（电磁场与微波技术专业论文）基于软件无线电的wcdma数字中频和hsdpa基带信号处理技术.pdf

博士后研究报告 摘要 w c d m a 是第三代移动通信的重要标准之一。本报告根据上海贝尔阿尔卡特 有限公司的项目需求，基于软件无线电技术，分别进行了两方面的研究：一是设计 并开发实现了w c d m a 数字中频系统，二是研究了w c d m a 演进技术高速下 行分组接入( h s d p a ) 的基带处理技术。 对于w c d m a 数字中频技术，报告首先研究比较移动通信基站的数字中频系 统结构，选择并设计了宽带数字中频结构；然后对相应结构进行详细的系统设计， 包括指标分析和计算，并根据分析结果选择关键器件；分别完成了数字中频上行和 下行单元电路的设计及其p c b 的设计、调试和测试。其中，上行链路中的数字下 变频器采用f p g a 实现，报告重点介绍了其中的数控振荡器、抽取滤波器和低通滤 波器的设计，并对抽取滤波部分进行了仿真设计；设计与测试结果吻合。下行链路 中的数字上变频器采用a s i c 芯片实现，在一个单元电路中可同时支持四路 w c d m a 数字上变频通道，该系统较原来的模拟系统有明显的简化和改善，且成 本降低，指标测试结果满足3 g p p 规范的要求。 本报告在全面研究h s d a p 规范的基础上，着重研究h s d p a 的基带信号处理 技术，目前主要是h s d a p 新特性的研究和功能性方案的定制，包括m a c - h s 功能 模块的定义，有关算法的研究，以及一些实现方面的考虑，如接口设计和内存分配 等；同时还分析了实现h s d p a 基带信号处理多标准硬件平台的要求，并确立实现 方案，目标是为有关产品的研制提供技术方案和样机支持。 关键词 第三代移动通信：w c d m a ；软件无线电；宽带数字中频；高速a d 变换；数字 上变频器：数字下变频器：高速下行分组接入( h s d p a ) ；m a c h s ：功率控制 基于软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 i 媾士蜃磅究报告 a b s t r a c t w c d m ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts t a n d a r do f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t w o a s p e c t sa b o u tt h et e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e di nt h i sr e p o r tb a s e do nt h es o f td e f i n e d r a d i o ( s d r ) c o n c e p t i no r d e rt os e r v et h ep r o j e c t so fa l c a t e ls h a r l g h a ib e l tl t d ，o n e a s p e c t i st od e s i g na n d d e v e l o pt h ew c d m ad i g i t a li ft e c h n o l o g y ，a n o t h e r i st or e s e a r c h t h ee v o l u t i o nt e c h n o l o g yo fw c d m a 一- b a s eb a n ds i g n a lp r o c e s s i n go fh i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ( h s d p a ) t h es y s t e ma r c h i t e c t u r e so fb t s d i g i t a li fa r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e di nt h i s r e p o r ti nr e s e a r c h i n gw c d m ad i g i t a li f a 妊n do f b r o a d b a n da r c h i t e c t u r ei ss e l e c t e d a n dd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r e ，t h es y s t e md e s i g ni nd e t a i li si m p l e m e n t e d , i n c l u d i n ga n a l y z i n g a n d c o m p u t i n g t h e s y s t e mp a r a m e t e r s ，a n ds e l e c t i n g t h e k e y c o m p o n e n t sb a s e do nt h ea n a l y z i n gr e s u l