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东南大学硕士学位论文 基于数字中频方案的多频多模接收模块 摘要 硕士生：刘寅春 指导老师：朱晓维教授 目前被国际电联接受的第三代移动通信无线接口标准有美国的c d m a 2 0 0 0 标准、 欧洲的w c d m a 标准和中国提出的t d s c d m a 标准。在3 g 网络运营的初期，可以兼 容三种系统的多模终端将给用户和运营商带来极大的实惠。本论文主要研究可兼容接收 三种标准信号的多频多模接收模块，采用了数字中频的实现方案。本课题作为国家“8 6 3 ” 计划“宽带多频多模射频技术”项目( 2 0 0 2 a a l 2 3 0 4 2 ) 的一部分，完成了从天线入口 端到基带单元之间全部的接收链路的设计、仿真和硬件实现。 本文首先讨论了多频多模接收模块的实现方案，对比了几种方案，论证了数字中频 方案的可行性。接着介绍了数字中频技术的两大理论基础：带通采样原理和多速率数字 信号处理技术。根据3 g p p 和3 g p p 2 中相关的标准，设计了整个接收模块系统并规划了 各主要参数，并用a d s 和m a t l a b 软件进行了仿真。然后，将接收模块分成射频前端和 数字中频两个部分，详细叙述了硬件实现和相关的软件编程，包括射频前端的模式切换、 l n a 和m i x e r 、p l l 、中频s a w 滤波器、中频放大器和a g c 、低通滤波器、a d c 以 及驱动电路、采样数据锁存和数字下变频( d d c ) 等多个模块，给出了关键单元电路的 原理图和板图。最后对研制的多频多模数字中频接收模块进行了测试，得到了噪声系数、 e v m 等指标，测试结果表明接收模块达到了预定的设计要求。 【关键词1 多频多模c d m a 数字中频带通采样多速率数字信号处理数字下变频 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 em u l t i - m o d ea n d m u l t i - b a n dr e c e i v e rm o d u l eb a s e do nd i g i t a l i f t e c h n o l o g y m s e e c a n d i d a t e ：l i uy i n c h 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 a b s t r a c t w c d m a c d m a 2 0 0 0a n dt d - s c d m aa r et h r e ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sf o rt h et h i r d g e n e r a t i o n ( 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ht od e s i g na r e c e i v e rb a s e do nd i g i t a li ft e c h n o l o g y , w h i c hc a nb ec o m p a t i b l et ow c d m a c d m a 2 0 0 0 a n dt d - s c d m as y s t e m s a st h ep a r to ft h e “8 6 3 ”k e yp r o je c t ：w t n d b a n dm u l t i m o d ea n d m u l t i b a n dr ft e c h n o l o g y , t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e dt h es i m u l a t i o na n dh a r d w a r ed e s i g n i n go f t h em u l t i m o d ea n dm u l t i b a n dr e c e i v e rm o d u l et h a tc o v e r st h ec h a n n e lb e t w e e nt h ea n t e n n a a n dt h eb a s e b a n d f i r s t l y , s o m es c h e m e so fs o f t w a r er a d i ow e r ed i s c u s s e d ，a n ds o m er e a s o n sw e r ec a m eu p w i t ht op r o v et h ed i g i t a li fs c h e m er e a l i z a b l ea n da s c e n d a n t t h eb a n d p a s ss a m p l i n gt h e o r y a n d v a r i a b l es p e