（通信与信息系统专业论文）多载波传输系统收发电路的实现及检测.pdf

摘要 摘要 近年来，移动通信业务在全球范围内发展迅猛。除了通话短信等服务外，人们要求更多的多媒 体服务，能满足无所不在的各种个性化的需求。即将推出的3 g 系统也不能满足未来用户的实际需求， 国内外移动通信领域的专家已经在进行b 3 g 4 6 系统的研究和开发工作。根据国家8 6 3 无线通信 f u t u i l e 计划确定的研究目标，东南大学移动通信国家重点实验室开展下一代移动通信无线传输链路 技术的研究，并开发可以验证基本方案和关键技术的实验验证系统，实现峰值传输速率不低于扣o m b p s 的高效分组数据传输。 本论文首先阐述了研究的背景，对实验验证系统的硬件设计进行了简要的介绍。 接下来论文对实验验证系统的数模转换电路和模数转换电路的工作原理和机制进行了研究， 并且验证了这两个电路的工作性能。 论文对系统单板上不同f p g a 之间的自定义总线的传输进行了设计和测试，设计了两块f p g a 之 间自定义总线传输的接口模块，数据发送模块，比较模块以及错误指示模块，通过单板上的指示灯 就可以了解数据传输的对错。而且通过传输不同速率的数据，检测自定义总线能传输数据的最大速 率。 文章最后对高速数字信号的设计进行了论述，讲述了设计中需要注意的一些问题和方面。 关键词：多载波传输数模一模数转换自定义总线高速数字设计 1 a b s ”a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h ew o r l db e s i d e sp h o n ea n ds h o r t m e s s a g e ，p e o p l en e e dm o r em u l t i m e d i as e r v i c e st h a tc a ns u p p o r ta l lk i n d so fi n d i v i d u a ln e e d se v e r y w h e r e t h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a ti sa b o u tt ob u i l dc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f f u t u r eu s e r s e x p e r t sa r o u n dt h ew o r l di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sf i e l dh a v eb e e n r e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gb 3 9o r4 gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea i mo f 8 6 3f u t u r ep r o j e c to l lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， n a t i o n a c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r yf n c r l ) o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t yi s i n v e s t i g a t i n gm w g e n e r a t i o nw k e l e s st r a n s m i s s i o nl i n kt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p i n gad e m os y s t e mt h a tc a l lv a l i d a t et h eb a s i c s c h e m ea n dk e yt e c h n i c ，a n dr e a c ht h eg o a lo f h i g he f f i c i e n tp a c k e rd a t at r a n s c e i v e rw i t hp e a kd a t ar a t en o t l e s st h a n 蛐m b p si nt h ef i r ep h a s e f i r s t ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c ha n dt h eh a r d w a r ed e s i g no fm u l t i c a r r i e r w a n s c e i v e n t h e n ，t h ea r t i c l ep r e s e n t st h er e s e a r c ho f t h ec i r c u i to