k es o m ei m p r o v e m e n t so ft h e s e t h e o r i e sb a s e do nt h ep r a c t i c a lt e s tr e s l l l t sa n dt h ec h a r a c t e ro f b 3 gs y s t e m c h a p t e r3i st h ec o r eo ft h ew h o l ep a p e r i tt a k e sad e t a i l e dd i s c u s s t i o no ft h e i m p l e m e n to nt h ef p g af o rt h er f - b a s e b a n di n t e r f a c e t h e r ea r et w op a r t si nt h i s c h a p t e r - - v e r i l o gc o d e sp a r ta n dp o w e r p cp a r t t h ev e r i l o gc e d e sp a r te m p h a s i z e dt h e c a l c u l a t i o no ft h es i g n a le n e r g ya n dt h ep a s so ff r e q u e n c yo f f s e t 1 1 1 ep o w e r p cp a r t e m p h a s i z e dt h ec a l c u l a t i o no f t h ec o n t r o lc h a r a c t e r so f a g c 搔c 湮cw h i c hw o u l d b e p a s s e dt h r o u g hs p ii n t e r f a c et or ff r o n t i e r f o rd e b u g , t l l er $ 2 3 2m o d u l ei sa l s o a d d e di n t ot h ep o w e r p cp a r t t h i sm o d u l ec o u l db eu s e dt om o n i t o tt h ep e r f o r m a n c eo f t h es i g n a l c h a p t e r4 i st h eo u t d o o rt e s t i n gr e s u l to ft h ew h o l es y s t e m o ft h er e s u l t ，t h ep a p e r p u t sm o r ee n e r g yo nt h er f b a s o b a n di n t e r f a c ep a r t t h ef i n i a lc h a p t e rs u m m a r i z e st h ew h o l ed e s i g na n da l s of o r c a s t st h ef u t u r er 骼e a r e h d i r e c t i o n k e y w o r d s ：a g c ，a f c ，a p c ，s p i 图表列表 图表列表 图2 1 典型的反馈式a g c 环路6 图2 2 前馈式a g c 7 图2 3a p c 与a g c 的关系9 图2 4 用s p i 接口来控制射频前端1 0 图2 5a g c 的仿真环路1 5 图2 6 单门限下与过渡区域为2 0 0 时的信号强度1 6 图2 7 过渡区域为3 0 0 与过渡区域为5 0 0 时的信号强度。1 6 图2 8 过渡区域为7 0 0 时的信号强度1 7 图2 9 移动台在上行时隙段发送8 0 b i t 控制值。1 9 图2 1 0 上下行a p c 的控制2 1 图3 1b 3 g 射频一基带接口传输示意图2 2 图3 2x p s 集成开发环境架构示意图2 7 图3 3 接收信号能量计算、累加模块2 9 图3 4v e r i l o g 代码与p o w e r p c 间的连接3 0 图3 5a u r o r a 流模式发送数据时序图3 4 图3 6 a u r o r a 流模式接收数据时序图3 5 图3 7p o w e r p c 硬件整体设计框图3 6 图3 8p o w c r p c 内部的数据流向3 8 图3 9 串口通信连接示意图3 9 图3 1 0 异步通信中的数据帧格式3 9 图3 i ir s 2 3 2 模块整体设计框图4 0 图3 1 2s p i 的主从控制方式：4 1 图3 1 3s p i 模块整体设计框图4 