（通信与信息系统专业论文）多制式无线收发机数字前端模块的设计与实现.pdf

北京邮电人学硕十研究生学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 中请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：盗越 本人承担一切相关责任。 日期：鲨! ! ：圣：竺 关于论文使用授权的说明 学位论文本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在三年解密后适片j 本授权书。 北京邮电大学硕十研究生学位论文 摘要 多制式无线收发机数字前端模块的设计与实现 摘要 高性能射频前端是射频测试仪表的关键部分，其功能和精度指标 直接影响终端综合测试仪的整体性能，也是研发过程中的难点所在。 本论文所研究的内容是工业与信息化部电子信息产业发展基金 项目“宽带无线接入平台中高性能射频前端的开发 的相关工作。该 射频前端模块要满足多制式的要求，即需要处理频率范围在8 0 0 m h z 到2 5 g h z 内，接收- - 7 0 d b m 到3 0 d b m 功率范围内所有窄带或者宽带 信号，并且满足测试终端频繁设置功率和频率的需求。本文所设计和 实现的数字前端模块完成了中频及基带信号的高速数字信号处理和 对射频模拟部分的校准和补偿，对于射频前端模块关于多制式的实现 有非常基础而关键的作用，是终端综合测试仪不可或缺的一个重要组 成部分。 本文主要涉及了多制式无线收发机数字前端模块原理和功能、设 计与实现，涵盖了从需求分析、概要设计、详细设计、代码设计、原 理图设计到最后调试实现等全部软硬件开发流程，最终完成了达到通 用射频前端的设计要求和性能指标的多制式无线收发机数字前端模 块。本文的主要内容如下： 二、点明了课题来源，难点及研究意义。 二、介绍了综测仪中的多制式无线收发机数字前端模块的总体设 计方案，并对其主要指标要求及应解决的关键问题进行了分析。 三、完成了对多制式无线收发机数字前端模块的详细设计，对发 射链路、接收链路、时钟等各个功能模块的设计与实现进行了详细地 论述。 四、对数字前端模块进行联合测试。 五、对全文进行了总结及展望。 关键词：射频数字前端软件无线电锁相环数字补偿 p l a t f o r m w h i c hi sc o l l a b o r a t e dw i t hm i n i s t r y o f i n d u s t r y a n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo fp r c t h i su n i v e r s a lr ff r o n t - e n dh a st on o t o n l yd e a lw i t ha l lk i n d so fn a r r o w b a n do rw i d e b a n ds i g n a l sw h o s e f r e q u e n c yr a n g ei sf r o m8 0 0 zt o2 5 g h za n dr e c e i v el e v e lr a n g e f o r m 7 0 d b mt o3 0 d b m a l s om e e tt h er e q u i r e m e n to ff r e q u e n ts w i t c ho f f r e q u e n c ya n dl e v e l t h ed i g i t a lf r o n t - e n d ( d f e ) d i s c u s s e di nt h i st h e s i s i sb a s i c a lb u tp i v o t a lf o rt h er e a l i z a t i o no ft h es t r a t e g yp l a t f o r mo fi 讧 t e s ts e t ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es t r a t e g yp l a t f o r mo fr ft e s t s e tb yi m p l e m e n t i n gt h eh i g hs p e e dd i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) o r b a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dd i g i t a lc o m p e n s a t i o nf o rr ft