（通信与信息系统专业论文）多载波tdscdma数字中频设计与实现.pdf

摘要 摘要 t d s c d m a 是有我国自主知识产权的第三代移动通信主流标准之一。中国的 t d s c d m a 网络覆盖正在快速发展，从2 0 0 9 年发放3 g ( t h et h i r dg e n e r a t i o n ) 牌照 至今，t d s c d m a 网络在地级市的覆盖率己超过7 0 ，全国性网络覆盖建设正在 快速进行。 数字中频是相对于基带信号和射频信号而言，它是连接基站内部基带与射频 信号的关键，包括对数字信号的内插、上变频及合并多路发射信号等操作，还有 对数字信号的下变频及抽取。其重要性在于保证过渡过程中信号的时频域特性不 变。 对数字中频的成功优化能够为t d s c d m a 基站内部提供低失真度的基带与 中频过渡，例如数字中频能够为功率放大器系统提供良好的中频数字信号源，或 者应用于模拟b b u 系统帮助其性能优化。 但数字中频处理面临以下问题：因为对信号的处理在中频进行，样本速率会 远大于基带信号速率，从而导致信号速率的变化倍数过大。其次，如果滤波器设 计不当，会对信号引入严重失真。通常增加滤波器阶数可以保证引入信号的失真 度减小，但同时也会增大实现的复杂度。 本文研究用于多载波t d s c d m a 的数字中频技术。首先，分析协议3 g p p t s 2 5 1 0 5 ( v 5 6 0 ) 中对输出信号的时频域规范，设计数字上变频总体指标。然后， 采用多级上采样和滤波的方式完成对基带信号的上变频处理( 包括脉冲成型、内插 以及频谱搬移) 或者下变频处理( 包括抽取、载波分离以及脉冲成型) 。最后，通过 浮点与定点仿真验证设计性能，其中数字上变频进行f p g a 实现性能测试。 测试结果显示，设计的数字中频模块能够为系统提供符合t d s c d m a 标准规 范的信号。m a t l a b 及s i m u l i n k 浮点与定点仿真结果表明，经过数字上变频器的 多载波信号，其误差向量幅度、邻近信道泄漏功率比以及复合频谱模板都符合协 议规范。此外，数字下变频器的接收能力在邻近信道选择性测试中，性能测试结 果高出协议规范。在高效率功放系统的f p g a 实现测试中，数字上变频器为系统 提供符合设计要求的高速率信号源。 摘要 设计的数字中频对信号引入的失真度在协议规范之内，保证了信号从基带到 射频的良好过渡。它为功放系统提高效率提供必要的前提，也为模拟b b u 系统的 实用提供良好保证，具有重要的工程实用价值和经济价值，也具有一定的理论价 值。 关键词：t d s c d m a ，数字中频，数字上变频，数字下变频 n a b s t r a c t a b s t r ac t t d s c d m ai so n eo ft h em a i n s t r e a ms t a n d a r d sf o r t h et h i r dg e n e r a t i o no fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n i nc h i n a ，t d - s c d m an e t w o r ki s d e v e l o p i n gf a s t ，s i n c et h et h i r d g e n e r a t i o nl i c e n s ew a si n s s u e di n2 0 0 9 ，t d - s c d m an e t w o r kh a sc o v e r e dm o r et h a n 7 0 o fc i t i e sa r o u n dt h ec o u n t r y , a n di ss t i l lu n d e rf a s td e v e l o p i n g 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 i f ) i st h ek e yp a r tc o n n e c t i n gb a s e b a n ds i g n a l a n dr a d i os i g n a l i ti n c l u d e sd i g i t a lu pc o n v e r s i o na n di n t e r p o l a t i o n ，d i g i t a ld o w n c o n v e r s i o na n dd e c i m a t i o n s u c c e s s f u lo p t i m i z a t i o no fd i fc o u l dp r o v i d et d s c d m a b a s es t a t i o nw i t hl o wd i s t o r t i o nt r a n s i t i o nb e t w e e nb a s e b a n da n dr a d i os i g n a l s t h e i m p o r t a n c eo fd i fi st ok e e ps i g n a lq u a l i t yi n v a f i a b i l ew h i l et h i st r a n s i t i o