2 图3 1 4c p o l 为1 ，c p h a 为0 时的传输波形4 5 图3 1 5 控制字符计算、发送的全过程4 6 图3 1 6 从设备的典型读写时序4 8 图3 1 7c h i p s c o p e 和计算机连接示意图5 0 图3 1 8p c 端的r s 2 3 2 设置5 l v 图表列表 图3 1 9 超级终端上采集出来的数据5 1 图3 2 0m a t l a b 下的r s 2 3 2 实时监控模块5 2 图4 1 位于上海工程技术大学的外场测试环境5 5 图4 _ 2 掉同步的现象5 6 图4 3 静止在b 点时采集出来的到基带的信号能量5 7 图4 4 从b 点到c 点运动时采集出来的到基带的信号能量5 7 图4 5 从b 点到c 点时a g c 的控制值的变化5 8 表2 - 1s p id a t a 上传输的控制字符格式。1l 表2 2 a p c 、a c , - c 、信号能量与误包间的关系1 3 表2 3 不同过渡区域时的信号方差1 7 表3 - 1r a m 不同地址对应的内容( 读写是相对于v e r i l o g 模块端而言) 3 2 表3 2 a u r o r a 流模式引脚说明3 2 表3 3o p b 总线信号说明表4 7 表3 4b 3 g 测试平台资源占用情况表5 3 表4 1 不同测试点采到的4 路接收天线a g c 均值5 6 v i 缩略语 a d c a f c a g c a _ p c b 3 g b b d c d m a d c m e d a e d k f d m a f p g a g s m j t = a g m a c m g t m h s m d m s s o c m 0 f d m o p b p a o p l b r i s c r f 缩略语 a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r a u t o m a t i cf r e q u e n c y - o f f s e tc o n t r o l a u t o m a i cg a i nc o n t r o l a u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l b e y o n d3 i dg e n e r a t i o n b l a c kb o xd e t i n i t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s d i g i t a lc l o c km a n a g e r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c e m b e d d e dd e v e l o pk i t f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t 硒l e xa c c e s s f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p m u l t i p l y a c c u m u l a t o r m u l t i g i g a b i tt r a n s c e i v e r m i c r o p r o c e s s o rh a r d w a r es p e c i f i c a t i o n m i c r o p r o c e s s o rp e r i p h e r a ld e f i n i t i o n m i c r o p r o c e s s o rs o f t w a r es p e c i f i c a t i o n o n c h i pm e m o r y o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g o n - c h i pp c r i p h e r a lb u s p e r i p h e r a la n a l y z eo r d e r p r o c e s s o rl o c a lb u s r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r r a d i of r e q u e n c y v 模数转换器 自动频偏控制 自动增益控制 自动功率控制 超三代移动通信系统 黑盒定义 码分多址 数字时钟管理器 电子设计自动化 嵌入式开发套件 频分多址 现场可编程门阵列 全球移动系统 联合测试行动小组 乘累加器 多吉比特收发器 微处理器硬件描述 