（通信与信息系统专业论文）软件无线电在基站外设的应用设计.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 删 fy 18 1 。鲥酗 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 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 手段保存和汇编本学位论文。 保密留，在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：矽堪聿c 明il 日 日期：2 们越萍l 月t 日 摘要 摘要 软件无线电可以使无线通信系统具有很好的通用性和灵活性，方便系统的互 联和升级，将在3 g 通信系统中得到了广泛的应用。本文在深入理解软件无线电和 基站外设直放站系统的基础上，根据现实网络制式较多，网络复杂的情况，考虑 到未来第三代移动通信发展的特点，提出一种使用软件无线电解决网络延伸和覆 盖等相关问题的方案，即软件无线电在基站外设应用的设计，设计的要求满足支 持两个载频，带宽在i o m h z 。本文首先介绍了软件无线电的概念，特点，基础理论， 数学模型及系统架构，并结合实际工作，提出了一种基于宽带中频带通采样软件 无线电架构的移动通信基站外设的设计方案。该方案主要包括a d ，d a 转换器， 数字上变频器( d u c ) ，数字下变频器( d d c ) ，文中详细介绍了该方案的器件选型， 实现方法。并借助a d i 公司的s o f t c e l l 软件完成系统中数字滤波器的设计。本设 计方案有较宽的适用性，为今后3 g 发展中基站外设的应用提供一种思路，有一定 的工程应用价值。 关键字：软件无线电；基站外设；模数转换器：数模转换；数字下变频；数字上 变频 华南理工大学t 程硕十论文 a b s t r a c t n o wt h e r ea r em a n yc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt h ec u r r e n tc o m p l e xn e t w o r k e n v i r o n m e n t c o n s i d e r i n gt 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 m s c h a r a c t e r i s t i c ，i nt h i st h e s i s ，b a s eo nd e e pu n d e r s t a n d i n go fs o f t w a r er a d i o ( s w r ) a n d s y s t e mo fb a s es t a t i o nr e l a t e dp e r i p h e r a l ( r e p e a t e r ) ，w ep r o p o s eas o l u t i o na b o u t d i g i t a lr e p e a t e rf o rt h ew i r e l e s sn e t w o r ke x t e n s i o na n dc o v e r a g e s o f t w a r er a d i o ( s w r ) c a nm a k et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v eag o o df l e x i b i l i t ya n d g e n e r a l i t y a l s o ，t h ei n t e r c o n n e c t i o na n du p d a t eo ft h es y s t e mw i l lb ev e r yc o n v e n i e n t s os w rw o u l db ep o p u l a rt ob ep u ti n t op r a c t i c ei nt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m o u rd e s i g ns u p p o r t st o ww a v ec a r r i e r , a n db a n d w i d t h1 0 m h z a b o u tt h ed e s i g nt h eh a r d w a r em o d u l eo ft h i sr e p e a t e rs o l u t i o ni n c l u d e sn d 。