（电磁场与微波技术专业论文）基于数字中频方案的发射单元.pdf

摘 要 基于数字中频方案的发射单元 硕士生：李建广 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。 本论文主要研究的是用于数字中频收发信机的发射单元，采用数字中频方案，能兼容发射 c d h i a 2 0 0 0 、w c d m a 和t d c d 姒三种标准的。针对c d 呲2 0 0 0 信号可以同时传送四载波；针对w c d m a 和 t d s c d m a 信号时，可以同时传送两载波，并满足3 g p p 与3 g p p 2 相关标准。 本文首先对第三代移动通信的背景和特点进行了综述，简要介绍了三种c d m a 标准，从而引出本课 题基于数字中频方案的收发信机。接着对发射单元按照数字中频基带部分与发射模拟部分的系统设 计分别进行了介绍，在数字基带部分的讨论中对数字中频的两个基本理论作了简介，给出基带部分的 设计思想与工作框图；在发射模拟部分的讨论中，介绍了发射系统工作原理，对于设计指标也作了相应 说明。然后，对系统和部分关键电路进行了仿真，为硬件设计提供理论指导。最后对研制的数字中频发 射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，测试结果表明发射单元达 到了预定的设计要求，测试两载波w c 珊d 信号或四载波c d m a 2 0 0 0 信号时，a c p r 、e v m 、f f o da c c u r a c y 等指标均满足3 6 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】数字中频基站移动台c i i ) h , i a 发射单元多载波频谱 v 一垒堕竺! i n v e s t i g a t i o n so nt h et r a n s m i t t i n gu n i t b a s e do nd i g i t a li f t e c h n o l o g i e s m s e e c a n d i d a t e ：l ij i a n g u a n g 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 i a n gw e i a b s t r a c t t o d a y ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o a m l u n i c a t i o n ，t h et r a n s m i t t i n gs p e e do f s i g n a ll sf a s t e ra n df a s t e r ，t h eo c c u p i e ds p e c t r u mb a n d w i d t hisw i d e ra n dw i d e r ，f u r t h e r m o r e t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fm u l t i s y s t e ma n dm u l t i f r e q u e n c yb a n dw i l 】e x i s t t o g e t h e r e s p e c i a l l y ，t h e3 r dg 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 m s ( 3 g ) a r ea p p l i e dt ot h eb u s i n e s s t h ep h a s ew i l lb em o r ee x t r u s i r e s o ，t h ed e m a n d e dg e t ss t r o n gi n c r e a s i n g l yt h a tt h ew i d eb a n d t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rt h a tc a nb ec o m p a t i b l et om u l t ic o m m u n i c a t i o ns t a n d a r da n dt r e a tw i t h m u l t i c a r r i e rs i g n a l f o rb e i n gs a t i s f i e dm i t ht h e s ed e m a n d s ，t h e yh a v eb e e np u tt h a tw i d e b a n dt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rp r o j e c tb a s e do nd i g i t a li f ，z e r oi fo r1 0 wi f ，e v e ns o f t w a r e r a d i ot e c h n 0 1 0 9 i e s c o n t r a s t i n gw i t ht r a d i t i o n a ls u p e rh e t e r o d y n et r a n s m i t i e ra n dr e c e i v e r ， t h es y s t e mi n t e g r a t i o nd e g r e e ，d e p e n d a b i l i t ya n dc o n s i s t e n c ya r ei n c r e a s e dc o n s u m e d l y t h e y h a v em u c ht r a i t ，f o re x a m p l e ，t h ee o n f i g u r a t i o ni sc o m p a c t ，b u l ki ss m a l l ，w e i g h tis1 i g h t a p p l i c a t i o ni sa g i