微处理器外设定义 微处理器软件描述 砖上格横器 正交频分复用 片上外围总线 外设分析顺序 处理器局部总线 精简指令集计算机 射频 缩略语 r t l s n r s p i t d d t d m a x m p x p s v c a v h d l w c d m a r e 西s t 盱t r a n s f o r m a t i o nl c v d s i g n a lt on o i s er a t i o s c r i a lp o r ti n t e r f a c e t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s x i l i n xm i c r o p r o c e s s o rp r o j e e t x i l i n xp l a t f o r ms t u d i o v m u ec o n t r o la m p l i f i e r v h s i c ( v e r i yh i g hs p e e di c ) h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 寄存器传输级 信噪比 串行接口 时分双工 时分多址 x i l i n x 微处理器工程 x i l i n x 集成开发平台 值控制放大器 硬件描述语言 w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e宽带码分多址 a c c e s $ v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：2 瑶6 月啪 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：至芝奠导师签名： 日期：z 砷 第一章引言 第一章引言 1 1 移动通信当前的状况 自1 8 9 7 年马可尼发明无线电以来，无线通信从无到有经历了巨大的变化。从 最早期的固定点对固定点单用户通信模式到当前的多用户蜂窝移动通信，从最初 的模拟移动通信到现在广泛流行的数字移动通信，每一次变革都带来了人类生活 方式的巨大变化。特别是进入2 1 世纪后，社会的高速运转更是将人与人间交流的 快捷性与方便性提高到了一个全新的高度，这时移动通信新技术的突破与观念的 更新就对全社会的发展起到了推波助澜的作用。当代移动通信系统已经经历了三 个主要发展阶段，每一代的发展都是一次技术的革命。 第一代模拟系统对应的接入技术是频分多址技术f d m a ，它仅能提供9 6 k b i f f s 通信带宽。第一代移动通信系统在2 0 世纪初开始了商业运营试验。它对移动通信 的最大贡献是使用蜂窝结构，频带可重复利用，实现大区域覆盖：支持移动终端 的漫游和越区切换，实现移动环境下不间断通信。第一代移动通信系统的出现和 发展，最重要的特点是体现在移动性上，这是其他任何通信方式和系统不可替代 的，从而结束了过去无线通信发展过程中时常被其他通信手段替代而处于辅助地 位的历史。 第二代窄带数字系统的接入技术主要有时分多址技术t d m a 和码分多址技术 c d m a 两种，它可以提供9 6 2 8 8 k b i f f s 的传输速率。第二代移动通信系统是目 前广泛使用的数字移动通信系统g s m 及窄带c d m a ( 也叫c d m a o n e 、 i s 9 5 c d m a ) ，数字信号处理技术是其最基本的技术特征，提供了更高的频谱效率 更先进的漫游。它对移动通信发展的重大贡献是使用s i m 卡，轻小手机和大量用 户的网络支撑能力。使用s i m 卡作为移动通信用户个人身份和通信记录的载体， 为移动通信管理、运营和服务带来极大便利。 第三代移动通信技术【1 1 3 g 是英文3 r dg e n e r a t i o n 的缩写，是指将无线通信与国 际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视 频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。 能够提供从9 6 k b i f f s 直至2 m b i f f s 的接入速率。第三代移动通信系统是正在全力投 入开发的系统，其最基本的特征应当是智能信号处理技术，实现基于话音业务为 电子科技大学硕士学位论文 主的多媒体数据通信，更高的频谱效率、更高的服务质量及低成本。实现全球无 线覆盖，真正实现“任何人，在任何地点、任何时间与任何人”都能便利的通信。 然而，第三代移动通信系统并不是真正意义上的个人通信和全球通信，其通 信标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大分支，成员间存在相互兼容 的问题。