（电磁场与微波技术专业论文）基于数字中频方案的宽带接收单元.pdf

摘要 基于数字中频方案的宽带接收单元 硕士生：陈洪勋 指导教师：朱晓维教授，蒋伟讲师 摘要 随着无线通信技术的飞速发展，信息传输的速率越来越高，随之占用的频谱带宽也更宽，而且 多种体制和多种频段的通信系统也将并存，尤其是第三代移动通信系统( 3 g ) 的商用，这样的局面 将会更加突出，因此对能兼容多种通信标准、且能同时处理多载波信号的宽频带收发信机的需求日 益强烈。为满足这些需求，提出了数字中频技术、零中频或低中频技术、甚至软件无线电技术的宽 频带收发信机方案，与传统的超外差收发信机方案相比，大大提高了系统集成度、可靠性和一致性， 具有结构紧凑、体积小、重量轻、应用灵活、系统升级容易等特点，能够在通用的硬件平台基础上 通过更改软件和射频前端即可适用于各种不同的无线通信系统中。 本论文主要研究可以兼容接收多种3 g 标准信号的宽带接收单元，采用数字中频的实现方案， 完成了从天线入口端到数字基带部分的全部接收链路的设计、仿真和硬件实现。本文首先论证了采 用数字中频方案的优点和可行性；然后根据3 g p p 和3 g p p 2 的相关规定，给出了该宽带接收单元的 系统方案设计，并将接收单元分为模拟前端和数字中频两个部分，在明确了这两个部分的接口要求 后，分别给出了各部分的具体方案设计、关键指标的分析、芯片的选择和性能评估；接着用a d s 软 件分别对模拟前端部分和数字中频部分进行仿真，通过仿真结果来指导硬件电路的具体实现；最后 对研制的宽带接收单元进行了全面测试：包括模拟前端部分、数字中频部分的关键指标测试，测试 结果表明宽带接收单元达到了预定的设计要求，测试两载波w c d m a 信号或四载波c d m a 2 0 0 0 信 号时，r h o 、e v m 、p k c d e 等指标均满足3 g p p 和3 g p p 2 的要求。在整个宽带收发信机系统联测中， 工作稳定，性能良好。 【关键词】数字中频带通采样多速率信号处理数字下变频w c d m ac d m a 2 0 0 0 东南大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o n so nt h ew i d e b a n dr e c e i v i n gu n i t b a s e do nd i g i t a li ft e c h n o l o g i e s m s e e c a n d i d a t e ：c h e nh o n g x u n s u p e r v i s o r ：p r o f z h ux i a o w e i ，i n s t r u c t o rj 1 a n gw e i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m o r ed e m a n d sf o rw i d e b a n d m u l t i m o d ea n dm u l t i c a r r i e rt r a n s c e i v e rh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d c 0 r r e s p o n d i n 9 1 y ， w i d e b a n dt r a n s c e i v e r sb a s e do nd i g i t a li ft e c h n o l o g yo rz e r oi ft e c h n o l o g yo rs o f td e f i n e d r a d i ot e c h n o l o g ya r ep r o p o s e d ，w h i c hc a nd e a lw i t hs i g n a l sf r o md i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb yw r i t i n gd i f f e r e n tc o d e si n t o t h es a m eh a r d w a r e p l a t f o r m t h ei n t e g r a t i o n 、 c o n s i s t e n c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e s et r a n s c e i v e r sc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d ，c o m p a r i n gw i t h t r a d i t i o n a lt r a n s c e i v e r s t h er e s e a r c ho nd e s i g n i n gam u l t i c a r r i e rr e c e i v e r ，w h i c hc o u l db ec o m p a t i b l et ow c d m a 、 c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m