e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g we r ede s c r i b e d i nd e t a i l ，s e c o n d l y , a c c o r d i n g t o s o m es p e c i f i c a t i o n se s t a b l i s h e db y3 g p pa n d3 g p p 2 ，t h es t r u c t u r eo ft h er e c e i v e rm o d u l ew a s d e s i g n e dt h ek e yp a r a m e t e r sw e r ea s s i g n e da m o n gs t a g e so ft h es y s t e m t h er e c e i v e rm o d e l w a ss i m u l a t e db ys o f t w a r ea d sa n dm a t l a b t h i r d l y , s o m ea p p r o p r i a t ec h i p sw e r es e l e c t e dt o i m p l e m e n tt h es y s t e m i tc o n s i s t so fs e v e r a lc e l lc i r c u i t ss u c ha sar fs w i t c h ，t w ol o w n o i s e a m p l i f i e r s ，t w om i x e r s ，a ni fs a wf i l t e r ，a ni fa m p l i f i e rw i t ha g c ，t h r e ep l lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r s ，a na n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) a n dad i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ( d d c ) ， e t c f i n a l l y , t h et e s t i n gp r o c e d u r e sa n dr e s u l t so ft h er e c e i v e rm o d u l ew e r eg i v e n ，a l o n gw i t h t h ea n a l y s i so ft h e i rp e r f o r m a n c e s ，w h i c hc a nb ef o u n ds a t i s 剐n gt h er e q u i r e m e n t s k e yw o n s m u l t i m o d ea n dm u l t i b a n d ，c d m a ，d i g i t a li f , b a n d p a s ss a m p l i n g ，v a r i a b l e s p e e dd 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 东南大学学位论文独创性声明 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o f 一尽我 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。 、 丝务钥 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。 f 爱秀翻 珈4 日 期：炒矽d 弓 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 第三代移动通信系统的重要特点及目标是全球化( 提供全球海陆空三维的无缝覆 盖，支持全球漫游业务) 、综合化( 提供多种语音和非话业务，特别是多媒体业务) 和 个人化。国际移动通信系统i m t - 2 0 0 0 ( 工作于2 0 0 0 m h z 频段) 就是应此而提出的。1 9 9 9 年1 1 月召开的国际电联芬兰会议确定的第三代移动通信无线接口标准，是移动通信领 域的一个重要里程碑。会议确定了5 个i m t - 2 0 0 0 陆地接口技术提案的规范，包括i m t - d s ( d i r e c ts p r e a d ) 、i m t - m c ( m a l t ic a r r i e r ) i m t - t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ) 、i m t - s c ( s i n g l ec a r t i e r ) 及i m t - f t ( f r e q u e n c yt i m e ) 。前3 种提案采用了c d m a 技术，是第 三代移动通信发展的主流；后两种提案采用的是t d m a 技术，使现有的第二代t d m a 网络提供部分的第三代业务。