l e ，e r e b yc h a n g i n gs o f t w a r ea n dr ff r o n t ，t h e yc a nb ea p p l i e dt oa 1 1k i n d s o fw i r e 1 e s sc o m m l u n i c a t i o ns y s t e mq nt h eu n i v e r s a lh a r d w a r ef l a t t h i sp a p e rf o c u s e so i lt h er e s e a r c ht od e s i g nat r a n s m i tm o d u l eb a s e do nd i g i t a li f t e c h n o l o g i e s ，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 0a n dt d s c d m as y s t e m s t ob e t h e t r a n s m i t t i n gu n it ，i ti sr e q u e s t e dt ot r a n s m itf o u r c a r r i e rw a v ew h e ni tt r a n s m i t st h es i g n a l o fc d m a 2 0 0 0 ，t w o c a r r i e rw h e nt h es i g n a lo fw c d m ao rt d s c d m a i tm u s tb es a t i s f i e dw i t h3 g p p a n d3 g p p 2 f i r s t l y ，w ei n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dt h ec h a r a c t e r is t i co ft h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i o a t i o ns y s t e m s t h e nt h es t a n d a r do fw c d b i a 、c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m as y s t e m sa r ed e s c r i b e d s i m p i y s o ，w eb e g i nt or e s e a r c h - - i n v e s t i g a t i o i l so nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e iv e rb a s e do n d i g i t a li ft e c h n o l o g i e s s e e o n d l y w ei n t r o d u c ed i g i t a lb a s eb a n dp a r ta n dt r a n s m i tp a r ti n d i g i t a lp a r t t w ot h e o r i e so fd i g i t e li fa r ei n t r o d u c e d t h e nd e s i g ni d e aa n dw o r ks k e t c hm a p o fb a s eb a n da r ee x p l a i n e d i na n a l o gp a r t ，t h ew o r kt h e o r yo ft h et r a n s m i ts y s t e mi si n t r o d u c e d a n dd e s i g nt a r g e t sa r ee x p l a i n e d t h i r d l y s i m u l a t i o nf o rs y s t e ma n dp a r tk e yc i r c u i t sh a s b e e nc o m p l e t e d t h es i m u l a t i o nm a yp r e y i d et h e o r yg u i d a n c ef o rh a r d w a r ed e s i g n l a s t l y 。w e t e s tt h ep a r to ft r a n s m i ta n a l o g ，p a r to fd i g i t a lb a s eb a n da n da l ls y s t e m t h et e s ti n d i c a r e s t h a t t h es y s t e mh a sg o tt ot h es c h e d u l e dd e s i g nt a r g e t s 、w h e nw et e s tt w o c a r r i e rw c d m ao r f o u r c a r r i e rc d m a 2 0 0 0s i g n a l ，a c p r ，e v m ，n e da c c u r a c ya c c o r dw i t ht h ed e m a n d so f3 g p pa n d3 g p p 2 i nt h ea n i t i n gt e s to ft h ew i d eb a n dt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs y s t e m ，i tw o r k sw e l l a n d p e r f o r m a n c eisg o o d 【k e yw o r d s ld i g i t a li f ，t r a n s m i t t i n gu n i t ，b a s es t a r i o n ，m o b i l es t a t i o n ，c d m a m u l t i - c a r r i e r w a v e ，s p e c t r u m v i 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。