as y s t e m s ，b a s e do nd i g i t a li ft e c h n o l o g yw a sp r e s e n t e dh e r e t h ew h o l e c h a n n e lb e t w e e nt h ea n t e n n aa n db a s e b a n dw a sc o v e r e dh e r e f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to fs d ra n dt h ea d v a n t a g ea n df e a s i b i lit yo f t h es y s t e mb a s e d o nd i g i t a li fw e r eb r i e f l yd e s c r i b e d t h e n ，t h ea r c h it e c t u r eo ft h er e c e i v e rw a sp r e s e n t e d ， w h i c hc a nb ed i v i d e di n t ot w os u b s y s t e m ：a n a l o gf r o n t e n dm o d u l ea n dd i g it a li fm o d u l e n e x t ，t h ed e t a i l e dd e s i g n i n go fe a c hs u b s y s t e mw e r eg i v e n ，i n c l u d i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ， t h ea n a l y s i so fk e ys p e c i f i e a t i o n s ，t h ec h o i c ea n dp e r f o r m a n c ev e r i f i c a t i o no fc o m p o n e n t s c o n c e r n e d ，e t c n e x t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h et w os u b s y s t e mb ya d s ( a d v a n c e dd e s i g n s y s t e m ) w e r ep r o v i d e d ，w h i c hc o u l db eu s e dt oi n s t r u c tt h ea c t u a ld e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t l a s t ，t h et e s t i n gm e t h o d sa n dt e s t i n gr e s u l t so ft h er e c e i v e rw e r eg i v e n ，w h i c hv e r i f i e d t h a tt h er h o 、e v m 、p k c d ec o u l dm e e tt h er e q u i r e 用e n t so fc o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l s ，w h e ni t w a sd e a l i n gw i t ht w o c a r r i e rw c d m as i g n a lo rf o u r c a r r i e rc d m a 2 0 0 0s i g n a l k e yw o r d s d i g i t a li f ，t r a n s m i tm o d u l e ，b a s es t a t i o n ，c d m a 东南大学学位论文独包性声明 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：碰差塑 日 期：2 0 0 s - i - q 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：鼍邋导师签名： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早z 百t 匕 移动通信产业是当今世界发展最快的产业之一。用户数的急剧增加和对高速多媒体业务传输的 迫切需要，都预示着第三代移动通信技术，即3 g 的普及应用是移动通信产业发展的必然趋势。第三 代移动通信系统是指国际电信联盟( i t u ) 提出的未来公用陆地移动通信系统即f p l m t s ，1 9 9 6 年更 名为i m t - 2 0 0 0 。在第三代移动通信系统所要实现的目标与系统的特点中，最核心的问题是提供不同 环境下的多媒体业务的全球覆盖。因而它要求实现多种网络的综合：无线网与有线网的综合，移动 网与固定网的综合，陆地网与卫星网的综合。这样就可以提供全球无缝覆盖，为用户提供在无线与 有线环境下统一的业务使用方式，又适应多种业务环境，且与第二代移动通信系统兼容，便于平滑 升级。