（电磁场与微波技术专业论文）b3g接入点tdd射频接收系统的研究.pdf

摘要 在第三代移动通信技术臼趋成熟将要投入商用之际 围际上已经开始第四代 移动通信 即所谓b e y o n d3 g 4 g 技术的研究 一些国家及组织已经开始进行第 四代移动通信技术规范的研究制定 在我国已启动了名为f u t u r e f u t u r e t e c l l l l 0 1 0 9 i e sf o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t 的未来移动通信研究计划 未来移动通信中日益增加的语音业务 数据 比务和宽带t 1 1 t e m e t 业务 在传 输速率 系统业务容量和全球漫游等方面对移动通信系统提出了更高的要求 m i m o 技术可以充分利用空问分集的手段在空间域上获得更大的信道容量 从而 满足高传输速率 高传输性能和高系统业务容量的要求 但同时它也大大增加了 刳频系统的复杂性 对射频设计提出了新的挑战 本课题根据副家 8 6 3 计划重大项目 f d d 厂r d d 劓频系统和天线阵列的研究 开发 的要求 针对b 3 g 二期接入点系统的收信机开展研究 首先研究了整个 射频系统的系统指标 双工方式 关键技术 系统组成和接口定义 接下来按照 射频收信机的指标要求 讨论确定系统方案 并用a d s 进行了系统仿真 我们所设计的收信机采用时分双工 t d d 方式 工作在3 4 5 g h z 频段上 采 用超外差式结构 主要包括远端机和近端机两部分 每部分又由两块双收的模块 组成 远端机包括滤波器 混频器 放大电路和射频本振源 近端机包括收发切 换电路 信号强度检测电路 增益控制电路 正交解调电路 基带放大 滤波电 路以及中频本振源 在文中对各子电路的主要功能和性能指标作了重点分析 并 最终实现了硬件电路 最后对硬件系统进行了测试 性能良好 初步达到预期的 设计指标 关键词 b 3 g m i m o 射频前端 超外差式接收机 a b s t r a c t w h e nt h e3 r dg e n e r a o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sg r o w nu pa n d w i l ls o o nb ep u ti n t ot h em a r k e t s s c j e n t i s t sh a v eb e g u nt od os o m er e s e a r c hi nt h e n e x tg e n e r a t i o n t h a ti sb e y o n d3 g 4 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds o m e c o u n t r i e sa n do r g a n i z a 矗o n ss e ta b o u tt oe s t a b l i s ht h es t a n d a r df b ri t c h i n ah a s d e s i g n c da n ds t a r t e dt h ep l a nn a m e df u t u t e r e c h n o l o g i e sf o ru n i v e r s a lr a d j o e n v i r o n t n e n tf o rt h er e s e a r c ho f t l l en e x tg e n e r a t i o nm o b j l ec o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo fr a p i d l yi n c r e a s i n gh i g h s p e e dd a t aa n dw j d e b a n di n t e m e ts e r v j c e s f u t u r em o b 订ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mn e e dm o r e c a p a c i t ya n dh i 曲e rt r a n s m i s s i o nr a t e m 1 m o m u l t i p e1 n p u tm u