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：垄垄1 7 期：丛丛z7 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：壅垃导师签名 i j 第1 童绪论 第1 章绪论 1 i 第三代移动通信的背景 移动通信在过去的几十年中经历了从模拟通信到数字通信、从f d m a 到c d m a 的巨大发展。 纵观移动通信的发展史，移动通信现在发展到了第三代。 第一代模拟制式的移动通信系统，以t a c s 、a m p s 系统为代表，多址方式是频分多址 ( f d m a ) 。 第二代数字制式的移动通信系统，以g s m 、d a m p s 、i s 一9 5c d _ i a 等数字蜂窝系统为代表， 多址方式是时分多址( t d m a ) ，提供数字化的话音业务及低速数据业务。 第三代以c d m a 技术为核心的宽带数字移动通信系统，以i v c d m a 和c d m a 2 0 0 0 为代表。 其中第一代模拟系统仅提供语音服务，不能传输数据，第二代数字移动通信系统的数据 传输速率也只有几k b p s 到十f l k b p s ，第三代移动通信系统数据传输速率则可达) l j 2 m b p s 。“。 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 一2 0 0 0 ( 工作于2 0 0 0 m h z 频段) 就是因此而提出的。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 u l t ic a r r i e r ) i m t t d d ( t i m e d i v is i o nd u p e x i n g ) 、i m t s c ( s i n g e c a r r ie 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 毗技术，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 ) ；1 m t 州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 标准，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。 总体来讲，第三代的无线技术主要是码分多址( c d , , m a ) 技术。“ 第三代包括无线和网络在内的第一个版本的标准已完成。一些主要的设备生产制造厂家 正在此版本的基础上进行商用产品的设计开发。最早实现商用第三代系统的是日本的n t t d o c o m o 公司，目前已在进行w c d m a 系统的试运营。 在我国，由信息产业部领导的中国无线通信标准研究组( c r i s ) 组织积极参与：i t u 及两个 主要进行第三代标准化的第三代移动通信伙伴计划，即3 g p p ( 制定基于g s m 网络、w c d m a 和c d m a t d d 无线技术的标准) 和3 g p p 2 ( 制定基于窄带c d m a 网络和c d m a 2 0 0 0 无线技术的标准) ，并加入 了两个3 g p p s ，成为其组织伙伴，并且正在继续完善t d s c d m a 的标准。由信息产业部和科技 部联台领导的第三代移动通信研究开发项目进行w c d i a 和c d l l i a 2 0 0 0 的研究工作，已开发出实 验系统。 1 2 第三代移动通信的特点 第三代移动通信系统的数据速率可从几k b p s 到2 m b p s ；高速移动时为1 4 4k b p s ；慢速移 动时为3 8 4k b p s ；静止时为2 m b p s 。 多媒体化：提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、移动视频和高清晰图 像等多种业务，实现多种信息一体化。 全球性：公用频段，全球漫游，大市场。在设计上具有高度的通用性，该系统中的业 东南尺学硕 学位论殳 务以及它与嘲定网之间的业务可以兼容，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力， 能提供全球漫游。是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。 综台化：多环境、灵话性，能把现存的寻呼、无绳、蜂窝( 宏蜂窝、微蜂窝、懒微蜂 窝) 、卫星移动等通信系统综合在统的系统中( 具有从小于5 0 m 的微微小区到大于5 0 0 k r a 的卫星小区) ，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务致性。网络终端具有多样性。平滑 过渡和渣进：与第二代系统的共存和互通，开放结构，易于； 入新技术。 智能化：主要表现在优化网络结构方面( 引入智能网概念) 和收发信机的软件无线电 化。 个人化：用户可用唯个人电信号码( p t n ) 在任何终端上获取所需要的电信业务，这 就超越了传统的终端移动性。 第三代移动通信系统具各更好的抗干扰能力。这是由于其宽带特性，可分辨更多的多 径信号，因此信号较窄带系统更稳定，起伏衰落小，使系统对信号功率的动态范围和最大功 率信号值的要求降低。上行链路采用相干解调，相对于没有采用相干解调的第二代c d m a 来说， 上行链路有3 d b 的性能改善。3 g 系统还使用了多用户检测，可消除来自其他用户的干扰。 第三代移动通信系统还提供多速率的业务，这意味着在高灵活性和高频谱效率的情况下 可提供了不同服务质量的连接。第三代系统还支持频间无缝切换，从而支持层次小区结构。 同时，3 g 系统还采用快速功率控制。3 6 系统保持对新技术的开放性，支持智能天线阵技术， 使系统得到许多改进。