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浙江工业大学硕士学位论文 t d s c d m a 直放站数字中频模块的研究和设计 摘要 随着信息技术的快速发展，小数据量的通信能力已经不能满足人们丰富的业务需求， 窄带数字系统正逐步向第三代宽带数字移动通信发展。t d s c d m a 是国际电信联盟i t u 正 式发布的第三代移动通信空中接口技术规范之一，是我国拥有自主知识产权的3 g 国际标 准。目前，t d s c d m a 已经发展成为一个具有国际竞争力的产业，目前我国也正在大力推 动t d s c d m a 产业的发展。 直放站将是t d s c d m a 移动通信网络的重要组成部分，直放站的应用不仅可以增加 t d s c d m a 网络覆盖，使施主基站的覆盖得到延伸，也能增加空闲基站的话务负荷，或是 分摊繁忙基站的话务量，还可以起到优化网络等作用。直放站可以灵活地安装在地铁，商 场等信号盲区和边远地区，在t d s c d m a 网络建设中引入直放站，采取以基站为主、直放 站做适当补充的混合组网方式是很有意义的。 t d s c d m a 直放站设备受时分双i ( t d d ) 的影响，需要研究相应的通信标准。数据通 过无线帧传输，帧划分为不同的时隙，上下行的数据通过时隙传输，上下行的时隙可以灵 活分配，因此对于t d s c d m a 直放站，首先需要确定上下行时隙的切换点，然后分别对上 下行信号进行射频功率放大。要确定上下行时隙的切换点，需要将射频信号转化为基带信 号进行处理。受技术水平限制，直接对射频信号采样处理还有一定难度，本设计采用数字 化中频技术，将射频信号转化到中频模拟信号，然后再对其进行中频采样和数字下变频， 输出基带i q 信号，本文主要介绍了t d s c d m a 数字中频模块的设计。 本文首先对t d s c d m a 直放站的研究背景意义、t d s c d m a 移动通信标准和物理层结 构以及数字中频技术理论做了介绍。然后提出了t d s c d m a 无线直放站设计结构，研究了 基于t d s c d m a 直放站的数字中频模块的实现方法，在q u a r t u si i 环境下，对数字下变频器 作了设计和仿真，最后对基于专用下变频器a d 6 6 5 4 的同步开关控制模块的结构作了设计。 关键词：直放站，t d s c d m a ，数字中频，下变频 浙江工业大学硕士学位论文 t h er es e a r c ha n dd es i g no f d 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 m o d u l e o ft d s c d m ar e p e a t e r a b s t r a c t a l o n gw i t hf a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n i c a l ，t h ec o m m u n i c a t ea b i l i t yo f s m a l l q u a n t i t yh a sa l r e a d yc a i l ts a t i s f i e dt h eb u s i n e s sr e q u i r e m e n to fp e o p l e t h en a r r o wb a n dd i g i t a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s d e v e l o p i n gg r a d u a l l yt ot h ew i d e b a n dt h i r dg e n e r a t i o n m o b i l e c o m m t m i c a t i o ns y s t e m t d s c d m ai so n eo fa i ri n t e r f a c et e c h n i c a lc r i t e r i o no ft h et h i r d g 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 mr e l e a s e db yi t u ，f i r s tb r o u g h tf o r w a r db yc h i n a n o w , t h et d s c d m ai n d u s t r yh a sa l r e a d yh a dt h ei n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o na b i l i t y , o u rc o u n t r yi s a l s op u s h i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et d - s c d m a i n d u s t r ys t r o n g l y t d - s c d m a r e p e a t e rw i l lb ea l li m p o