l t i p l eo u t p u t t e c m i q u ee m p l o y sm u l t i p l et r a j l s m i t n n g a m e n n a sa n dm u l t j p l er e c e j v i n ga n t e 加a s s j m u l t a n e o u s l kw h i c hc a nu t j l i z es p a c e d i v e r s i i ye f f e c t r e s t r a i nm u l t i p a hh d j n ga n dg r e a t l yi n c r e a s et h ec a p a c j t ya n d s p e c t r u me f f i c i e n c yo faw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m i m ot e c h n o l o g yw 川 p o s s i b l eb e c o m eak e yt e c h n o l o g yi nt h en e x tg 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 n a c c o r d i n g t 0t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e 8 6 3 k e yp r o j e c t r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tf o rf d d t d dr fs y s t e ma n da n t e n n aa a y t h i sp a p c rf o c u s e so nt h e r e s e a r c ho ft 1 1 er fr e c e i v e rf o rm eb 3 gc o m m u 础c a t i o ns v s t e m f i r s ti n t r o d u c c st h e w h 0 1 ei u s y s t e m i n c l u d i n gs y s t e ms p e c i n c a t i o n d u p l e xm e t h o d k e yt e c h n o l o g y i n t e r f a c ed e f i n i o na n de t c s e c o n d d i s c u s s e sak i n do fr e c e j v e r 口l 锄sa n dt h e nt h e s i m u l a t i o nf o rs y s t e mh a v eb e e nd o n e t h er e c e i v e ru s e di nt d dr fs v s t e mw o r k j n 2 a t 3 4 5 g h z a d o p t ss u p e r h c t e m d y n ep l a n i th a sf o u rc h a n n e l sa n de a c hc h a r m e l i s c o m p o s e do fr e m o t e r e c e i v e ra n dl o c a lr e c e i v e lr e m o t er e c e i v c ri n c l u d e st h e b a n d p a s s 打1 t e rm i x e r a m p l j 矗e ra n dr fl o i o c a lr e c e i v e rc o n s i s t so f t h et rs w i t c h r s s ip a r t g a i nc o n t r o p a n q u a d r a t u r ed e m o d u l a t e lb a s e b a n du n i ta n di fl o i n c h a p t e r4 m a j nf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r so ft h ee a c