在满足给定信号接收质量的前提下增a n t 有效通信用户数：用户数给 定时，可以改善接收质量：可降低移动用户的发射功率：减少其他用户信号的干扰和影响。 在3 g 系统中还会采用其它许多新技术，使系统不断得到改进。“ 1 3 三种主流c d m a 标准的简单介绍9 3 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 ) 正式批准了第三 代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 无线接口规范建议 m t r s p c ，通过了国际电联建议】t u r m ，1 4 5 7 。规定无线接入网标准为三种c d 眦两种t d m a 。c d m a 中有两利p f d d ( 频分取工) 方 式用于对称业务，一种t d d ( 时分职工) 方式用于不对称业务，两种t o m a 方式是基于美国 i s 一1 3 6 n 欧# i t 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 3 1i m t - 2 0 0 0w e d m a i m t 一2 0 0 0w c d m a 是基于第二代移动通信g s m m a p 网络发展而来的宽带c d m a 体制，f d d 的双工方式，是经营6 s m 网络的运营商优选的标准。其扩频码速率为3 8 4 m c h i d s ，载波带 宽为5 z ，w c 嗍a 的基站问是否同步是可选的。w c d m a 标准南3 c , 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，舔高下行速率可 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 申也提出了信 令的分组化方案，包括基于a 矾和i p 的两种可选形式。r 5s u r 6 是全分组化的朗络，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l o m b i t s ，目前标准 仍在制订中。 2 第1 章绪论 1 3 2i m t 2 0 0 0c d m a 2 0 0 0 i m t 一2 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 1 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i s - - 9 5 网络的运营商优选的标准。c d m a2 0 0 0 的扩频码速率 为1 2 2 8 8 m c h i p s 。载波带宽为1 2 5 m h z ，c o n a 2 0 0 0 的基站间必需同步，因此需要全球定位 系统l g p s ) 。c d m a 2 0 0 0 标准由3 0 p p 2 组织制订，版本包括r e l e a s e o 、r e l e a s e a 、e v - - d o 和 e v d v 。r e l e a s e o 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 o 的加强，单载波最高速率可以达 u 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， f l e v - o 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 i m b i t 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 3 3i m t 一2 0 0 0c d m a t d d i m t 一2 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 一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 o 方式，特别适用于不对称业务。t d s c 蹦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i 2 8 m c h i p s ，载 波带宽为1 6 m t l z ，其基站问必须同步，与其它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 st e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，c w t s ) 制订的t s m ( t d - - s c d h ( ao 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 n l _ 的基站设备，其a 接口和6 b 接口与g s m 完全相同， 只需对g s m 的基站控制嚣进行升级。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：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 m 。所以，t d s c d i 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 ，城市和城郊入口密度高，因容量的原因，小区半径一般都在1 5 k m 以内。 而在农村及大区全覆盖时，用w c d m af d d 方式是是合适的，因此t d d 和f d d 模式是互为补充 的。 几种c d m a 标准的技术参数如下表卜1 所示 w c d m a ( f d d )c d m a 2 0 0 0 w c d m a ( t d d )t d s c d m a 多址方式直接序列c d m a直接序歹u c d m ac d m ac d m a 取工方式f d df d dt d d t d d 3 东南兀学碗士学位论立 f 码片速率( m c h i p s )3 8 4 1 2 2 8 8 3 6 8 6 4 3 8 4 1 2 8 最小带宽( m , q z ) 51 2 5 551 6 基站问同步异步同步同步同步同步 帧长( m s )1 0 2 0 1 05 1 4 本文的研究内容 由上述对三种c d m a 标准的介绍可知，这三种标准各有所长，但是三者之间并不能互相兼 容，无法实现“无缝对接”。