r a n s c e i v e r t h et h e s i si si n v o l v e di na l lt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r er & df l o w , i n c l u d i n gr e q u i r e m e n ta n a l y s e ，g e n e r a ld e s i g n , p a r t i c u l a rd e s i g n , s c h e m a t i cd e s i g n , c o d i n ga n dd e b u g g i n g , a n ds oo n , f o c u s i n go nt h e r e s e a r c h 。d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h er fd i g i t a lf r o n t e n df o r m u t l i s t a n d a n d s t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r eo r g a n i z e da sb e l o w ： 1 t h eo r i g i no ft h et a s ka n dt h ek e yd i f f i c u l tp o i n t sa n dm e a n i n go f t h er e s e a r c ha r ei n t r o d u c e d 2 t h ew h o l ed e s i g ns c h e m eo ft h e d i g i t a lf r o n t e n d o fr f t r a n s c e i v e ri si n t r o d u c e d a n dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h ek e y - 2 3 - 北京邮电人学硕士研究生学位论文目录 第一章绪论 目录 1 1 1 课题来源和研究意义1 1 2 本论文的土要工作2 1 3 本论文的结构安排3 第二章多制式数字前端模块的研究与概要设计 4 2 1 应用方案分析4 2 2 主要指标要求5 2 3 应解决的关键问题- 6 - 2 4 系统功能设计8 2 5 系统接u 分析与设计1 0 2 6 本章小结1 2 第三章 多制式数字前端模块的设计与实现 - 1 4 - 3 1 射频通用数字前端部分发射链路信号处理的设计与实现一1 4 - 3 1 1 3 i 2 3 1 3 3 1 4 3 1 s 3 ，1 6 3 1 7 3 1 8 3 1 9 3 2 3 2 1 3 2 2 3 2 3 3 ，2 4 3 2 5 3 3 3 3 1 3 3 2 3 。3 3 3 4 3 4 1 3 4 2 3 4 3 3 4 4 勃懒锄勘舞，4 嫠日彪呖! 一，彳 滤泼器的设计和仿真一1 6 - 捌哟铭夥秘觋一，8 一 数据源选择实现2 0 - i fm i x e r o q f l d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s e r = 究t j e 一2 d 一 数字域增益调整2 2 1 q 平衡( 细度平衡) 实现一2 2 一 d 舌矗境i 彭箍呈； ：现2 3 - 射频通用数字前端部分接收链路信号处理的设计与实现2 4 剧偏拗勃萎一2 4 一 接口彪毋一刀 接收功率补偿实现一2 s 模拟毒b 偿滤波器设计与实现一2 6 劫铌燃霓骝汐一 两种制式发射链路信号处理的设计与实现3 l - 瑷编矧扔萎：，j ：罄口彪叻：- ，j ，- 丁方伪馏屯咎越掰萨3 j 两种制式接收链路信号处理的设计与实现一3 3 冽偏矧颤羲3 3 - 攒目谢织一3 4 一 嬲垡缓渤场嬲掰六为 物r 堙馐溺铴嬲掰产3 6 日录 - 3 8 一 一- 3 i ， 一3 9 一 - 4 1 一 一，2 一 f 3 - - 4 4 一 - 4 5 - - 4 5 4 5 - - 4 6 4 7 - - 4 8 4 9 - s l - s 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第- - 章 1 1 课题来源和研究意义 第一章绪论 随着3 g 在中国的兴起和终端的发展，对研发、生产、测试、认证、维修等 工作过程中所使用的终端测试仪器提出了更高要求。同时，由于国外厂家的加入， 使得市场竞争日趋激烈，需要研发一种既适合手机终端的研究开发使用，也适合 于生产使用的终端测试领域，即既具备实验室级别测试能力又同时考虑到成本与 稳定性的终端综合测试仪表，此射频测试仪表要综合考虑功能性、稳定性、可靠 性、测试速度、成本等。