d | 入 c o n v e r t e r , d d c ( d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ) ，d u c ( d i g i t a lu pc o n v e r t e r ) t h ed e s i g n a n da p p l i c a t i o no fa d 6 6 4 4 ，a d 6 6 2 4 ，a d 6 6 2 3 ，a d 9 7 7 7a r ef u l l yd i s c u s s e di nt h i s t h e s i s t h ed e s i g no fs o f t w a r em o d u l ea d i ss o f t c e l lc r e a t eag o o de n v i r o n m e n tf o r t h ef i l t e rp a r a m e t e rd e s i g nf o rd d ca n dd u cf i l t e r a tl a s tc h a p t e r ，w eg ot h r o u g ht h e w h o l et h e s i s ，a n dw ep r o s p e c tt h ew o r t ht od e v e l o pt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fs w r k e yw o r d s ：s o f t w a r er a d i o ；a dc o n v e r t e r ：d ac o n v e r t e r ；d i g i t a ld o w nc 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 i n g ：d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ：d i g i t a lu pc o n v e r t e r 儿 目录 目录 摘 要。i a b s t r a c t 。i i 第一章引言。1 1 1 软件无线电的重要性和优势1 1 2 软件无线电的研究现状3 1 3 第三代移动通信的发展4 1 3 1 无线接口标准4 1 3 2 无线空中接口参数5 1 3 3 频谱划分6 1 4 基站外设的相关应用7 1 5 本文的结构与内容8 第二章软件无线电的基础理论9 2 1 软件无线电重要理论9 2 1 1 带通采样定理9 2 1 2 多速率信号处理1 1 2 1 3 软件无线电的结构。1 4 2 2 软件无线电的数学模型一1 7 2 2 1 软件无线电发射机的数学模型1 7 2 2 2 软件无线电接收机数学模型1 9 2 3 本章小结2 1 第三章基于软件无线电的基站外设的设计方案2 2 3 1 软件无线电的关键技术2 2 3 2 设计思路与方案2 4 3 3 基站外设收信机的设计方案2 5 3 2 1 采样带宽风的选择2 6 3 3 2 采样频率九接收中频频率，o 选取2 6 3 3 3 数字下变频n c o ( 数字控制振荡器) 载波频率设计。2 6 3 3 4 收信机中各参数的选择和验证2 7 3 4 基站外设发信机的设计方案2 8 华南理工大学t 程硕十论文 3 4 1 发送中频频率，0 和采样频率 的选取2 9 3 4 2 数字上变频载波频率的选择2 9 3 5 收信机和发信机的数据流3 0 3 6 设计方案的下行方框图3 0 3 7 设计方案的优点。3 1 3 8 本章小结3 2 第四章软件无线电基站外设的硬件实现3 3 4 1 d 的选择3 3 4 1 1a d 选择的依据和芯片介绍。3 3 4 1 2a d 6 6 4 4 外围及接口电路设计3 7 4 1 3a d 6 6 4 4 的工作模式3 8 4 2 数字下变频3 8 4 2 1a d 6 6 2 4 功能简介3 8 4 2 2a d 6 6 2 4 结构和特征。3 9 4 2 3a d 6 6 2 4 的工作模式4 0 4 3d a 的选择4 1 4 3 1d a c 的主要性能指标4 1 4 3 2a d 9 7 7 7 简单介绍4 1 4 3 3a d 9 7 7 7 的工作模式和对外接口电路4 2 4 4 数字上变频4 3 4 4 1a d 6 6 2 3 的功能介绍4 3 4 4 2a d 6 6 2 3 结构和特征4 4 4 4 3a d 6 6 2 3 工作模式。4 5 4 5 本章小结。4 5 第五章硬件上下变频应用设计。4 7 5 1 数字下变频的设计4 7 5 2 数字上变频的设计4 9 5 3 本章小结5 1 结j j 乏语! ；：i 参考文献5 3 攻读学位期间发表的学术论文。5 5 j 目疋谢! ； n 第一章引言 第一章引言 1 1 软件无线电的重要性和优势 无线通信在现在通信中占据着极其重要的位置，被广泛用于商业、气象、军 事和民用等领域。