h 口a r to ft h ec i r c u i t sa r ed e s c r i b e d j nd e t a i l f i n a 1 yt h ec j r c u i t sa r ei m p l c m e n e da n dt h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e c e i v e rc a ns a t i s f vi h er e q u i r e m e n t k e y v o r d b 3 g m i m o r ff r o n t e n d s u p e r h e i e r o d y n er e c e i v e r 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 煎塑壹日期 趔 乡 铲 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 趣 虱煎导师签名日期 碰锄 鹑一章绪论 第一章绪论 1 1 移动通信历史与发展现状 1 3 移动通信的历史可以追溯到 9 世纪9 0 年代 18 9 7 年 马可尼完成了个固定站与拖 船之间的无线通信实验 证明了在移动物体之间进行无线通信的可行性 开始了人类对移 动通信的追求 1 9 4 6 年 贝尔实验室推出了世界l 第一个公用汽车电话网 2 0 世纪4 0 年 代至7 0 年代 欧荚一些国家完成了移动通信专业劂向公用网的转化 并逐步完善了 网络性 能 1 9 7 8 年贝尔实验室开发了真正意义上的大容量蜂窝式移动电话系统 从那时起 移动 通信进入了一个崭新的时代 经过二十多年的迅猛发展移动通信正朝若为用户提供语音 数据以及多媒体等多种业务的第三代 第四代移动 演进 向人们勾勒出一幅可以在任 何时问 任何地点 进行各种形式通信的多彩画卷 2 0 世纪8 0 年代中期 北美 欧洲和日本分别建成了自己的蜂窝式移动电话网 被称 为第一代模拟蜂窝式移动通信系统 对于第一代蜂窝移动通信系统来说 虽然世界各国所 米用的制式都不一样 如美国的8 0 0 m h z a m p s 系统 英国的e t a c s 系统和法国的4 5 0 m h z 系统 但都采用了相同的模拟p m 技术米提供话音服务 第一代移动通信系统的主要缺点 是频谱利用率低 保密性差 其容量不能满足日益增长的移动用户的需求 9 0 年代初 随着数字通信技术的飞速发展 各国相继推出了第二代数字移动通信系统 主要包括g s m 窄带c d m a 和d a m p s 系统 针对第一代移动通信系统的缺点 第二代 移动通信技术在射频惘制技术 多址方式 话音编码 信道编码和数字信号处理 控匍j 信 道 保密和确认六个方面采用r 全新的数字技术 使得移动通信性能大大提高 g s m 系统 基于时分多址 t d m a 技术 使用户在时间上共享频谱 在相同的频带宽度下 系统容 量大约是第一代移动通信的3 5 倍 且组网灵活 抗干扰能力强 通话质量好 并具有开 放的接口和统一的标准 与公众电信网有完各的互通能力 易于引入新的业务 g s m 系统 的诸多优点使其在全球得到了j l 泛应用 与此同时人们还探索将扩频技术应用到第二代移 动通信系统中 1 9 9 2 年q u a l c o m m 开发了1 s 一9 5 c d m a 系统 更有效的利用了频谱 提供 比g s m 系统大得多的容肇 采用更有效的动态功率控制技术 使基站和移动台的发射功 率大大降低 它所使用的切换技术也很好地提高了网络的覆盖 胜能 因此世界许多地方相 继建成i s 一9 5 c d m a 网络 辟j 户数量也在飞速增加 第三代移动通信系统 1 m t 2 0 0 0 将是一个全球无缝覆盖 全球漫游 包括卫星通信 陆地移动通信和无绳电话等蜂窝通信的大系统 它要求3 g 系统在不同的无线环境中为用 户提供高速率的数据服务 如步行用户环境下不低于3 8 4 k b i l s 室内环境下不低于 20 4 8 m b s 到目前为止 i t u 已就l m i 二2 0 0 0 的地面部分的标准达成一致 在多址接入方 自泶用码分多址 c d m a 为主 辅以时分多址 1 i m a 的策略 在i m t 2 0 0 0 方案中 主要有欧洲和日本提出的基于频分双工一直扩 f d dd s 的w c d m a 美国提出的基于 频分双工 