r t a n tp a r to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m n o t o n l yi n c r e a s et h en e t w o r kc o v e r ya b i l i t y , e x t e n dt h eb a s es t a t i o n ，i ta l s oi n c r e a s et h et e l e p h o n e t r a f f i cl o a do ft h ei d l eb a s es t a t i o na n do p t i m i z et h en e tw o r k r e p e a t e rc a nb ef l e x i b l ep l a c e di n t h es i g n a lb l i n da r e al i k eu n d e r g r o u n da n de m p o r i u m a d o p tb a s es t a t i o na sp r i n c i p l e ，r e p e a t e ra s m a k e u pi sv e r ym e a n i n g f u l b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft h et d d ，t d s c d m ar e p e a t e rn e e d st o s t u d yr e l e v a n tc o r r e s p o n d e n c es t a n d a r d d a t et r a n s m i tb yw i r e l e s sf r a m e ，t h ef r a m ei sd i v i s e dt o d i f f e r e n tt i m es l o t ，u p l i n ea n dd o w nl i n et i m es l o tc a nb ef l e x i b l ed i s t r i b u t e d s o ，f o r t d - s c d m a r e p e a t e r , f i r s tn e e df i n dt h es w i t c h i n gp o i n to ft h eu p l i n ea n dd o w nl i n et i m es l o t ， t h e na m p l i f yt h eu p l i n ea n dd o w nl i n es i g n a lp o w e rr e s p e c t i v e l y t of i n dt h es w i t c h i n gp o i n to f t h eu p 。l i n ea n dd o w nl i n et i m es l o t ，n e e dt ot r a n s f o 册t h er fs i g n a lt ob a s eb a n d d i r e c t l yr f s a m p l ei sd i f f i c u l tn o w , t h i ss y s t e mu s ed i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yt e c h n o l o g y , c h a n g et h e r fs i g n a lt oi fs i g n a l ，t h e nd oi fs a m p l i n ga n dd d c p r o c e s s ，o u t p u tt h ev qs i g n a l i nt h i sp a p e r , a t t e n t i o ni sc o n c e n t r a t e do nt h ed i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ym o d u l e t 1 1 i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c et h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft d s c d b r e p e a t e r 、t d s c d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r da n dp h y s i c a ll a y e rc o n f i g u r a t i o n 、d i g i t a l i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yt e c h n o l o g y t h e na n a l y z et h es y s t e md e s i g no ft d s c d m aw i r e l e s s r e p e a t e ra n d r e s e a r