此外，第三代移动通信系统可以提供高速的数据传输，室内环境下数据传输速率可以达到 2 m b p s ，室外步行环境下数据传输速率可以达到3 8 4 k b p s ，室外移动环境下数据传输速率可以达到 1 4 4 k b p s ；还可以支持传输速率的按需分配以及上下行支持不对称的业务。 在刚开始提出3 g 标准的时候。目标是：任何人在任何时间、任何地点都可以和其它任何人进行 任何种类( 话音、数据和图象等) 的通信，能实现全球漫游。遗憾的是：目前被认可的3 g 标准有三 种之多，包括w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 以及中国自主提出的t d - - s c d m a 从运营成本、技术特点和系统升 级费用等几个方面来看，三个标准各有所长，所以第三代移动通信的标准的统一是非常困难的， i 岍一2 0 0 0 的发展策略已经改变过去”统一”的概念，而注意到以各地区现有第二代系统网络基础为参 考来制定比较现实的过渡方法，并在1 9 9 7 年3 月的中间会议上一致通过了”i m t 一2 0 0 0 家族”的概念。 它放弃了在空中接口、网络技术等方面致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案。 在无线频谱的分配方面，位于1 8 8 5 m h z 一2 0 2 5 t 蛆t z 和2 1 l o m t t z 一2 2 0 0 m h z 的共计2 3 0 m t t z 频谱可以用于 i m t - 2 0 0 0 的业务，其中的1 9 2 0 删z - 1 9 8 0 m h z 和2 1 i o m h z 一2 1 7 0 娜z 为对称的2 个6 0 姗z 频段，可以作 为f d d 工作方式的w c d m a 和c d f l a 2 0 0 0 的工作频段；1 9 8 0 m h z 一2 0 1 0 m h z 和2 1 7 0 m h z 一2 2 0 0 删z 用作卫星 移动业务；1 8 8 5 m h z 一1 9 2 0 m h z 及2 0 1 0 m h z 一2 0 2 5 m h z 的非对称频段可以用作t d d 工作方式的系统，如 t d s c d m a 使用。在中国，2 3 0 0 m h z 一2 4 0 0 m h z 频段也可用作t d s c d m a 的工作频段。 随着全球3 g 商用的逐渐普及，那么很可能出现这样的结果：不同的标准覆盖不同的国家，甚至 同一个国家也使用多种标准来部网，将给用户的漫游带来极大的不便。解决三种3 g 标准的兼容问 题刻不容缓。研发能兼容三种标准的终端以及网络设备无疑是解决这个问题的一种良策。一方面对 于运营商来说，可以避免重复投资、减少系统升级费用；另一方面，对于用户来说一个能够方便兼 容三种模式c i ) p 。a 信号的手机也将是最实惠的选择。此外，为了提高网络容量以及减少布网的成本， 能处理多载波的网络设备在未来的应用中也有极大的竞争优势。将a d 、i ) a 变换尽量靠近天线的软 件无线电技术是最有希望解决这些问题的技术，它可以研制一个完全可以编程的硬件平台，基站和 移动台的所有功能均通过软件编程实现，通过注入不同的软件，形成不同标准的移动用户终端和基 站，保证各种移动设备之间的无缝集成，使得一机在手，漫游天下。目前，软件无线电技术已经成为 未来移动通信的关键技术。虽然现在的软件无线电技术发展得还不够成熟，无法做到数字射频，但 是随着数字信号处理技术以及集成电路技术的快速发展，数字中频技术作为软件无线电技术的初级 形式逐渐成熟起来晗。采用数字中频结构的收发信机凭借其高性价比正在逐步取代采用超外差结构 的收发信机。 本文的课题“基于数字中频方案的宽带接收单元”正是在这样的背景下提出的，负责从天线口 到基带处理接口的接收链路的设计。本课题是“基于数字中频方案的宽带收发信机”项目的部分。 “基于数字中频方案的宽带收发信机”项目的设计目标是：能兼容w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两种标准 下，能同时处理多达4 个c d m a 2 0 0 0 载波或2 个w c d m a 载波的信号，各项性能指标经过严格测试后应 1 东南大学硕士学位论文 能达到相应协议的要求，最后通过现场测试来演示图像的收发传输。现场测试的方法如图卜i 所 语音 数据 图像 语音 数据 图像 模拟移动台 模拟基站 图1 - 1实验平台的现场测试图 示，所以需要设计并实现两套收发信机，一套用作基站，另外一套用作移动台，进行数据和图像的 实际传输效果的验证。该收发信机结构如下图1 - 2 所示，分割为发射模块、接收模块、频率源模块 和电源控制部分等几个子课题，且每个为模块都要实现两套分别用来模拟基站和移动台供图卜l 测 试时使用。 接收通道 r s p a d c 接收信号处理器 d s p s ，r 个 f p g a s 宽带射频 a s i c s 前端 时钟合成与分配 ( c d m a 2 0 0 0 ) ( w c d m a ) 、l、l t s p d a c 卜一 发射信号处理器 发射通道 图卜2实验平台的收发信机结构图 1 2 几种接收机结构的比较 移动通信接收机通常有超外差接收方案和直接变换方案。