而达到这些要求的关键在于其使用射频收发模块的功能、 性能、稳定性，例如，射频模块所能够处理信号的频率和功率范围，更改频率和 功率的速度，射频前端兼容性等直接影响着综测仪表的功能，性能和成本。 所以，具备实验室级别测试能力又同时考虑到成本与稳定性的终端测试仪 表，以及单台综合测试仪表即刈覆盖第三代合作伙伴计划( 3 g p p ) 多种制式【l j 绝大部分测试要求的测试解决方案，均需要一种通用射频前端模块。此射频模块 不但可以使这种综合测试仪表的设计和实现成为可能，而且在降低生产成本的同 时提高了系统灵活性。 软件无线电技术对硬件的依赖程度很小，具有高度的开放性和可编程特性， 所以采用中频数字化，将射频前端模块的中频和基频部分数字化1 2 】，是实现i 述 多制式终端测试仪表的最好方法。除此之外，数字前端模块还能解决多制式通用 射频模块的几个关键问题。 首先，构建一个通用射频设备平台，需要处理频率范围在8 0 0 m h z 到 2 5 g h z 之间所有窄带或者宽带信号。如此广泛的频率范围涵盖了全球 大多数商用无线通信的授权频带。采用数字中频下变频的方法，通过中 频混频频率和本振频率相结合的方式，可以在如此宽的频率范围内实现 频率精度为h z 级的各种频点的信号处理。 其次，由于终端测试仪表测试终端时需要频繁的设置功率和频率，而射 频模拟前端器件在各个频率和功率下，性能很难达到一致。采用数字补 偿技术，可以对不同频点和功率点对射频进行校准，尽可能的提高发射 机接收机的线性度，使信号失真最小、误码率最低：尽可能的展宽动态 范围，使适应度更大、抗干扰能力更强，从而使得测试仪表在各种制式 下均能达到测量要求。另外，数字前端使终端测试仪表对射频模块的自 动控制成为可能。 北京邮电人学硕十研究生学位论文 第章 从短期来看，采用数宁前端可以实现各种通信系统的相互兼容，提高通 信效率，方便用户：也可最大程度地提高设备的使用率，减少不必要的 重复投资，从而获得高的投入产出比。从长远来说，数字前端有开发简 便、耗资少、见效快的特点，可以将最新科研成果迅速融入到产品应用 之中，适应现代通信对射频前端线性度、动态范围、灵敏度、抗干扰能 力、适应性等方面的性能和指标越来越苛刻的要求，创造出更多的经济 效益。 综上所述，本人在研究生阶段从事的多制式无线收发机数字前端模块的设计 与实现工作是具有非常重要的实际意义的。它对于射频收发模块关于功能、性能、 稳定性等要求的实现起着非常基础而关键的作用，是终端综合测试仪不可或缺的 一个重要组成部分；同时，射频收发链路中的数字前端真正体现了中频数字化、 软件无线电的趋势，是综合测试仪能够满足多制式的要求、满足射频自动快速控 制等关键问题的必要条件。 1 2 本论文的主要工作 本论文所研究的内容是工业与信息化部电子信息产业发展基金项目“宽带无 线接入平台中高性能射频前端的开发”项目的一个重要组成部分。本人有幸参加 了该项目的研发，对终端综合测试仪中的射频前端模块进行了深入的理论研究与 分析，并对其中的关键部分数字前端模块进行了详细的软硬件设计与实现，涵盖 了从需求分析、概要设计、详细设计、原理图设计、代码设计到最后调试实现验 证等全部开发流程。 为了实现上述系统，使之与其它模块一起共同构成射频通用仪表的运行平 台，并能在软件控制下完成可覆盖3 g p p 多种制式绝大部分测试要求的测试解决 方案，并确保性能达到预计指标，本人在该项目中主要从事了以下工作： 1 通过对目前2 g 、3 g 等通信标准中射频测试部分的了解，明确本次设计 的设计细节指标，从而实现射频数字前端模块为通用模块，以适合当前以及未来 多制式通信的需求。 2 了解抽样率变换的基本架构和变速率滤波器的数字信号处理算法，并采 用一种满足f p g a 速度和面积两方面要求的算法结构用来实现数据速率的转换、 t d 和g s m 两种制式上下变频、接收机中频数字化、混合接收机镜像抑制功能 的解调、模拟滤波器进行补偿、射频功率频率的数字补偿等功能。 3 完成各个部分的详细设计和仿真。包括数据链路部分、补偿校正部分、 时钟产生部分。 4 完成无线收发机的代码设计、时钟产生模块模拟部分原理图设计以及数 第三章“多制式数字前端模块的设计和实现”：根据概要设计，从设计原理、 电路仿真、算法仿真以及硬件设计、代码设计等各个方面详细阐述了多制式无线 收发机数字前端模块及其各功能模块的设计与实现。 第四章“多制式数宁前端的整体测试”，对数字前端模块进行联合测试，从 而证实本文采用的设计方法和实现过程的正确性，以及证明此模块达到设计指标 和要求。 第五章“总结与展望”，本章对全文进行总结，描述了项h 最后取得的成果 以及设计中的欠缺与不足，并提出相应的改进意见。 “参考文献”，详细列举了论文撰写过程中所有参考资料的相关信息。 “致谢 ，向在项目开发和论文撰写过程中提供无私帮助的老师和同学们表 示衷心的感谢。 数字前端处理模块是射频收发模块的一部分，其主要功能是适应软件无线电 的趋势，将传统的中频和基频模拟处理数字化，从而搭建收发机的射频前端和以 d s p 为核心的基带信号处理的桥梁，提供主控处理器控制射频前端模块控制信号 通路、与基带板的基带数据通路、与射频通路部分的数据通路；对中频及基带信 号进行高速数字信号处理、对射频模拟部分的校准和补偿。它包括： 北京邮电大学硕士研究牛学位论文第一二章 数据链路部分：实现上下变频，接收机中频数字化，并与射频模拟部分 合作共同完成具有接收机镜像抑制功能的解调，完成抽样率变换； 补偿校正部分：对射频模拟滤波器进行补偿，并且针对i q 两路信号出现 的幅度相位和基准点不平衡问题进行相应的补偿，对功率和频率进行补 偿等以协同射频通路提供对射频通路中发射机通路接收机通路进行校 准的能力； 时钟产生部分：混合锁相环结构的低噪声大范围频率合成器。 数字前端数据链路一端与模拟前端( 天线，调制解调器，滤波器等) 相连， 通过a d c 、d a c 进行数模转换；另一端与基带信号调制解调处理模块( 在d s p 中实现) 相连。可分为两个部分【3 】：d d c ，接收数字化信号并实现下变频以及抽 取功能；d u c ，发送数据内插，上变频。 射频补偿模块完成对射频收发模拟部分的l o 直流补偿、i q 平衡、频率增 益预补偿、功率补偿、模拟中频滤波器通带不平坦的数字补偿等。 时钟模块为数字信号的高速处理提供一个一个高性能时钟，设计一个稳定度 高，低噪声，高分辨率，并适合多制式时钟要求的锁相环时钟，也是本次设计的 重要部分。本次设计要求时钟产生宽频率范围相位噪声低的小数分频锁相环频率 合成器。为a d d a 模块以及数字前端处理模块提供时钟。为满足要求，采用混 合实现方式【4 】，即压控振荡器( v c o ) 和环路滤波器( l f ) 使用模拟器件搭建， 鉴相器和分频器在f p g a 中实现。 数据处理部分和射频的数字补偿部分都是对数字化的信号进行处理，均在 f p g a 里实现。但是考虑到多制式的要求，可分为两部分实现。第一部分与模拟 前端相邻，实现数据处理部分的通用的抽样率变化合滤波，上下变频；实现所有 的对射频模拟部分的数字补偿功能；实现时钟产生链路的鉴频鉴相和分频功能。 可以看出这部分，无论何种制式都不需要改变。第二部分与基带调制解调部分相 邻，实现数据处理部分的针对具体制式的的抽样率变化和滤波，为测量层和物理 层提供可靠，相应采样率的数据，本文实现了t d 链路和g s m 链路。 综上分析，本文所设计的数字前端处理模块采用f p g a 和模拟电路相结合的 方式实现数据处理、射频补偿、时钟产生这三个功能模块。 2 2 主要指标要求 数字前端处理模块主要是搭建收发机的射频前端和以d s p 为核心的基带信 号处理的桥梁，对中频或基带信号进行高速数字信号处理，对频率功率进行补偿， 以及提供低相噪的时钟。 收发链路的主要指标是频率功率准确，处理速度快，占用资源少。锁相环时 北京邮电人学硕十研究牛学位论文第j ：章 钟发生器的主要指标是锁定范围，锁定时间，相位噪声等。主要指标要求见表 2 - l 。 表2 1 数字前端模块主要指标要求 d i g i t a lf r o n t - e n dp r o c e s s i n g i fs a m p l er a t e8 8 - 13 2 m s p s ( t d ：9 2 16 m s p sg s m ：10 4 m s p s ) t d 上行测量层：1 2 8 m s p s + 2 4 t d 上行物理层：1 2 8 m s p s + 4 t d 下行物理层：1 2 8 m s p s b a s e b a n ds a m p l er a t e g s m 上行测量层：2 7 0 8 3 3 k s p s 1 6 g s m 上行物理层：2 7 0 8 3 3 k s p s 乖8 g s m 上行物理层：2 7 0 8 3 3 k s p s 。