t s t h e c i r c u i td e s i g n so fu pl i n k a n d d o w nl i n k ( d l ) u n i t s ，a sw e l la st h e i rp c bd e s i g n i n g , d e b u g g i n ga n dt e s t i n ga r e f i n i s h e d t h ed o w nf r e q u e n c yc o n v e r t s i nu li si m p l e m e n t e db yf p g a t h ed e s i g n p r o c e s so fi t sk e yu n i t s ，s u c ha sn c oa n dd e s c e n d i n g f i l t e ra n dl o wp a s sf i l t e ri s i n t r o d u c e d ，a n dt h ef i l t e r sa r ed e s i g n e db ys i m u l a t i o n t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa g r e e w i t ht h eo r i g i n a ld e s i g n t h eu pf r e q u e n c yc o n v e r t e ri nd li si m p l e m e n t e d b y a s i c t h e c i r c u i tu n i tc a l ls u p p o r t4w c d i 讥gd i g i t a li fc h a n n e l s c o m p a r e dw i t ht h eo d g i n a i a n a l o gb t ss y s t e m , t h ea r c h i t e c t u r eo f t h i ss y s t e mi si m p r o v e dm u c ha n dm o r es i m p l e a n dt h ec o s ti sl o w e rt o o t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fi ta r ea c c o r d e d 晰l _ l lt h e r e q u i r e m e n to f 3 g p ps p e c i f i c a t i o n s t h ew o r ko f t h e r e p o r t h a se m p h a s i z e do nt h et e c h n o l o g yo f h s d p ab a s e b a n d s i g n a l p r o c e s s i n g o nt h eb a s i so fa no v e r a l li n v e s t i g a t i o no n s p e c i f i c a t i o n s 。i tm a i n l y f o c u s e so n r e s e a r c h i n gh s d a p n e wf e a t u r e sa n df r a m i n gt h ef u n c t i o n a ls p e c i f i c a t i o no fh s d p a d e m o n s t r a t o r ，i n c l u d i n gd e f i n i n g t h ef u n c t i o nb l o c k so fm a c h sa n dt h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ，r e s e a r c h i n g t h e a l g o r i t h m a n d i m p l e m e n t i n gc o n s i d e r a t i o n , s u c h a s i n t e r f a c e s d e s i g na n dm e m o r ya l l o c a t i o ne t c t h er e q u i r e m e n to ft h em u l t is t a n d a r d h a r d w a r e p l a t f o r mf o rh s d p a b b p r o c e s s i n g i sa l s oa n a l y z e d ，t h ef i n a lg o a lo f t h ew o r k i st op r o v i d et h e p r o t o t y p e a n dt e c h n i c a lr e f e r e n c ef o r d e v e l o p i n g t h en e w p r o d u c t ， k e yw o r d s ： t h et h i r dg e