多载波 f d d m c 的c d m a 2 0 0 0 和中囱提 5 的基于时分双工 t i d t d s c d m a 它们都能满足i m t 2 0 0 0 的性能要求 在利用c d m a 技术方面 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系 统在利用多径能力 小区复用系数 软切换及可变扩频增益等方面较t d s c d m a 好 存 同步方面c d m a 2 0 0 0 需要g p s 精确定时以保持小区之问的同步 而w c d m a 和t d s c d m a 则不需要小区的同步 在功率控制方面c d m a 2 0 0 0 采用 开环 闭环功率控制 w c d m a 采用 开环 自适应闭环功率控制 提高了功率控制速度 能够抵消一般的快衰落 而 t d s c d m a 采用的联合检测技术也有较强的抗快衰落的能力 另外在兼容性方面 彖鬲大学形3i 学位论文 t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 能够兼窖现有的系统 易于实现第 代向第三代移动通信的演进 目i 狮 住欧洲和日本等囤第三代移动通信系统已开始商用 我困预计将在2 0 0 5 年投入商片 1 2b e y o n d3 g 移动通信技术简介m 在第三代移动通信技术曰趋成熟 陆续开始投入商用之际国际 一已经开始第四代移动 通信 即所谓b e v o n d3 g 4 g 技术的研究 一些国家及组织已经开始进行第四代技术规范 的研究制定 欧盟成立了世界无线通信研究沦坛 w w r f 着手进行 1 m t 2 0 0 0 之后的 第四代移动通信的概念 需求与基本框架的研究 并将第四代移动通信系统列入于2 0 0 2 年启动的欧盟 筇六框架研究计划 日本和韩国也已开始进行b e y n d3 g 等未来移动通信 服务技术的开发研究 欧洲的爱立信公司l e 与美国加刹福尼哑大学台作 着手研制第四代 移动通信系统 在我国 第四代移动通信已被列入了国家 十五 8 6 3 研究计划 并已启动j 名为 f u t u r e f u r u r et e c h n o o 画e s f o r u n j v e r s a l r a d j o e n v i r o n m e n t 的未米穆动通信研究计划 现已完成了b e y o n d3 g 4 g 蜂窝通信空中接口技术研究 b e y o n d3 g 4 g 无线传输系统的核 心软 硬件研制工作 开展了相关传输实验 计划在2 0 0 5 年底使b e y o n d3 g 4 g 空中接口 技术达到相对成熟的水平 进行与之相关的系统总体技术研究 包括与无线自组织网络 游牧无线接入网络的互联互通技术研究等 建成具有b e y o n d3 g 4 g 技术特征的演示系统 该系统主要具有以下性能特点 传输速率在低速移动和固定情况下达2 0 m b p s 在高速移动情况f 达2 m b p s 容量达到3 g 系统的5 1 0 倍 传输质量相当于或优于3 g 系统 小区覆盖范围等于或大于3 g 系统 在不同速率问能够自动切换 以保证通信质量 网络的比特成本低于3 g 系统 为r 实现如此高的性能 在物理层b e v o n d3 g 主要采用以下四方面新技术 1 m i m o 无线通信技术 多入多出 m l m o 技术是下一代无线移动通信领域的重人突破 j m o 能在不增加带宽的 情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率 m i m o 信道可看作一组并行的予信道 其总的信道容量为各独立子信道的信道容量之和 理论上 随着天线个数的增加 信道容 量显著增大 为提高无线网络的信息吞吐量 扩大覆盖区域和提高传输质量提供了巨大的 潜力 学术界普遍认为m j m o 将成为未来移动与无线通信系统理论的核心 2 多载波传输技术 多载波传轮技术债事速 c 的分组数据j 聆段为 j 能多裁波方案 i i 鼍能够 妻 再 种多天线环境 抵抗诸如多径干扰 衰落 频偏和多普勒频移 脚步与定时偏差以及多用 户干扰等各种信道干扰和失真 由于o f d m 正交频分复用 技术具确很强的执多径能力 及简单易行的d f t 实现 得到广泛的重视与应用 由它产生的 义多载波 g m c 技术 结台了块编码和o f d m 