如今，具有更高性价比的基于数字 中频结构的接收机技术也日益成熟起来。 超外差结构是最为普遍的且能够实现良好信道选择特性的接收机结构。宽带的射频信号通过滤 波器后放大，接着转换为固定频率的中频信号，在中频频率上实现窄带信道滤波。中频的频率是固 定的，信道的选择就通过改变射频混频器的本振频率来实现的。滤波器的品质因数q = f o b w a 曲，其中 f 0 为滤波器的中心频率，所以在中频进行信道滤波，降低了对滤波器品质因数的要求，更容易实现。 中频声表面波滤波器，即中频s a w 滤波器是超外差式接收机实现良好信道滤波特性的关键部件，超 外差结构可以在很宽的频带范围内达到良好的信道选择性和灵敏度，但s a w 滤波器的插入损耗较大 而且成本比较高。 直接变换方案是将接收到的射频信号直接下混频到i o 基带信号，使用简单而便宜的低通滤波 器来进行信道滤波。这种结构大大降低了接收机的复杂性，省去了高损耗的成本较高的s a w 滤波器。 但是直接变换接收机技术存在一些难点，比如，射频本振频率有可能与附近的干扰信号进行自混频 而出现直流或低频漂移信号，导致a d c 和基带放大器出现饱和现象；此外，在直接变换接收机中， 对正交射频本振的要求很高，它必须提供良好的幅度和相位平衡度；混频器的隔离度应该相当高， 以避免自混频问题；混频器本身应该具有良好的线性，以防止相邻或相间信道干扰所产生的互调产 2 第一章绪论 物。 以上两种方案为传统的接收机结构，其射频部分、下变频、滤波及放大等全部采用模拟方式， 某个频段、某种调制方式的通信系统要分别对应于专门的硬件结构。随着通信系统的种类越来越多， 每一个系统如果都分别单独设计对应的收发信机的话，必然性价比不高，造成资源的浪费。 1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i t o l a 在美国国家远程系统会议上首次明确提出了以现代 通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的软件无线电的概念。软件无线电 是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信 功能的一种开放式体系结构。这样，无线通信新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来，而无线 通信产业的产值将越来越多地体现在软件上。软件无线电技术可在通用芯片上用软件实现专用芯片 的功能，并已经在t d s c d m a 系统中的智能天线、联合检测等技术中得到了实际的应用。软件无线电 的关键思想是：将a d 尽可能靠近天线，用软件来完成近可能多的无线功能。软件无线电强调体系 结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。软件无线电 采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展h 儿引。 软件无线电可以 充分利用数字化射频信号中的大量信息来评估传输质量、分析信道特点、实施采用最佳接入模式、 灵活分配无线资源、实现移动通信系统的动态管理和多种3 g 移动通信标准( 主要是w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 以及t d s c 嘲a ) 的优化。从近期发展上看，软件无线电技术可以解决不同标准的兼容性，为实现全 球漫游提供方便；从长远发展上看，软件无线电发展的目标是实现可以根据无线电环境的变化而自 适应的配置收发信机的数据速、调制解调方式、信道编译码方式、调整信道频率、带宽以及无线接 入方式的智能化，从而更加充分的利用频谱资源，在满足用户o o s 要求的基础上使系统容量达到最 大。基于软件无线电的实现将对降低无线网络成本起到很大的作用，这主要体现在以下几个方面m 1 ： ( 1 ) 软件无线电具有很强的灵活性，若系统需要增加功能或进行标准升级等均可通过软件升级来 实现，无需额外增加或修改系统硬件设备，可减少设备费用的开支，因而大大降低了整个网络的成 本。 ( 2 ) 由于软件无线电具有通用性强等优点，使得无需额外增加设备即可支持多种通信体制的并 存，从而降低整个网络的成本。 ( 3 ) 软件无线电使得先进技术迅速进入市场成为可能。现有的无线通信系统的技术应用已远远落 后于数字通信，这在很大程度上是由于时间和经费的问题，包括配置底层的基础设备来完成特殊的 空中标准设置。因为资金投入很大，不可能经常对设备升级，导致新技术应用大约会滞后1 0 年。而 软件无线电通过安装新软件进行技术升级，比配置新硬件更迅速、更廉价，使得数字通信的先进技 术在投入最少的情况下最快地进入市场成为可能。 理想的软件无线电接收系统的组成结构如图卜3 所示慵1 ，对接收到的射频信号经过放大、滤波 图卜3软件无线电理想的接收系统结构 后直接进行采样，主要由天线、射频前端、宽带a d c 、通用或专用的数字信号处理器以及完成通信 功能的软件组成。