n 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 yt e c h n i q u e sf a c et h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：w h i l e s i g n a lp r o c e s s i n gi si ni f , s a m p l er a t ei sm u c hh i g h e rt h a nb a s e b a n ds a m p l er a t e t h i s l e a d st ol a r g er a t ec o n v e r s i o nt i m e s m o r e o v e r , d i s t o r t i o nw i l lb ei n t r o d u c e di ff i l t e r sa r e n o tp r o p e r l yd e s i g n e d i n c r e a s i n gf i l t e ro r d e r sc o u l dd e c r e a s ed i s t o r t i o nb u ti n c r e a s e i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t ya tt h es a m et i m e t h i sp a p e l p r o p o s e sad e s i g nf o rd i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi nm u l t i c a r r i e r t d s c d m a f i r s t a n a l y z i n gs i g n a lt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i ns p e c i f i c a t i o n s d e f i n e di n3 g p pt $ 2 5 10 5 ( v 5 6 0 、a n dd e s i g n i n gd i g i t a lu pc o n v e r s i o ni n d i c a t o r s s e c o n d w ea d o p tm u l t i s t a g eu p s a m p l i n ga n d f i l t e r i n gt o f u l f i l l u p c o n v e r s i o n ( p u l s e s h a p i n g ，i n t e r p o l a t i o n ，a n ds p e c t r u ms h i f t i n gf o rb a s e b a n ds i g n a l s ) a sw e l la s d o w n c o n v e r s i o n ( d e c i m a t i o n s p e c t r u ms e p a r a t i o na n dp u l s e s h a p i n g ) t h e l lw ev e r i f y d u ci nb o t hf l o a t p o i n ta n df i x e d p o i n ts i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , i ti si m p o s e do n ed i fd e s i g nf o rm u l t i - c a r r i e rt d s c d m as y s t e m s d i g i t a lu p - c o n v e r t e r ( d u c ) i sc a s c a d e db ys e v e r a lf i l t e rs a t g e s ，w h i c hg u a n t e e so u t p u t s i g n a l sm e e tt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nr e q u i r e m e n t ss p e c i f i e di np r o t o c o la n d d i 酉t a ld o w n c o n v e r t e r ( d d c ) l i k e w i s e s i g n a ld e c i m a t i o na n dd o w n - c o n v e r s i o na r e a l s ou s i n gm u l t i - s t a g ef i l t e r i n ga n dd e c i m a t i o n t e s tr e s u l t ss h o wt h a td i fm o d u l ei sa b l et op r o v i d es y s t e r n sw i t hs i g n a l sm e e t i n g t d s c d m as p e c i f i c a t i o n s