前三种技术标准涵盖的技术为：i m t - d s 包括u i r a f d d ( w c d m a ) ；i m t - m c 由c d m a 2 0 0 0 构成；i m t - t d d 包括u t r a t d d 和t d s c d m a 。 中国提交的t d s c d m a 属于c d m at d d 模式，这是中国在百年的通信史上第一次制 定了国标标准。对中国通信业来说，这是一个重大的突破。 在许多发达国家，移动电话的普及率已经超过5 0 ，最高的已经接近9 0 ，用户趋 于饱和，其3 g 的推动力主要是高速移动数据和多媒体业务需求。我国发展3 g 的需求 和商用时机主要是由用户增长与网络承载关系、移动数据和多媒体业务需求、运营市场 竞争3 个方面决定的。目前，我国移动电话的普及率为1 3 8 6 ，个别发达城市达到了 5 0 ，总体上看普及率还比较低，移动用户发展将由高速成长期逐步向稳定发展期过渡， 同时增长速度逐步变缓，但新增用户绝对数量仍会很大并将保持几年。预计到2 0 0 5 年 我国移动用户数将达到35 亿左右，移动数据业务将有快速发展，这是移动通信新的增 长点和保持旺盛生命力的关键。所有的业内专家都有一个共同的认识，就是在中国发展 第三代移动通信是非常必要的，运营业专家更表示需求迫切，目前c d m a 2 0 0 0 和 w c d m a 都已经在一些国家和地区运营，相信我国自行设计完成的t d s c d m a 系统也 会很快通过测试。 一旦在不久的将来国家发放3 g 牌照，三种主流c d m a 标准w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 之间会产生激烈竞争抢夺中国市场。从运营成本、技术特 点和系统升级费用等几个方面看，三个标准各有所长，很可能出现这样的结果，不同的 标准覆盖不同的地区，甚至不同的标准在同一个地区共存。回想中国联通在推出c d m a 网络初期，就曾经出现过有网络而缺少终端的情况，对于3 g 网络的运营，运营商需要 在建设网络的同时，通过各种有效的渠道，合理刺激并推动支持3 g 网络的终端。一方 面，为了能够对运营商的投资做一个较好的保护，至少在3 g 网络运营初期终端应该是 东南大学硕士学位论文 双模甚至是三模的：另一方面，对于用户来说一个能够方便地兼容三种模式c d m a 信号 的手机将是最实惠的选择。国家8 6 3 训划“宽带多频多模射频技术”项目( 2 0 0 2 a a l 2 3 0 4 2 ) 这是应这种需要而产生的，本文的课题“基于数字中频方案的多频多模接收模块”是这 个项目的一部分，完成了接收模块从天线接收信号到基带处理之间的接收链路。 1 , 2 三种主流c d m a 标准的简单介绍 经过国际电信联盟多年协调，2 0 0 0 年5 月全球无线电大会( w r c 一2 0 0 0 ) i e 式批准了 第三代移动通信系统( l m t - 2 0 0 0 ) 无线接口规范建议i m t r s p c ，通过了国际电联建议i t u r m 1 4 5 7 。规定无线接入网标准为三种c d m a 两种t d m a 。c d m a 中有两种f d d 方 式用于对称业务，一种t d d 方式用于不对称业务，两种t d m a 方式是基于美国i s 一1 3 6 和欧洲d e c t 的标准都不会对中国有实际意义。在c d m a 系统中，用正交码区分用户 实现多用户共享空间传输频率资源和同时入网接续，码的引入将原有的窄带信号的频谱 扩展到很宽的频带范围，则系统总体信噪比的分析方法将不同于t d m a 系统。单个无 线信道信号接近于带限噪声，而非单一的正弦波形。下面将对三种c d m a 标准进行简 单的介绍： 1 2 1i m t _ 2 0 0 0w c d m a i m t - 2 0 0 0w c d m a 是基于第二代移动通信g s m m a p 网络发展而来的的宽带 c d m a 体制，f d d 的双工方式，是经营g s m 网络的运营商优选的标准。其扩频码速率 为38 4 m c h i p s ，载波带宽为5 m h z ，w c d m a 的基站间是否同步是可选的。w c d m a 标准由3 g p p 组织制订，目前已经有四个版本，即r 9 9 、r 4 、r 5 和r 6 ，其中r 9 9 版本 已经稳定，目前处于完善过程中。它的主要特点是无线接入网采用w c d m a 技术，核 心网分为电路域和分组域，分别支持话音业务和数据业务，并提出了开放业务接入 ( o s a ) 的概念，目前的设备多基于r 9 9 版本，最高下行速率可以达到3 8 4 k b i t s 。r 4 版本是向全分组化演进的过渡版本，与r 9 9 比较其主要变化在电路域引入了软交换的概 念，将控制和承载分离，话音通过分组域传递，另外，r 4 中也提出了信令的分组化方 案，包括基于a t m 和i p 的两种可选形式。r 5 和r 6 是全分组化的网络，在r 5 中提出 了高速下行分组接入( h s d p a ) 的方案，可以使最高下行速率达到1 0 m b i t s ，目前标准 仍在制订中。 