8 s y s t e mc l o c kf r e q u e n c y 8 5 - 13 7 m h z ( t d ：9 2 16 m h z ；g s m ：10 4 m h z ) i n t e r n a ls i g n a lp a t hr e s o l u t i o n1 6b i t s i fb a n d w i d t h3 0 m h z i ft u n i n gr e s o l u t o no 0 3h z i fd d ss f d r 9 0 d b c d u co c c u p i e db a n d w i d t h 8 0 d b ( 3 g p ps p e c 4 0 d b ) d u ci n b a n df i l t e rr i p p l e + _ - o 0 l d b d u c e v m i 6 r m s ( 3 g p ps p e c 12 5 d b ) f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r o u t p u tf r e q u e n c yr a n g e 8 5 l3 7 m h z f r e q u e n c y r e s o l u t i o n1h z p h e a s en o i s e- 12 3 d b c h za t3 0 0 k h zo f f s e t ( t y p i c a l l y ) l o c k i n gt i m e l m s s y nr e fi n p u t f r e q u e n c yr e f e r e n c e l o m h z + 一l o o h z f r e q u e n c yr e s o l u t i o n l h z p o w e rr e s o l u t i o n0 1 d b 2 3 应解决的关键问题 数宁中频处理将数字信号处理的范围从基带扩展到了天线r f 域，在降低生 产成本的同时提高了系统灵活性。而且，数字变频要比传统的模拟技术更灵活， 性能更好( 在衰减和选择性方面) ；并可以适应多制式的要求。但数字中频处理使 北京邮电人学硕士研究生学位论文 第：二章 数字处理的速度要求大大提高，要求产生更高频段从而更宽范围的时钟；更大的 f p g a 处理面积来获得更高的处理速度；并需要将射频的一部分校准和补偿数字 化实现。这就对f p g a 性能以及设计复杂度提出了更高的要求。 1 适应多制式 本设计中的射频收发模块设计要求为：能够适合t d s c d m a ，g s m 等几乎 所有二代和三代无线通信标准。可以应用于支持多制式的终端测试仪表。这种要 求射频模块数字前端需要通用的数据通路，首先意味着信号处理的时钟是随着制 式变化的。这就要求时钟并具高稳定度和大频率范围的要求；其次，在不同时钟 下，数字处理的抽样率变换以及滤波器的带宽等都是随之变化的，如何设计出符 合各种制式和时钟的数据处理链路也成为本次设计的关键问题之一；再次，由于 综合终端测试仪需要数据处理链路产生任意采样率单频c w 波形用于测量，这 样，射频数字前端还需完成源选择以及存储所需波形。 2 自动射频控制 由于射频控制的一部分数字化，则设计中需要包括对射频的频率，功率，直 流偏移的补偿和校准。如，功率控制不仅要根据用户要求控制射频衰减器的衰减 值，而且需要通过读反馈环路反馈值进行数字补偿。这部分功能涉及到射频衰减 器，射频a l c 反馈环路，f p g a 数字处理和计算和控制，设计复杂，各部分的 成功的配合需要完善的设计，良好的沟通和多次调试。 3 模拟率滤波器的数字补偿 模拟滤波器的数字补偿的目的是补偿模拟部分的l p f 部分，由于各个板和 器件的差异，要求模拟滤波器的数字补偿可以适应待补偿特性的变化。模拟滤波 器的数字补偿模块的设计包括三个方面：待补偿特性的测量，根据待补偿特性得 出数字补偿系数，以及构造一个系数可重置的补偿滤波器。测量通带特性的方法， 根据通带不平坦特性计算滤波器的阶数和系数都需要一系列复杂的步骤和算法， 计算系数的算法可以通过m a t l a b 设计仿真并由驱动实现。而在f p g a 中实现 可变阶数的滤波器则需要大量的乘法器，滤波器系数变化需要采用专用乘法器实 现乘法操作。系数重置操作进行时，系数直接写到系数存储器中，这个存储器需 分为两页，新系数写在不激活状态页中，当系数写完后，激活页和非激活页交换， 可实现系数的重置。由于采用了上述方法，使得滤波器乘加运算不能用查找表方 式运算，而只能用专用乘法器；又由于模拟通带特性较差，需要的补偿滤波器阶 数很大，这样需要耗用大量的乘法器以及内存。这对于f p g a 的选型也提出了较 高的要求。 4 混合锁相环实现 基本的频率合成器由基本的p l l 结构加上一个除n 分频器构成，它能产生 北京邮电人学硕士研究牛学位论文第二章 频率间隔等于参考频率并在v c o 输出一定范围的一系列频率的单频波形。由于 参考频率与锁定时间有直接联系，即参考频率越小，锁定时间越长。因此，尽量 小频率分辨率( 间隔) 和尽量短的锁定时间成为一对此消彼长的指标。引入小数 分频器可以解决这个矛盾，兼顾锁定时问和频率分辨率。但是在引入小数分频器 的同时，对分频比的控制会在小于参考频率的频段上引入寄生边带，破坏频率合 成器的性能。