人们根据通信场合和通信要求的不同，制订了很多的通信模式， 以满足人们的各种各样的需要。例如，卫星通信系统，蜂窝移动通信系统，无线 寻呼系统，短波通信系统，微波通信系统等等。这些系统一方面在工作频段上覆 盖了h f ，v h f ，u h f ，s h f 和e h f 等很宽的频率范围；另一方面在调制方式，基带 波形，帧结构，信道编码和多址方式等力一面也有很大的差别。 这就给移动通信的互联互通带来了很大的不便，主要表现为：各种通信体制 共存，多种体制之间不能进行或是很难进行通信。在军用方面的例子有美国的沙 漠风暴行动。在沙漠风暴行动中，由于盟军联合作战，需要及时有效的通信联络， 这大大增强可通信保障的复杂程度，不得不借助许多额外的无线电台，才得以保 证高效的通信联络。在民用通信中也存在互通性差的问题。在欧洲的第一代模拟 网发展过程中，基本上各自为政，加入欧洲邮电会议( c e p t ) 的1 6 个国家中，分别 共使用6 种不同的制式。这些模拟通信体制的制式，频率各不相同，不能互通， 兼容。虽然这些国家领土不大，但是车一出国电话就不通了，给喜欢周末驾车到 邻国旅游的人们带来极大的不便。第二代数字移动通信中，仍有许多种不同的通 信体制，如g s m ，a m p s ，e t a c s ，p d c ，d a m p s ，c t 2 等，这些体制互不兼容，无论 给用户还是给经营者都带来了极大的不便。为了能提供更宽、更灵活的业务，并 能在不同网络间无缝漫游的系统，国际电联i t u 推出了第三代移动通信系统 i m t - 2 0 0 0 的概念。但由于各国从自身利益考虑以及市场争夺，使得第三代移动通 信标准可能是几种标准长期并存。目前两大主流协议w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的竞争就 是一个例子。从候选的提案技术特点来看，c d m a 技术占据了绝大多数，宽带c d m a 技术无疑是第三代移动通信系统无线接入技术的主流，而其典型代表是 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 。 为了解决互通性问题，为了实现在不同场合都能够以最佳和最经济的方式进 行通信，1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的h o em it 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 ) 的概念或称为软件可定义无线电( s o f t - d e f in e dr a d i0 ) 。它是 以现代通信理论为基础，以数字处理为核心，以微电子技术为支撑。其中心思想 是：构造一个具有丌放性，标准化，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，将宽带 华南理工大学j i 稃硕士论文 d 和d a 变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号数字 化，最大程度地通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线 电可以实时地配置信号波形，使其能够提供各种语音编码、信道调制、载波频率、 加密算法等无线电通信业务。软件无线电台不仅可与现有的其它电台进行通信， 还能在两种不同的电台系统间充当“无线电网关 的作用，使两者能够互连互通。 软件无线电充分利用嵌入通信设备里的专用芯片的可编程能力，提供一种通用的 无线电台硬件平台，这样既能保持无线电台硬件结构的简单化，又能解决由于拥 有电台类型、性能不同带来的无线电联系的困难。这样就能使软件无线电台多频 段多模式多信道多速率多协议等多功能通信成为可能。以研制出具有高 度灵活性，开放性的新一代无线通信系统。 软件无线电的主要特点可以归纳如下： l 、具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。可以与其他任何 电台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继。可以通过无线加载来改变软件 模块或更新软件。为了减少开支，可以根据所需功能的强弱，取舍选用的软件模 块。 2 、具有较强的开放性 软件无线电由于采用了标准化，模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术 的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体 制电台通信，还能与旧体制电台兼容。