在接收机中，射频前端完成滤波、放大等功能，宽带a d c 用来对宽带高频信号进 行高速采样，a d c 输出的高速采样的数字信号经数字下变频后，再进行抽取降速，以减轻后续处理 的压力。d s p f p g a 主要对低速基带信号进行各种处理，例如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、 自适应均衡算法的实现等陋1 。但是频率高达几g h z 的信号，需要a d c 有很大的工作带宽，很高的采 样率，而且要有较高的转换位数和很高的s f d r ( 无杂散动态范围) 。目前的技术水平还无法实现上述 理想的数字射频。随着芯片设计水平的飞速发展，将射频信号模拟下变频到中频再进行采样的数字 中频技术已经日趋成熟，本课题设计的接收单元就是采用的数字中频方案。 数字中频方案采取了和超外差结构类似的双本振结构，如图卜4 所示，一本振与射频信号下变 3 东南大学硕士学位论文 宽带射频前端部分 射频低噪 声放大 s a 阡wl ja 忭m pl i b 4a 作g ch 数字中频部分 数字基 习压蒲西髓 图1 - 4 基于数字中频的接收模块的一般系统结构图 频到中频，二本振与中频信号下变频到基带，避免了直接变换方案对正交射频本振和混频器的苛刻 要求，并具有超外差结构在很宽的频带范围内有良好的信道选择性和灵敏度的特点。但与超外差结 构不同的是，数字中频方案把a b e 的位置从基带提前到中频部分，第二本振n c o 提供的不是模拟信 号而是一个数字序列。d d c 为数字下变频器。n c o 为数控振荡器，用来提供数字下变频所需要的正交 本振的数字序列。经过宽带射频前端处理后的模拟宽带中频信号经高性能僦采样后，变成了频谱 以采样速率f 。为周期的宽带数字信号；根据分布在第一n y q u i s t 区间内的各载波的中心频率，分别 设置各通道n c 0 的工作时钟，完成数字下变频，各通道都得到一个高速的基带信号，由后续的抽取 和滤波部分，将信号的速率变换到一个适合后续基带解调的速率，不同的滤波设置可以输出符合不 同3 g 标准的谱信号，最后的数字a g c 用来使输出数字基带信号的平均功率稳定在个符合后续基带 处理要求的值。 数字中频方案的主要优点是： ( 1 ) 使用数字中频对信号进行 o 解调可以精确地做到q 路的9 0 度相移，并且i o 两路 上增益相等，所以极大地克服了模拟i q 解调的幅度和相位不平衡性。 ( 2 ) 与模拟下变频方法相比，在数字下变频中，混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定 度、边带、相位噪声、温度漂移、转换速率等影响因数不复存在。 ( 3 ) 能获得比较理想的镜频抑制。 ( 4 ) 使用数字中频的网络设备，在未来的系统升级时，更方便，成本更低。 数字中频方案的难点是对a d c 的要求较高：要有高的采样速率和大的工作带宽来处理宽带信 号；要能处理较高频率的中频信号；要有大的无杂散动态范围( s f d r ) 和高的精度以获得好的信噪 比，减少量化失真和非线性。这些指标都在选择a d c 时都需要考虑到。 1 3 本文的研究内容 本文完成的“基于数字中频方案的宽带接收单元”是一种新型的、不同于传统模拟i q 方案的、 采用数字中频方案的、能工作于多种3 g 标准下、能处理多载波的接收单元，可以用在3 g 基站的接 收机中，能较好的解决不同标准的兼容问题，避免网络设备的重复投资，减少了网络升级的费用， 具有广阔的应用前景。基于数字中频的设计，提高了整系统的可靠性和一致性；通过软件的下载就 可方便地进行容量和模式的变换，系统的升级更多体现在软件的更新上，使系统升级更容易、更便 宜；数字化也提高了系统集成度，减少了整机体积。 本课题的任务是设计采用数字中频方案的宽带接收单元，中频s a w 带宽需大于】0 m h z 以能兼容 接收2 载波的w c d m a 信号或4 个载波c d m a 2 0 0 0 的信号。从天线接收进来的宽带多载波射频信号，进 入该宽带接收单元后，经过射频放大、滤波、下变频后变成模拟宽带多载波中频信号，再经过数字 中频部分的处理后输出基带信号给基带处理单元。要求接收模块的指标满足相应协议的要求。本课 题完成的宽带接收单元，可分为模拟前端和数字中频两大部分，在明确了这两个部分之间的接口要求 后，可以分别进行分析设计，模拟前端可分为低噪声放大器、射频声表滤波器、混频器、中频滤波以 及中频自动增益等多个部分；数字中频部分主要包括模拟数字变换、数字下变频、多速率数字信号 处理、数字滤波以及数字a g c 等。 4 第一章绪论 整个课题的设计工作分为两部分：一个是从天线接口到a d 变换前的模拟前端部分的系统设计 和实现，包括系统指标的分析和制定、系统方案的设计和仿真、芯片的选择和性能评估、硬件电路 的实现和测试；另外一个是将宽带模拟信号经过a d 变换、数字下变频和多速率信号处理输出数字 基带信号的数字中频处理部分的系统设计和参数制定，包括数字中频处理的系统仿真、数字中频处 理芯片的选择和参数制定以及数字中频电路的测试。在该宽带接收单元实现之后，进行了比较全面 的测试，包括对模拟前端的单独测试，对数字中频处理部分的信号回环测试。此外，在整个“基于 数字中频方案的宽带收发信机”项目完成以后，根据如图卜1 所示的测试方案，进行了系统功能性 测试，包括无线上网、无线f t p 下载和无线视频传输的功能验证。 