f a d ca n dd a c ，a n dt h et e s to f t h ep e r f o r m a n c e o f t h e s c c i r c u i t s t h ea r t i c l ea l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dt e s to ft h eu s e r - d e f m e db u s t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt w o f p g a s t h ea u t h o rd e s i g n st h ei n t e r f a c em o d u l e ，d a t am o d u l e ，c o m p a r i n gm o d u l ea n de r r o r - s h o wm o d u l e w ec m k n o w t h e r e s u l t o f t h ed a m t r a n s f e r b y t h es h o w l i g h t s o n t h e b o a r d a n dk n o w t h e m a x t r a n s m i s s i o n s p e e dm lt h eu s e r - d e f i n e db u sb yt h ed i f f e r e n ts p e e d f i n a l l yt h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e s i g no fh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a l ，e x p a t i a t e st h ed e s i g np r i n c i p l e s o f h i g h s p e e dd i g i t a l k e y w o r d s ：m u l t i c a r r i e r , a d c ，d a c ，u s e r - d e f r e e db u s ，h i g h s p e e dd i g i t a ld e s i g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：篷幽 日期： 四o6 ；膳 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：幽跏签名：盔运日舡逊立f ! 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是在未来对入类生活和社 会发展有重大影响的科学技术领域之一随着移动通信技术和市场的蓬勃旋展，人们对移动系统的 要求也越来越高，而第三代移动通信系统实际所能提供的最高速率只有2 m b p s ，已不能满足未来用 户的实际需求。所以在第三代移动通信市场起步的同时，国际上也开始进行下一代移动通信技术的 研究。新的通信系统应该有以下的一些特点：高速率( 峰值业务速率大于2 0 m b p s 或更高) 、大业务动 态范围( s k b p s 2 0 m b p s 动态可变) 和多种q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 需求；必须研究能更好支持非对称 业务、宽带多媒体、i n t e m e t 及其综合业务的高速移动无线通信技术，提供高速率、高频谱效率、大 容量和低成本的无线多媒体通信系统【1 j 。因此，为适应未来业务发展的需求，下一代移动通信系统的 热点有以下几个方面哪： 1 ) 自适应调制和编码( a m c ) 。a m c 的原理是根据信道条件的瞬时变化而改变调制与编码的格 式( 传输格式) 。a 眦允许按照信道条件分配给不同的用户不同的数据率。由于信道条件在时间上的 变化，接收机将收集一系列信道的统计数值，用来提供给发射机和接收机去优化系统参数，如调制 及编码、信号带宽、信号功率、训练周期、信道估值滤波器，以及自动增益控制。 2 ) 自适应复台( a r q ) 。一个成功的广带无线系统必须有一有效的媒体接入控制( m a c ) 层，在有损 无线信道上具有可靠的链路性能。设计相应的m a c 使t c p i p 层看来为一高质量的链路。它由自动重 传及分片机制( a r o ) 获得，后者为接收机把从上层收到的信包分成更小的子信包，并被依次地发出。 如果子信包没有被正确地接收，则发射机被要求重传 r q 可看成是将时间分集机制引入到系统中， 这是因为它的从噪声、干扰和衰落中恢复的能力自适应_ 】i q 比单独的链路自适应有更大的增益。 3 ) m i m o 技术。利用m m o 信道的空间复用增益，提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发 送功率的情况下，频谱乖j 用率可阻成倍地提高。