而对于运营商与用户来说，出于成本与使用方便的考虑，解决 这三种标准的兼容刻不容缓。这就提出了一个新的要求，即自g 有一种可以同时兼容三神c d m a 信号的终端以及网络设备来解决“无缝对接”这个问题。 “基于数字中频方案的收发信机”项目正是在这样的背景下提出来的，目的就是能设计 一种兼容三种c o m a 标准、可进行多载波传输的收发设备。具体设计且标为：对于c o m a 2 0 0 0 信号，可同时进行四载波传送；对于w c d m a 与t d - s c o m a 信号，可同时进行两载波传送。系统 框图如图l 一1 所示。 r e c e i v e r c h a n n e l t 掣 f p g a s a s l c s r f c l o c kd i s t n b u t i o n ( w c d m a ) 【c d m a 2 0 0 0 ) 仃d s c d m a ) f r o m e n d 4 蔷卜r 图1 - 1 系统框图 在具体研发过程中，该项目分为发射单元、接收单元、本振单元、控制单元儿个子项目， 其中发射、接收与本振三个单元都要按照基站与移动台两种频段实现。基站发射单元工作在 2 1 1 0 m t t z - - 2 1 7 0 m h z 频段，中心频率在2 1 4 0 m t t z ；接收单元工作在1 9 2 0 心z - - 1 9 8 0 m h z 频段，中 心频率在1 9 5 0 m t t z 。移动台发射单元工作在1 9 2 0 m s z - - 1 9 8 0 m h z 频段，中心频率在1 9 5 0 m h z ；接 收单元工作在2 1 1 0 m h z 一2 1 7 0 m h z 频段，中心频率在2 1 4 0 m h z 。 本文所介绍的“基于数字中频方案的发射单元”是该项目的一个子项目，负责从基带部 分到天线口的发射链路的设计。 在发射单元的的设计过程中，为方便起见，人为的把它分成数字基带和射频模拟两大部 分。其中发射数字基带部分与接收数字基带部分做成一块电路板，发射模拟部分与接收单元 的模拟部分、本振单元和控制单元共同放置于一个铝盒中。 在发射单元的模拟部分硬件电路制作时，考虑到中频s a w 滤波器调试起来比较困难，又 把整个电路分成三块来设计制作：即以中频s a w 滤波器为一块，称作t x i f s a w 块；在t x i f s a w 块之前的链路为一块，称作t x i f 块；在t x i f s a w 之后的链路为块，称作t x r f 块。发射单元 框图如下图l 一2 所示。这样的分配，可以降低模拟部分调试的难度，对于调试中出现的问题 可以比较方便的定位和解决。 一- ，1 s ”d ”、 f 儿训u 苎r a l i r d i g i t a l b a s eb a n d t x l ft x i f s a w t x r f 图i 2 发射单元框图 4 第1 章绪论、。 1 5 本文结构安排 本课题的任务是基于数字中频方案研制发射单元，使其可以同时兼容发射多载波w c d 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三种标准的信号，要求发射单元的各项指标要达到3 g p p d 3 g p p 2 标准 的规定。 本文将按照系统设计原理、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。全文分为四章： 第一章是绪论，概述了第三代移动通信的背景，介绍了第三代移动通信的特点，简述三 种c d 姒标准，由三神标准无法兼容而引出本课题。最后交待本课题的工作内容和本文的章 节安排。 第二章是系统方案设计，将整个系统分成数字基带与发射模拟两个部分进行介绍，在数 字基带部分，首先简要介绍了数字中频技术的两个理论基础带通采样原理和多速率数字 信号处理原理，然后给出数字中频部分的设计方案：在发射模拟部分，重点说明发射单元的 工作原理和发射单元的性能指标要求，以及在芯片选择时应该遵循的原则。 第三章是系统及电路的设计与仿真，先对发射模拟部分按照w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 两种标准 进行了仿真，分别给出两种标准的仿真输出结果：然后介绍低通滤波器和中频声表面滤波器 的设计方案、仿真和仿真输出结果，进而通过实际测试，验证设计的合理性；最后简要介绍 了衰减器的原理与衰减实恻结果。 第四章是实测结果，介绍测试方案，测试链路的连接，测试平台的搭建，测试中使用的 主要仪器，先给出发射模拟部分的实铡结果，实际测量时按照w c d 凇和c d i a 2 0 0 0 两种标准进 行，分别给出单载波和多载波两种测试数据；之后给出对数字中频的基带部分的回环测试结 果，并对整个数字中频系统进行联调。各项测试结果表明，系统达到设计要求。 5 东南大学母j 士学位论文 第2 章系统方案设计 本文设计的可兼容发射多载波w c 蹦a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c 眺三种标准的数字中频发射单 元，是基于数字中频方案的收发信机的一部分。 基于数字中频方案的收发信机的射频部分主要由发射单元、接收单元、本振单元组成。 发射单元是系统中的一个重要部分。本章将整个发射单元分为数字中频与模拟两个部分，来 介绍它的具体设计与硬件制作。 2 i 数字中频部分方案设计 2 i 1 数字中频理论基础 本节介绍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 系统设计和参数分配提供了理论依据。 