m a t l a ba n ds i m u l n kf l o a t - p o i n ta n df i x e d p o i n t s i m u l a t i o n sd e m o n s a t r a t et h a tt h ee r r o rv e c t o rm a g n i t u d e a d j a c e n tc h a n n e l l e a k a g er a t i o a n dc o m p o s i t ef i l t e rs p e c t r u mo fd u co u t p u ts i g n a l sm e e tc o r r e s p o n d i n gp r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n s i nd d cr e c e i p ta b i l i t yt e s ta n db i te l t o rr a t et e s t ，d d ca l s om e e t p r o t o c 0 1r e q u i r e m e n t s i nt h ef p g ai m p l e m e n t a t i o no f1 1 i 曲e f f i c i e n c yp o w e ra m p l i f e r , d u cc o n t r i b u t e st ot h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e d i s t o r t i o ni n t r o d u c e di n t os i g n a l sb yd i fm o d u l ei nt h i sp a p e ri sw i t h i np r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n sw h i c hg u a r a n t e e ss i g n a lt r a n s i t i o nf r o mb a s e b a n dt or a d i of r e q u e n c y i t p r o v i d e sh i 曲e f f i c i e n c yp o w e ra m p l i f e rw i t ht h en e c e s s a r yp r e c o n d i t i o n ，a n db b u s i m u l a t o ri m p l e m e n t a t i o nw i t har e l i a b l ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp r o c e s s i n gm o d u l e i t i i i a b s t r a c t h a si m p o r t a n te n g i n e e r i n ga n de c o n o m i c a lv a l u e s ，a ew e l la ss o m et h e o r e t i c a lv a l u e s k e y w o r d s ：t d s c d m a ，d i f , d u c ，d d c i v 图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 - 6 图1 7 图1 8 图1 - 9 图l 一1 0 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图1 1 5 图1 1 6 图1 1 7 图1 1 8 图2 - 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图目录 传统无线接收机结构图5 第二代无线接收机5 软件无线电系统结构历程5 内插过程示意图6 多级内插示意图7 抽取过程示意图8 多级抽取系统框图一9 半带滤波器的频率特性11 矩形窗滤波器的工( 竹) 脉冲响应1 1 矩形窗滤波器的频率响应示意图1 2 矩形窗滤波器的f i r 滤波器实现1 2 c i c 滤波器13 积分器( i n t e g r a t o r ) 1 3 梳状滤波器1 4 1 0 抽头c i c 滤波器的梳状部分频率响应示意图1 4 重采样开关和c i c 滤波器的级联次序15 奈奎斯特带及其镜像16 带通信号下抽样后镜像落入第一n y q u i s t 带1 7 高效率功率放大器系统结构2 2 9 载波t d s c d m a 高效率功放中的d u c 模块2 5 根升余弦滤波器频谱特性图3 0 根升余弦滤波器的通带纹波图3 0 2 倍上采样操作以前的信号频谱31 上采样2 倍前后的信号频谱3l 第二级上采样滤波器的频谱特性图3 2 第二级上采样滤波器的通带纹波3 2 第三级上采样半带滤波器的频谱特性图3 4 第三级上采样半带滤波器的通带纹波3 4 第四级上采样半带滤波器频谱特性图3 5 第四级上采样半带滤波器的通带纹波3 5 第五级上采样半带滤波器的频谱特性图3 6 第五级上采样半带滤波器的通带纹波3 7 高效功放的d d c 频谱特性图3 7 