1 2 2 i m t - 2 0 0 0c d m a 2 0 0 0 i m t - 2 0 0 0c d m a 2 0 0 0 是基于美国的窄带c d m a 的i s 一4 l 网络标准延伸出的多载波 c d m a 体制，也是f d d 双工方式，是经营1 s 一9 5 网络的运营商优选的标准。c d m a 2 0 0 0 第一章绪论 的扩频码速率为12 2 8 8 m c h i p s ，载波带宽为1 2 5 m h z ，c d m a 2 0 0 0 的基站间必需同步， 因此需要全球定位系统( g p s ) 。c d m a 2 0 0 0 标准由3 g p p 2 组织制订，版本包括r e l e a s e 0 、 r e l e a s e a 、e v - - d o 和e v d v 。r e l e a s e 0 的主要特点是沿用基于a n s i - - 4 1 d 的核心 网，单载波最高上下行速率达到1 5 3 6 k b i t s ，在无线接入网和核心网增加支持分组业务 的网络实体，此版本已经稳定。r e l e a s e a 是r e l e a s e 0 的加强，单载波最高速率可以达 到3 0 7 2 k b i t s ，并且支持话音业务和分组业务的并发。e v d o 采用单独的载波支持数 据业务，可以在1 2 5 m h z 标准载波中支持平均速率为6 0 0 k b i t s 、峰值速率为2 ，4 m b i t s 的高速数据业务，到e v d v 阶段，可在一个1 2 5 m h z 的标准载波中，同时提供语音和 高速分组数据业务，最高速率可达3 1 m b i v s 。总的来说w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 比较相 近，在其它关键技术方面，例如功率控制、软切换、扩频码以及所采用分集技术等都是 基本相同的，只有很小的差别。 1 2 3 i m t 一2 0 0 0c d m a t d d i m t - - 2 0 0 0c d m a - - t d d 即时域双工c d m a 方式，包括欧洲建议的u t r a - - t d d 和中国建议的t d s c d m a 两种体制，由于是t d d 方式，特别适用于不对称业务。t d - - s c d m a 时分同步码分多址接入采用时分双工( t d d ) 、t d m a c d m a 多址方式工作， 扩频码速率为1 2 8 m c h i p s ，载波带宽为1 6 m h z ，其基站间必须同步，与其他两种技术 相比采用了智能天线、联合检测、上行同步及动态信道分配、接力切换等技术，具有频 谱使用灵活、频谱利用率高等特点，适合非对称数据业务。t d s c d m a 标准也由3 g p p 组织制订，目前采用的是中国无线通信标准组织( c h i n a w i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d ，c w t s ) 制订的t s m ( t d s c d m a o v e rg s m ) 标准，基于t s m 标准的系 统其实就是在g s m 网络支持下的t d s c d m a 系统。t s m 系统的核心思想就是在g s m 的核心网上使用t d s c d m a 的基站设备，其a 接口和g b 接口与g s m 完全相同，只 需对g s m 的基站控制器进行升级。一方面利用3 g 的频谱来解决g s m 系统容量不足， 特别是在高密度用户区容量不足的问题，另一方面可以为用户提供初期最高达3 8 4 k b i t s 的各种速率的数据业务，所以基于t s m 标准的t d s c d m a 系统对已有g s m 网的运 营商是一种很好的选择。以后t d s c d m a 将融入3 g p p 的r 4 及后续标准中。运用 t d s c d m a 这一技术，通过灵活地改变上下行链路的转换点就可以实现所有3 g 对称 和非对称业务。合适的t d s c d m a 时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以 及任何混合业务的上下行链路资源分配的问题。t d s c d m a 的无线传输方案灵活地综 合了f d m a 、t d m a 和c d m a 等基本传输方法，通过与联合检测相结合，它在传输容 量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性 降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。 t d s c d m a 为t d d 模式，在应用范围内有其自身的不足：一是终端的移动速度受现有 d s p 运算速度的限制只能做到2 4 0 k m h ：二是基站覆盖半径在1 5 k m 以内时频谱利用率 和系统容量可达最佳，在用户容量不是很大的区域，基站最大覆盖可达3 0 k i n 。所以， 东南大学硕士学位论文 t d s c d m a 适合在城市和城郊使用，在城市和城郊，这两个不足均不影响实际使用。 