c ht h ed e s i g nm e t h o do ft h ed i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ym o d u l eb a s e d 浙江工业大学硕士学位论文 o nt h et d s c d m aw i r e l e s sr e p e a t e r d e s i g na n de m u l a t et h ed d cm o d u l ei nt h ee n v i r o n m e n t o fq u a r t u si i i nt h el a s t ，d e s i g nt h ec o n f i g u r a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o ns w i t c hc o n t r o lm o d u l eo f t h er e p e a t e rb a s e do nt h ea d 6 6 5 4 ： k e yw o r d s ： r e p e a t e r ，t d s c d m a ，d 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 ，d d c 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 再、骺捧 日期：沙咿彦车，月二譬日 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 人授权浙江工业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： ，乒孝霪 刎缈 e l 期：沙驿1 - 月日期：沙哞月彩日 日期：滩r 月形日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 在移动通信2 g 时代的建网初期和中期阶段，直放站作为延伸覆盖的有效手段，得到 了较为广泛的应用。在3 g 时代的建网初期，运营商仍然迫切需要一种可以有效延伸覆盖 的设备和组网方案。直放站仍将在3 g 网络中扮演着重要角色，提高3 g 网络的覆盖能力。 t d - s c d m a 直放站设备受时分双工( t d d ) 的影响，需要研究相应的通信标准，进行高速数 据处理，数字中频技术成为t d s c d m a 直放站研究的关键技术之一。 1 1t d s c d m a 直放站及其特点 直放站属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发 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，从而达到基站 与手机的信号传递。 t d s c d m a 直放站【l 】是基站的延伸，起着衔接基站与移动终端，放大上下行信号的作 用。它应该是一个透明的通道，直放站的使用对系统的指标和相关参数不应该产生影响或 是影响在系统允许的范围内。t d s c d m a 直放站的类型可分为无线同频宽带直放站、无线 移频直放站、光纤传输直放站、室内覆盖干线放大器等，这些设备可根据不同的情况加以 应用。 t d s c d m a 无线直放站的基本原理为，前向天线接收来自基站的微弱信号，信号进入 相应频带的带通滤波器，到达同步开关，分出上下行，然后经过l n a ( t 氐噪声放大器) 、滤 波、功率放大、时分同步开关后，信号增强，功率已达到发射要求，再经同步开关、带通 滤波器、后通过重发天线发射到覆盖区；用户手机所发的上行信号，经重发天线接收、带 通滤波器、同步开关、l n a ( 低噪声放大器) 、滤波、功率放大器、同步开关后，经带通滤 波器从前向天线发射给基站，实现用户手机和基站的互通。要找出上下行的切换点，区分 上下行是t d 直放站和g s m 、w c d m a 等直放站的最大区别，也是技术难点。这是由 浙江工业大学硕士学位论文 t d s c d m a 的信号结构决定的。 在国内2 g 移动市场上，运营商为赢得更多的客户和利润竞争得如火如茶，而即将发 放的t d 牌照将引入更多的运营商，与2 g 相比，3 g 时代的竞争将更加激烈。运营商既要 考虑快速组网，又要考虑降低建设成本和运维成本，实现最大化盈利。到目前为止，已经 有许多设备供应商投入到3 g 直放站设备的研制当中，而且类似于2 g 时代，基站产商在这 一领域投入力量较少，这给专业3 g 直放站设备供应商的发展提供了巨大的商业舞台，尤 其是原有的2 g 直放站设备供应商，通过一定的技术改造和技术投入，可以较快地进入3 g 直放站设备这一产业。 当前已经研制成功3 g 直放站设备并公开报道的产商有华为、中兴、u t 斯达康、京信 通信等国内外通信设备供应商，但是所有的产品都是基于w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 标准的。 w c d m a 和c d m a 2 g 0 0 直放站是纯模拟技术，不牵涉到具体的基带协议和标准，进入门 槛较低，而t d s c d m a 直放站设备则因为时分双工( t d d ) 的影响，需要研究相应的通信标 准，设计调试数模混合、基带射频混合的高速电路，进入门槛相对较高。 