高效功放d d c 的通带纹波一3 8 v l i 图目录 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 1 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图2 2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 模拟b b u 系统的d d c 结构图3 9 d d c 的第一级下抽样滤波频谱图4 0 d d c 第一级下抽样滤波器的通带纹波4 0 第二级下抽样滤波器的频谱特性图4 1 第二级下抽样滤波器的通带纹波4 1 第三级下采样滤波器的频谱图4 2 第三级下采样滤波器的通带纹波4 2 第四级根升余弦滤波器的频谱特性图4 3 第四级根升余弦滤波器的通带纹波4 3 d u c 复合频谱与理想r r c 的频谱4 6 d u c 复合频谱与理想r r c 的通带纹波4 6 d u c 输出的复合信号频谱4 7 第九载波通过低通理想r r c 滤波器的频谱4 8 第九载波邻道通过低通理想r r c 滤波器的频谱4 8 第一载波通过低通理想r r c 滤波器后的频谱4 9 第一载波邻道通过低通理想r r c 滤波器的频谱4 9 d u c 的e v m 测试流程图5 0 d u c 各载波误码率曲线与q p s k 理论曲线对比5 1 9 载波定点d u c 的误码率曲线5 4 模拟b b u 系统内的多级d d c 各载波误码率益线5 6 高效率功放硬件平台5 8 f p g a 项层设计5 9 d u c 前四级滤波器6 0 d u c 载波搬移及最后一级滤波器6 0 d d c 顶层6 4 d u c 测试一多载波功率谱6 5 d u c 测试一多载波功率谱6 6 v i i i 表目录 表目录 表2 1a d c 参数取值2 0 表2 2高效率功放系统a d c 的采样率设计2 1 表2 3高效率功放系统d a c 的采样率设计2 1 表2 4模拟b b u 系统d a c 的采样率指标2 1 表2 5基站输出功率的频谱辐射模板：尸3 4 d b m 2 5 表2 - 6归一化频谱模板辐射要求2 6 表2 7滤波器频谱要求2 6 表2 8基站a c l r 规范2 7 表3 19 载波d u c 性能测试指标4 5 表3 2d u c 的a c l r 测试结果5 0 表3 3各载波e v m 测试结果5 0 表3 4 d u c 定点仿真位宽及定标设置5 2 表3 5定点d u c 的a c l r 单边测试结果5 3 表3 - 69 载波定点d u c 的e v m 测试结果5 3 表3 7 邻近信道选择性5 5 表3 8阻塞要求5 5 表3 - 99 载波d d c 的a c s 测试结果5 6 表4 1f i r lr r c 滤波器接口6 1 表4 2 f i r 2 滤波器接口6 1 表4 3 f i r 3 滤波器接口6 1 表4 4 f i r 4 滤波器接口6 2 表4 - 5 d d s 接口6 3 表4 6 f i r 5 滤波器接口6 3 表4 7 f i rd d c 滤波器接口6 4 表4 8d u c 测试。a c l r 6 4 i x 缩略词表 英文缩写 3 g p p a c l r a c s a d c b b u b e r c f r c i c d a c d d c d d s d i f d p d d s p d u c e m i f e v m f i f o f i r f p g a h s d p a h s u p a i s i i t u l t e q p s k r a m r r c 缩略词表 英文全称 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a d ja c e n tc h a n n e ll e a k a g ep o w e rr a t i o a d j a c e n tc h a n n e ls e l e c t i v i t y a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r b a s eb a n du n i t b i te r r o rr a t i o c r e s tf a c t o rr e d u c t i o n c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b d i 舀t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r d i 百t a ld o w nc o n v e r t e r d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r 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 i 舀t a ip r e - d i s t o r t i o n d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r d i g i t a lu pc o n v e r t e r