每个用户的k 个符号经过线性预测编码为i 个符号 然后在l 个子载波上传输 具有潜在的技术优势 是解决b e y o n d3 g 系统传输体制问题的一条霞耍 途径 3 1编码 调制与自适应链路技术 高性能的通信系统离不开高性能的编码与调制技术 上世纪9o 年代末 人们在 g a l l a 2 e r 六r 年代发明的l i p c 码的基础上 构造出新型l d p c 码 其性能已接近香农限 特别适川于高速数据传输 在调制技术力面 提供高的频谱利用率必须采用高阶阔制方式 第一章绪论 因此基于m p s k 和m q a m 等多进制调制技术也是必不可少的 由于数据业务的传输对 传输时延的要求不高 允许依据信道变化情况 自适应地调整各种链踏参数 以达到以 适 当地利用衰落 代替 单纯地抗击衰落 实现多用户分集 获取系统整体传输性能的提高 4 新型天线与射频技术 未来多天线分布接入环境下的移动通信系统 对天线与射频技术也提出了挑战 其中 主要包括 新型天线及其理论问题 复杂环境下的天线辐射问题 电磁波的传播问题 剩 频芯片的全波分析问题 计算电磁学问题等 本课题是 8 6 3 计划 子任务 f d d t d d 射频系统和天线阵列的研究开发的系统研究 的一部分 主要任务是面向未来的移动通信系统频段 研制适用于基站或终端的分布式或 多天线结构及相应的射频前端 以支持未来移动通信系统的应用 这种多通道的射频模块 的研究包括低噪声大动态范躅接收机研制 高线性大动态范围发射机研制及高稳定度低相 噪的频率合成器研制等 1 3 课题内容与论文安排 本课题研制了用 b 3 g 移动通信系统t d d 双工方式接入点 a p 的射频收信机 它 与射频发信机 射频控制模块和天线端单元等共同构成b 3 g 射频系统 在研究过程中 首 先根据国家 8 6 3 计划重大项目 f d d j 1 d d 射频系统和天线阵列的研究开发 中b 3 g 系统 指标的要求 确定系统方案 利用e d a 软件对系统进行分析和仿真 进一步论证方案的 可行性 并根据仿真结果选定芯片 接下来对部分芯片进行测试 以了解其在我们所关心 的工作频段内的性能 确定其最优的工作状态及匹配形式 然后进行电路设计和研制 构 建系统进行调试 不断优化其工作肚能 以达到预定技术指标 最后给出了测试结果 论文共分为五章 第一章为绪论 介绍移动通信的历史与现状 然后简要介绍b e v o n d 3 g 4 g 技术的研究 情况 芙键技术以及f u7 r u r e 计划的背景 第二章为b 3 gn d 双工方式下射频系统简介 描述了系统的主要指标 工作方式 组成部分 关键技术等 并介绍了射频部分与基带部分的接口定义以及接入点射频系统的 背板定义 第二章为射频接收机的设计 苗先介绍了接收机的主要指标 然后剥几种接收机方案 进行了介绍和比较 并用e d a 软件对接收机的主要指标进行了仿真 第四章为接收通道主要单元电路的设计实现 主要描述了接收通道的各个组成部分 如镜像抑制滤波器 f 变频单元 微波开关 r s s i 单元 增益控制单元和解调模块等 对 主要芯片进行测试 另外本章还介绍了射频前端关键部分之一的本地振荡源的设计 描述 了锁相式频率合成器的原理 指标 及测试结果 第五章为接收通道测试结果和课题总结 末5 萄大学硕士学位论文 第二章b 3 gt d d 射频系统介绍 射频系统是移动通信的重要组成部分 它将由天线接收 的信号经过滤波 放大 下 变频送给基带部分处理 并将基带信号经过上变频 放大 滤波以电磁波的形式发射出去 实现信息的无线传输 射频性能的好坏 直接影响通信系统的性能 所以一直是通信系统 研制开发的重点 难点 国家 8 6 3 计划重大项日 f d d 厂r d d 射频系统和天线阵列的研究 开发 中指出在b e y o n d3 g 系统中射频技术是实现广域覆盖和局部热点覆盖的关键技术 它要求射频系统能够满足在大范围多小区覆盖情况下峰值传输速率达到2 0 m b p s 频谱效 率达到1 5 25 b p s m z 的g m c o f d mb e v o n d3 g 总体技术方案要求 能够适应大范同全局 覆盖咀及高速移动所带来的多径时延与多普勒频偏 能够支持b e y o n d3 g 所需的大动态范 围数据业务传输 能彤支持b c v o n d3 g 热点覆盖所需的高用户密度 高数据速率业务传输 具备支持移动终端问的自组织组网能力 为了更好 更全面地认识b 3 g 射频系统 