同时m i m o 信道地空问分集增益，可提高信道的可 靠性，降低误码率。 4 ) o f d m 技术。o f d m 技术是一种无线环境下的高速传输技术o f d m 技术就是在频域内将 给定的信道分成许多正交的子信道，在每个子信道上用一个子载波进行调制，每个子载波并行传输， 由于信号带宽小于信道的相干带宽，因此可以消除信号的码间干扰，同时也提高了频谱利用率。 5 ) 全i p 技术。核心i p 网络作为一种统一的网络，支持有线及无线的接入，像具有移动管理功 能的固定网络，支持w l a n ( 无线局域网) 或公用电话网的接入。 6 ) 软件无线电技术。软件无线电技术是将标准化、模块化的硬件功能单元通过一个通用硬件平 台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种开放式技术。核心思想是在尽可能 靠近天线的地方使用宽带数模和模数转换器，尽可能多的利用软件来定义无线功能，各种功能和信 号处理都尽可能使用软件来实现。 根据上面的要求特点，b 3 g ( b e y o n d3g e n e r a t i o n ) 课题组按照我国的f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g i e s f o r u n i v e r s a l r a d i o e n v i r o m n e m ) 计划，进行下一代移动通信无线传输链路技术的研究，并开发可以 - 1 东南大学硕士学位论文 验证基本方案和关键技术的实验验证系统。 1 2g m c - 1 ：d d x d m a 系统介绍 根据课题组对3 g 关键技术的研究结果和对国内外最新进展的综合分析，认为开展后3 g 蜂窝移动 通信系统研究开发的有效途径是：以3 g 演进技术为出发点，充分考虑新一代蜂窝通信系统的后向兼 容性，以基于多天线环境的网络结构为构架，以联合空时信号处理和新型t u r b o 接收机技术为提高系 统性能的主要手段，以高效的多相分解滤波器组( f i l t e r b a n k ) 实现方式为降低系统实现复杂性的主 要方法，并借鉴o f d m 系统易于f f t 实现的优点，研究开放式的、能够灵活地吸收其它技术优点的新 一代蜂窝移动通信系统传输技术，使之具有高频谱利用率、低发射功率和支持大动态范围分组数据 传输的能力。基于上述考虑，我们提出广义多载波( g m c t f d d i x d m a ) 蜂窝移动通信传输技术 解决方案的总体框架为”】_ i ) 系统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽( 连续或非连续) 为2 0m h z 的信道分解成1 6 个3d b 带宽为1 2 8 g 缸- i z 的基本子载波，通过1 6 个子带的滤波器组( f i l t e r b a n k ) 进行 多载波合路和分路，多载波滤波器组可通过本课题组的发明专利技术一多相分解和f f t 快速实现； 在扩展模式下，可把相邻的基本子载波合成为带宽为38 4m h z 扩展于载波，可根据未来不同国家的 频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子载波，并可实现与3 g 系统的共存与后向兼容。 2 ) 采用f d d 双工方式，以方便地支持非对称数据业务。 3 1 支持x d m a 混合多址方式：每个基本子载波或扩展子载波可采用t d m a 方式、多码道c d m a 方式、自适应调制编码、空时联合发送与联合检测、自适应时隙结构等技术以及它们之间的相可组 合已达到支持高效分组传输之目的。 4 1 采用极为灵活的x d m a 混合多址方式共享无线资源，每个移动用户可动态地占用一个或多个 基本子载波或扩展子载波，或占用一个子载波的一个或多个时隙、码道等，从而达到从ik b p s 至1 0 0 m b p s 的x 动态范围传输的要求；并可通过不同小区间的基本子载波或扩展子载波的灵活指配，避免 t d d 系统所可能遇到的时隙碰撞问题。 5 ) 可扩展至多天线环境，通过设置多于发射天线数的接收天线使系统频谱利用率线性提高， 或使发射功率线性降低，从而满足系统容量提高3 5 倍，发射功率降低1 0d b 以上之要求。 1 3 试验验证系统介绍 根据8 6 3f u t u r e 研究计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标以及国内外研究发展 的状况和趋势，东南大学移动通信国家重点实验室的高西奇教授提出广义多载波时分双工混合多址 蜂窝移动通信传输技术。 基于g m c f d d x d m a 无线传输链路基本传输技术的研究需要开发能够验证基本方案和关键 技术的实验验证系统，实验验证系统的目的主要是验证g m c f d d x d m a 传输方案能否达到预定的 主要目标，并为后期研究开发提供必要的依据。 