该系统的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；其支 持的最大传输速率2 m b p s 也还不足以满足未来移动通信发展的需要。因此人们已 经把目光越来越多地投向后三代( b 3 g ：b e y o n d3 g ) 通信系统，该系统可以容纳庞 大的用户数、改善现有通信质量，达到高速数据传输的要求。 1 2f u t u r eb 3 g 项目对系统的要求 b 3 g 移动通信系统【2 】的概念可称为广带( b r o a d b 柚d ) 接入和分布网络，具有非 对称超过2 m b p s 的数据传输能力，对全速移动用户能提供1 5 0 m b p s 的高质量影像 服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线 局域网( w l a n ) 、移动广带系统、互操作的广播网络( 基于地面和卫星系统) 。其广 带无线局域网能与a t m 兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信g 哥( i b c n ) ， 还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。其主要技术要 求是【3 】= 1 ) 传输速度提高，数据传输率远远超过3 g ，从2m b p s 提高到1 0 0m b p s 。 支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实 业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证。 2 ) 以移动数据为主面向i n t e r n c t 大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以移 动电话业务为主设计移动通信网络的传统观念。 3 ) 采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用 可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。 发射功率比现有移动通信系统降低1 0 1 0 0 倍，能够较好地解决电磁干扰问 题。 1 3 本人的主要研究方向与成果 进入2 1 世纪以后，随着第三代移动通信技术的成熟，有关第四代移动通信的 开发也开始起步。我国于2 0 0 2 年正式启动了面向第四代移动通信系统的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 项目，它将与国际上同步发 2 第一章引言 展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来提出后三代或第四代移 动通信标准奠定基础。按目前的进度，该项目已成功完成了两期的任务，其中第 一期主要集中于b 3 g 中一些基本理论的验证与仿真，我校在期间主要负责s i s o 系统的浮点和定点仿真，并提出m i m o 系统的设计方案；在第二阶段中电子科技 大学负责下行链路设计。根据系统需求分析，b 3 g 下行链路采用m i m o + o f d m 的 基本框架，采用t d m a + o f d m a 的多址方式。b 3 g 项目主要是基于现场可编程 门阵列( f p g a , f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r n y ) 进行开发【4 】【5 1 1 6 1 。 本论文的主要目标是完成f u t u r eb 3 g 系统中基带射频接口的设计。其中 主要包括a g c ( a u t o m a t i eg a i nc o n t r o l 自动增益控制) 、a f c ( a u t o m a t i e f r e q u e n c y - o f f s e tc o n t r 0 1 ) 自动频偏控制与a p c 似u t o m a f i ep o w e rc o n t r o l 自动功率控 制) 这三个射频参数的运算与控制。 第一章：引言，回顾了移动通信系统的发展历史，介绍了本文所研究的b 3 g 系统的定义及技术要求，对本文研究工作的课题来源、论文内容进行了概述。 第二章：b 3 g 系统对基带射频接口的要求与原理。基带射频接口所有的 指标要求都在项目合同文档中有所说明，这一章就对其中的每一项要求做了认真 的解释。并对其中所涉及到的a g c 、a f c 与a p c 的基本原理进行了详细的分析。 这可以为后继设计工作的开展带来极大的方便。 