因在城市和城郊，车速一般都小于2 0 0 k m h ，城市和城郊人口密度高，因容量的原因， 小区半径一般都在1 5 k i n 以内。而在农村及大区全覆盖时，用w c d m a f d d 方式是最 合适的，因此t d d 和f d d 模式是互为补充的。 1 3 本课题的研究意义 本文完成的多频多模接收模块属于东南大学毫米波国家重点实验室承接的国家8 6 3 计划“宽带多频多模射频技术”项目( 2 0 0 2 a a l 2 3 0 4 2 ) 的研发任务。项目分割为多频 多模发射模块、多频多模接收模块、基带和控制部分等几个子课题。考虑到多频多模系 统对硬件兼容性和开放性的独特要求，选择了数字中频方案来实现多频多模的接收，一 方面减少了模拟环节提高了灵活性，另一方面为下一步的系统扩展升级提供了空间。接 收模块是首先完成的子课题，因为相对于发射模块接收模块在调试时面对的问题要复杂 一些，所以可以积累更多的经验，为以后整个系统的设计实现打下了良好的基础。下面 将介绍一下软件无线电，阐述选择数字中频方案的理由。 1 4 软件无线电简介 多频多模技术的目标就是要在同一个平台上兼容w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 这三种系统，由于这三种标准分别是f d d 、f d d 和t d d 模式，而且射频 频带不同，c h i p 速率也不同，所以需要一个开放性、标准化、模块化的通用硬件平台， 将各种通信功能用软件来完成，因此软件无线电就成为实现多频多模的首选方案。 由于无线通信的快速发展，出现了多种通信体制，而且这些体制之间互不兼容，给 用户和经营者带来了极大的不便。为解决互通性问题，各国都进行了积极的探索，1 9 9 2 年5 月m i l t r e 公司的j e o m i t o l a 在美国国家远程系统会议上首次明确提出了软件无线 电( s o f tr a d i o ) 的概念【i 。软件无线电的基本思想是以一个通用的、标准、模块化的硬 件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电 台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电 路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 变换) 尽量靠近天线。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。 理想的软件无线电的组成结构如图1 1 【2 】： 4 第一章绪论 多种数 字和模 拟应用 图i i 软件无线电结构框图 软件无线电结构主要由天线、射频前端、宽带a d 或d a 转换器、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、 下混频、提供本振等功能。对于a d c ( 模数转换器) 要求有足够的工作带宽，较高的 采样速率，而且有较高的转换位数，以提高动态范围。模拟信号数字化以后的处理任务 全由d s p 软件承担。为了减轻通用d s p 的处理压力，通常把a d c 传来的信号经过专用 的数字处理器件( 如数字下变频器d d c ) 处理，降低数据流速率，并把信号变频至基 带，再把数据送给通用d s p 处理。通用d s p 主要完成各种数据速率相对较低的基带信 号的处理，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，还 要完成经信源编码后的前向纠错、帧调整、比特填充和链路加密等算法。当然以上d s p 和专用数字信号处理器完成的任务同样可以用f p g a 来完成。 软件无线电结构基本上可以分成三种：射频低通采样数字化、射频带通采样数字化 和宽带中频带通采样数字化结构即数字中频结构【2 】。 1 4 1 射频低通采样数字化方案 射频低通采样数字化的软件无线电，结构简单，把模拟电路的数量减到了最低程度 是软件无线电最理想的实现方案，其结构如图1 2 。从天线进来的信号经过滤波、放 图1 2 射频低通采样数字化结构 大后就直接进行采样数字化，因为根据n y q u i s t 采样理论，射频低通采样的采样速率至 少是射频工作最高频率的两倍，所以这种结构不仅对a d c 的转换速率、工作带宽、动 态范围、转换位数等性能提出了非常高的要求，同时对后续的d s p 或a s i c ( 专用集成 电路) 的处理速度要求也非常高。要求在w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 的工作 频带进行低通采样，采样速率至少要在4 4 g h z 以上，目前a d c 的速率达不到这么高的 东南大学硕士学位论文 要求，即使设计出了这样高速的a d c ，也是非常昂贵的。同时，如果采样率在44 g h z ， 就算在d s p 中处理时对每一个数据计算1 0 0 次，那就需要4 4 0 0 0 0 m i p s 的计算速度，目 前d s p 尚不能达到这样的计算速度。 