n e r a f i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；w c d m a ：s o f t w a r ed e f i n e dr a 【d i o s d r ) ；b r o a d b a n 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 ；h i g hs p e e d a dc o n v e r t e r ； d i 蛋t a lu pf r e q u e n c yc o n v e r t e r ；d i g i t a l d o w n f r e q u e n c yc o n v e r t e r ；h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ( h s d p a ) ；b a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g ：m a c h s ；p o w e r c o n t r o l 莲于软件无线电豹w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 i i 博士后研究报告 h u 舌 移动通信是当前发展最快、应用最广的技术领域之一，目前已经发展到以 w c d m a 为代表的第三代，实现全球个人通信目标的第四代标准的研究也悄然兴 起。移动通信领域的关键技术和热点技术较多，如软件无线电、蓝牙、智能天线、 移动口等，其中软件无线电技术被一致认为是解决多标准、多制式兼容通信系 统，实现理想的个人通信的有效手段。因其独特的优点，软件无线电自提出以来一 直备受关注，不断有新的研究成果出现。它涉及的研究方向众多，覆盖的领域广、 发展快。从理论角度有现代通信理论、宽带天线、数字信号处理、微电子、计算机 等，从技术实现角度则有体系结构、通用硬件平台、软件构架和软件下载等诸多方 面，每一个方向都博大精深。由于本人能力有限及时间方面的缘故，本报告仅是撷 取一二进行粗浅的研究或开发。 在站期间作者先后在两个部门参与了两个项目的研发：完成了原研究开发中心 3 g 项目组的“第三代移动通信( w c d m a ) 数字中频技术”的开发，目前正在研 究与创新中心( r & i ，a s b ) 进行“软件无线电的基带处理技术”的研究。两部分 都与软件无线电技术有关，但技术实现完全不同，个是有关通用硬件平台中频部 分的开发，一个是有关h s d p a ( 高速下行分组数据) 基带处理软件结构的研究。 因此本文将围绕这两个课题，分成两个部分分别进行讨论，具体内容安排如下： 第一章概述主要介绍课题的选题背景，软件无线电技术的概念和关键技术，及 基于软件无线电的数字中频技术和基带处理技术在第三代移动通信中的应用。 第二、三、四章主要是w c d m a 数字中频系统的设计和实现，其中第二章介 绍数字中频系统设计中所应用的主要理论。 第三章w c d m a 数字中频接收系统的设计主要研究数字中频上行链路的结构 设计，并依据该结构进行详细的系统指标分析和设计，指导芯片选择以及单元电路 的仿真设计和测试。 w c d m a 数字中频系统下行系统的实现在第四章展开，具体论述w c d m a 数 字中频下行链路的结构选择，以及单元电路的设计，实现和测试。 第五章研究h s d p a 的基带信号处理技术，主要是h s d p a 的新特性研究，如 m a c h s 等，包括功能模块的定义，有关算法的研究，以及一些实现方面的考虑 等，另外还包括有关硬件平台方案的分析和选择。 最后是结束语，是对全文工作的总结及相关技术的展望。 基于软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 l 媾士后研究报告 由于本人水平有限，且初窥移动通信技术的门径，所做的工作粗浅，文中也 难免有误或不妥之处，还望专家指正。如有点滴可取之处，则应归功于同事们的精 诚合作和努力，他们对完成本文的工作提供了大量帮助，为 乍者开展研究奠定了深 厚的基础，在此深袭谢忱。 蘩予软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 2 溥士后研究报告 1 概述 1 1 课题背景8 】 信息产业技术的应用正全方位地向社会各个领域渗透，新技术和新产品正以级 数的规模和速度增长。与其它信息技术一样，移动通信技术的发展也呈现加快趋 势。目前，各种标准纷纷出台，新的概念和结构不断涌现，各种观点和看法众多。 但有一点是肯定的，即未来移动通信系统将以提供世界范围的个人通信为目标，真 正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务。 移动通信的迅速发展和高收益带来激烈的竞争，从而造就了移动通信技术和 系统的多样性。通信市场的现状是：一方面第二代移动通信系统多种制式并存，且 仍在发挥重要作用；另一方面新标准不断被制定，却又不能完全代替现存标准。