下面 对它的主要指标 工作方式 关键技术 系统组成和接 i 定义逐一介绍 2 1b 3 g7 皿d 射频系统主要指标 国家 8 6 3 计划重大项目 f d d 厂r d d 射频系统和天线阵列的研究开发 任务书中对b 3 g t d d 通信系统的工作频段 信道带宽 功率控制 收发 换时问等技术指标提出了具体 的要求 其中时分双工方式 1 1 i d 系统指标要求如下1 表2 一ib 3 g 射频指标 t d d 方式 接入点 a p 射频指标移动终端 m t 射频指标 工作频段 3 4 0 0 3 6 0 0 m 1 1 z工作频段 3 4 0 0 3 6 0 0 卅i z 信道带宽 2 0 m h z信道带宽 2 0 删z 信道间隔 2 0 m h z信道间隔 2 0 m l z 双工方式 t d d双工方式 t d d 最大线性发射功率 2 7 d b m最大线性发射功率 2 4 d b m 发射功率控制范围 3 0 d b 1 d b 步进发射功率控制范围 6 0 d b l d b 步进 接收整机噪声系数 最大增益 6 d b接收整机噪声系数 最大增益 9 d b 接收增益控制范围 6 0 d b接收增益控制范围 6 0 d b 收发切换列问 1 5 u s收发切换时间 l5 u s 频率稳定度 o0 5 p 口m 频率稳定度 1 p p m 相位噪声 8 5 d b c h z 1 o k h zo 矾e t 相位噪声 一8 5 d b c h z 1 0 k h z o 仃s e t 一1 0 5 d b c h z 1 0 0 k h z0 f f s e t 一 0 5 d b c 卜1 z l o o k h z o 仟s e t 2 2 时分双工方式 t d d 的特点 信息的交流一般都是双向的 移动通信也不例外 双向的通信可以时问或频率分开 前者称为时分双工 t d d 后者称为频分烈工 f d d 对于t d d 般 方式 两个方向 f 向信息共同占用同一频带 爿一且将两个方向占用的时问按一定的问隔分成若干个时隙 而 兰里里 里里型塑墨堑坌型 f d d 双工方式两个方向占蝈不同的频带 一般来说两个频带的宽度是相同的 f d d t d d 方式各有优缺点 相比而言 t d d 主要具有以下四点优势o 1 有利于频谱的有效利用 t d d 不需要成对的频带 从而可以充分利用那些不成对的频 段 分配频段也比较简单 有利于频谱的有效利用 例如在图2 一l 中可以看到 1 9 2 0 m h z 1 9 8 0 m h z 分配给f d d 的上行 2 1 10 m h p 2 1 7 0 m h z 分配给f d d 的下行 不对称频段1 9 0 0 m h 卜1 9 2 0 m h z 和2 0 1 0 m h 卜2 0 2 5 m h z 分配给丁d d 使用 1 r t t 0 h l i z1 0 l l 1 l 二 乜 i j i7 二 l i l 二ir i 1 ll 二二lj 0 l l z 图2 一 w c d m a 频谱分配表 2 更适用于不对称业务 随着多媒体技术与互连网的迅速发展 人们对无线通信系统提 出了更高的要求 t d d 可以动态地改变上下行的时隙数 所以特别适合上下行不对称 的多媒体通信环境 实际上 这项技术在t ds c d m a 中就已得到应用 3 由于上行和下行链路使用相同的频率 t d d 发射机根据接收到的信号就可以知道多径 信道的快衰落的情况 在满足t d d 帧长比信道相干时问短的条件r 就可以应用开环 功率控制技术 自适应天线和p r e r a k e 技术 4 t d d 系统设备成本较f d d 系统低 但是 n d 系统也存在一些缺陷 例如要求终端的移动速度要比f d d 系统的低 覆 盖范围比f d d 系统的要小 另外 t d d 系统中的功放只有在发射时才打开 必须对功放 开关时延作出严格控制 2 3m m o 系统特点及优势 从射频的技术角度来说 第四代移动通信应与i m r 2 0 0 0 以及目前制定之中的增强型 3 g 标准有本质性的区别 这是由于第四代移动通信系统的峰值传输速率应为第三代移动通 信系统的1 0 至5 0 倍 达到2 0 m b p s 至10 0 m b p s 若简单地蕈复使用3 g 的射频技术 则 其发射功率同样需要增加1 0 至5 0 倍 从而使电磁干扰问题达到无法忍受的地步 解决此 