这个问题也是本次设计的一个难点。 2 4 系统功能设计 多制式无线收发机数字前端模块可分两部分实现。第一部分与模拟前端相 邻，实现数据处理部分的通用的抽样率变化合滤波，上下变频；实现所有的对射 频模拟部分的数字补偿功能；实现时钟产生链路的鉴频鉴相和分频功能。可以看 出这部分，无论何种制式都不需要改变。第二部分与基带调制解调部分相邻，实 现数据处理部分的针对具体制式的的抽样率变化和滤波，为测量层和物理层提供 可靠，相应采样率的数据，。 多制式无线收发机数字前端模块除了使用f p g a 现场可编程门阵列芯片外， 还需要数字设计无法实现的模拟电路有源放大器为核心器件的滤波器、 h a r t l y 结构的压控振荡器等组成。整个模块与a d c d a c 模拟数字转换芯片、功 率反馈回路、p c i 接口芯片、射频衰减器等配合完成数据处理、射频控制和补偿、 以及时钟产生功能。数字前端模块设计如图2 2 所示。 北京邮电大学硕十研究生学位论文第j ：章 7 7 姒 _ - _ _ 爿l1 1 ) ；幸砸路选 辋坼掣斡 q 蝈。s 京m 择 i 1 l j 物 理 渊臂餍蚓字l 卧州q 茎卜l b i 二r k 。一一厂 。r 竺k尊 1 咀1i 霸 t l 卜l 协 一j 块 联 酬 薄接收链路佑u 处理幔墙 4 _ _ 。 疆结皿 癣副 掉 _ 图2 2 多制式无线收发机射频数字前端模块结构框图 f p g a 作为核心可编程控制芯片，在本设计中起到相当关键的作用，它实现 数据处理的功能、实现时钟模块的部分功能、控制数据收发、进行射频控制。它 的发射链路部分接收来自基带的数字信号处理后传给d a c 处理；接收链路部分 接收来自a d c 中频信号经处理后( 目前设计的数据链路为t d s c d m a 和g s m 双模可切换版本) 交给物理层进行解调处理或交给测量层进行射频测试。另外， 在f p g a 中还实现了数字内插滤波器、抽取滤波器、上下变频；完成i q 数据的 校正，包括d c 偏移、增益不平衡和相位不平衡、校正模拟滤波器和d a c 的频 率响应的数字补偿功能、内置a l c 的增益电平控制的比较算法和小数n 分频器 及鉴相算法等。 小数n 分频的p l l 锁相环，工作在8 5 至1 3 7 m h z ，参考时钟为i o m h z ，它 为数字前端模块数据处理和控制提供高精度高稳定度时钟基准源。时钟产生模块 是模拟电路和数字处理的结合，它可分为模拟部分包括压控振荡器v c o 、四路 差分电路和环路滤波器l f ：数字部分包括鉴频鉴相器和小数分频器。 系统中的模拟数字转换电路根据实现功能分为两部分：一部分是基带和中频 a d 、d a 转换电路完成基带l q 数字信号与基带i q 模拟信号的相互转换；另一 部分是a l c 数模混合电路完成模拟数字信号的转换。射频衰减器完成射频输出 功率控制和输入参考功率设置的实现。这些部分研究内容由他人从事，这里不再 北京邮电人学硕十研究牛学位论文 第j ：章 赘述。 2 5 系统接口分析与设计 数字前端的外部接口丰要有三部分，下面将对其分别介绍： 1 与上层控制模块的接口 收发链路数据处理需要时钟和复位信号；f p g a i 的各个射频补偿模块需要 控制信号以及补偿数据；f p g a l 滤波器2 x 3 x 模式选择需上层控制；模拟补偿 滤波器的系数和控制信号需提供。这些都是与上层的控制模块的接口。表2 - 2 列 出了数字前端模块与上层控制模块的接口信号定义。 表2 2 数字前端模块与上层控制模块的接口信号定义 信弓t 名称位宽 类型说明 c l kmi n li n p u t 数据处理主时钟 r s tmi nli n p u t 数据处理主复位信号 c l k r e fli n p u t1 0 m 时钟参考输入 m o d e 2 x 3 x c t l li n p u t f p g a l 滤波器2 x 3 x 模式没定 l o _ c o m p _ c t i 3i n p u t l o 直流补偿使能 i o _ c o m p _ r e g _ d a t a i 1 6i n p u tl o 直流补偿数据 i o c o m p _ r e g _ d a t a q i 1 6i n p u t l o 直流补偿数据 i o _ c o m p _ f l a s hd a t a i 1 6p u t l o 直流补偿数据 i o _ c o m p _ f l a s h _ d a t a q 1 6i n p u t l o 直流补偿数据 i q _ c a l i c t l2i n p u t l q 平衡补偿使能 i q _ c a l i r e g _ d a t a i 1 6i n