现 有系统、标准众多，新旧体制并存，而通信技术发展日新月异，新的制式、标准又 不断涌现，仅第三代移动通信目前就有u m t s f d d 、u m t s - t d d 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 等多个标准。而新标准提供的新业务既具有巨大的吸引力，也给用户 和运营商造成了很大的压力，迫使他们不断更新设备，而这又会造成设备和投资的 浪费。问题的关键在于目前绝大多数移动通信设备完全基于专用硬件设计，对移动 通信系统的兼容和互联，以及快速、灵活的升级有很大的约束。如果能够利用运行 在通用硬件平台上的软件实现无线通信功能，充分发挥软件的灵活性，通过软件的 重新配置实现不同的通信标准，使无线系统最终摆脱硬件的束缚，从而具有专用硬 件系统无法比拟的优越性这就是软件无线电的思想。 软件无线电是近几年提出的一种实现无线通信的新思路。基于通用数字化平台 的软件无线电技术对实现理想通信有现实的应用价值，已逐渐成为各大通信设备公 司着力研究的重要方向，也是未来通信技术发展的个主要方向。软件无线电技术 不仅可以提供多模式、多标准下的通信，并且理论上可以提供所有现有的和未来出 现的各种无线服务。和传统的通信处理平台相比，基于软件无线电技术的处理平台 具有下述显著优点： 1 由于同一个硬件平台兼容各种标准和体制，可大大降低研发费用，提高系统 的性能； 2 多种功能通过软件实现，新的体制和标准通过软件下载配置，有更高的开放 性和灵活性，便于系统升级； 3 系统升级换代可不用重新研发硬件设备，缩短了产品推入市场的时间。 基f 软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 3 博士后研突报告 在c d m a 基站中采用软件无线电技术，除了具有般软件无线电系统的优点 辨，还具有以下特殊优势： 1 c d m a 系统采用码型来区分不同的信道，所以它可以采用小区复用，即所 有蜂窝枣送经用属一载渡，所有移动霜户共享霹一鞭段，萁射频中频处 理模块无需具备理处理整个频带及摄取所需带宽信号的能力。显然，这对 采甩软磐无线电技拳绞为毫剥。 2 c d m a 系统是容量受限系统，任何降低干扰的方法都可以提高系统容量， 基于软佟无线电的e p 醚是系统，更易予采用最囊弱抗干扰鼓末、算法鞋提 高接收设备的抗干扰性能，使整个系统具有易于升级和扩容的能力。 对于第三代移动遥信技术的研发，公司原有的研究开发中心投入较旱，并参加 了豳家c 3 0 知识产权联盟和国家8 6 3c 3 g 的项秘攻关。2 0 0 1 年3 月完成了 w c d m ab t s 与m t 的空中接口上的环回演示。原来的b t s 系统采月模拟调制和 解调，3 g 项目组希耀能够在原来的b t s 中采用基于软件无线电的数字中频技术， 以期进一步提高系统性能，降低成本。本课题的确立和实施都围绕这一设想展开。 众所周稚，w c d m a 己经成为第三代移动通信酌重要标准，3 礤。p 又在2 0 0 2 年 版本r e l e a s e 5 的规范中正式定义了h s d p a ( h i 欧s p e e dd o w nl i n kp a c k e t a c c e s s ) 。h s d p a 怒w c d m a 翡演进，它露了一些有臻予原来u 醚t s f d d 静 技术以提高下行分级数据的传输速率。近年来，u i v l t s f d d 基站的研究麓勃展 开，攫多公看l 蠡已经研发了较或熬的产品。键h s d p a 飘别娥为正式翁稼准，如鸯 将该功能在u i v i t s 的b t s 中实现，尤其是如何充分利用原有平台，采用软件无线 电檄念融合薅秘橇瞧，尽裁蠢关鳇研发还较少，这瞧是本文兹一个霾要款研究内 容。 1 2 软件无线毫的基本概念 3 1 s l 6 l 1 2 j 软件无线电技术最早源予军事遴信，以解决多兵戳作战中多通信体制并存，各 体制功能单一，互不兼容的问题。1 9 9 2 年5 月，在美国电倍系统会议上，m i t r e 公司的j o em i t o t a 正式提出了软件定义无线电( s d r ) 的概念吲。自从软件无线电概 念撬出叛柬， l 起了各个领域的广泛关注和研究。不仅仅髑限于最镯的军事领域 ”】，也成为目前民用通信，特别是移动通信领域的研究热点。 有关软件定义无线电的概念、结构、实现和用途现在都还在发展之中，还难以 进行全面和严接的爨定。垦藏比较通用的定义是：将模块化、标准化的硬件单元以 总线方式连接构成纂本平台，并通过软件加裁实现各种通信功能的种开放式体系 纂于软件无线电豹w c d m a 数字中凝和h s d p a 基带傣号处理技术 4 博士羼研究摄告 结构。其核心思想是；在尽可能靠近天线的地方使用宽带的a j d 和d a 转换器， 尽拳完成信弩的数字纯，瓿两经无线电系统瀚功能尽可能多地用软件来定义和实 现。而无线电的可编程性，很大程度上取决于在系统链路中的哪一级对信号进行数 字化，主要龟括基蒂、l f ( 中频) 或r f ( 射獗信号) 凡j 静可耱。 旗带数字忧是指鳃调在模拟部分完成。其r f 秘i f 部分都是某一特定频带的模 拟电路，由于接收机链路只熊对应一个解调信号或信道，敲频谱效率低；且模拟电 路受温度老化等因素的影响大。 中频( i f ) 数字化愚指把a d 应用于信号链路。