b 3 g 蜂窝移动通信无线网络实验系统如图1 1 所示鸭由四个接入点( r a u 。r e m o t ea n t e n n a 2 第一章绪论 u n i t ) 、两个基站( b t s ，b a s e s t a t i o n ) 、一个基站控制器( b s c ，b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 、以及三 个移动终端( m t ，m o b i l e t e r m i n a l ) 组成。其中，接八点r a u 由天线系统和射频前端构成，每个r a u 有4 个射频通道，使用4 9 l j 天线，完成模拟基带信号的载波调制和解调、以及射频信号的发送和接收； 基站b t s 由固定台和终端计算机构成，固定台由基带系统和主控部分构成，每个b t s 可与三个r a u 通过光缆连接，完成m i m o 基带发送和接收信号处理，通过接口连接蟊j b s c ，并接a 因特网i 基站 控制器b s c 与两个b t s 相连接负责小区间无线资源的调配和控制，并通过终端计算机接八因特网： 移动终端m t 由移动台和终端计算机组成，移动台由天线系统、射频前端、基带系统，以及主控部分 构成，有4 个接收和发送通道，使用4 副天线，完成m i m o 基带处理、载波调制解调、以及射频信号 发送接收等，它可以通过r a u 、b t s b s c 接入因特网。 图1 1b 3 g 蜂窝移动通信无线接入网络试验系统构成 b 3 g 蜂窝移动通信无线接入系统按双工方式分为f d d 系统和t d d 系统。在f d d 系统中，上行链 路采用广义多载波( g m c ) 传输技术，下行链路采用正交频分复用( o f d m ) 传输技术此系统主 要面向广域覆盖应用环境。在t d d 系统中上下行链路均采用o f d m 技术，此系统支持大范围覆盖 的组网功能以及面向热点覆盖的高速数据速率应用。为满足频谱利用率达多j 5 b i t s i - l z s 及e b n o ) j 、于 0 d b 时实现正常的话音与数据传输的要求，必须采用定数目的收发天线，在上行链路，我们采用4 发8 收，相应地，下行链路采用8 发4 收。 f d d 系统上行链路采用m i m o - g m c 无线传输技术。m i m o - g m c 无线传输技术方案可描述为：( a ) 系 统可在基本模式和扩展模式下工作。在基本模式下，可把总带宽约为2 0 删z 的信道分解成1 6 个3 d b 带宽为1 2 8 删z 的基本子信道，通过1 6 个子带的滤波器组进行多载波合路和分路，多载波滤波器组 n t - 通过d f t 快速实现；在扩展模式下，可把相邻的基本子信道合成为带宽为3 8 4 删z 扩展子信道，可 根据未来不同国家的频谱分配情况，灵活地分配不同的扩展子信道，并可实现与3 g 系统的共存与后 向兼容。( b ) 在每个子信道，采用双循环自适应时隙结构、高效编码与调制，空时分集与空分复用、 选代式空时联合检测译码等技术，支持高效的分组数据传输满足b 3 g 系统对传输速率、系统容量， 频谱效率以及功率效率等方面的要求。( c ) 采用f d d 或t d d 双i 方式适用于广域覆盖和热点覆盖蜂 窝通信环境。( d ) 采用f d m a 、t d m a 和c d m a 混合多址方式共享无线资源，其中c d m a 为辅选，每个移动 3 东南大学硕士学位论文 _ 【= j 户可动态地占用一个或多个基本子信道或扩展千信道，或占用一个f 信道的一个或多个时隙、码 道等，从而达到大动态范围传输的要求。 本实验系统拟采用的扩频码片速率为12 8m c p s ( 基本子载波) 或38 4 m c p s ( 扩展子载波) 。拟 采用自适应链路技术( 包括自适应编码调制、自适应时隙结构等) ，使系统能哆根据应用环境( 如 信噪比、移动台移动速度等) 和业务要求的不同而自适应地调整链路参数，最大限度地提高无线资 源的利用率。 系统的硬件平台由模拟前端，基带处理，系统主控c p u 和接r n 电路四个主要部分组成，如图1 2 所示 图1 2 系统硬件整体结构示意图 1 4 论文的主要工作和结构 论文的主要工作是对t d m s 扳，r a m s 板的数模模数转换部分进行了研究和测试，同时对 r a m s 板t d m s 板和b b s p 板上的各个f p g a 之间的自定义总线进行了接e l 模块的设计和测试 论文共分六章，主要内容为： 第一章是绪论，介绍了课题的背景和论文的主要内容 第二章介绍了g m c f d d x d m a 系统的试验验证系统，以及t d m s 板，r a m s 板和b b s p 板。 第三章详细介绍了t d m s 板和r a m s 板的数模，模数转换部分。对数模，模数转换部分使用的芯 片，设计电路以及配置方法进行了研究。 第四章介绍了t d m s 板r a m s 板以及b b s p 板上的自定义总线，n w j 设计了这些自定义总线 的接口模块，并且对这些自定义总线进行了测试。 第五章介绍了高速数字信号设计中的理论基础和方法。 