1 4 本文安排 本文将按照系统设计基础知识、系统方案设计、系统仿真、系统硬件实现和系统测试的顺序， 力求完整清晰地叙述本课题完成的工作。全文共分四章： 第一章概述了课题背景和几种接收机方案的比较，并明确介绍了本课题的工作内容和本文的章 节安排。 第二章给出了宽带接收单元的系统实现方案，将整个接收单元分为模拟前端和数字中频两部分， 分别给出了这两个部分的设计基础知识、设计方案、关键电路的实现和关键参数的设置。 第三章利用a d s 软件分别对模拟前端部分和数字中频部分进行必要的仿真，利用仿真的结果来 指导具体硬件电路的实现。 第四章给出了全面的测试结果：包括模拟前端部分和数字中频部分的单独测试结果；以及整个 收发系统的总体功n j 贝1 试结果，给出了无线f t p 下载和无线视频传输等功能验证结果。最后总结了 本课题的工作，提出了需要进一步改进的工作。 5 东南大学硕士学位论文 第二章系统方案设计 2 1 基站接收系统指标要求 在系统设计之前，应该先熟悉相关协议对系统指标的要求哺儿引。全面的测试是进行系统评估的最 有效的方法，因为只有通过测试才能既快捷又有效地评估系统中每一部分的关键参数和整机性能； 因此只有了解系统的各项测试指标要求，才能在系统设计中“有的放矢”，才能更精确得通过测试来 衡量系统的性能。 本课题设计的“宽带接收单元”可以用于3 g 基站接收机上，本节对w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 基站接 收系统的主要指标要求进行了简要介绍。 1 基站接收参考灵敏度( r e f e r e n c es e n s i t i v i t y ) 灵敏度是衡量接收机在一定条件下能够接收小信号的能力，它和诸多因素有关。例如，在不同 的误码率、信噪比要求下及不同的接收环境( 静态、多径信道模型) 下灵敏度概念和数值可能各不 相同旧1 。通常所讲的基站灵敏度一般是指它的静态参考灵敏度。 静态参考灵敏度是指接收机在静态理想传播环境( 相当于有用信号直接输入接收机，没有任何 外界干扰) 下，错误比特率b e r 或误帧率f e r 小于某一规定值时接收机可以接收最小有用信号的能 力。它是各种传播条件中最高的灵敏度，也就是说在任何情况下的接收机灵敏度数值都不可能超过 静态参考灵敏度。w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的具体要求如下表2 1 ： 表2 1 灵敏度指标 灵敏 基站类型基站参考信号灵敏度( d b m )要求 w c d m a- 1 2 1b e r ： 0 0 0 1 c 谯2 0 0 0 1 1 9f e r ： 0 o l p m i 。= 1 0 l o g k t b + n f ( d b ) + 肌曲 ( 2 1 ) 其中1 0 1 0 9 k t 1 7 4 d b m h z 为基底噪声，是在天线口处的热噪声的功率谱密度；s n r 。；。表示在满足解 调要求前提下，接收机可以输出的最低信噪比( 是解扩前的信噪比，不考虑c d m a 解扩增益) 。 2 3 动态范围( d y n a m icr a n g e ) 接收机的动态范围用来衡量接收机在同频道干扰信号增强的情况下对微弱谱信号的接收能力。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 的具体要求如下表2 2 喁儿。 表2 2 动态范围指标 基站类型测试信号配置要求 w c d m aa w g n ：一7 3 d b m 3 8 4 m h z ；b e r ： 0 0 0 1 信号：- 9 1 d b m 3 8 4 m h z c d m a 2 0 0 0a w g n ：一6 5 d b m 1 2 3 m h z ； f e r ： 0 0 1 信号：e b n o 为l o d b 值得注意的是，需要将这个动态范围与接收机中频自动增益控制( i f a g c ) 的动态范围相区分。 在接收机设计中，i f a g c 可以将功率电平变化的模拟中频信号，变成平均功率电平稳定的模拟中频 信号，这个电路能处理的输入信号电平的变化范围是i f a g c 的动态范围，在下一章射频部分的设计 中，有更详细的介绍。 3 邻道选择性( a d j a c e n tc h a n n e ls e l e c t i v i t y ) 这个指标用来衡量接收机在偏离有用信号中心频率特定频率处存在干扰已调制谱信号时，对有 6 第二章系统方案设计 用信号的接收能力。a c s 是接收滤波器对有用信号的衰减量与接收滤波器对邻道干扰谱信号的衰减 量之比。w c d i a 和c d m a 2 0 0 0 的具体要求如下表2 3 i 。 