2 1 1 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 1 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z ( ，) ，其频带限制在( o ， ) 内，如果以不 小于f = 2 l 的采样速率对x ( f ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 ， z ( 聍) = x ( n t s ) ( t s = 儿为采样间隔) ，则原信号x ( ，) 将可以从得到的采样值z ( h ) 中完 ，js 全恢复。 n y q uj s t 采样定理告诉我们，如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进 行采样，那么所得到的离散采样值就能准确地确定原信号。 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 厂；2 五，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 l 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3 8 4 m c h i p s ，载波带宽为5 删z ； c d m a 2 0 0 0 的扩频码速率为1 2 2 8 8 m c h i p s ，载波带宽为1 2 5 l h z ：t d s c d i d a 的扩频码速率为 1 2 8 m c h i p s ，载波带宽为1 6 m h z ；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。 n y q u i s t 采样定理的意义在于，时间上连续的模拟信号可以用时间上离散的采样值来取 代，这样就为模拟信号的数字化处理奠定了理论基础。 第2 蠢系统方案设计 2 1 1 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( ， ) 内，最小的采样率只要不小于 2 ( 一彳) ，就有可能完全恢复出原始信号。在采样率在2 ( g z ) 和2 l 之间时，为保证 采样信号的频谱不发生混叠，采样率f 要满足式2 1 。 墼f 堕 其中 玎+ l竹 并且 以一口石 ( 2 1 ) 其重构信号厂( r ) 的公式是： f ( t ) - 2 暇墨m 驴鬻c o s 咧t ) ( 22 ) 培口表示取不大于括号内数值的整数，正= ( 石+ 五) 口为带通信号中心频率， w = 五- f , 为信号带宽，z = 口为采样间隔。 j | s h a n n o n 带通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 中频接收单元时，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 。( ，) 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，h 越小，频率区问范围越大，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。 2 1 1 2 多速率信号处理原理“o 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 i ) c 后的数据流进行降 速处理。一个实际的无线电通信信号带宽一般为几十千赫兹到几百千赫兹，实际对单信号采 样时所需的采样速率是不高的，所以对这种窄带信号的采样数据流进行降带处理或者b q 二次 采样是完全可能的。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 1 1 2 1 抽取和插值”2 1 ( 1 ) 抽取滤波：数字下变频使用整数倍低通抽取滤波器降低抽样率，从而降低输出带宽。 实际上，如果保持输入抽样率不变，则输入信号将是过抽样的。每隔m 1 个取个样点，即 可降低抽样率m 倍。 ( 2 ) 插值滤波：数字上变频使用整数倍低通插值滤波器提高抽样率，同时保持信号频谱 不变。在组合一个窄带信号与另一较高带宽或不同载频的信号时，通常首先对该窄带信号进 行插值滤波处理。在每两个样点之间插入三一1 个零值，即可提升抽样率( 即提高信号带宽) ， 7 东南大学硕士学位论文 之后还需要进行低通滤波，以保持窄带信号的频谱。 图2 1 抽取和插值的组合 2 1 1 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： f l 2 + f h = ( 2 ”+ 1 ) 匹4 ”是正整数 ( 2 3 ) 即带通信号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 4 ) 就是说在( o ，o ) 整个数字带内有带宽为( 厂一，；) 的d 个子带时，可以进行“整带” ， 一 抽取。只要在抽取前用一个带宽为( 厂一) 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，带通信号的带宽满足不了式21 5 ，“整带”抽取的适用范围很小。 另一个途径是把中心频率厶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 叫) 是共轭对称的，用复信号b f 砒“乘咀原信号 则x ( e 叫) 负的频率分量移至零频，正的频率分量移至2 矗处，用个低通滤波器滤除2 厶 处的高频分量，就可以得到基带信号。 2 1 2 数字中频部分方案设计 第三代移动通信网络的需求是：多频段、多模式、多功能、多媒体的模块化体系，要求 模块即插即用。软件无线电技术领域的发展能满足新一代移动网络的这些需求。“” 基站设备目前多采用数字中频方案的软件无线电模式。在这种体系中，将数模转换从基 带与中频处理的中间推移到了中频之前，使中频链路的功能在数字电路完成，从而整体上提 高了系统的集成度，能够高精度处理信号，减少模拟器件，提高电路稳定度，尤其在同时处 理多载波信号的情况下，比模拟方案能够大大简化电路复杂度。“ 2 1 2 1 数字中频基带部分结构 数字中频部分方案如下图所示，主要包括数模变换( d a c ) 、发射信号处理器( t s p ) 、用 于基