第六章总结了作者所做的工作。 一4 一 第二章g m c f d d - x d m a 系统 第二章g m c f d d x d m a 系统 g m c f d d x d m a 系统由四个接入点( r a u ) 两个基站( b t s ) ，一个基站控制器( b s c ) 和三 个移动终端( m t ) 组成。接八点由天线系统和射频前端构成：基站由固定台和终端计算机构成；基 站控制器和两个计算单元相连，负责无线资源昀调配和控制；而移动终端由移动台和终端计算机构 成在具体的硬件实现上则通过a t c a 标准机箱以及机箱中的t d m s 板、r a m s 板、b b s p 板以及 m p u 板来实现。 2 1 基带硬件系统总体框架 g m c f d d - x d m a 系统的基站和终端的硬件系统都采用1 4 英寸宽，1 3 u 高，深3 8 5 m m 的1 4 个板位全连接a t c a 标准机箱。各功能处理子板的排列位置是按照接收和发送信号基本的信号处理 流程，并依据a t c a 背板连接方式使同种功能板接口位置相同为总体设计准则。图2 】和2 2 分别显 示了基站侧和终端侧的硬件结构”j 。 基站部分的硬件系统由2 块多天线接收电路板( r a m s ) ( 还有一块备用) ，4 块接收信号处理板 ( r xb b s p ) ，1 块主控时钟板( m p u ) ，一块发送信号处理板( t x b b s p ) ，2 块多天线发送板t t d m s ) ( 还有一块备用) 和一块交换板( g e s w ) ( 还有一块备用) 构成。终端的硬件系统l 块多天线接收 电路板( r a m s ) ( 还有两块块备用) ，2 块接收信号处理板( r xb b s p ) ( 还有两块备用) ，1 块主控 时钟板( m p u ) ，一块发送信号处理板( t x b b s p ) ，l 块多天线发送板( t d m s ) ( 还有两块块备用) 和一块交换板( g e s w ) ( 还有一块备用) 构成。 紫蟛$ g 雾 嚣，霁￥警缨 引露 锎粥獬姆鬻 g 警篱 誊警。f 冀 掣 美5 ， j 谍 7 接! ，接 幸势 蒺1 皴、接发多 收：收控霭腆， 黪 收送，大 ：信信 线 号。 。号 及 。处处这 ”理理板 板板+ 一臆。 j 谯j时麓侈板 隧 r x - t x -t d m s o ；号：钟霉 曩 群鹫群 蘧 处处7板l i o 多。 天 线 接 收 j 爨 。理。 j 理i 板援 ， ，鹫 j ， r -一r 沣。 r 晡p u ； g e s w l b b s p ( b b s p l b b s p 3b b s p ( 铺龇瞄黼盛戡趣菇矗 淼越崩蝴 0i2 34567891 0 i i1 21 3 图2 1 基站部分框槽图 东南大学硕士学位论文 习溺 多 幽t 伊“蝤 天 线 发 送 箩_ ：彩澎 弼”燮9 溺 ；| ，隧 板 磁 骥接一1 ：收。【眨? i 蟛缓信4 信- 锁零 号号 穆，# 峨 ，处”处?鲻 鬃 理j 理， ? 簟葛 扳i 桎， ? 。一l ：确 嚅i 蟛 9 而s 2 r 非 r 乓 r 眦p 域 t 9 m s o ，、么j 。 b b s p ( 、：， 豁躲溅赫盔笼裂础幽蕊赫辎 0l 234 567891 01 11 21 3 图2 2 终端部分框槽国 整个系统中，采用4 天线发送和8 天线接收，以1 7 2 8 m h z 的有效信号带宽，支持速率为l o o m b p s 的分组数据传输，发送和接收的链路构成如图2 3 和2 4 所示。工作过程和模块问的传输信号如下所 述： 1 ) 发送端接口和主控部分输出信息比特流至1 2 个子信道发送模块，信息比特流的总速率上限为 1 2 0 m b p s ，每个子信道承载的信息比特速率上限为1 0 m b p s 2 ) 1 2 个子信道发送模块各自独立完成单个子信道的编码、交织、符号映射、多天线发送和导频 插入等，输出多天线发送信号至g m c 台成模块。每个子信道的3 d b 带宽为1 2 8 m h z ，符号速率为 1 2 8 m b p s ，每个符号的路均以1 2 比特量化发送天线为4 个则每个子信道发送模块输出信号 的速率为1 2 8 x 1 2 x 2 x 4 = 1 2 2 8 8 m b p s 1 2 个子信道发送模块输出信号的总速率为1 2 28 8 x 1 2 = 1 4 7 45 6 m b p s - 3 ) g m c 合成模块完成多载波的数字基带合成，输出4 路多载波数字复基带信号至8 路数模转换 器产生4 路多载波模拟复基带信号送到4 天线发送射频系统。每路复基带信号带宽为2 3 0 4 m h z 有效带宽上限为1 7 2 8 m h z ，数字信号符号速率为2 3 ，0 4 m s p s 。 4 ) 接收端1 6 路模数转换器接收来自多天线接收射频模块的8 路模拟复基带信号，产生8 路多载 波数字复基带信号，送到g m c 分析和定时同步模块，产生同步的子信道数字复基带信号。