1 2t d s c d m a 移动通信标准及其优势 t d s c d m a 系统1 2 j 是第三代移动通信系统( 3 g ) 中被国际电联( i t u ) 采用的由我国自主 研究开发的技术，全称为时分一同步码分多址。是国际电联旨在形成全球统一的频率与统 一的标准、实现全球无缝漫游，并提供多种业务的i m t - 2 0 0 0 ，即国际移动通信系统中三大 标准之一。t d - s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合，在3 g p p 内部，它也被称为低码片速率t d d 工作方式。t d s c d m a 使用时分双工方式( t d d ) 的第 三代移动通信系统标准，同时采用了上行同步、智能天线、联合检测、动态信道分配和软 件无线电等一系列高新技术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高。表1 1 对 t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 的空中接口参数作了比较。 表1 - 1 空中接口参数比较 空中接口规范参数 t d - s c d 雌w c d m ac d 姒2 0 0 0 复用方式 t d df d df i ) d t d d 基本带宽 1 6 姗z5 姗z1 2 5 姗z 或3 7 5 姗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 h i p s 帧长1 0 m s 1 0 m s l o 5 m s 信道编码卷积编码、t u r b o 码等卷积编码、t u r b o 码等卷积编码、t u r b o 码等 数据调制q p s k 、8 p s kq p s k ( 下行) 、h p s k ( 上q p s k ( 下行) 、b p s k ( 上 行)行) 2 浙江工业大学硕士学位论文 扩频方式q p s k q p s kq p s k 与基站间的同步关系同步 同步或非同步需要g s p 同步 核心网g s m - 札a p g s m - m a pa s n i - 4 1 t d - s c d m a 的技术优势是市场优势的源动力。一个技术能否向前推动，技术优势是基 础，t d s c d m a 的技术优势是毋庸置疑，这是业界的共识，也是t d s c d m a 发展的源 动力。t d s c d m a 技术的高性能主要表现在【3 】f 4 】： ( 1 ) 与g s m 的兼容性 与其他的第三代标准相比，t d - - s c d m a 与g s m 的系统结构框架更具兼容性。在 t d s c d m a 的系统组网方面，由于3 g p p 在制定第三代标准时已充分考虑了己有的第二代 网络的投资，因此t d s c d m a 系统与3 g p p 制定的标准在高层取得一致，使第二代网络 向第三代网络的演进与过渡能更好地实现。g s m 现已在我国和世界上大多数国家广泛使 用，t d s c d m a 系统能够完全兼容g s m 系统，支持与g s mm a p 核心网连接( 以后还支 持c d m a 的i s - 4 1 核心网) ，网络能够由g s m 平滑过渡到t d s c d m a 。同时，t d s c d m a 还与w c d m a 具有相同的高层信令和网络结构，两种制式可以使用同一个核心网。 t d s c d m a 系统同样支持第三代移动通信系统核心网逐步向全i p 方向发展。 ( 2 ) 高频谱利用率 与其他的第三代标准相比，它对频谱资源的利用也要比f d d 系统更为灵活，f d d 系 统的上下行信道要同时占用相同的带宽( 如w c d m a ，其上下行各需5m h z 的带宽) ，上下 行之间还需要有几十兆赫兹的频率间隔作为保护。而移动通信系统面临的一个重大的问题 就是频谱资源极度紧张，在这种条件下，要找到符合要求的对称频段是非常困难的。而 t d s c d m a 系统采用t d d 模式，单载波仅占1 6 m h z ，不需要成对的工作频段，可以充 分利用分散、零碎的空闲频段，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源。 ( 3 ) t d d 方式便于提供非对称业务 t d s c d m a 能够提供包括高质量的语音、宽带数据和多媒体业务等各种标准中规定 的业务，t d d 方案的优势在于系统可以根据不同的业务类型来灵活地调整链路的上下行转 换点，根据业务的具体要求，灵活的分配时隙和码道，因而t d s c d m a 系统更容易满足 不对称业务的需要，尤其适合今后将迅速发展的i p 数据业务。同时由于节约了大量昂贵的 频谱资源，采用低码片速率，并且对基站射频部件设计采取有效措施，显著地降低了硬件 设备制造的技术难度，整个网络的投资费用大幅度降低。 ( 4 ) t d - - s c d m a 采用最新技术，以获最佳性能 浙江工业大学硕士学位论文 智能天线：由一组天线阵及相连的收发信机和先进的数字信号处理算法构成。