对i f 信号进行数字化怒可能 鳃，现在多数的a d c 是以馁革个售遴数字倔，也蠢瓤分一些带宽产器可对多令信 道的信号数字化；同时a d c 采样精度和速率都在不断提高。中频数字化简化了射 频电路的设计，结构更篱洁，单信邋的成本也更低。 射频f r f ) 数字化熙在天线成预放大之后对宽带r f 信号直接进行数字化，可最 大限度实现袭统的软件化定义，即嬲谓的软传无线电系统。这种结孝句的系统几乎所 有的电路都可以通过软件来究成滤波、解调、控制等功能。设计中省去所有署口i f 级相关的混频和滤波电路，系统模块数目显蓑减少。由于变换器在很宽的频带数字 亿，系统在宽频段可处理多疆不同业务，可强给用户提供更加多样纯祁个性纯的服 务。现在的a d 变换器正接近能处理宽带i f 信号，但要实现惠接射频处理的目标 还嚣一段时阉。 以前的通信系统大多采用第一种方案，即基带数字化；弼r f 数字化( 理想的 软 串无线电) 目前遥处在概念移理论完善阶段，由予技术发袋的限锎，尤其怒半导 体器件水乎的限制，例如超宽带天线的实现，a d 采样速率的限制等，其工程实施 还眷待对霾。显然鹫翦实魂宠全意义的较斧无线电系绞不太可缝，毽在现有技术东 平的基础上，采用中频数字化的结构设计，开发更加灵活和通用的通信系统毙全可 行。 1 3 软件无线电的关键技术及其应用3 l 【5 1 【6 1 1 9 1 【1 4 l 1 3 1 软髂无线电的构成 较 孛无线逄斡磷究努秀嫒 孛平鑫鞠软 孛绫专奄两个重要的方囱。鐾夔，久们公试 的s d r 通用硬件平台应包括下面几个主要单元： 基于软件光线电的w c d m a 数掌中颤和h s d f a 基带信号处理技术 5 博士后研究报告 1 收发天线及馈线：使用智能天线技术，其辐射图形将由基带数字信号处理 来羧制； 2 射频收发信机：具有模块化构成，工作频率范围应当足够宽，对每种标准 应我多载渡工俸； 3 高速数字链路：射频和基带平台之问的链路是多条高速数字链路，为支持 第二代器第三饯移动逶绩搽准，l 毙镳露上戆数字售号接输逮率将达到黎超 过g b i t s ，豳此该总线结构的设计至关重要； 4 通爝基带数字信号处理乎台：完成谬摇接口、信患应翅及控铡等功髓。盘 多种相同或不同的数字电路板所组成，其数量根据系统容量决定。电路板 的主要器件废可编援、可设凝。 在硬件平台建立起来后，大量的技术和内容就是各种软件的构建。s d r 的软件 包括多种软件包，它们主要是： t 控制软件怠：如对蕊站进行配置、设置、管疆等的软件； 2 物理层软件包：针对每一种标准和制式的物理层软件； 3 赢鬣软件：分鄹对磁每一静标准稻制式： 4 系统接口软件：要邋合多种接口的簧求。 每一穆袄终龟黎包括诲多子软 串，这爨子较 孛又分兔遥翅帮专蠲两耱。遥爱 是指对所有的标准都适用，而专用则指某一种标准所特有。所有这些软件可存储在 基带数字信号处理平台中，毽可逶邈阚络燕载。 1 3 2 软件无线魄的几个关键闻题1 3 l f 5 1 1 6 l 9 1 1 1 2 】 软件无线电技术涉及当今毫子、计箕极秘遥售搜术静最麟或果，受蠛旁技术和 元器件水平的制约，还不能在近期解决软件无线电的全部问躐，但可选择关键技术 进行突破。在软件蠢线电研究应用中，有以下几个关键问题需要加以荚注【3 i 。 1 体系和结桶 s d r 体系结构成具有处理多模式、多频带、多橼准等的灵活性；兼容现商主要 标准并有尚未来标准升级的能力；在设备功能、照务、容豢等方面定量扩充的能 力：以及使用未来技术的可能性，即s d r 设备应尽可能使用耳前已在开发，未来 爵缝应霸酌耨技术。 2 宽带可编程、可配鬣的射频和中频技术 曩兹懿无线遗信标撵孛，簿拿载波旋繁宽觚2 5 k h z ( t a c s ) 爨5 m h z f w c d m a ) ；工作频段从4 5 0 m h z 到3 g h z ；在射频接收和发射各方面都有备自不 基了二较件蠢线电静w c d m a 数字中额帮h s t ) p a 基带嵇号楚理技术 6 博士后研究报告 同的技术指标。目前射频元器件的水平大多只能支持2 0 左右的带宽，研发超宽 带的射频部件对s d r 多模式设备来说最具挑战性。另外，由于模拟电路技术发展 较数字电路缓慢，因此在设计s d r 设备时，应尽可能降减少模拟电路的编程要 求，而广泛采用数字中频技术。 3 智能天线技术 对未来的无线通信设备，特别是基站设备，不论工作于t d d 或f d d 双工方 式，部希望依赖智能天线提供更高的频谱效率。研究支持多种制式的智能天线技术 也是巨大的技术挑战。 4 基带处理平台 数字信号处理技术的复杂性越来越高，也就要求基带处理平台的能力越来越 强。目前，能用软件实现数字信号处理的器件主要是数字信号处理器f d s p ) 和现场 可编程门阵列( f f g a ) 两大类。两种器件各有其特点，分别适用于处理不同的问题 和算法。一个重要的发展方向是将两者的优点结合起来，用并行处理的技术，在不 提高主频的前提下使处理能力提高到上万m i p s ，同时还具有快速编程和配置的能 力，即所谓”超级并行处理器”( r e c o n f i g u r a b l ep r o c e s s o r ，r c p ) 。 