这样，即延长了旧体制电台的使用寿命， 也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。 软件无线电的优势主要表现在： 1 ) 系统结构通用，功能实现灵活，系统的改进和升级也很方便。高速 d a 实为一个标准接口，将r f i f 部分和通用的数字软件部分连接起来。高速a j d j a 和数字软件部分只要带宽和处理能力满足系统要求，都具有很好的通用性。 2 ) 提供不同系统互操作的可能性。 3 ) 复用的优势。系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好的实现，且 这些模块具有很大的通用性，能在不同的系统及其升级时很容易地复用。 4 ) 在软件无线电中，软件的生存期决定了通信系统的生存期。一般地，软件 开发的周期相对于硬件要短，开发费用要低，这样就能更快地跟踪市场变换，满 足新的使用要求，降低更新换代的成本。 5 ) 由于系统的主要功能都由软件实现，可方便地采用各种新的信号处理手段 提高抗干扰性能其它诸如系统频带监控，在线改变信号调制方式等功能的实现也 成为可能。 2 第一章引言 1 2 软件无线电的研究现状 自j o em it o l a 提出软件无线电概念后，世界各国都在进行深入研究。目前有 关软件无线电的研究主要集中在两个方面：一是软件无线电通用硬件平台的研究。 其主要内容为软件无线电的体系结构。它大致经历了四个发展阶段，提出了四种 结构模型。分别是：传统软件无线电体系结构、总线型软件无线电结构、基于交换 网络的软件无线电结构和树型结构：另一方面便是软件无线电应用方面的研究。在 军事通信领域，美国军方制定了具体的发展计划，来研制三军通用软件无线电台， 即基于数字信号处理器，软件可编程，模块化，多频段，多模式，并具有波形重 新配置能力的电台。第一个软件无线电是易通话( s p e a k e a s y ) 系统中的l a c k e y 9 5 ， 它替代由十多个军用无线电设备组成的系统。 软件无线电在民用方面也有着极为广阔的应用前景，尤其是在移动通信领域。 由于软件无线电具有模块化、标准化、开放性、实现方便、软件升级和系统 配置灵活等优点，因而被广泛应用在第三代移动通信系统中。例如欧洲的a c t s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e r v i c e s ) 计划中，有三项是将软 一 件无线电技术应用到第三代移动通信系统中的：f i r s t ( f 1 e x i b l ei n t e g r a t e d r a d i os y s t e m st e c h n o l o g y - - a c t s 程序的第5 号规划a c 0 0 5 ) ( 文献 1 、 6 、 2 8 ) 计划将软件无线电技术应用到设计多频多模可编程手机( 可兼容g s m 、 _ “ d c s l 8 0 0 、w c d m a 和现有的大多数模拟体制) ；f r a m e s ( f u t u r er a d i 0w i d e b a n d m u l t i p l ea c c e s ss y s t e m s - - a c t s 程序第9 0 号规划a c 0 9 0 ) ( 文献 1 、 2 8 ) 、。_ ? 一 计划目标是定义、研究、评估宽带有效的多址接入方案来满足u m t s ( u n i v e r s a lm o b i1 et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 一欧洲的第三代移动通信系统 i m t 一2 0 0 0 的标准化论坛) 要求，技术方法之一是采用软件无线电技术； r a i n b o w ( r a d i 0a c c e s si n d e p e n d e n tb r o a d b a n do nw i r e l e s s a c t s 程序第1 5 号 规划a c 0 1 5 ) ，是研讨面向u m t s 的无线多址系统的协议和体制的规划，也包含软 件无线电技术( 文献 2 8 ) 。在美国，除了研究基于软件无线电的第三代无线通信 系统的多频段多模式手机和基站外，同时还注意软件无线电技术与计算机技术的 融合，为第三代移动通信系统提供良好的用户界面，如m i t 的s p e c t r u mw a r e ( 文献 5 ) 计划和r u t g e r s 大学进行的将软件无线电技术应用于w c d m a 接收 机的研究( 文献 6 、 13 ) ；而且目前按照s p e a k e a s y ( 文献 4 、 5 ) 计划丌 发的美国军用软件无线电台m b m m r ( m u lti b a n d m u lti m o d er a d i0 ) ，不仅可以 应对各种调制方式的通信波，而且还有被叫做“v o i c eb r i d g e ”、可使不同种类无 线电台之间进行通信的功能，是在充分考虑了相互通用性、信息维护、长期使用 性、经济性之后而丌发的一种通信电台。