每路多 载波复基带信号的带宽为2 3 0 4 m h z ，有效带宽上限为1 7 ，2 8 m h z ，数字信号符号速率为2 3 ，0 4 m s p s 。 5 ) 1 2 个子信道接收模块各自独立地完成单个子信道的信道估计、选代检测译码，分别接收8 个 接收通道的子信道同步数字基带信号，输出解码信息比特流至接口和主控模块。每个符号的i ，q 两 路均以1 2 比特量化，则每个子信道接收模块的输入信号速率为1 , 2 8 x 1 2 x 2 x $ = 2 4 5 7 6 m b p s ，1 2 个模 块的输入信号总速率为2 4 5 7 6 x 1 2 = 2 9 4 9 1 2 m b p s 。每个子信道输出解码信息比特速率上限为 l o m b p s ，1 2 个子信道输出至接收端接1 3 和主控模块的信息比特总速率上限为1 2 0 m b p s 。 - 6 第= 章g m c f d d - x d m a 系统 园2 3 发送端链路构成及硬件模块划分 图2 4 接收端链路构成及硬件模块划分 2 2r a m s 单板的功能 r a m s 板是系统中的信号接收板，接收来自接收射频系统的基带模拟信号，实现模数转换、多 载波分析滤波器组和时间同步，产生同步的子载波数字基带信号的功能。单板的结构如图25 所示。 具体工作过程如下所示”】： 1 ) r a m s 板分基站和终端两个功能，但硬件相同。基带侧有两块r a m s 板，每块收四路模拟 复基带信号，实现四路模拟复基带信号模数转换，输出多载波数字基带信号完成基带信道多载波 分析各子信道的定时同步，输出1 2 个子信道同步后的接收信号至各r xb b s p 板。每个r a m s 板上有两个f p g a ，m 1 完成四路复基带信道多载波分析，输出1 2 个子信道的两倍过采样信号至m 2 。 m 2 完成子信道定时同步，输出1 2 个子信道同步后的接收信号，经背板到r x b b s p 扳。从m 2 发 出采用4 根r o c k i o 线分别连到4 块r xb b s p 板的电路单元m i 。每路a d c 输入模拟信号单边 带3 d b 带宽为8 6 4 m h z 。 2 ) 终端侧板将四路模拟基带信号转换成八路多载波接收数字基带信号，完成信号的定时同步， 频偏校正和f f t 输出定时同步位置信号至m p u 板。完成部分信道估计和数据的解交织，输出信道 估计值经背板以广播方式发送至各r x b b s p 板。终端侧板上的m 1 完成信号定时同步，频偏校正和 f f t ，输出已同步信号至m 2 ，并输出定时同步位置信号至m p u 。m 2 完成部分信道估计和数据解交 织，每块板只做4 发2 收的信道估计，解交织也只做2 收的解交织。r a m s 板从射频前端信号中计 算出c u 和m t 时钟修正值通过反馈的主控信息传给m p u ，由m p u 进行修正，作为备份把r a m s 1 堡堂奎兰婴主兰堡堡苎一 板恢复出的与c u 同步的时钟，通过背板上专用同步时钟信号线发给m p u 。每路a d c 输入模：i 】； 信 号单边带3 d b 带宽为8 6 4 m h z 。 3 ) a d c 输入信号8 6 4 m h z 。a d c 输出信号的数据速率为4 6 0 8 m s p s 。在r a m s 内经降速处 理后，输出接口小于1 4 7 4 5 6 m s p s ( 每个符号的i q 两路以1 2 比特量化) 。按每块r a m s 板与一块 r xb b s p 传六个子带及相关数据，则接口流量小于7 3 72 8 m b i t s 4 ) 单板通过面板接收4 路模拟基带信号，经过a d 模块转换后送入m l 和m 2 单元进行基 带预处理，然后通过f a b r i c 平面的s e r d e s 接口送入r x b b s p 板。单板b a s e 面控制信息通过1 0 0 m 网口经过r m p u 进行通讯通过8 2 7 0 的l o c a lb u s 进行下发 2 3t d m s 单板的功能 图2 5r a m s 单板功能框图 t d m s 板是系统中的信号发送板，实现发送通道的数模转换、多载波合成滤波器组阻及各子载 波发送基带的处理。单板的结构如图2 6 所示。具体工作过程如下所示： i ) t d m s 板分为基站和终端两个功能，但硬件相同。基站侧和终端侧的t d m s 实现组帧( 包 括公共信道和导频插入等) 后，分成4 个独立分支实现i f f t 等o f d m 处理和数模转换，每个分支 最后输出为2 路模拟基带i q 信号送到射频小信号框中的t r x ( 一对一的关系) 每路d a c 输入信 - 8 - 第二章g m c f d d - x d m a 系统 号的数据速率为4 60 8 m h z ，所承载的信号单边带3 d b 带宽为8 6 4 m h z 。 2 ) t xb b s p 输出基带数据送到一块t d m s 单板上，接口数据为经符号映射后的量化数据，每 个符号的t i q 两路均以1 2 比特量化。符号速率为1 2 8 m s p s 。