p u t i q 平衡数据 i q _ c a l i _ r e g _ d a t a q 1 6p u t i q 平衡数据 i q _ c a l i f l a s h d a t a i 1 6p u t i q 平衡数据 i q _ c a l i _ f l a s h _ d a t a q 1 6i n p u t i q 平衡数据 f f e q _ c o m p _ c t l 2小p u t频率增益预补偿使能 f f e q _ c o m p _ r e g _ d a t a i 1 6i n p u t 频率增益预补偿数据 f r e q _ c o m p _ r e g _ d a t a q 1 6l n p u t 频率增益预补偿数据 f r e q _ c o m p _ f l a s h _ d a t a i 1 6i n p u t频率增益预补偿数据 f r e q _ c o m p _ f l a s h _ d a t a q 1 6i n p u t 频率增益预补偿数据 t x p o w e r _ c o m p _ c t l 2p u t 发射功率增益补偿使能 t x p o w e r c o m p _ r e g _ d a t a i 1 6p u t 发射功率增益补偿数据 北京邮电人学硕士研究牛学位论文第章 t x p o w e r _ c o m p _ r e gd a t a q 1 6玎、i p u t 发射功率增益补偿数据 t x p o w e rc o m p f b d a t a i 1 6i n p u t发射功率增益补偿数据 t x p o w e r c o m p _ f b _ d a t a q 1 6l n p u t 发射功率增益补偿数据 d a t a s o u r c e s e l e c t 3i n p u t 基带i q 数据选择 f i r w r r d c t l li n p u t 模拟补偿f i r 读写控制 f i r w r r d a d d r 6i n p u t 模拟补偿f i r 读写地址 f i r w r d a t a 1 6i n p u t 模拟补偿f i r 写数据 f i r r d d a t a 1 6o u t p u t模拟补偿f i r 读数据 2 射频通用部分数据流接口 射频通用部分数据流发射链路从具体制式链路中选择一路输入数据，并输出 i q 给d a c ；输入源可以选择输入其它测量数据，需要与其他数据的接口；接收 链路从a d c 输入数据，并输出给某一种制式的链路。同时，输入输出数据还需 一系列控制和使能信号。表2 3 列出了数字收发链路通用制式部分的输入输出接 口信号定义。 表2 3 射频通用部分数字收发链路输入输出接口信号定义 信号名称位宽类型 说明 r o c k e t i o r x d a t a i 1 6i n p u t发射链路输入l 数据 r o c k e t i or x d a t a q 1 6i n p u t 发射链路输入q 数据 r o c k e t i o _ r x f i f o _ f l a g 2p u t r o c k e t i o 接收模块f i f o 状态 t x d a t a _ p r o e n l o u t p u t发射链路信号处理模块接收使能 d d r t x d a t a i 1 6烈p u td d r 2s d r a m 存放的数据 d d rt xd a t a q1 6i n p u td d r 2s d r a m 存放的数据 i n n e r t x d a t a i 1 6i n p u t内部生成的直流o r 正弦信号 i n n e r t x 。d a t a i 1 6烈p u t 内部生成的直流o r 正弦信号 a d 9 7 7 9 d a t a c l k li n p u td a t a c l k a d 9 7 7 9 _ p l d 1 6o u t p u ti 路输出，给d a c l a d 9 7 7 9 _ p 2 d 1 6o u t p u t q 路输出，给d a c 2 a d 9 7 7 9 t s e n a b l e lo u t p u t 输出使能信号 a d 6 2 c 1 7 j a d l li n p u t 通道1 输入a d 数据，i 路信号 a d 6 2 c17 _ _ p a d l l r n p u t 通道2 l 输入a d 数据，q 路信号 a d 6 2 cl7 c l k o u t mll n p u t a d s 6 2 c 1 7 输入差分参考时钟 