我国对软件无线电技术也相当重视，提 出了基于软件无线电和智能天线技术的第三代移动通信系统标准t d s c d m a ，并把 3 华南理t 大学t 挥硕士论文 软件无线电技术在第三代移动通信中的应用课题列入国家“8 6 3 ”计划，成为我国 第三代移动通信系统的关键技术之一，开展了大量的研究和应用开发，也取得了 不少阶段性的科研成果。 1 9 9 8 年7 月，我国向i t u 提交的第三代移动通信提案t d s c d m a 中就采用了软 件无线电技术，t d - s c d m a 的基站和终端设备采用高速d s p 和高速a d 变换器，处 理速度高于5 0 0 0 万次秒，全部基带信号的处理和变换都用软件来完成。软件无 线电技术实现的功能包括采用i s - 9 5 或g7 2 9 标准，实现编码速率8 k b s ，质量接 近于6 4 k b sp c m 编码：直接序列码分多址( d s c d m a ) 的调制和解调：同步检测和 控制：天线波束的赋形( 智能无线技术) ：自动控制频率、发射功率、接收增益和时 延：用户定位( 确定用户基站的方位和距离) ：处理空中接口u m 物理层：基带预失真， 以降低对收发信机线性的要求。 1 3 第三代移动通信的发展 1 3 1 无线接口标准 移动通信己从第一代f d m a 模拟蜂窝移动通信系统发展到第二代数字蜂窝移动 通信系统( 如欧洲的g s m 系统和美国的窄带c d m ac i s 一9 5 ) 系统) ，目前正在向三代 w c d m a 移动通信过渡。第三代移动通信的无线接口标准( i m t2 0 0 0 ) 是国际电联于 1 9 9 9 年1 1 月确定的，其接口标准为5 个，分别为 表1 3 1 第三代移动通信的无线接口标准 t a b l e l 3 1r a d i 0i n t e r f a c es t a n d a r do f3g im t - 2 0 0 0c d m ad a对应w c d m a c d m a 技术i m t - 2 0 0 0c d m am c对j 立c d m a 2 0 0 0 im t 一2 0 0 0c d m a t d d对应t d - s c d m a 和u t r a t d d t d m a 技术 i m t - 2 0 0 0 t d m as c对应u m c - 1 3 6 im t - 2 0 0 0f d m a t d m a 对应d e c t a ) i m t - 2 0 0 0c d m ad s o m t - d s ) i m t - 2 0 0 0c d m ad s 是3 g p p 的w c d m a 技术与3 g p p 2 的c d m a 2 0 0 0 技术的直接扩 频( d s ) 融合的技术，仍称为w c d m a ，此标准同时支持g s mm a p 和a n s i - 4 l 这两个 核心网络： b ) i m t - 2 0 0 0c d m am c o m t - m c ) i m t - 2 0 0 0c d t am c ，即c d m a 2 0 0 0 。经融合后，只含多载波方式，即l x ，3 x 等。 4 第一章引言 此标注也同时支持g s mm a p 和a n s i - 4 1 这两个核心网络。 c ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d ( i m t o t d ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d 目前包括了低码片率t d - s c d m a 和高码片率u t r at d d 两个技术。 d ) i m t - 2 0 0 0t d m as c 此为美国的i s - 1 3 6 基础上发展的u m c - 1 3 6 标准，而i m t2 0 0 0f d m a t d m a 是 在欧洲d e c t 的基础上提出的e p - d e c t ，这两个标准离开了具体地区基本没有使用 价值。 