1 4 2 射频直接带通采样数字化方案 这种结构与射频低通采样软件无线电结构的主要不同之处是，a d c 前采用了带宽 相对较窄的电调滤波器，然后根据所需的处理带宽进行带通采样，其结构如图1 3 。 图1 3 射频直接带通采样数字化结构 相对射频低通采样软件无线电结构，这种结构对a d c 采样速率的要求降低了，对后续 d s p 的处理速度也相应降低。但是这种结构对a d c 的工作带宽的要求即对a d c 中采 样保持器的速度要求仍然是非常高的。 1 4 3 数字中频方案 数字中频方案就是宽带中频带通采样软件无线电机构，采用多次混频体制或叫超外 差体制，其结构如图1 4 。数字中频结构的特点是中频带宽宽，所有调制解调功能全部 图1 4 数字中频结构 由软件完成。对于接收机，信号从天线进来以后经过滤波、放大以后先进行一次模拟混 频到中频，在中频上进行宽带的带通采样，然后信号在d s p 或专用a s i c 芯片中完成数 字下混频、拙取、滤波，最后完成基带处理。显然，数字中频结构是上述三种软件无线 电结构中最容易实现的，对a d c 的采样速率、工作带宽的要求都是最低的，同时对后 续d s p 的处理速度的要求也较低，从目前a d c 和d s p 的技术来看9 此种方案是目前实 第一章绪论 现w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三种标准信号兼容接收的最优选择。当然这种 方案的可扩展性、灵活性是三种方案中最差的，离软件无线电的理想目标也最远。 1 5 课题工作介绍和本文安排 本课题的任务是基于数字中频技术设计了一个接收模块可以同时兼容接收 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三种系统的信号，从天线接收进来的三种信号经 过接收模块的处理最终输出数字基带信号给基带处理单元，要求接收模块的指标要达到 3 g p p 和3 g p p 2 标准的要求。 设计中，首先利用e d a 软件对接收模块的系统结构进行仿真，验证方案的可行性。 根据整个接收模块的结构，设计硬件电路，包括芯片选型，设计芯片外围电路和匹配， 芯片测试，模块调试等。并且根据不同模式信号接收的要求，编写了数字下变频器( d d c ) 的软件，并参与编写了d s p 软件中接收模块的控制部分。 本课题完成的多频多模数字中频接收模块，可分成射频前端和数字中频两大部分。 在硬件电路上，射频前端部分可分为射频前端的模式切换、l n a 和m i x e r 、p l l 、中 频s a w 滤波器、中频放大器和a g c 、低通滤波器等几个模块；数字中频部分可分为 a d c 以及驱动电路、采样数据锁存和数制转换、数字下变频等几个模块。本文将按照 方案选择、设计原理、方案论证和仿真、硬件实现和验证测试的顺序，力求完整清晰地 叙述本课题完成的工作。全文分为六章： 第一章概述了课题背景，简单介绍了三种c d m a 标准，引入了软件无线电的概念、 实现方案以及对多频多模兼容接收的意义，最后交待本课题的工作内容和本文的章节安 排。 第二章介绍数字中频技术的两大理论基础带通采样原理和多速率数字信号处 理，并且详细剖析了其中的重点环节。 第三章主要讨论多频多模数字中频接收模块系统实现的方案，对射频部分、数字中 频部分给出了实现方案和参数规划，并给出了仿真结果。 第四章介绍射频部分的硬件实现，对劓频前端的模式切换、l n a 和m i x e r 、p l l 、 中频s a w 滤波器、中频放大器和a g c 、低通滤波器等几个模块进行了详细地分析，揭 示设计中遇到的问题和解决方法。 第五章介绍数字中频部分的硬件实现，对a d c 以及驱动电路、采样数据锁存和数 制转换、数字下变频等几个模块进行了详细地分析，着重介绍了数字下变频( d d c ) 的 设计应用和软件编程。 第六章给出了系统的验证方案的讨论和测试结果，总结了本课题的工作，提出了进 一步改进的建议。 东南大学硕士学位论文 第二章数字中频方案中的关键技术 本章详细剖析了数字中频技术的理论基础带通采样原理和多速率数字信号处 理原理，为第三章的系统设计和参数分配提供了理论依据。 2 1 带通采样原理 数字中频方案的核心思想是，先将模拟信号经过模拟混频到频率较低的中频阶段， 然后在中频上对模拟信号进行数字化，再继续进行数字信号处理。那么对于一定带宽的 模拟信号应该采用多高的采样频率? 采样频率的选取和中频频点的选择有怎样的关 系? 数字中频方案中采样有什么特殊性? 带通采样原理就解决了上述的问题。 2 1 1n y q u i s t 采样定理 n y q u i s t 采样定理：设有一个频率带限信号x ( o ，其频带限制在( o ，f h ) 内，如果以不 小于f s = 2 f l a 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 t s ) ( t s = l f s 为采样间隔) ，则原信号x ( t ) ：t , 哿- q - 以从得到的采样值x ( n ) 中完全恢复【”。实际 上，采样信号的频谱是原信号的频谱频移后的多个叠加，只要采样率满足不小于f s = 2 t h ， 则搬移后的多个原频谱之间不会混叠，否则频谱混叠将导致不能正确恢复出原信号。