5 多制式的接口 不同标准和体制的无线基站有不同的网络接口，如g s m 的a b i s ，3 g p p 的i u b 等等，其物理层和高层都各不相同。s d r 基站具有支持这些不同的接口能力，并 能通过软件编程和重配置来解决。 6 业务问题 s d r 的最终目标是：对于运营商提供的新业务，用户终端可通过空间软件加载 方式获得，但目前空间加载的技术仍需完善；由用户自主创建个性化的业务则更为 遥远。 1 3 3 移动通信中的数字中频技术1 1 9 1 - 【2 3 1 由于受宽带天线、高速a d 及d s p 等技术水平的限制，现阶段理想软件无线 电在标准，框架以及技术实现仍有诸多困难。而移动通信系统中的基站设备，由于 受功耗、体积的影响较小，在现有的技术条件下易于采用软件无线电技术实现部分 功能。因此，更现实的是在现有技术条件下，研究如何最大程度的实现软件无线电 所要求的通用性和灵活性，将可软件定制以及通用化的设计思想应用到具体的工程 设计中。基于软件无线电思想的数字中频技术就是理想软件无线电技术发展的一个 重要步骤。 基于软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 7 博士后研究报告 墅 ， 荤载滚基菇收发信撬块i 模型 耍1 2 传统模式多载波基站收发催执功裁横援 通信系统的收发信机一般由射频、中频、基带和比特流处理四部分组成( 图1 1 ) 。接统魏收发绩捱戆菇簇耪中菝都是壹攘喜； 部馋宠成，藏壤趣为模数蓦专，数 字化采样处理仅仅在基带部分的d s p 处理前进行，因此每个接收倍机中都肖一套 从射频变换到基带僚号的设餐。如鬃要增加一个遥邀，裁要黧复添加一整套设备， 如图1 2 。鼹然这种结构的技术成熟，容易实现，假其功能对硬件的依赖性很强， 缺芝可编程性，一般用于窄带( 单信道) 处理。而数字化中频的收发信枫将a f d 应嗣于i f 信号链路，对i f 信号进行数字化( 图1 3 ) 。同传统模拟系统相比，这 种结构具有下列明擞的优越性： 在必须同露姥理多个信道的绞收器( 如基站) 中，数字纯撑可包含来自多 个相关信道的信息，故只需要一个r f 前端，与传统的模拟设计相比强著地 减，l 、了尺寸、功耗，筚信遂设备静藏本氇较低。 中频数字化可去掉传统直接模拟中频正交解调器及模拟基带放大器，因此电 路结构篱纯。 基了软辟觅线电的w c d m a 鼗掌书频和h s d p a 基若籍号处理技术 8 博士后研究报告 采用更多数字器件代替模拟器件，减少了部分机械加工和手工调试的工作， 可提高系统的稳定性和灵活性及整体性能，且数字器件有利于系统集成。 模拟部分实现的难度降低。通过适当的设计，可以不需要快速而繁琐的 a g c 控制电路；另外，在中频对信号进行数字滤波可以降低前端滤波器的 要求。 在i f 级采用数字技术可增加处理增益，进而提高系统的信噪比( s n r ) 。 处理带宽增大，有可能更灵活的配置系统，更高效为用户提供多种服务。 图1 3 数字中频多载波基站收发信机功能模型 中频数字收发技术优点十分突出，目前在第二代移动通信系统中，如g s m ， 中频采样的数字化中频技术已被广泛采用，且获得了较好的效果。随着微电子技术 的不断发展，针对第三代移动通信的芯片不断推出，数字中频在3 g 中的开发和应 用也越来越多。 1 3 4 有关的技术现状f 3 6 1 一【3 8 1 在第二代移动通信基站中，由于处理带宽很窄( 几十或几百千赫兹) ，数据量 较小，可使用的器件成熟且成本较低，因而中频数字化实现起来相对容易。目前国 内外各大通信设备公司或有了比较成熟的产品，或已成功研发了有关产品，且基本 都选用数字中频技术进行第三代移动通信系统的开发，一些知名的器件供应商也给 出了各自的方案。 基于软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 9 博士后研究报告 1 3 4 1a d 公司 图1 4 是a d 公司的3 g 数字化器件解决方案。接收通道的中频信号采样采用 一个高速的a d 转换器a d 6 6 4 4 ，然后用一个专用的数字下变频器件a d 6 6 2 4 完成 数据抽取和滤波。在发射通道用a d 6 6 2 2 完成数字上变频，用d a 转换器a d 9 7 7 2 实现数字模拟信号的转换。 其中a d 6 6 4 4 的转换精度可以达到1 4 b i t ，采样速率6 5 m s p s ；且有良好的信噪 比( 7 4 d b ) 和动态性能( 1 0 0 d b 的s f 【) r ) ，支持多通道，多模式；a d 6 6 2 z 是一 个3 通道6 5 m s p s 正交接收的数字信号处理器，每个通道都有独立的级联信号处理 单元：频率转换器( 抽取) ，可编程数字滤波器以及一个a g c 控制环；它支持宽 带多载波信号的无线电系统( 如i s 9 5 ) ，也可支持一个5 m h z 的w c d m a 信号， 且可用于多模式系统。a d 6 6 2 2 是由4 个同样的数字发射信号处理器( t s p ) 构 成，每一个t s p 都由三个级联的信号处理单元构成：一个r a m 可编程内插系数滤 波器( r c f ) ；一个可编程的集成梳状滤波器( c i c ) ；一个数控振荡器 ( n c o ) 。