1 3 2 无线空中接口参数 表1 3 2 无线空中接口参数 t a b l e1 3 2r a d i oi n t e r f a c ep a r a m e t e r t d s c d m aw c d m ac d m a 20 0 0 复用方式 t d df d df d d t d d 每载波时隙数 1 01 5 基本带宽 1 6 m h z5 m h z 1 2 5 或3 7 5 m h z 码片速率1 2 8 m c h i p s3 8 4 m c h i p s1 2 2 8 3 6 8 6 4 m c hip s 帧长 l o m s1 0 m s 1 0 5 m s 卷积编码、t u r b o卷积编码、t u r b o卷积编码、t u r b o 码等 信道编码 码等码等 数据调制q p s k 和8 p s kq p s k 、h p s kq p s k 、b p s k 扩频方式q p s kq p s kq p s k 扩频因子 4 5 1 24 5 1 2 开环+ 闭环功率开环+ 闭环功率开环+ 闭环功率控制， 功率控制控制，控制步长控制，控制步长控制步长1d b ，可选 1 d b 、2 d b 、3 d b1 d b 、2 d b 、3 d b 0 5 0 2 5 d b 分集接收方式r a k e 接收技术r a k e 接收技术 基站问同步关系同步同步或非同步需要g p s 同步 在基站端由八个 智能天线 天线组成天线阵 多用户检测使用使用使用 业务特征 对称和非对称 对称和非对称对称和非对称 核心网 g s m - m a pg s m - m a pg s m - m a p 5 华南理丁大学工程硕士论文 1 3 3 频谱划分 1 9 9 2 年，i t u 在w a r c - 9 2 大会上为第三代通信业务划分出2 5 0 m h z 带宽；1 8 8 5 2 0 2 5 m h z 作为i m t - 2 0 0 0 的上行频段，2 1 1 0 2 2 2 0m h z 作为下行频段。其中f d d ( 包 括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ) 的上行使用1 9 2 0 1 9 8 0 m h z ，下行使用2 11 0 2 1 7 0m h z 。t d d 方式( 包括t d - s c d m a 和u t r at d d ) 使用2 0 1 0 2 0 2 5m h z ，不区分上下行。1 9 8 0 2 0 1 0m h z 和2 1 7 0 2 2 0 0m h z 分别作为移动卫星业务的上、下行频段。 表1 3 3 频谱划分 t a b l e1 3 3f r e q u e n c ys p e c t r u mp a r t i t i o n 下行信道上行信道总带宽信道间隔 ( m h z )( m h z )( m h z )( k h z ) a m p s8 7 0 8 9 08 2 5 8 4 52 03 0 t a c s9 3 5 9 6 08 9 0 9 1 52 52 5 d c s l 8 0 01 8 0 5 1 8 8 01 7 l o 1 7 8 5 7 52 0 0 p c s l 9 0 01 9 3 0 1 9 9 01 8 5 0 1 9 1 06 02 0 0 g s m9 3 5 ，一9 6 08 9 0 9 1 52 52 0 0 t d s c d m a2 0 1 0 2 0 2 51 5 w c d m a2 1 1 0 2 1 7 01 9 2 0 1 9 8 06 0 c d m a 2 0 0 02 11 0 2 1 7 01 9 2 0 1 9 8 06 0 移动卫星 2 1 7 0 2 2 0 0 1 9 8 0 2 0 1 0 3 0 随着移动通信网络的迅猛发展，网络规模不断扩大、用户数量急速上升，人 们对网络的平均服务质量要求越来越高，运营商对网络的管理也对信号覆盖的定 性要求转变为网络性能指标的定量管理。在这种情况下实现网络资源的合理配置， 提高网络的服务质量，提高企业核心竞争力，越来越受到运营商的关注。 由于未来第三代移动通信网络的发展，持续的高投入使移动通信网络发展到 一个前所未有的新阶段。与此同时，投资的边际效应同趋明显，运营商之间的竞 争则进一步加剧投入与产出问的矛盾，因此运营商必须寻求有效的成本控制手段 提高投资效益。 受投资成本的限制，运营商不可能一次性建设较多的基站，而基站数量不足 将造成信号覆盖不尽如人意，又会严重影响网络质量，进一步影响用户的发展。 由于直放站具有利用较低投资成本迅速扩大覆盖区域的特点，因此采用直放站配 和基站建设，可使资会达到最大利用，使网络运行能迅速打开市场，由此可见， 尤其在第三代移动通信网络建设的初期采用基站和直放站混合布放的方式是很好 解决方案。 6 第一章引言 1 4 基站外设的相关应用 ， 在基站外设的相关应用中，应用最广泛的是直放站。下面来简单介绍一下直 放站的概念、应用等方面内容。 直放站( 中继器) 属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号 增强的_ 种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强 器。