假 如经过模拟的下混频后，三种c d m a 信号都在7 0 m h z 的中频上，按照n y q u i s t 采样定 理，至少要用1 4 0 m h z 的采样速率进行采样。1 4 0 m h z 的采样速率虽非不能达到，但是 用这么高采样率很不经济。我们注意到w c d m a 的扩频码速率为38 4 m c h i p s ，载波带 宽为5 m h z ；c d m a 2 0 0 0 的扩频码速率为12 2 8 8 m c h i p s ，载波带宽为1 2 5 m h z ； t d 。s c d m a 的扩频码速率为12 8 m c h i p s ，载波带宽为1 6 m h z ；这三种标准的信号都 是带限信号，真正需要处理的也是这些带限信号，没有必要在中频上对从零频到中频之 间所有的信号进行采样。 2 1 2s h a n n o n 带通采样定理 s h a n n o n 采样定理证明了对于带通信号，用小于2 l 的采样速率，也可以完全恢复 原信号的信息。假设理想的带通信号其频带限制在( z ， ) 内，最小的采样率只要不小 于2 ( a z ) ，就有可能完全恢复出原始信号。在采样率在2 ( 兀一z ) 和2 厶之间时，为 保证采样信号的频谱不发生混叠，采样率上要满足式2 1 。 第二章数字中频方案中的关键技术 竺蠡望 + l “ 门 并且 其重构信号，( f ) 的公式是 其中1 ”磨 南 乃一 ( 2 1 ) f ( t ) _ 2 呱量删鬻c o s 州功) i g 】表示取不大于括号内数值的整数，丘= 妻( 石+ ) 为带通信号中心频率，w = 一_ 为 信号带宽，z = 为采样间隔 4 】。 3s s h a n n o n 采样定理的成立是建立在理想带通信号的假设上的，只允许在一个频带上 存在信号，而不能在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混叠。因此在设计 数字中频接收模块时，采样前必须进行带通滤波，带通滤波器滤出感兴趣的带通信号 x ( f ) ，然后进行采样，以防止信号混叠。从式2 1 可以看出，采样频率被划分成若干个 区间，由n 确定，n 越小，频率区间范围越大，对采样频率偏差的要求就越小，对中频 滤波器的介质特性要求也就越低；但是随着n 值的下降，采样频率也会随之升高，数字 信号的速率增大，使后级数字信号的处理负荷增大。 带通采样的可行性可以由下图来表示： 御k k 图2 1 n y q u i s t 采样率采样 图2 2 低于n y q u i s t 采样率采样 东南大学硕士学位论文 图2 3 带通采样 图2 。1 表示用n y q u i s t 采样率即f s = 2 f h 采样，采样后的频谱紧挨在一起，达到不混 叠的极限。图2 2 表示用低于n y q u i s t 采样率采样，采样后的频谱发生混叠，这时候就 无法恢复出原信号。但如果有用信号带限在一定带宽内( 图2 3 中黑色的条状矩形为有 用信号) ，而且其带宽远小于有用信号的最低频率，即使用低于n y q u i s t 采样率采样，有 用信号也不会发生混叠，图2 3 表示的就是这种带通采样的情况。 带通采样降低了a d c 采样频率，对a d c 器件和数字信号处理器件的要求大为降低， 而且通过合适的选择采样频率和中频频率可以避免带外的谐波、杂散混叠到带内来。 2 1 3 带通采样的频谱 带通采样其实是一个特殊的调制过程，有类似变频器的性质 是周期性折叠的。假设一信号的频谱如式2 3 所示 f ( c o ) = 三 f 一c o o ) + f ( c o + c o o ) 经过采样以后频谱是： f s ( c o ) = p s ( c o ) + f ( c o ) z 7 r = _ 【1 万2 z r 童。, 一等犷f ( ) = 瓦1 至【f ( c o - c o 。- 2 n z k ) + f ( 讽 因为j = 2 t f , = i 2 z r ，m , l j s 乃( ) = 瓦( o s 墨 f ( c o - - c o o - k 6 0 s ) + 脚讽 只是采样信号的频谱 ( 2 - 3 ) = 尝圭 f 2 彤一兀一例+ f 2 形+ 工一捌) ( 2 5 ) 从式2 5 可以看出，经过采样信号频谱发生了搬移，而且出现在多个不同的频点上， 频谱的位置和中频的频点以及采样率都有关系。在设计中，要按照2 1 式并结合2 5 式 适当地选取中频频点和采样率，在目前芯片可以胜任的范围内选择最佳的组合。信号经 们 第二章数字中频方案中的关键技术 过采样后频谱发生搬移的特性，将在采样后的数字下混频中被利用，大大方便了硬件实 现，第五章中将详细阐述。 2 2 多速率信号处理原理 在数字中频技术中，带通采样定理的运用大大降低了所需的射频采样速率，为以后 的实时数字信号处理提供了便利。在数字中频的接收模块中，为达到高的采样量化信噪 比，要求带通采样的带宽越宽越好；同时为减小对中频抗混叠滤波器截止特性的要求， 需要采样率越高越好；为了可以应用于多载波方式，也要求高带宽，所以在尽可能的情 况下，带通采样的带宽要尽量宽采样率要尽量高。