则 i x b b s p 与t d m s 之间的需要传 送1 2 个子信道数据总速率为12 8 m 1 2 ( 量化比特) + 2 ( 1 q ) * 1 2 ( 子信道) 4 ( 天线数) = 1 4 7 45 6 m s p s 。 从t x b b s p 到t d m s 板的上行基带数据流量超过i g b p s ，而且对传输延迟有较高的要求。因此采 用专门的s e r d e s 接口进行传递。物理位置在背板f a r b i c 区域对应管脚，b a s e 面数据通过1 0 1 0 0 m 自 适应以太网口实现互连。 3 ) t d m s 板实现多载波合成和数据转换接收来自 i x1 3 b s p 板的1 2 个子信道复基带发送的信 号，产生4 路发送基带模拟信号，送到发送射频系统。每路模拟复基带信号带宽为2 3 0 4 m h z ，有效 带宽上限为1 7 2 8 m h z 。 4 ) 每块i d m s 单板由两个电路单元和一个c p u 小系统构成。c p u 系统完成对单板的配置和与 主控板之间的协议和控制信息的交互。两个电路单元的功能按数据流串行驱动方式设计分成m l 和m 2 ，共同完成1 2 个子信道的基带发送处理。 图2 6t d m s 单板功能框图 从图2 5 和图2 6 可以看出，r a m s 板和t d m s 板在结构上除了数模模数转换部分不同外，其 他部分的结构几乎都相同。 - 9 - 东南大学硕士学仲论文 2 4b b s p 单板的功能 b b s p 扳分为r x b b s p 板和t xb b s p 板，虽然实现的功能不同但在硬件结构上却一样。b b s p 板的结构如图27 所示，具体工作过程如下所示鸭 b b s p 分为t x b b s p 和v , x _ b b s p 两种，t xb b s p 板接收从主控部分输出的信息比特流至 板上的1 2 个子信道发送模块，1 2 个子信道发送模块各自独立地完成单个子信道的编码、交织、符 号映射、多天线发送和导频插入等，输出多天线发送信号至t d m s 板上的g m c 合成模块。 2 ) r x b b s p 板接收从r a m s 板传输过来的数据信息比特流给板上的1 2 个子信道接收模块， 1 2 个子信道接收模块各自独立地完成单个子信道的信道估计，迭代检测译码，分别接收8 个接收通 道的子信道同步数字基带信号输出解码信息比特流至接口和主控模块。每个符号的i q 两路均雌 1 2 比特量化，则每个子信道接收模块的输入信号速率为1 2 8 1 2 * 2 * 8 = 2 4 5 7 6 m b p s ，1 2 个模块的输 入信号总速率为2 4 5 7 6 * 1 2 = 2 9 4 91 2 m b p s 。每个子信道输出解码信息比特速率上限为1 0 m b p s ，1 2 个子信道输出至接收端接1 2 1 和主控模块的信息比特总速率上限为1 2 0 m b p s 。 3 ) 每块r xb b s p 板有4 个电路单元构成( 一个电路单元包含一个f p g a 和两个d s p ) 。目前 每个电路单元实现一个子信道基带接收处理，1 2 个子信道的接收处理，可使用3 块板中全部1 2 个 单元或使用4 块板中的1 2 个电路单元。后期目标是争取每个电路单元实现2 个子信道的接收基带 处理，使用两块r xs p 板完成1 2 个子信道的接收基带处理。每块t xb b s p 板也由4 个电路单元 构成，每个电路单元实现三个子信道的接收基带处理。 图2 7b b s p 单板功能框图 一1 0 一 第三章系统的数榭模数转换 第三章系统的数模模数转换 整个g m c f d d - x d m a 系统中，t d m s 板上的数模单元和r a m s 扳：的模数单元负责整个系统 的数模，模数的转换。这章对这两个单元的器件，工作原理以及性能进行了研究和分析。 3 1 数模转换部分 在t d m s 单板上r 多载波合成滤波器输出的数字基帝信号通过数模转换器转换成模拟基带信号， 送到射频发信机。数模转换模块( d a c ) 负责完成其中的数，模转换的功能。 在g m c - f d d - x d m a 系统中，多载波合成滤波器组的输出位宽定义为1 2 位，d a c 的数模转换速 率为2 3 0 4 m h z 。t d m s 单板上采用了a d 公司的a d 9 7 7 7 来满足系统的要求。 3 1 ila d 9 7 7 7 简介 a d 9 7 7 7 有1 6 位精度的输入，内置具有可编程的2 x 4 x 8 x 的内插乘法滤波器内部自带的p l l 倍频器能产生内插滤波器和芯片内部d a c 模块所需的内部高速时钟。a d 9 7 7 7 支持输入数据速率最 高可达到1 6 0 m s p s ，内部d a c 输出数据速率最大可达到4 0 0 m s p s 。兼容的s p i 配置接口用于对 a d 9 7 7 7 的各种模式进行配置，通过对a d 9 7 7 7 中的寄存器写入不同的值，配置a d 9 7 7 7 的各种模式。 