直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤 波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待 覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方 式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的信号传递。 使用直放站作为在网络覆盖中实现“小容量、大覆盖 目标的必要手段之一， 主要是由于使用直放站一是在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，二是其造 价远远低于有同样效果的微蜂窝系统。直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一 种优选方案。它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用 于难于覆盖的盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、 1 地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。 g s m 、c d m a 和光纤直放站和室内覆盖系统为各种信号盲区可提供不同的详 细解决方案，其适应范围如下： 扩大服务范围，消除覆盖盲区，如高山，建筑物，树林等阻挡物而形成的信 号盲区； 在郊区增强场强，扩大郊区站的覆盖； 沿高速公路架设，增强覆盖效率； 解决室内覆盖，如大型建筑物内信号衰减信号盲区、地下商城、地铁、遂道 等衰减信号盲区； 将空闲基站的信号引到繁忙基站的覆盖区内，实现疏忙； 其它因屏蔽不能使信号直接穿透之区域等。 直放站是一种中继产品，衡量直放站好坏的指标主要有，智能化程度( 如远 程监控等) 、低i p 3 ( 无委规定小于- 3 6 d b m ) 、低噪声系数( n f ) 、整机可靠性、良好 的技术服务等。 在6 s m 网络中，所有直放站均为模拟的直放站。模拟直放站已经是一个很成 熟的技术。在未来的3 g 网络建设中，由于频段处于更高的频率上，客户同益重视 的电磁污染问题导致基站选址越来越困难，都需要对直放站设备有重新的规划。 为满足在不同通信网络系统中的工作要求并能处理多种不同业务，新一代的移动 通信基站外设应能够在不同的无线通信网络中使用，使用数字直放站可以有效地 解决有效问题。然而数字直放站于近年提出，各大设备制造商都有研究，有不同 7 华南理丁大学t 稗硕十论文 的解决方案，如何能够提出一个灵活应用的方案是本文研究的重点，为满足在不 同通信网络系统中的工作要求并能处理多种不同业务，新一代的移动通信基站外 设应能够在不同的无线通信网络中使用，实现的方法是在设计移动终端设备时采 用软件无线电技术。 1 5 本文的结构与内容 本文所研究的对象是3 g 的数字基站外设的设计应用。主要研究是利用软件无 线电的灵活性、开放性等特点，提出一种构造下一代的数字基站外设设计方案。 本文分为五章，具体内容如下： 第一章在简单介绍了软件无线电的重要性，以及其研究现状，同时介绍第三 代移动通信系统的发展。本章还说明了本设计的背景：在第三代移动通信网络建 设中采用基站和直放站混合布放的方式是个较好的网络初期建设解决方案，所以 直放站的将会受到广泛应用。最后简单介绍直放站的基本相关知识。 第二章推导了软件无线电的重要理论包括带通采样定理，以及抽取、内插等 多速率信号处理过程。在第二节中描述了软件无线电的数学模型，包括发射机和 接收机的数学模型等，为第三章的利用软件无线进行设计打下理论知识。 第三章首先阐述了软件无线电的关键技术，然后提出本次设计基于宽带中频 带通采样软件无线电结构的移动通信基站的外设的应用的设计思路以及基站外设 收信机和发信机的设计方案，最后小结了本次设计的优点。 第四章在设计思路指的基础上详细讨论了硬件的设计方案以及实现硬件的方 法，收发信机硬件设计主要包括：a d ，d a 转换器、数字下变频器( d d c ) 、数字上 变频器( d u c ) 以及d s p ，论文详尽介绍了a d 器件a d 6 6 4 4 ，d d c 器件a d 6 6 2 4 ，d a c 器件a d 9 7 7 7 ，d u c 器件a d 6 6 2 3 等。 第五章简单介绍a d i 公司的s o f t c e l l 软件，可以帮助我们完成对系统内的数 字中频系统设计，该软件可以方便对上下变频器件各级滤波器进行仿真及比较。 最后对全文进行小结，展望将来研究的方向。 以上是本文的研究方向和主要内容。 8 第二章软什无线电的基础理论 第二章软件无线电的基础理论 上一章，我们着重介绍了本文研究的背景和发展现状，这章我们将主要介绍 软件无线电的重要理论和数学模型。 