第三章：b 3 g 系统对基带一射频接口的设计。这一章是整个论文的核心，本 章在对整个设计过程做详细的分析后提出了一个可行的整体设计方案，同时对如 此设计方法的带来的优越性做出了解释。然后，详细介绍了设计的每一个步骤。 这其中主要包括v e r i l o g 代码【_ 7 】部分和p o w c r p c i 8 】控制部分，前者主要完成信号能 量的估算、频偏值、当前功率控制值的传递；后者主要完成a g c 、a f c 、a p c 最 新控制值的运算。该章节的最后还对整个设计做了电路上的验证。系统工作稳定， 性能良好，证明了该设计的正确性和可行性。最后对设计所占用的硬件资源、系 统的运行速度进行了总结。 第四章：外场测试结果。外场测试是整个系统设计中仅次于电路逻辑设计的 过程。因为在逻辑设计中很多参数无法直接确定，需要在实际测试中才能逐步调 整到最佳位置。本章就对整个测试过程做了详细说明，并对测试过程中一些参数 的调整原理做出了解释。 第五章：总结，对全文进行了概括性的总结，探讨了今后研究的可能方向。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 4 小结 本章首先介绍了移动通信的发展概况。然后详细说明了本项目所要求的各项 指标要求。最后针对本人的设计方向，对整个论文做了统一的规划，介绍了各章 节大致的内容。 4 第二章b 3 g 系统对基带射频接口的要求与原理 第二章b 3 g 系统对基带射频接口的要求与原理 2 1a g c 、a f c 与a p c 的基本原理 2 1 1a g c 的基本原理 a g c ( a u t o m a t i c g a i n c o n t r 0 1 ) 自动增益控制，它的基本作用就是对接收到的信 号进行一定程度的放大，以保证基带处理所需的信号始终处于允许范围内。 在无线环境中，接收到的信号会由于发射功率大小、收发距离远近、传播损 失、多径干扰和多普勒效应而快速的变化；射频前端也可能由于使用年限或温度 方面的原因，给信号电平带来严重的干扰。这就导致数字信号从a d c 采样出来 后，并不一定总是处于理想的强度范围中，信号强度的变化可以从几微伏到几毫 伏，相差几十分贝，以致给后继的基带处理带来很大的麻烦。如果a d c 采样出 来的信号过弱，就会降低信号的信噪比，导致后继数字处理的误码大幅上升；如 果a d c 采样出来的信号过强，就很有可能超出后继数字信号处理模块允许的上 限，造成不必要的溢出，这也会大幅提高信号的误码。因此，在理想情况下，接 收弱信号时，希望接收机有较高的增益；而在接收强信号时，就希望接收机的增 益少一些。这种要求靠人工增益控制来实现是很困难的，必须采用自动增益控制， 使接收机的增益随输入信号的强弱而自动变化，从而使输出信号的强度能始终自 动稳定在一定范围内。另外，为了正确的完成信号的解调，也对信号幅度的波动 有严格的要求。所以自动增益控制就是接收机中不可缺少的辅助电路。 最常见的a g c 采用一个具有增益特征函数g 的压控放大器( v c a ) 来实现【9 1 ， 其中g 是控制信号的函数。a g c 电路可以利用多种方法来确定a g c 环路的信号 强度，包括能量检测与峰值检测。检测器模块会在检测出信号强度后形成一个具 体的判断值，用这个判断值与期望的电压电平或功率进行比较。比较出来的差值 再通过一个传递函数为h ( s ) 的低通环路滤波器，它用来产生压控放大器的增益控 制信号。在最理想的情况下，若输入是一个时变且未知幅度的信号，a g c 电路会 输出一个幅度几乎固定不变的信号。这也就是a g c 最基本的功能：保持输出值 的相对稳定。图3 1 就是一种最常见的a g c 环路，它的计算部分是全数字的，通 常用一块f p g a 或d s p 来实现。这种结构具有极大的灵活性，可以根据具体情况 来更改控制值计算的代码，提高性能。 5 电子科技大学硕士学位论文 ：数字部分： 图2 - 1 典型的反馈式a g c 环路 影响一种a g c 性能的指标主要包括响应时间和门限值。a g c 电路的响应时 间对于维持一个稳定幅度的输出信号是很关键的。响应时间应该足够的小，以便 对快速变化的信号进行跟踪；同时，响应时间在一定程度上又要足够的大，以避 免引入幅度调制。而对于门限值，前面已经提到，当其过小时也就降低了基带信 号的强度，会造成s n r 大幅减小；当其过大时，又会使信号超出后继数字处理允 许的上限，造成溢出。两者都会带来误码的迅速提高，所以如何设置一个合适的 门限对于整体性能会造成很大的影响。在这些方面，数字a g c 的适应性很好。 采用模拟a g c 电路的接收机，在收到幅度短时间内强烈变化的信号时，由于受 a g c 的响应时间和a g c 调整步距的限制，很容易出现输出信号饱和或过小的现 象，难以满足对此有苛刻要求的场合。