表2 3 邻道选择性( a c s ) 指标 基站类型测试信号配置要求 w c d m a 干扰信号：一5 2 d b m 5 m h zb e r ： 1 0 m h zw c d m a 信号 1 9 8 0 2 0 0 0 删z 1 1 9 0 0 m h z1 5 d b m- 1 1 5 d b m单音信号 2 0 0 0 12 7 5 0 m 1 - i z 表2 5c d m a 2 0 0 0 阻塞特性指标 阻塞信号分布区间 阻塞信号功率信号类型指标要求 19 0 0 m h z 一2 0 0 0 e - i z 大于信号7 5 d b单音信号 f e r 0 0 1 1 m h z 一1 8 9 9 删z ： 大于信号l o o d b单音信号 f e r 0 o l 2 0 0 1 渊z 一1 2 7 5 g h z 5 交调特性( i n t e r m o d u l a t i o n ) 这个指标用来衡量接收机在存在两个或多个干扰信号时，对有用信号的接收能力。两个或多个 频率与有用信号频率成特定关系的干扰信号的混频产物可能落入有用信号的通带内。在实际电路设 计时，选择芯片要注意该芯片的i i p 3 ( 三阶输入交叉点) 参数应该能满足系统对交调抑制的要求。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 基站的具体测试要求如下表： 表2 。6 交调特性指标 基站类型测试信号配置 要求 w c d m a 干扰信号：- 4 8 d b m l o m h z ，一4 8 d b m 2 0 m h z b e r o o o l 有用信号：一11 5 d b m c d m a 2 0 0 0 干扰信号频率： 1 2 5 m h z ， 2 0 5 m h 2 ； f e r 二 公 c t r l i c o h p i e r o p e r a t i o n a la m p v r e f 十 d e c d e t e c t o r l 图2 3 模拟a g c 结构框图 信号检测产生一个与信号电平相对应的输出电压v a 。，该输出电压与参考电压模块提供的参考电压 v 耐在电压比较模块进行比较，运算放大器根据两个电压的比较结果产生一个输出电压v 。来控制一 个压控增益放大器，最终保证检测器提供的检测输出电压v “等于参考电压v 耐，此时输出信号基本 稳定在一个电平上，可以通过调整参考电压模块提供的参考电压来调整相应的稳定输出电平。 数字a g c 方案的工作原理，如下图2 4 ，模拟输入信号经过模拟信号路径进入数字中频部分， i fampv gai fa m p v gai fam p a d 6 6 5 4 图2 4数字a g c 组成框图 数字中频部分的电平检测电路对模拟输入信号的采样值进行电平检测，并把检测值v 。与预先设置好 的参考电平v ，进行比较，根据二者的比较结果输出三位数字信号a o 、a 1 、a 2 去控制前端模拟链路上 的衰减器，最终使v a 在v ，附近变化。根据数字中频部分的要求：三位控制信号的状态变化一次，相 应衰减值变化6 d b ，来选择数字衰减器的芯片组合。在实际设计时，应该注意a d 6 6 5 4 的电平逻辑与 数控衰减器的电平逻辑的变换。 数字中频部分方案如下图2 5 所示，主要包括模数变换( a d c ) 、接收信号处理器( r s p ) 、用于 la 。c 目 rsp b 乍t fpgadsp cl oc kdis t r i b u t i o n r 图2 5数字中频基本框图 基带数字信号处理的f p g a d s p 以及为a d c 和r s p 提供工作时钟的频率合成器芯片a d c 用于对输入 的模拟中频信号进行高速带通采样以获得数字中频信号；r s p 是多通道处理器，每一个通道分别处 9 东南大学硕士学位论文 理多载波数字中频信号中的一个载波，最后按照一定的i i q 输出规则输出符合后续解调要求的的数 字基带信号，其中每一个通道都包括数字下变频、多速率处理、数字滤波以及数字a g c ，在本课题 设计中，采用了将a d c 和r s p 集成在起的芯片a d 6 6 5 4 。a d 6 6 5 4 输出的基带信号送至f p g a ，此时 f p g a 就相当于一个f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 存储器，在a d 6 6 5 4 和d s p 之间起到数据缓冲的作 用。因为d s p 要完成的信号处理任务很多，如果将a d 6 6 5 4 直接和d s p 连接的话，a d 6 6 5 4 输出的高 速基带信号就可能无法得到d s p 的及时处理而丢失；此外f p g a 还实现地址译码的作用，d s p 的数据 总线和地址总线均连接在f p g a 上，d s p 通过f p g a 实现对a d 6 6 5 4 寄存器的访问，并进行寄存器参数 的读写以实现对a d 6 6 5 4 的控制，来保证a d 6 6 5 4 能够正常工作。d s p 除了完成配置a d 6 6 5 4 寄存器的 功能以外，还要承担基带信号解调和信道解码功能以及配置产生工作时钟的直接数字频率合成器。 在本部分设计中，d s p 采用了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 定点数字信号处理器，f p g a 采用了a 1 t e r a 公 司的c y c l o n e 器件，时钟由a d i 公司的a d 9 9 5 1 来提供。 本课题在数字中频部分设计中采用a d i 公司的a d 6 6 5 4 芯片引。