e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e f i r s ti nf i r s to u t f i n i ti n p u l s er e s p o n s e f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i g hs p e e du p i n kp a c k e ta c c e s s i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n l o n gt e r me v o l u t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r a n d o ma c c e s sm e m o r y r o o tr a i s e d c o s i n ef i l t e r x 中文释义 第三代移动通信伙伴项目 邻近信道泄漏功率比 邻道选择性 模数转换器 基带单元 误比特率 峰值因子降低 级联积分梳状滤波器 数模转换器 数字下变频器 直接数字合成器 数字中频 数字预失真 数字信号处理器 数字上变频器 外部存储器接口 误差向量幅度 先入先出 有限冲激响应 现场可编程门阵列 高速下行链路分组接入 高速上行链路分组接入 码间干扰 国际电信联盟 长期演迸 正交移相键控 随机存储器 根升余弦滤波器 缩略词表 r r u r e m o t er fu n i t t d s c d m a t d d t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n d i v i s i o nm u l t i p h ea c c e s s t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g 远端射频单元 c o d e 时分同步码分多址接入 时分双工 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：吴鲷 日期柚钳印日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) n 签名：姿塑导师签 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 0 0 年5 月在土耳其召开的国际电联全会上，t d s c d m a 与欧洲提出的 w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 同被列为第三代移动通信的国际标准。至今， t d s c d m a 产业链已逐步形成，商业化进程不断加快【l 】。研究基于t d s c d m a 的第三代移动通信技术成为当前热点。 为更好地描述设计的数字中频及其意义，下文首先概述t d s c d m a 发展现 状，其次简述文中数字中频的具体项目背景，最后回顾数字中频的发展历程及其 关键技术。 1 1 1t d s c d m a 发展现状 t d s c d m a 是中国首次提出的被国际认可的完整通信系统标准，第一次以自 主标准主导信息通信产业发展，也是我国信息通信领域百年历史上第一个拥有自 主知识产权、成系统、成体系的国际标准。 t d s c d m a 技术的主要创新在于具有智能天线的t d d ( t i m ed i v i s i o n d u p l e x i n g ) 多时隙码分多址的系统，也是我国持有主要知识产权集中的地方。它的 核心技术在于【l 】【2 】： 同时使用码分、时分和频分多址复用，给无线资源管理带来更多地自由度； 用软件实现同步c d m a ，使系统信号处理简化； t d d 可以使用不成对的频谱资源，特别适用于上下行不对称，具有不同数 据传输速率的业务，而对称的电波传播特性使之易于运用新技术，比如智 能天线； t d d 系统是适用于高速移动环境下的技术，即适用于现在t d s c d m a 系 统已经能够在陆地上实现可能的最高速度：在磁悬浮列车上正常工作，达 到i t u 对陆地移动通信的高速移动环境要求； t d d 系统支持大半径小区的技术； 电子科技大学硕士学位论文 独特的帧结构，除多业务时隙外，设计了上下行导引时隙及保护时隙，便 于实现上行同步和随机接入； 在2 0 0 9 年举行的t d s c d m a t d l t e 国际峰会上提到，设备、数据速率、 覆盖是3 g 目前在国内发展需要注意的三大问题。此外，t d s c d m a 的建设目前 还有以下问题【2 j ： 大城市覆盖面积不足。3 g 的基站数应当是2 g 基站数的1 5 倍至2 倍，当 前3 g 基站数远小于2 g 的基站数； 目前使用的频段中，只有b 频段1 5 兆，处于a 频段的4 0 兆并没有使用； 整个移动传输网络需要大幅升级； t d s c d m a 的下一步发展是家庭基站的广泛应用，也是3 g 家庭数字化很 重要的一点，目前处于准备阶段。 至2 0 1 0 年，t d s c d m a 的发展仍处于3 g 阶段，网络建设均使用3 g p p r 4 、 r 5 标准。未来的发展方向是t d dl t e ( l o n g t e r m e v o l u t i o n ) ，此标准已在2 0 0 8 年 确定。