而数字a g c 则可以通过灵活改变步距的 方法克服这个问题。数字a g c 电路所用的都是数字电路，集成度高，又能克服 模拟电路易受温度变化和电压波动等的影响，所以体积和可靠性等都较模拟a g c 有了很大的提高。 在信号处理领域通常都使用数字a g c ，用它来取代模拟电路是一种趋势，这 是因为相对于模拟a g c 来说数字a g c 有很多优点。首先就是控制精度高。在采 用模拟电路的自动增益控制电路中，如接收机中，典型的a g c 控制范围为6 0 d b 时，控制精度为正负l d b ，而采用图3 - 1 中所示的数字自动增益控制电路中，控 制精度主要由v c a 的精度来决定。这可以为后级电路提供更为理想的条件。此 外模拟电路的每一个环节都会引入累计误差，而数字电路则可以通过信号的再生 6 第二章b 3 g 系统对基带射频接口的要求与原理 消除累计误差，所以a d 转换所在的环节越靠前( 接近高频端) ，越有利于提高系 统的精度。 常见的a g c 电路有三种：反馈式、前馈式、反馈前馈结合式【1 0 i 1 1 1 】。反馈式 是利用反馈回路来达到逐步逼近门限值的目的的，图3 - 1 就是一种最典型的反馈 式a g c 回路，它的精度相当高，广泛用于各种通信、自动化控制领域。但其也 有明显的缺点，就是收敛速度较慢，这是由其反馈环路的本质特性决定的，无法 消除。前馈式a g c 直接将前端来的信号输入到环路中，通过与门限的比较得出 作用于自身的增益倍数。这种方式由于无需像反馈式那样逐渐逼近门限值，因此 收敛的速度更快，但明显准确度不够。图3 2 就是这种a g c 的典型例子。此外还 有一种前馈反馈相结合的a g c ，它同时具备了前馈和反馈两者的优点，可以有较 高的精度，同时收敛的速度也有一定的保证，但它也带来了设计复杂的缺点，在 资源利用紧张的情况下，一般不会考虑这种方法【1 2 】1 1 3 】【1 4 1 。 i i i 一 l i l 一 图2 - 2 前馈式a g c 对于反馈式a g c ，假如采用能量估计的方法，由图3 - 1 可以得出以下表达式： e ( 研) = d 2 ( o 一 ( 2 1 ) c ( m ) = 片( 历) 【d 2 ( f ) 一】( 2 - 2 ) 其中c ( m ) 就是最终传递给v c a 的控制值，h ( m ) 是信号强度变化值到控制值 7 电子科技大学硕士学位论文 间的传递函数。j ( f ) 则是a d c 在某个时刻f 时采样出的信号强度，对其求平方是 为了求信号的能量，再对一段时间做累加实际上是起到了平均化降低突发干扰的 作用。在实际应用时，a d c 出来的数字信号一般同时包含实部和虚部，对其求 平方和才是真正的信号能量。瓯，是参考门限，对这个值的确定极其重要，它直 接影响到了后继部分的性斛1 5 】【16 】【切。 b 3 g 系统中，一帧的长度为5 m s ，也就是说每5 m s 才对射频前端做一次a g c 的控制，而我们用来计算a g c 控制值的x i l i n xv w t e x i ip r ov p 7 0 自身处理速度 极快，所用的系统时钟大约为4 0 m h z ，也就是说处理速度远远大于控制间隔，所 以a g c 对收敛速度并没有特别大的要求，这时就可以采用更注重精度的反馈式 a g c 。事实上，由于要把控制值的计算用数字方法来实现，也就是放到a d c 之 后，这种整体框架也决定了只能使用反馈式a g c 。 2 1 2 a f c 与a p c 的基本原理 a f c ( a u t o m a t i cf r e q u e n c y - o f f s e tc o n t r 0 1 ) 自动频偏控制，这是一个在信号接收 端对频率偏移进行调整的过程。 频率偏移主要是由收发设备中晶体振荡器的不稳定性、信道的多普勒频移引 起的。它会造成o f d m 解调的错误。特别是无线接收设备在作高速运动时，多普 勒效应就更为明显，所以对它的纠正也显得极为重要。事实上，a f c 的调整是一 个和a g c 控制相近的过程，a g c 中出现的信号能量值在a f c 调整过程中就变为 了估算出来的频偏值，a g c 中的门限在a f c 调整过程中就固定下来是0 。当频 偏为正时就反向减小a f c 控制值，当频偏为负时就正向增大a f c 控制值，最终 让频偏始终稳定在0 附近。 。 a p c ( a u t o m a t i ep o w e r c o n t r 0 1 ) 自动功率控制，这是一个控制信号发射功率的 过程。 a p c 控制的是发射信号的功率，而a g c 控制的是接收信号的增益，这是两 者最本质的不同。对于一个移动台来说，a g c 影响到了下行链路接收到能量的大 小。