能降低 多址干扰、提高容量和接收灵敏度以及降低发射功率和无线基站成本。 上行同步：上行链路各终端发出的信号在基站解调器完全同步，可以简化基站硬件， 降低无线基站成本。 软件无线电：可实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理，使系统可灵活地使 用新技术，并可降低产品开发周期和成本。 ( 5 ) 系统抗干扰和系统容量之间得到了很好的均衡，相对第二代g s m 系统，t d s c d m a 采用c d m a 技术完成容量的演进，同时保留二代杰出的f d m a 和t d m a 抗干扰技术，并 且进一步采用了智能天线和联合检测的干扰消除技术，是真正的二代向三代演进。系统自 身有良好的持续发展和技术演进性。t d s c d m a 的技术优势使其成本优势、组网优势、质 量优势、建设优势等不可抗拒。 但与w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 标准相比，尤其是与w c d m a 比起来，t d s c d m a 也有 不足之处。t d s c d m a 系统要精确定时，小区间保持同步，对定时系统要求高，而w c d m a 则不需要小区间同步，可适应室内、室外，甚至地铁等不同的环境的应用。 t d s c d m a 是中国提出的国际标准，是一个为国际认同和完整标准化的技术，是国际 唯一主流的t d d 模式的3 g 标准，t d s c d m a 将是面向全球市场，中国市场将为 t d s c d m a 的发展注入强劲动力。目前t d s c d m a 的发展势头迅猛，产业链已经成熟， 随着t d s c d m a 的发展，对t d s c d m a 进行关注和评估研究的国内外运营商越来越多， 国内外主要系统和终端制造商纷纷开始t d s c d m a 的产业化部局，t d s c d m a 具有广 阔的发展和应用前景。 t d 。s c d m a 凭借技术优势、成本优势、组网优势、质量优势完全能够满足中国市场 的需求。t d s c d m a 为中国由电信大国转变到电信强国提供了一个千载难逢的契机，是中 国移动通信业发展的一个拐点，这是一个巨大的考验，t d s c d m a 成为国内3 g 的主流应 用是不容质疑的。 1 3 软件无线电技术 软件无线电是特指用软件实现各种功能特点的无线电台，其中心思想是构造一个开放 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，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以 研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。它的研制主要由低成本高性能的 4 浙江工业大学硕士学位论文 d s p 芯片组成。软件无线电由天线、r f 转换器、a d a 转换器和d s p 处理器几部分组成。 软件无线电具有可编程性、很强灵活性、集中性和开放性等特点。由于采用了标准化、模 块化的结构，其硬件可以随着技术和器件的发展而更新扩展，软件也可以随需要而不断升 级。 软件无线电【5 】结构形式有三种：射频低通采样软件无线电结构、射频直接带通采样软件 无线电结构和中频带通软件无线电结构。软件无线电的设计思想之一是将z u r d 转换器尽可 能靠近天线，使a d 从基带移到中频甚至射频，把接收到的模拟信号尽早数字化。但是， 目前采样率在几百兆赫兹以上的a d 和d a 器件的字长只有几位，不能满足现阶段的精度 要求；另一方面，通用数字信号处理器的运算速率相对较低，不能适应射频直接数字化的运 算量要求。直接对射频信号采样处理还有一定难度。在保留软件无线电通用、灵活、开放 特点的前提下，目前普遍采用了数字中频结构，在中频范围内进行数字化，在基带内使用 通用数字信号处理器来完成数字信号的处理。数字中频技术是目前软件无线电技术中发展 最迅速的一项技术。数字中频结构对器件的性能要求相对较低，它离理想的软件无线电的 要求还有一定的距离，但是它是朝着软件无线电结构形式发展而来的。 1 4 数字中频技术 t d s c d m a 直放站需要寻找t d s c d m a 信号的上下行切换点，因此必须将射频信号转 化到基带上来处理。中频是相对于基带信号和射频信号来讲的，中频可以有一级或多级， 它是基带和射频之间过渡的桥梁。目前通用的做法是直接在中频对模拟信号数字化，再通 过数字下变频技术将其转化到基带，进行基带处理。中频部分用数字方式来实现就称之为 数字中频，在下行方向，它主要包括了a d c 模数转化器和d d c 数字下变频器。 二 一回。 d s p 处理 囱 马 图1 1 数字化中频接收系统 浙江工业大学硕士学位论文 软件无线电数字化中频f 6 】结构主要由图1 1 所示，模拟射频模块将r f 信号进行滤波和放 大；本地振荡器实现射频信号到中频信号的转换；a d c 对中频信号进行数字化，使用下变 频器将中频数字信号转化为基带数字i q 信号，传输至u d s p 器件进行处理。 