但是，随着采样率的提高，采样后的 数据流速率也提高，会导致后续的数字信号处理速度跟不上，特别是实时处理的部分， 所以需要对a d c 后的数据流进行降速处理。多速率信号处理原理为降速处理的实现提 供了理论基础。 2 2 1 整数倍抽取、整数倍内插 抽取和内插是多速率信号处理原理的基本理论。如果要将采样速率工减少m 倍 就把原始采样序列x ( n ) 每隔( m 一1 ) 数据取一个，以形成一个新的序列而( m ) x 。m ) = x ( m m ) mc ( 一0 0 ，+ 。) 先定义一个中间序列x t ( m ) 枷，书i m = 0 ，m ，+ 2 m 其它 删卜塾簇扩“1 e ” = 古墓x c e j ( o j - 2 x k l m ) ， ( 口”) = x ( m n ) e 伽“= 五忙 o j i m ) 所以 ( e 扣) = 万1m 刍- i ( e j ( e o - 2 x kc m ) ) 3 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 29 ) ( 2 1 0 ) 由式2 1 0 可见，抽取序列的频谱j ( 扩) 为拙取前原始序列频谱x ( e 向) 经频移和m 东南大学硕士学位论文 倍展宽后的m 个频谱的叠加。抽取后的频谱发生了严重的混叠，无法恢复原始的信号。 但是如果首先用一个带宽为口m 的数字滤波嚣对z ( e ”) 进行滤波，使x ( e 归) 中只含有 小于口m 的频率分量，再进行m 倍抽取，抽取之后的频谱就不会发生混叠。j ，d ( e ”) 就 可以准确地表示x ( e ”) 中小于z m 的频率分量的信号。通过抽取大大提高了频域的分 辨率。 与抽取相反，如果要将采样速率必增加l 倍得v ( n ) ，v ( h ) 就是在x ( n ) 每相邻两个 原始采样点间插入( l ，1 ) 个零，得到 咖) = d 嚣虬，+ 2 厶 c z 记x ( n ) ，v ( h ) 的d t f t 分另0 是x ( e 问，) ，v ( e 7 叶) c o y = 2 7 r f ，。砌瓦f 寺 ( 2 1 2 ) v ( e 叶) = v ( m ) e 一加叶= x ( m l ) e 一”叶 矿( 8 一) = x ( e j l w ，) = x ( e ”，) 令z = e 7 。，则 v ( z ) = x ( z 。) ” ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ，的周期为2 z c ，所以0 9 ，的周期为2 z 上，上式说明内插后的信号频谱为原始序列 频谱经l 倍压缩后得到的谱。在原。的一个周期内，v ( e 叶) 变成l 个周期，多余的( l 一1 ) 周期称为x ( e ”* ) 的镜像。因此，要用带宽为刀l 的低通滤波器对内插后的信号进行滤 波。经过低通滤波以后，原来插入的零值变为x ( n ) 的准确内插值，经过内插大大提高了 时域分辨率。 抽取率和内插率的组合，可以实现分数倍的抽取率如图2 。4 坐 丑叫堕f 图2 4 抽取和插值的组合 这将大大扩展采样率的选择范围。但是必须内插在前，抽取在后，以确保中间序列的频 第二章数字中频方案中的关键技术 谱宽度不小于原始输入序列或输出序列的频谱宽度，否则会引起信号失真。 2 2 2 带通信号的取样率变换 上一节对于采样率的变换的讨论都是基于低通信号的，对于带通信号就要进行“整 带”抽取。当带通信号满足： 五专丘= ( 2 n + 1 ) 每 n 是正整数 ( 2 1 5 ) 即带通信号的的最高和最低频率是信号带宽的整数倍时，抽取倍数d 应满足【2 】： d ：盘(216) 2 ( 厶一 ) 就是说在( o ，f s 2 ) 整个数字带内有带宽为( 厶一无) 的d 个子带时，可以进行“整带” 抽取。只要在抽取前用一个带宽为( 厶一 ) 的带通滤波器对需要的子带进行滤波就可以 了。但是在很多情况下，带通信弓的带宽满足不了式2 1 5 ，“整带”抽取的适用范围很 小。 另一个途径是把中心频率兀的带通信号搬移到基带，然后再利用低通信号的抽取方 法进行抽取。一个实带通信号x ( n ) 的频谱x ( e m 7 ) 是共轭对称的，用复信号e 口4 如乘以 原信号，则x ( e j 2 ”f ) 负的频率分量移至零频，正的频率分量移至2 处，用一个低通滤 波器滤除2 五处的高频分量，就可以得到基带信号。 2 2 3 数字滤波器的设计理论 从上面的讨论可以知道，实现采样率的交换抽取或插值有一个关键的问题 就是如何实现抽取前和插值后的数字滤波。滤波器性能的好坏直接影响采样率变换的效 果和后续实时处理的能力。 我们选择有限冲击响应滤波器( f m ) 来实现这些数字滤波器，因为和i l r 滤波器相 比f i r 数字滤波器有很大的优越性。首先，f i r 滤波器的单位冲击响应为有限长度，没 有极点，系统必定稳定，而i i r 滤波器采用递归结构，极点在单位圆内才稳定，在有限 精度情况下可能会引起振荡。其次，f i r 滤波器可阻实现线性相位，而i i r 滤波器的相 位是非线性的。f i r 滤波器的频率响应可表示为： n 一1 h (