a d 9 7 7 2 是一个1 4 b i t 的d a 转换器，用于模拟中频信号的重构，可在 输入数据率为1 5 0 m s p s 下满量程输出6 3 5 m h z 的信号。 图1 4a d 公司c d m a 基站收发方案框图 表1 1a d 公司3 g 推荐器件 基于软件无线屯的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 1 0 博士后研究报告 上述器件目前都已经有正式产品发布。另外，a d i 的t i g e r s h a r c 系列d s p 也可 用于数字中频的部分d d c 和d u c 的开发。 1 3 4 2i n t e r s i i 公司 i n t e r s i 公司即原来h a r r i s 公司半导体器件部成立的一家公司，是数字( 软件) 无线电的倡导者，在相关器件的开发上颇具特色。其中c o m m l i n k 系列有专门为 3 g 通信设备开发的一组产品，针对性很强且部分器件的性能卓越。 1 s l 5 4 1 6 是数字下变频( d d c ) ，转换精度1 6 b i t ，输入采样速率达8 0 m s p s ， 支持多通道工作；有1 0 0 d b 的s f d r 并内置一个变化范围9 6 d b 的a g c 控制环。 数字上变频器( d u c ) i s l 5 2 1 7 支持4 通道模式，具有1 6 b i t 的转换精度。 i s l 5 9 6 0 ( i s l 5 9 6 1 1 为1 4 b i t 的d a 转换器，输入速率为1 3 0 m s p s ( 2 1 0 m s p s ) 。另 外还有一系列可用于3 g 的产品，如i s l 5 2 3 9 数字中频线性放大器，h p s 5 0 4 1 5 为 1 2 b i t 双通道、宽带可编程调制器，内置赋形及内插滤波器和数控振荡器n c o 。表 1 1 是i n t e r s i l 推荐的器件。 表1 2i n t e r s i l 公司3 g 推荐器件 其中1 s l 5 2 1 7 ，i s l 5 4 1 6 和i s l 5 9 6 1 目前已经有正式产品，i s l 5 9 8 0 是1 4 b i t 、 8 0 m h z 的a d c ，目前尚未正式发布。 1 3 4 3t i 公司 t i 公司针对二代c d m a 基站收发系统的有全套解决方案。从3 g 基站数字化的 要求看，其产品除c 6 系列d s p 外，其他如a d c 等还难以满足w c d m a 的要求a 不过，t i 即将推出一些针对3 g 系统的产品。 由于宽带和高速率的要求，市场上现有的器件能真正用于3 g ，尤其用于是w - c d m a 数字化中频的较少，目前各大器件公司提供的所谓全套数字化解决方案， 仍有部分器件没有正式发布，具体实现仍需进一步探讨。 基于软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 i l 博士后研究报告 1 4 本文的工作 本文赘主要工佟分为嚣个嫠分，第一帮分是开发w c d m a 数字中鬏收发痞 机，第二部分是研究软件无线电的纂带信号处理技术。 蒸中，数字中频磐分懿工俸是镶照软件无线邀敬思悲，研制数字讫中频子系 统，主要着眼于对原来模拟蒸站系统的技术改进，最初的目标是希望能替代原3 g 项爨w c d m ab t s 的模拟中频子系统。具体的工作主要包搀： l ，根攒原3 g 项目w e d m ab t s 进行数字中颁系统的方案设计，指标分析和 计算，选择关键参数和关键技术； 2 用f p g a 实现上行链路的扳级设计及电路稍作和调试，包括高速a d 变 换，数字下变频器( n c o ，数字滤波器等) ； 3 磊a s i c 赛现下行链路的擞级设计及电路铡作帮调试，爸括数字下变频 器，高速d a 变换等； 4 上下行链黪豹溺试叛及洼懿分辑。 软件无线电部分工作主要是研究撼于软件无线电概念的h s d p a 基带处理软件 结构，墓蠢楚完成h s d p a 煞演示榉壤，茭下一钱产鑫提供技末参考。星蔫嶷体静 工作主要包括： 1 。h s d p a 基零特性弱凝究 2 h s d p a 基带处理平台的可行性研究以及方案确定： 3 h s d p a 基带处理技术耘特缓的研究以及功能性方案的定制，包括： a ) 研究建立m a c - h s 统一的模型，包括结构定义和接口定义，以方便系 统仿真和软件实现； b ) 有关功麓模块实现，包括功能和接口静定义，流程定义，资源的估计 以及相荧算法的研究。 基于较律茏线窀的w c d m a 鼗字串频移h s d p a 基带播号处理按术 1 2 博士后研究报告 p a r ta - w c d m a 数字中频技术及其实现 2 数字中频的理论基础及关键技术 任何一个数字无线电系统一般都会用到包括数模、模数变换，数字上下变频及 数字滤波等技术，w c d m a 数字中频系统也不例外。本章将简要介绍数字中频技 术所用到的一些基本理论，如信号采样、内插、抽取、多项滤波等，这些是整个系 统设计的基础和全文的理论依据。 