a d 6 2 ci7 _ c l k o u t plm p u t a d s 6 2 c 1 7 输入差分参考时钟 北京邮电人学硕士研究牛学位论文 第j ：帝 r o c k e t i o t x d a t a i 1 6o u t p u t 接收链路i 数据输出 r o c k e t i ot xd a t a q1 6o u t p u t 接收链路q 数据输出 r o c k e t i o _ t x f i f of l a g 2i n p u t r o c k e t l o 发送模块f i f o 状态 r x d a t a _ p r o _ e n lo u t p u t接收链路信弓处理模块数据有效 3 多制式链路部分数据流接口 多制式数据流发射链路从响应制式的物理层输入数据，并输出i q 数据给通 用射频数宁链路；接收链路从通用射频数字部分输入数据，并输出给相应物理层 和测量层。同时，输入输出数据还需一系列控制和使能信号。表2 - 4 列出了第二 部分数字收发链路的输入输出接口信号定义。 表2 - 4 多制式数字收发链路输入输出接口信号定义 信号名称位宽 类型 说明 d a t a i r x i n 1 6i n p u t 接收链路从m g t 接收的i 路数据 d a t a _ q _ r x i n 1 6i n p u t 接收链路从m g t 接收的q 路数据 d a t a 11 r x o u t 1 6o u t p u t接收链路滤波后送给测量层的数据i 路 d a t a _ ql _ r x o u t 1 6o u t p u t 接收链路滤波后送给测量层的数据q 路 d a t a 1 2 r x o u t 1 6o u t p u t接收链路滤波后送给物理层的数据i 路 d a t a _ q 2 _ r x o u t 1 6o u t p u t 接收链路滤波后送给物理层的数据q 路 d a t a 1 t x i n 1 6i n p u t 发射链路d s p 送给f p g a 的物理层i 路数据 d a t a _ q _ t x i n 1 6i n p u t 发射链路d s p 送给f p g a 的物理层q 路数据 d a t a 。i t x o u t 1 6o u t p u t发射链路送给m g t 发送端口的i 路数据 d a t a _ q _ t x o u t 1 6o u t p u t发射链路送给m g t 发送端口的i 路数据 2 6 本章小结 本章首先对本文要实现的高性能射频信号发生器的设计方案进行了研究与 分析：随后，从系统功能和性能角度出发，分析了系统主要指标要求以及应解决 的关键问题，包括多制式要求和可能遇到的问题和用来补偿射频指标，完善性能 的补偿滤波器和自动校准，引入混合锁相环和小数分频的概念以及设计难点；最 后，从系统功能架构设计和系统接口设计两个方面完成了对多制式射频收发数字 前端模块的概要设计：即从功能方面，对逻辑与控制系统的总体结构、各组成子 模块功能方面进行了研究与设计工作；从接口方面，对数字前端模块与上层控制 北京邮电人学硕士研究乍学位论文第二：章 模块、物理层测量层以及射频发射板的接口进行了分析与设计工作。这一章的系 统功能架构设计和系统接口设计工作可为多制式射频收发数字前端模块设计与 实现提供指导。 北京邮电人学硕十研究牛学位论文第三章 第三章多制式数字前端模块的设计与实现 在上一章多制式射频数字前端模块概要设计的基础上，本章土要进行多制式 射频数字前端模块的详细设计与实现工作。从模块功能描述、接l j 说明、参数设 计和仿真、硬件设计实现等几个方面对射频数字前端模块中的各个子模块进行详 细设计与实现；并对整个模块目前和将来增加制式时钟需求进行了评估，完成了 时钟产生模块电路和程序的设计与实现。 3 1 射频通用数字前端部分发射链路信号处理的设计与实现 3 1 1 功能描述 发射链路信号处理模块目标是完成将低倍速的两路基带数据抽样内插为速 率d a c 处理速率8 5 1 3 7 m s p s 的数据功能( d f e ) 的一部分，并完成数据源的 选择、信号滤波、l o 直流增益、i q 平衡、频率增益预补偿、功率补偿等功能。 适合3 g p p 多种2 g 和3 g 多种标准，基带码片速率和d a c 处理速率随着制 式的改变而改变，所以发射链路的内插倍数也要相应改变，本文采用2 x 3 x 内 插模式可选。发射链路信号处理模块实现如图3 1 所示： 3 1 2 接口说明 图3 1 通用部分发射链路信号处理模块 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 c l kmi n li n p u t 数据处理主时钟 r