从2 0 1 0 年至2 0 1 5 年，t d s c d m a 开始向l t e 演进【2 】【3 】【4 1 。 1 1 2 多载波t d s c d m a 单载波t d s c d m a 的频谱带宽是1 6 m h z ，最多能够承载2 3 个信道，理论极 限速率2m b i t s 5 1 。随着日益增长的业务需求，单载波t d s c d m a 系统已无法满 足。为提高传输速率和系统容量，更好地支持高速数据业务和大规模组网能力， t d s c d m a 向多载波方向发展，它经历以下几个发展阶段。 第一个阶段是与单载波系统一同发展的，它们的核心网都基于3 g p pr 4 版本， 载波的理论极限速率可以达到2 nm b i t s 【5 1 。第二个阶段是引入h s d p a ( h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 和h s u p a ( h i g hs p e e du p l i n kp a c k e ta c c e s s ) 。对于单 载波系统来说，引入这两个技术之后，理论极限速率可以达到2 8m b i t s ，而3 载 波的t d s c d m a 系统能够达到8 4m b i t s 5 1 。第三个阶段是常说的l t e 阶段，系 统从采用多载波过渡到使用正交多载波【5 】。 与单载波系统相比较，多载波t d s c d m a 系统主要有以下几个优剧6 】 7 】【8 】 9 】： 随着载波数的增加，系统频谱效率明显增高，这使得单个基站的吞吐量也 得到成倍的增加，从而可以减少同一个区域的基站个数，降低网络建设和 维护成本； 2 第一章绪论 多载波系统适用于业务量大的地区，比如城市和城市的繁华中心地带，由 于载波数可以动态分配，所以在特定情况下，多载波系统也可以转为单载 波系统； 多载波系统容量是单载波系统容量的倍( 为载波数) ； 采用多载波系统，有利于降低公共系统干扰，提供系统的稳定性； 多载波t d s c d m a 系统的峰值传输速率大大提高。 1 2 项目背景 本文研究的t d s c d m a 数字中频信号处理技术应用于高效率功率放大器系 统和模拟b b u 系统中。 1 2 1 高效率功率放大器系统 功率放大器是无线基站发射机的末级，它对高频率的己调信号进行功率放大， 满足发送功率要求。高频功率放大器是通信系统中发射端的重要组件，而数字上 变频器( d i g i t a lu pc o n v e r t e r , d u c ) 矛d 数字下变频器( d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r , d d c ) 则是功率放大器系统的关键组成部分之一，承担系统内部基带信号至射频信号的 过渡处理。 无线用户和数字业务的迅速增加给3 g 移动基站射频设计带来很大挑战，为达 到更高的数据速率和频谱效率，3 g 通信系统要求功率放大器工作在线性状态。这 使线性化与效率增强技术成为功率放大器设计的两个关键。 文中研究的数字中频应用于一个以增强效率为目的的高效率功率放大器系统 内。数字上变频为t d s c d m a 基带信号进行整型和速率变换，衔接基带与射频。 数字下变频接收来自发射天线的反馈信号，为预失真提供数字信号样本。数字中 频在系统内部为各模块提供不同速率的数字信号。 1 2 2 模拟b b u 在t d s c d m a 系统中，b b u + r r u 覆盖方式将成为室内覆盖的主要方案。由 b b u ( b a s eb a n du n i t ) 和r r u ( r e m o t er fu n i t ) 组成分布式基站的结构内，b b u 负 责基站的基带处理，使用了智能天线、联合检测等技术；而r r u 承担基站的射频 电子科技大学硕士学位论文 处理。数字部分通过数字中频、d a c ( d i g i t a la n a l o gc o n v e n e r ) 和a d c ( a n a l o gt o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 模块完成数字基带信号和模拟中频信号之间的变换工作。 模拟b b u 是测试r r u 的设备，通过光纤连接到r r u ，为r r u 提供下行基 带数据，可以根据不同的小区配置和无线链路配置为r r u 输出测试数据，测试 r r u 下行发射指标。模拟b b u 可以通过光纤接收上行基带信号，测试r r u 接收 灵敏度等指标。 在模拟b b u 系统内，数字上变频的功能与功放系统内部的数字上变频相同。 数字下变频则位于接收机，将来自a d c 的高速信号转换为码片速率输出，它使模 拟b b u 系统能够直接输入中频信号。 1 3 数字中频技术综述 数字中频技术源于软件无线电，它的核心是在通用的通信硬件平台上加载不 同的通信软件，使无线电台能够适应不同的通信方式。 1 3 1 数字中频发展 软件无线电的基本思想是将宽带a d c 、d a c 转换器尽可能地靠近天线，使接 收到的模拟信号尽可能早地转化成数字信号。受数模转换器的硬件限制，目前还 无法在射频信号处理阶段进行数字化，可行的方法就是在中频对信号实现数字化 转变【l o 】。 