2 1 信号采样【5 】【2 5 】 对频谱限制在o b 之间时域连续的模拟信号f ( o 进行采样，当采样频率 正2 b ( b 是信号带宽) ，采样值可以准确地确定原信号， 称为奈奎斯特频率 ( n y q u i s tf r e q u e n c y ) 。当信号为带通信号b = 厶一 ( 是该信号的最高频 率，厂。是其最低频率) ，尤其当厶远远大于信号带宽b 时，如果采用奈奎斯特采 样，采样频率往往很高，有时难以实现，此时可采用带通采样。 带通采样也称为谐波采样或者欠采样，当对一个信号进行欠采样，相当于对该 信号与采样频率及其各次谐波进行混频，采样后的频谱被搬移到各个奈奎斯特区， 只要保证被采样信号的带宽不大于奈奎斯特区的一半，就不会发生有效信号的频谱 混叠。图2 1 和图2 2 是奈奎斯特采样和带通采样的频谱示意图。 可以导出，带通采样的采样频率应该满足下面的条件： f 2 f 肋+ 1 ) 正2 加 ，。、 【正 2 ( 厶一a ) = 2 b 其中r l 是不大于厂，占的整数。从上式可以看出，采样频率由n 的不同被分成 若干区间。n 越小，则采样频率越高，量化信号的频谱重复的间距越大，对抗混叠 滤波器的要求越低，处理增益也越高，输出的信噪比增加。但高采样频率使采样后 信号的数据率很高，也会给后续的处理增加负担。因此，选择采样频率应该折中考 虑抗混叠滤波器和数据速率的要求。 基于软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 1 3 博士后研究报告 被采样信号 频谱 采样后信号 频谱 被采样信号 频谱 采样后信号 频谱 图2 1 奈奎斯特采样的频谱 ti 立 - 1 0 山山山 - 2 正3 f , 图2 2 带通信号采样的频谱 2 2 多速率信号处理嘲1 2 7 【2 8 】 从理论角度讲，数字中频在接收和发射通道都涉及取样率变换问题。在接收通 道取样率变换的理论基础是抽取，而发射通道取样率变换的理论基础是内插。对 a d 变换后的数据进行降速处理称抽取或者二次采样。 基于软件无线电的w c d m a 数字中频和h s d p a 基带信号处理技术 1 4 博士后研究报告 2 2 1 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原始序列工( n ) 每隔( d 1 ) 个数据取一个，形成一个 新序列z 。( m ) ，即： x o ( m ) = x ( m d ) 式中d 为正整数，抽取过程如图2 3 9 ? 示。 型，1 立嗡 ( 2 2 ) 图23 整数倍抽取及抽取器的表示符号 如果序列的采样率为，则其无模糊带宽为六2 。当以d 倍抽取率对x ( n ) 进 行抽取后得到的抽取序列x 。( m ) ，其取样率为正d ，相应的无模糊带宽为 ，2 d ，当x ( 一) 中含有大于正2 d 的频率分量时，x d 沏) 就会产生频谱混叠，从 x 。( m ) 将无法恢复x ( n ) e f d , t - 正2 d 的频率分量信号a 抽取序列的频谱x 。( e ，”) 是抽取前原始序列频谱x ( e ，”) 经过频移和d 倍展宽后 的d 个频谱的叠加，图2 。4 是抽取前后的频谱结构变化。可以看出，抽取后的频谱 x 。( g 一7 ) 产生了严重混叠，从中已经无法恢复出z ( e ”) 中所感兴趣的信号频谱分 量。但如果先用一个数字滤波器( 带宽为厅d ) 对进行滤波，使x ( e ) 中只含有 小于口d 的频率分量( 对应模拟频率为鲁兀) ，再进行d 倍抽取，则抽取后的频 u 谱就不会发生混叠，如图2 5 所示。这样x 。( e 川) 中的频谱成分与x ( e ”) 中的频谱 成分一一对应，或者说可准确地表示为x ( e 一) ，而彳。( e ) 可准确地表示x ( e ”) 中小于石d 的频率分量信号。因此，此时对x 。( e ”) 进行处理等同予对x ( e ) 的 处理，但前者的数据流只有后者的d 分之一，大大降低了对后处理速度的要求。 基于软件无线电的w c d m a 数宇中频和h s d p a 基带信号处理技术 1 5 博士后研究摄告 蓬2 4 摘取后者混叠的频谱 丰 i x 。( p ”) 么工过盐 圈2 5 。抽取后无混叠的频谱 蕊以，一个完整的d 倍撒取滤波爨缝孝每如图2 ，6 题示，图中岸。， ”) 为带宽小 于硝d 的低通滤波器。如果原始信号的频谱分量本身就小于r c d ，则前置滤波器 可省略。 纂于软 串无线电静w c d m a 数字申额和h s d p a 羹带信号处瑾技洙 1 6 景 博士后研究报告 x ( e ”) 厂 x 。( e ”) 叫( 一”) l 叫叭r iljj 2 2 2 整数倍内插 图2 6 完整的抽取器 整倍数内插是在原始序列x ( n 1 的两个采样点之间插入( i - 1 ) 个零值( 图 2 7 ) ，则内插后的序列x ，( m ) 为： 咖) ：卜m 一- - 一+ ，捌一 ( 2 3 ) 1 0 ，其他 图2 7 整倍数内插 原始序列 内插序列 内插序列滤波后 竺 一州 叫! ! r 斗 图2 8 内插器的符号 由于m 是，的整数倍处x ，( m ) 为x ( 导) ，其余都为零，所以有： 巾) = x 加) z 一= x ( m ) z 。= x ( z 7 ) ( 2 4 ) 将z = 8 ，。带入( 2 4 ) ，则得到