a d 6 5 5 4 是一种适用于蜂窝基站的 宽带接收器，它能够满足全部3 g 移动通信标准( c d m a 2 0 0 0 、u m t s 和t d s c d 姒) 严格的性能要求。如 下图2 - 6 所示： f i j n c f i o n a i b i ) ：kd i a g r a m4 6 - c h a n n e lr e c e i v es i g n a lpr o c e s s o r 垤 o n p u t d捆册 o a t u m a 垤册 g 驴 t r c ru l t o c x r 垣册 m a o c i n l x d p o t t e x p g 娜 r 翱船 e l p 伸vx r 谵 p l 詹卅承 o 1 o f 砰珥弭肆曩陋坼七 c o n 口孟墨 歪互 叵圈 互三习巨卫口 图2 - 6a d 6 6 5 4 的功能结构图 它将高性能1 4 位模数转换器( a d c ) 和4 通道或6 通道数字下变频器( d d c ) 集成在一起。这种高 集成度解决方案由于排除了从a d c 到d d c 进行高速数据传输所遇到的传统互连问题，从而能够有效 地处理多载波信号。a d 6 6 5 4 中a d c 的特点是包含一个高性能跟踪采样保持输入放大器和一个精密集 成基准电压源，并且具有1 4 位采样分辨率，利用欠采样技术能够以高达9 2 1 6 m s p s 采样速率对中频 频率高达2 0 0 m h z 模拟输入信号精确地实现模数转换，其信噪比( s n r ) 在奈奎斯特采样速率下为 7 4 5 d b ，其多音无杂散动态范围( s f d r ) 约为l o o d b ( 在2 倍n y q u i s t 采样速率下) ，a d c 的数据输出可 直接连接到接收器的输入端，以便在这里进行下变频转换、采样抽取和数字滤波：在接收器的输入 端可以对输入数据进行电平检测，并根据检测结果提供三位信号e x p 2 ：0 ，这三位控制信号可以 用来控制模拟信号链路上的数控增益放大器构成数字闭环a g c ，从而确保进入a d 6 6 5 4 的信号稳定在 目标范围之内；a d 6 6 5 4 具有一个分数时钟倍频器，可以用a d c 的时钟产生一个高达2 0 0 m h z 的数字 下变频主时钟，这种片内锁相环( p l l ) 允许优化数字时钟速率，无论该a d c 的采样速率如何，都能尽 可能使数字信号采样抽取和数字滤波的性能达到最佳；两个1 6 位并行输出端口适合高速数据传输速 率3 g 的应用；一个片内内插半带滤波器，还可用来进一步提高输出速率，同时仍然做到非常有效地 滤波；另外，每个处理通道最后都对应一个数字a g c ，用来使输出基带信号的电平稳定后续解调所 要求的值上，这个功能在使用了r a k e 接收机的c d m a 基站中的应用尤其重要。数字中频部分的信号 处理流程如下：输入的模拟宽带中频信号经高性能a d c 采样后，变成了频谱以采样速率f 。为周期的 宽带数字信号；根据分布在第一n y q u i s t 区间内的各载波的中心频率，分别设置各通道n c o 的工作 时钟，完成数字下变频，各通道都得到一个高速的基带信号，由后续的多速率信号处理和滤波部分， 1 0 第二章系统方案设计 将信号的速率变换到一个适合后续基带解调的速率，其中的c r c f 是个谱成形滤波器，其不同的参数 设置可以输出符合不同3 g 标准的谱信号，最后的a g c 用来使输出信号的平均功率稳定在一个符合后 续基带处理要求的值上。 2 3 模拟前端方案设计 方案的设计过程就是各指标的分配过程：通过各指标在各级的合理分配来设计一个指标符合要 求的方案。在实际指标分配时，主要考虑增益、i i p 3 、噪声系数等的分配。本节给出了模拟前端方 案设计时各指标的分析与制定，然后给出了方案的具体设计。 2 3 1 系统中频选择 确定了系统结构之后，选择合适的中频频点以及高性能的中频s a w 滤波器就是一件非常重要的 事情。中频频率选择的不理想和中频s a w 滤波器的性能不理想，对整个系统的性能都有很大的影响。 中频频点的选择主要从抑制镜频干扰和中频干扰、中频s a w 滤波器的可行性和a d c 的可行性三个方 面考虑 7 。 超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。这是因为模拟变频器不是一个理想的乘法器， 而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号w 雕和本振信号w l o 以及混入的干扰信 号( 如频率为w 。和w z 的干扰信号) 通过变频器非线性特性中的某一高次方项组合产生组合频率，若 它们落在中频频带内，就会形成对有用信号的干扰。通常把这些组合频率引起的干扰称为寄生通道 干扰。在寄生通道干扰中，一种称为“镜频干扰”的现象最为严重。一个位于本振信号w l o 的另一侧 且与本振信号之差也为中频w ，的信号w m 即w ，m - w l o - w m 称为镜像频率信号。如果镜像频率分量没 有被变频器的前端电路滤除而进入了变频器，即使变频器是一个理想的乘法器，由于镜频信号与本 振混频后也为中频，中频滤波器无法将其滤除，于是它与有用信号混合降