如图1 1 所示为第一代无线接收机的结构1 0 】【l l 】。输入信号经过镜像抑制滤波 和放大后，被下变频到中频模拟滤波器。中频滤波器对信号进行初步的带宽限制 以后，通过匹配正交混频器将信号下变频到基带。模拟基带滤波器完成最终的带 宽限制后，每一路下变频信号才经过匹配模数转换器变为数字信号的形式。 4 第一章绪论 划垫陋步数 一 l 锢 字 i 带通滤波器l 刮哥 基 带 y 由一 处 理 载波 图l - 1传统无线接收机结构图 这种结构存在不足，例如模拟基带滤波器和模数转换器中两条支路上增益和 相位的不平衡，会导致同相和正交分量之间的串话。此外，模拟滤波器还会引入 群延时失真【10 1 。 图1 2 的框图展示了第二代接收机的原理【10 1 。模数转换处理被移至中频部分， 不再是基带。不过，由于模数转换在中频处进行，这里的信号速率是高于基带处 理的样本速率的。 刮璺卜 数 一 网 字 l 带通滤波器i 琶刮璺吟 蛔 基 带 由一 处 载波 嚼 理 图1 2 第二代无线接收机 图1 3 展示了当前软件无线电的系统结构 1 0 】【l l 】，数模转换进一步靠近发射天 线在中频信号之前。此时中频信号数字化，被称为数字中频，它包含数字上变频 和数字下变频。 图1 3软件无线电系统结构历程 在通信系统中，为了更易实现信号的发射和信道复用，传输信号频率通常设 5 电子科技大学硕士学位论文 置很高，这使得信号频率的变换成为通信系统研究的一个重点。中频信号的处理 现在已经数字化，所以有了数字上变频技术和数字下变频技术。 发射机有两个作用：上变频调制和功率放大。中频信号的频率较高，因此数 字中频信号的采样率也很高，需要对t d s c d m a 的基带码片进行脉冲成型，然后 上采样至d a c 的信号输入速率，并滤除镜像。当前的数字上变频已经可以将信号 速率提高几十倍，实现方法是使用多级滤波器对基带信号进行操作【1 0 】【1 2 】。 t d s c d m a 接收机的功i i 贝, i 与发射机相反：下变频与信号解调。下变频部分 的功能是将所需信号滤出并转换到适合解调的频率上，还有就是对信号进行下采 样和滤波的处理。发射信号时如果数字中频处理将样本速率提高几十倍，那接收 机部分的下变频也会对信号进行抽取几十倍速率的操作。实现方法仍是使用多级 滤波器进行上述操作。 1 3 2 重采样滤波器 1 3 2 1 上采样和滤波 在通信系统中，对数字信号采样速率的改变非常重要，因为同一个系统中不 同模块之间，对信号的最佳处理速率并不相同。重采样过程是改变数字信号样本 速率的过程。 采样率转换常分为内插( 上采样和滤波) 以及抽取( 下采样和滤波) 。前者指提高 样本速率以增加数据的过程，后者指降低样本速率以去掉多余信息的过程。内插 与抽取的变化，有整数倍的，也有分数倍的，这一节简要介绍整数倍的上采样和 下采样原理。 内插包含两个过程【1 0 】【1 2 】：首先对信号插入零值，实现速率提高，即上采样； 其次，抑制由于插值引入信号频谱内的镜像，即滤波。图1 4 是内插过程示意图。 从x ( ”) 至：t jv ( m ) 是上采样过程，从v ( 聊) 至：l j y ( m ) 是低通滤波过程。 图1 - 4内插过程示意图 如果上采样因子是整数，输出v ( m 1 表示为： 6 第一章绪论 v ( 咖工。：篇 v ( m ) 的样本速率是输入序列x ( n ) 的三倍。上采样操作通常是在每两个输入样 本之间插入l 1 个零值样本实现的，如公式( 1 1 ) 所示。它的z 变换为： v ( z ) = x ( z 工) ( 1 2 ) 将z = p 归带入式( 1 2 ) 得到： v ( e j 。) = x ( e 问上) ( 1 3 ) 公式( 1 3 ) 说明，上采样后的序列v ( m ) 与原序列x ( n ) 相比，频谱被压缩倍。 插入0 值后，原始序列的傅里叶变换产生高频镜像分量。在采样因子为三时，时 域速率提高导致频域引入三1 个多余频谱，它们均匀分布在输入频谱的基带部分， 此时的频谱看上去不再是低通信号【l o 】1 12 1 。 可以使用低通滤波器滤除v ( m 1 内多余的l 1 个频谱镜像，如图1 4 中所示从 v ( m ) 至：l j y ( m ) 的低通滤波过程。频域上，滤波效果等同于在时域上对v ( m ) 的各个 零值样本点插入样本值，从而重建原来的序列x ( ，z 1 。 实际应用中，常会遇到上采样倍数很大的情况，如果系统的内插系数不是素 数，可以选择多级内插的方式实现内插处理。如图1 5 所示，一个多级内插系统机 构的示意图。通常，最高的数据速率对应最大的内插倍数 1 2 】。 第1 级内插第n 级内插 盟伍廿一1 互h 三卜 图1 5多级内插示意图 上采样与过采样是不同的概念，但有类似点：都包含有采样速率或者数据速 率从一个较低的速率变化到另一个较高的速率。但上采样和过采样本质上有很大 差别，总结如下【1 o 】： 过采样指采样速率比n y q u i s t 采样速率高的采样状态，上采样则指采样速 率提高的插值过程； 如果一个发射机的数据速率会造成过采样，这个状态不一定需要上采样操 作，然而，上采样操作是能够导致过采样的； 实际中，上采样是一个单纯的数字处理过程，它通过数字信号处理完成数 7 电子科技大学硕士学位论文 据速率的提升。过采样描述a d c 内，信号的采样速率几倍于n y q u i s t 速 率的应用。实际上a d c 和d