数字中频有以下优点： ( 1 ) 本振信号由数字下变频器d d c 中的n c o ( 数字控制振荡器) 产生，使用数字混频器进 行正交解调，因此i 、q 通道的幅相一致性较好，本振、混频、滤波等都是数字运算，从 而避免了模拟器件的温漂、失真等问题，不会产生谐波、互调等虚假信号。 ( 2 ) 模拟接收机的动态范围受模拟器件的限制，中频数字化接收机的动态范围取决a d c 的动态范围，要获得较大的动态范围相对容易。 ( 3 ) 目前实现数字下变频器的器件都是由f p g a 、d s p 或专用下变频器件，具有可配置或 可编程的特点，因此可以很方便地更改混频器和低通滤波器的参数，具有很大的灵活性。 数字中频关键的技术有以下几个方面： 1 a d c 和d a c ：在数字中频应用中，模数转换8 ( n d c ) 和数模转换器( d a c ) 的性能有相应 要求。对它们的要求主要包括采样速率和采样精度。为了保证宽带信号传输不失真，采样 率和采样精度应保证信号尽量减小失真，保证动态范围。 2 数字下变频器( d d c ) ：数字下变频器是 a d ) 变换后的数字信号处理器件。主要功能是 完成下变频i q 信号解调。数字下变频主要包括混频、滤波、抽取和重采样，这是系统处理 中运算量最大的部分，也是最难完成的部分。数字下变频器输出的信号送由基带进行处理。 目前基本上有三种方法来实现数字下变频：一种是用纯软件方法就是利用d s p 编程实现数 字下变频功能，另外一种较为经济和方便的办法是使用高效可编程硬件f p g a 或a s i c 来构 成数字下变频器进行下变频，还有一种比较好的方法是使用专用可编程数字下变频器( p d c ) 芯片来实现下变频。目前性能比较好的有美国h a r r i s 公司的h s p 5 0 2 1 4 、h s p 5 0 2 1 6 ，a d i 公 司的a d 6 6 2 0 ，a d 6 6 5 4 等下变频器件。 3 数字上变频器( d u c ) ：数字上变频器主要对基带的数字信号进行内插、滤波，并且进行 i q 调制，其输出的信号将直接进行d a 变换。 本设计主要是处理t d s c d m a 的下行数据，因此主要对数字中频的a d c 和d d c 技术作 了研究设计。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 本论文的主要工作和主要内容 本人所作的工作和本文的主要内容有：( 1 ) 阅读了大量直放站设计的相关资料，分 析了t d s c d m a 直放站的研究现状及其意义。( 2 ) 研究了软件无线电的基本理论，深入 研究了数字中频技术，包括a d 采样的理论，数字正交混频、高效数字滤波器等技术。( 3 ) 基于t d s c d m a 的物理层结构，分析了t d s c d m a 直放站的几种实现方案，设计了基于软 件无线电架构的无线t d s c d m a 直放站系统结构。( 4 ) 研究了基于t d s c d m a 直放站的 数字中频模块的实现方法，分析了采样率的设计、系统的速率匹配、数字下变频模块的抽 取率分配、n c o 和各个滤波器的设计，并在q u a r t u si i 软件平台上对基于f p g a 的数字下变 频器做了设计和相关仿真，验证了设计的可行性。( 5 ) 对直放站同步开关控制模块作了 设计，重点介绍了基于专用下变频器a d 6 6 5 4 的数字中频模块的设计。 7 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章数字中频的理论基础 受技术水平限制，直接对射频信号采样处理还有一定难度。在保留软件无线电通用、 灵活、开放特点的前提下，目前普遍采用了数字中频结构。数字中频技术是目前软件无线 电技术中发展最迅速的一项技术。这个理论也适用在t d s c d m a 直放站的设计中，直放站 在确定上下行切换点的时候需要将射频信号转化到基带上来进行处理。本章主要介绍数字 化中频接收的基础理论【7 】【8 l ，包括中频信号采样、数字正交变换、抽取、滤波等理论，这 些理论在直放站的研究开发中是必不可少的。 2 1 信号采样理论 在一定条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔上的瞬时值或样本 值来表示，并且可以用这些样本值将信号恢复出来，这个特性来自于信号的采样。 2 1 1 n y q u i s t 采样理论 n y q u i s t 采样定理： 设有一个频率带限信号x ( 0 ，频带限制在( 0 ，厶) 内，如果以不 小于z _ 2 厶的采样速率对x ( t ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号x ( n ) = - - x ( n z ) ( 其中 正= l z 称为采样间隔) ，则原信号x ( t ) 将由所得到的采样值x ( n ) 完全地确定。由于软件无线电 所覆盖的范围一般都要求比较宽，例如从0 1 m h z 到2 g h z ，作为软件无线电，只有这样宽 的频段才能能有广泛的适应性。但是如此宽的频带采用n y q u i s t 采样所需的采样速率至少大 于4 g h z ，这个在现有的硬件水平来看显然是不现实的。所以，对于宽频带工作的软件无线 电是无法采用n y q u i s t 采样技术采样，而必须采用带通采样。 