2 1 软件无线电重要理论 2 1 1 带通采样定理 奈奎斯特采样定理告诉我们，如果要对频带为( o ，厶) 的带限信号x ( f ) 进行采 样，其采样速率必须满足兀2 厶，那么所得离散采样值工g ) 就能准确地确定原信 号z o ) 。但是如果信号的频率分布在某一有限的频带( 九，厶) 上时，如果仍以 兀22 f n3 觥，则其采样频率会很高，以致很难实现。这时就需要用带通采样定 理来进行采样。 。 一。 2 1 1 1 采样定理的内容 设一个频率带限信号工( f ) ，其频带限制在( 厂工，厶) 内，如果其采样频率九满足： 厂。：刿 ( 2 1 1 ) 【劢+ u 式( 2 1 1 ) 中，l l 能区满足厶2 ( 厶一九) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，) ，则用厶进行 等间隔采样所得到的信号采样值x ( n t s ) 能准确地确定原信号工( f ) 。 式2 1 1 用带通信号的中心频率，0 和频带宽度b 也可以表示为： 凡：上丛 ( 2 1 2 ) 7s ( 2 ，l + 1 ) 归一一7 式( 2 1 2 ) 中厂0 。掣，n 取能满足九2 b ( b 为频带宽度) 的最大正整数。 显然，当厂0 一_ 彳、b - 厶时，取n = o ，式( 2 1 2 ) 就是n y q u i s t 采样定理，即满 足：厶一2 f h 。有公式( 2 1 2 ) 可见，当频带宽带b 一定时，为了能用最低采用频 率( 厶一2 b ) 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足： 厶掣b ( 2 1 3 ) 或 + 厶一( 2 n + 1 ) b ( 2 1 4 ) 也即信号的虽高( 或最低) 频率是带窬酐l 整数倍，如图2 1 1 所示( 图中只画了币频 9 。：卜 华南理t 大学t 稃硕士论文 率部分，负频率部分是对称的) 。也就是说位于图2 1 1 任何一个中心频率为厂埘 ( 甩一0 , 1 , 2 ，3 ) 带宽为b 的带通信号均可以用同样的采样频率厂：。一2 b 对信号进行 采样，这些采样均能准确地表示位于不同频段( 中心频率不同) 的原信号 x 。( f ) ，x 。( f ) ，x ：( f ) ，。带通采样的结果是把位于o b ， + 1 ) 曰) q 一0 ，1 , 2 ，) 同频带上的信 号都用位于( 0 ，b ) 上相同的基带信号频谱来表示，但要注意的是这种表示在万为奇 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，而对于刀为 偶数时，其高频分量和低频分量同基带是一一对应的关系。这些对应关系如图 2 1 2 所示。 f bf o r ：萤f o z 3 b f 0 3 q b 图2 1 i 带通信号的频谱 f i g2 1 1s p e c t r u mo fb a n dp a s ss i g n a l 图2 i 2 带通信号采样的频率对应关系 f i g2 i 2f r e q u e n c yc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i po fs a m p li n gb a n d p a s ss i g n a l 带通采样实际上是将频域分为若干个宽为九2 的频带，只有当 和厶分为b 的整数倍时，才能以兀一2 b = 2 ( 厶一 ) 的采样率采样，否则应设计信号频带落在 t， j 以的频率带内。 当对信号进行带通采样时，有一点值得注意：虽然在理论上，可以用两倍于带 宽的频率进行采样，但是此时其他频带上不能再有信号，否则在采样时便会发生 1 0 第二章软f ，l ：无线电的基础理论 频率混叠。因此在采样l j 一般先用带通滤波器滤出感兴趣的频带，然后再进行采 样， 如图2 1 3 所示。 图2 1 3 带通信号的采样 f i g2 i 3s a m p li n go fb a n dp a s ss i g n a l 带通采样定理是软件无线电理论的基石，它在软件无线电中起到非常重要的 作用，贯穿了本设计的自始至终。 2 1 2 多速率信号处理 从带通采样定理的叙述可知，带通采样定理的应用大大降低了所需的采样速 率。但是软件无线电却要求，带通采样的带宽应越宽越好，这样对不同信号有更 好的适应性。带宽的变宽必然导致采样速率的提高。这样就会使采样后的数据流 速很高，导致后续信号处理速度跟不上，因此必须对采样后的数据流进行降速处 理。而多速率信号处理就为这种降速处理提供了理论依据。 2 1 2 1 抽取 抽取是指减少抽样率以去掉多余数据的过程，如图2 1 4 所示。 x q ) 抽取器 粕( n ) m x )