a d 9 7 7 7 支持单端口和双端口数据输入输出，输入数据可为二进制的原码或补码形式p 】。 图3 1a d 9 7 7 7 功能框图 上图为a d 9 7 7 7 的功能框图。a d 9 7 7 7 的每个端口能提供一对差分输出的电流通过芯片内部 的编程，电流动态范围为2 m a 2 0 m a 。a d 9 7 7 7 采用0 3 5 微米的c m o s 工艺，输入电压的动态范 围为3 i v 3 5 v ，功耗为1 2 w 。 东南大学硕士学位论文 在a d 9 7 7 7 中，满量程输出电流，刚l l 翻肛由下血两公式得到 l u = 3 2 x y f f a s d j i i n f u 4 l 1 = 3 2 x y f f a s d j 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ，眦l 3 叫瓶l 为端口1 输出的满量程电流，j 刚u 蛐蚯2 为端口2 输出的满量程电流。芯片的参考电流 k f 由芯片的参考电压口和芯片的f a s d j l ，f a s d j 2 脚( 第5 9 ，6 0 脚) 上的设置电阻凡日决定。 即： j 口= f a s d j ( 3 | 3 ) 因此满量程输出电流舢龇是参考电流j 艇f 的3 2 倍。 a d 9 7 7 7 中，每个端口输出一对差分电流毛m 和b m 。如m s o u m 和芯片数据输入的关系南f 面的公式表示： = ( 坠乎) ( 塑等等) _ ( 等争) ( 等) x ( t 坠2 4 j f t 型2 j 。， ( 牛) ( 塑案斗( 学) 暖) x ( ( 笔掣舯s ， k = 4 x i 。f l o f 。f ：s 。e t i ( ( ，s ， 公式中，c o a r s e 表示c o a r s e 增益调整的值，由a d 9 7 7 7 中的寄存器决定。a d 9 7 7 7 寄存器的地 址0 6 h 的最后四位决定i 路的c o a r s e 值，地址o a h 的最后四位决定q 路的c o a r s e 值。所以 c o a r s e 的值从0 至f 。f i n e 表示f i n e 增益调整的值，寄存器的地址0 5 h 的整个八位决定1 路的 f i n e 值，地址0 9 h 的整个八位决定q 路的f i n e 值。f i n e 的值从0 0 到f f 。d a t a 是输入的数据代 码。寄存器的0 7 h 和0 8 h 的最后两位共1 0 位决定l 路的o f f s e t 的值，0 b h 和0 c h 的最后两位共 1 0 位决定q 路的o f f s e t 。o f f s e t 的值从0 到3 f f 。 差分输出可以抑制输出电流上的共模干扰，比如噪声放大器线性失真，以及直流电压的漂移 同时，取端输出还提高了输出信号的动态范围。 3 1 _ 2a d 9 7 7 7 的具体配置 a d 9 7 7 7 的寄存器的值决定了芯片的配置模式，而芯片的s pc s b ( 第5 6 脚) s pc l k ( 第5 5 脚) ts p s d i o 第5 4 脚) 以及s ps d o ( 第5 3 脚) 则作为s p l 端口，提供了芯片配置的通道。外 部处理器通过这几个口，既可以对芯片进行配置，同时也可以读出芯片内部的配置值。 第三章系统的数模模数转换 s o o ( p $ d 1 0 【p m s c l k f p 附 c s bc p n p d 9 w 7 7 7s p ip c ” l 图3 2a d 9 7 7 7s p i 端口管脚示意图 如上图所示，s d o 脚为串口数据输出脚，数据从该口读出，如果a d 9 7 7 7 运行在- 个取向i 0 模式 下该脚没有数据输出并保持在高阻状态。s d i o 脚为串口数据输入脚，数据一直通过该脚写入 a d 9 7 7 7 中，但该脚有时也可以作为双向数据传输脚。该脚的设置由a d 9 7 7 7 的寄存器的0 0 h 位的 b i t 控制，默认设置为0 ，即设置s d i o 是单向输入的。s l c k 脚是串行时钟输入脚，该输入时钟用 来同步进出a d 9 7 7 7 的数据，最大时钟频率可达到1 5 m h z 。所有的数据都是在s c l k 的上升沿输入 a d 9 7 7 7 ，下降沿输出a d 9 7 7 7 。c s b 脚是片选信号脚，该脚电平为高时s d o 和s d i 脚部进入高阻 状态，在整个通信过程中，该脚电平一直为低。 s p i 口的数据传输由下面两图表示，图3 3 是m s b 优先的数据传输，图3 a 是l s b 优先的数据传 输。m s b 优先还是l s b 优先由寄存器的0 0 h 的b i t 6 位决定，o 表示m s b 优先，1 表示l s b 优先。 一j 一 。m o 二工! e 丑! 工互臣五互工蟊匝互正丑三互：二二匝五互 m 臣丑五! ： 丁互工卜 图3 4l s b 优先时串行寄存器接口时序图 s p i 口的配置分为两个阶段。阶段l 是设置阶段，该阶段就是在开始的8 个s