就中频数字化接收而言，有用信号只是占据了整个中频带宽的一部分，如本项目设计 的直放站我们将r f 信号降至, j s om h z 中频信号进行采样，但是有用信号只有1 6m n z ，所以 如果我们将整个带宽进行采样，不仅数据非常大，而且也包含了许多无用信息，因此，本 设计选择带通采样。 8 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 带通信号采样理论 带通信号采样可以实现高频信号的低速采样，带通采样定理：设频率限带信号x ( t ) ，其 频带限制在( 五，厶) 内，如果其采样速率满足： ，：剿( 2 - 1 ) 几 ( 2 n + 1 ) 。 式中，n 能满足z 乏2 ( 厶一五) 的最大正整数( o ，1 ，2 ) ，则用z 进行等间隔采样所 得到的信号采样值x ( n z ) 能准确地确定原信号x ( t ) 。式( 2 - 1 ) 亡p n 带通信号的中心频率五和 频带宽度b 也可表示为： ，= ： ( 2 2 ) “ 2 ，z + 1 一 式中五：五 五，n 取能满足z 2 b ( b 为频带宽度) 的最大正整数。 显然，当z = 厶2 ，召= 厶时，l r n = 0 ，式( 2 q ) 就是n y q u i s t 采样定理，即满i f ：f , = 2 厶。 由式( 2 _ - 2 ) 可见，当频带宽度b 一定时，为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率 ( z _ 2 b ) 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足： f o 掣占 ( 2 - 3 ) 或五+ 厶= ( 2 挖+ 1 ) b ，也即信号的最高( 或最低) 频率是带宽的整数倍。 上述带通采样定理适用的前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允 许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号的混叠。为了满足这样的一个条件， 可以采用跟踪滤波器的方法来解决，即在采样前先进行滤波，如图2 1 所示，也就是当需要 对某一个中心频率的带通信号进行采样时，就先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率 上，滤出所感兴趣的带通信号，然后再进行采样，以防止信号的混叠。 厶= 掣b ， 图2 1 带通信号的采样图 9 浙江工业大学硕士学位论文 上述频带宽度b 不仅只限于某一信号的带宽，但从模拟信号的采样数字化来讲，这里 的b 指的是处理带宽。 2 2 数字下变频理论 带通采样的带宽应该越宽越好，这样对不同信号会有更好的适应性，采样率越高，在相 同的工作频率范围内所需的“盲区”采样频率数量就越少，有利于简化系统设计；而且当对 一个频率很高的射频信号采样时，如果采样频率太低，对提高采样量化的信噪比是不利的。 所以，带通采样速率应该尽可能地选的高一些。但是随着采样速率的提高，采样后的数据 流速率很高，导致后续的信号处理速度跟不上，所以有必要对a d 后的数据流进行降速处 理。 数字下变频技术是数字中频接收机的核心技术之一，它包括数字混频、数据抽取器及 高效数字滤波。其中，数字混频完成频谱搬移，实现信号的基带变换；抽取器用来降低采 样率，而高效数字滤波保证信号抽取前后的抗混叠，提取有用信号，并提高信噪比。其原 理框图如图2 2 所示。 图2 2 数字下变频模型 2 2 1 数字混频正交变换 数字中频信号要下变频到零频信号第一步就要进行数字正交混频，采样后的数字信号 x ( n ) 与两个正交本振序列c o s ( o g 。n )s i n ( c o , n ) * 目j ，z 即为输入数据的中频频率。数字混 频实现的功能如图2 3 所示。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 图2 3频翠受狭图 设输入的模拟中频信号为： x ( f ) = 彳( f ) c o s ( q + 矽( f ) ) = 4 ( f ) c o s ( 2 万以+ ( f ) ) ( 2 - 4 ) 其中彳( f ) 为信号瞬时幅度，z 为载波频率，经过a d c 采样后，中频信号数字化，为 x ( f ) = 彳( 胛) c o s ( 吃聆+ ( 疗) ) ( 2 - 5 ) c o s ( 吐拧) 和s i n ( c o 。n ) 由本地振荡器产生，分别于上式相乘，得到两路信号分别为： 乃( 挖) ：掣 s 2 咄+ ( 门) + c o s 矽( 门) ) ( 2 - 6 ) 均( 妒掣 s i l l 2 哪+ ( 刀) 一s 洫 矽( 以) ) ( 2 7 ) 然后用低通滤波器，滤除高频分量，可以得到： m ) ：掣c 。s ( 聆) ( 2 - 8 ) q ( 刀) ：一掣s i i l ( 疗) ( 2 9 ) 它们分别为基带信号的同向分量和正交分量，它们携带着所有由用的信息，正交变换 将一个实信号转换为i q 复信号，输出的i q 信号保留了原信号的瞬时幅度信息、瞬时频率信 息和瞬时相位信息。