a p c 影响到了上行链路发射的能量的大小；对于一个基站来说，a g c 影响到 了上行链路接收到能量的大小，a p c 影响到了下行链路发射能量的大小。a p c 控 制值与a g c 控制值在一定程度上是相互制约的，如果发射机给出的a p c 值过大， 也就是发射能量过大，那么接收机就不需要很大的a g c 控制值就能满足所需的 接收信号大小；相反，如果发射机给出的a p c 值过大，那就需要在接收机端减小 r 第二章b 3 g 系统对基带射频接口的要求与原理 a g c 来调整信号到合适的范围。 需要注意的是，尽管a p c 与a g c 相互制约，看似无论调整哪一方都可以得 到合适的接收信号强度，但a p c 值过小时，发射能量过小，这时信号经过无线环 境就极易受到干扰，导致信噪比大幅下降。此外由于发射信号过小，这就必须在 接收端施加过大的a g c 控制值，由于射频设备的非线性性等因素，过大的a g c 控制值同样也会造成信号失真。因此，在接收端a g c 允许的范围内，尽量加大 发射端的能量，这样才会带来比较好的性能。 图2 - 3 a p c 与a g c 的关系 2 2b 3 g 系统对基带一射频接口的指标要求 b 3 gt d d 系统要求在2 0 m 的带宽中传输1 0 0 m b p s 的数据，同时能满足要求 的移动速度不低于1 0 0 k m h a 。这就对整个系统的射频设备提出了很高的要求。b 3 g 项目制订组提出了一系列b 3 g 射频设备的指标要求。对于设计基带射频接口来 说，自然也应该满足相应的指标。 b 3 gt d d 系统的数据帧的长度大约为5 m s ，对于移动台来说，上行链路占用 一部分时隙，下行链路占用剩下的一部分时隙，具体的占用时间是由业务类型、 用户数等决定的。对于a g c 的计算来说，就是要利用该下行时隙段来估算出信 号的实际能量，进而得出a g c 的控制值。 根据系统设计的方案，b 3 g 对射频前端的控制是通过s p i 接口来完成的，具 体来说包含了8 根信号线。这8 根线直接从基带板引出，连接到射频前端，控制 射频前端的a g c 、a f c 与a p c 。8 根线包括信号线e n l 、e n 2 、e n 3 、e n 4 、t xr x 、 s p id a t a 、s p ic l k 、s p ie n 。其中e n l 、e n 2 、e n 3 、e n 4 是4 根接收天线 的使能信号，它们起到了开关4 根天线的作用。t xr x 是收发切换信号，是接收 9 电子科技大学硕士学位论文 机端根据同步信号产生的，用于上下行时隙间的切换，它具有周期性，一个周期 也就是前面提到的一个数据帧的长度5 m s 。对于移动台而言，在下行时隙为低电 平。以后所有的计算都要以该收发切换信号为基准来进行。剩下的三根s p ie n 、 s p id a t a 、s p ic l k 是基于s p i 标准的信号线，分别用来传输s p i 使能，a g c 、 a p c 、a f c 控制值，s p i 时钟使能，它们是整个设计最主要的传输线。 r f i 一一一一一 i jl jl j lj 、虽。 。 lj、 i i 受受受 藿 呈 苫 笔 天天天天 l u 蛊 l 受 i n i 线线线线 ri_ u 硝 i i r1r1r、r is p l 接口 a d c 剑1 x i l i n xv i r t e x - i ip r ov p 7 0 、 、 、 图2 4 用s p i 接口来控制射频前端 根据b 3 g 制定的射频控制标准，s p id a t a 上总共要传输1 0 个字节的数据。 其中第一字节为保留字，未使用；第二、四、六、八字节分别为第4 、第3 、第2 、 第1 根天线的a p c 控制值，每一根天线的控制值仅有一字节，用o _ - 2 5 5 来递增 的表示a p c 控制值的大小。第三、第五、第七、第九字节分别为第4 、第3 、第 2 、第1 根天线的a g c 控制值，每一根天线也仅占用一字节，也用o _ _ 2 5 5 来递 增的表示a g c 控制值的大小。在实际使用时射频前端表现出了极为明显的非线 性性，当a g c 控制值低于1 2 5 时，几乎无法起到放大增益作用，也就是说实际 情况中a g c 为1 2 5 与a g c 为0 具有相同的效果；另一方面当a g c 大于1 8 0 以 后射频设备又会出现明显的失真，造成s n r 迅速降低。所以实际有效的a g c 控 制值只是在1 2 5 到1 8 0 之间，在发送到s p id a t a 数据线上之前，可以加上这个 范围限制。 1 0 第二章b 3 g 系统对基带射频接口的要求与原理 表2 - 1s p id a t a 上传输的控制字符格式 字节1 字节2 字节3字节