对于幅度信息来说，幅度信息可以通过以下关系方便得出： 彳( 刀) = 止( 珂) 2c 。s 2 ( 力) + 彳( 刀) 2s i i l 2 矽( 刀) ( 2 1 0 ) 同样，可以利用i q 信号方便地计算出瞬时相位和瞬时频率。两个正交本振序列的形成 和相乘都是数学运算的结果，所以其正交性完全可以得到保证，只要确保运算精度即可。 这种数字正交变换随着高速集成电。路的发展获得了越来越广泛的应用。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原始序列x ( n ) 每隔( d - 1 ) 个数据取一个，以形成一个新的序列 x o ( m ) ，e p ：k ( m ) = x ( 聊d ) ，式中d 为正整数。很显然，如果x ( n ) 序列的采样率为z ， 则其无模糊带宽为f 2 。当以d 倍抽取率对x ( m 进行抽取后得到的序列x o ( m ) 的采样率为 f ( 2 d ) ，其无模糊带宽为f , 2 d 。当x ( n ) 含有大于z ( 2 d ) 的频率分量时，x o ( m ) 就必 然产生频谱混叠，导致从杨( 册) 中无法恢复x ( n ) 中小于z ( 2 d ) 的频率分量信号。 图2 - 4 抽取前后的频谱结构( 混叠) 如图2 4 所示，抽取后的频谱( p 归) 产生了严重混叠，使得( 口弘) 中无法恢复出 x ( e 归) 中感兴趣的信号频谱分量。所以，可以先用一个数字滤波器( 滤波带宽为万d ) 对x ( p 归) 进行滤波，使x ( p 归) 中只含有小于万d 的频谱分量，再进行d 倍抽取，则抽取 后的频谱就不会发生混叠，如图2 5 所示。 八入八入、u 广 - - 2 】, rq o f2 口矿 1 l 爿 2 f 0 f2霄口r r 门八肪一口m - - 2 a rq o r2 l 6 t 以p 。l l 入 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 图2 5 抽取前后的频谱结构( 无混叠) 通过以上分析可以得出一个完整的抽取器需要一个带宽小于或等于石d 的低通滤器， 但是如果x ( e s 甜1 本身就小于r e i d 时，则前置低通滤波器可以省去。经抽取器后，输出数 据的速率是原来输入速率的1 d 。采样率抽取的单级实现如图2 6 所示。 图2 6 单级抽取框图 2 2 3 采样率变换的多级实现 前面所讨论采样率变换是按单级实现来考虑的，d 倍抽取一次完成。当抽取倍数d 很 大时，单级实现比较困难，所需的低通滤波器h ( n ) 的阶数将非常高，乃至无法实现。 则当采用窗函数法设计这样的滤波器时所需的滤波器阶数n 为： n ：- 2 0 l 0 9 8 - 7 9 5f + l( 2 1 1 ) 1 4 3 6 x a f “ 万为阻带衰减，为过渡带宽，z 为采样速率，当输入的采样率为1 0 0m h z ，抽取倍 数为5 0 0 ，需要得到2 0 0 七的采样速率信号带宽为1 0 0k h z ，要求的阻带衰减万为0 0 0 1 ， 过渡带宽矽为1 0 0 k h z ，那么所需的低通滤波器的阶数为 ：鱼q 二! ：2 1x 1 0 0 + 1 ：3 6 2 6( 2 1 2 ) 1 4 3 6 0 1 这样高阶的滤波器实现起来是非常困难的，所以常用多级实现。多级实现框图如图2 7 所示： 图2 7 多级抽取框图 对本例， 设d l = 5 0 ，d 2 = 1 0 ，d = d 1 d 2 。对于第一级参数，磊= 8 2 = 0 0 0 0 5 ，馘= 0 9m h z ， 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 z 。- 1 0 0m h z ，第一级滤波器的系数为 1 ：盟1 0 0 + 1 ：4 5 01 1 4 3 6 x 0 9 对于第二级参数疋= 8 2 = 0 0 0 0 5 ，蜕= 0 1m 】- - i z ，z 2 = 2m h z ，所需的滤波器 阶数为 ：堑二! ：! 兰2 + 1 ：8 2 1 4 3 6 0 1 可见，通过分级抽取后滤波器的阶数明显降低，实现起来比较容易。 2 2 4f i r 滤波器的设计 无论是信号抽取前后的抗混叠，提高信噪比，还是有用信号的提取，都需要数字滤波 器，这个滤波器的好坏，直接影响取样率变换的效果及其实时处理能力，在本项目的设计 中也是非常关键的一步，它直接决定着输出的基带信号的质量。数字滤波器有两种，一种 是有限冲激响应滤波器f i r ，一种是无线冲激响应滤波器i i r 。f i r 9 】是指冲激响应函数厅( 刀) 为有限个值的数字滤波器，即： 当，z 2 及 l 时，五( 船) = o ，实际中o k n l ，在这个范围内j l z ( 聆) 不为o ， - 1 y ( 刀) = ( 七p ( 丹一足) k = o f i r 数字滤波器的频率响应可表示为： 一l n ( e 归) = 办( 后一肚 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 设计f i r 滤波器最简单的方法就是用一个已知的窗函数，去截一个理想滤波器的冲激 函数( k ) ，得到一个实际可用的f i r 冲激函数办( 后) ：h ( k ) = ( 七