问题的一个重要方法是根据信息论原理引入多天线环境及其相关的新型空时信号处理方 法 从而达到大幅度降低发射功率 提高频谱利用率之目的o 理论研究结果表明 提高下行数据速率的 种方法是采用多天线发射和多天线接收技 术 如果不同发射天线间的距离足够远且不同接收天线问的距离也足够远 可以认为各个 发射天线到各个接收天线之间的传播信号是互相独立的 则称这样的多天线信号传输信道 为m l m o 信道 m i m o 可以成倍地提高衰落信道的容量 根据信息论的研究成果 假设发 射天线数为m 接收天线数为n 在每个天线发送信号可以被分离的情况下 有如下信道 容量公式 其中s n r 是每个接收通道的信噪比 c m l o g 2 n m s n r n m 根据这个理论m i m o 系统信道容量将随着m 增大而增加 从而提供目前其它技术无法达 到的系统容量 其次m t m o 使用编码重用 c o d er e u s e 技术将同样码集的每个码重复使用 用相同 的信道编码和扰码调制多个1 同的数据流 这样在不增加码资源的情况下提高了原始数据 的传输速率 如图2 2 所示 若基站使用m 根天线 n 个扩频码 则一个数据流可以被分 成m n 个子数据流 每个扩频码对m 个子数据流进行扩频 然后这些数据将被加上相互 正交的导额并被同一扰码加扰 最后分别被送入m 付天线 这样 发送端发送的各路f 数 n 一 o m 阱 d d t z w 9 东南大学硕士学位论文 据流所使用的扩频码 发射天线不会完伞相同 减少了干扰 接收端也使崩了多付天线m 且犬线数m m 满足 在接收端使用不同扩频码的子数据流叫以利用扩频鸠的止交性分离 出来 对于采用相同拶频码的子数据流 需要利用不同天线的非相关性来区分 原则上 码重 e f j 的尖峰容量是一个发射天线可达到速率的m 倍 这样 利用码重用和小的调制星座 图就可以提供较高的数据传输率 与较高调制星座达相同速率的单天线通信系统相比 码 重用技术只需要较小的e n 从而提高了整个系统性能 j j t x l 一 l t x 2 5 2 h r 2 t x 皿 专s m r n 图2 2m i m o 系统原理图 第三 如果将多天线发射与接收技术和信道编码技术相结合 可以极大地提高通信系 统的性能 在这种情况下空时编码技术应运而生 它真正实现了空分多址 是未来移动通 信中必然选择的编码技术 空时编码中最引人注目的就是b l a s r b e l ll a b o r a t o r i e s l a y e r e d s d a c e t j m e 采用b l a s t 技术可以利用在传统传输巾不可避免的有害的多径提供的空间 并行性来极大地提高比特率 在采用b l a s t 的系统中 多径越多越好 这是与传统思想 显著不同的一点 但是 b l a s t 系统一般只适用r 信道板窄的情况 如果接收端采用 m l m o d f e m u t p l e 一1 n p mm u l t i p l e o u t p u id c c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z e r 技术 则b l a s t 也可以适用于频率选择性信道等更一般的情况 m l m o 技术的运用极大地提高了峰值速率 但同时也增加了射频系统 特别是移动终 端射频部分的复杂性 对射频设计提出了新的挑战 2 4b 3 g 射频系统组成1 8 l b 3 g 系统是一个由m 1 m o 信道组成的m l m o 系统 具体到本课题所做的时分耿工 t d d 射频系统是整个m i m o 通信系统的一部分 包括接八点 a p 和移动终端 m r r 两部分 如图2 3 图2 4 所示 其中a p m 丁都是由四路发射通道和四路接收通道所组 成 a p 韵 i 捌发镰d j 远一j 钆和丑王端0 l 组成 牲一哥处理茧兀送来的壤拟i 如信号越过近 端机调制到中频 已诵中频信署经光模块进行光电转换 通过光缆传输剑远端机 远端机 利用光模块将来白近端机的光信号转换成中频信号 再经上变频到射频信号 滤波放大后 山开关送到天线 m t 的射频发信机将来自基带处理单元的i q 信号调制到中频 再经上 变频到射频信号 滤波放大后由开关送到天线 a p 的射频收信机由远端机和近端机组成 远端机将经过射频开关接收过来的信号放 人 滤波后下变频到中频上 中频信号经光模块进行光电转换 通过光缆传输到近端机 近端机利用光模块将来自远端机的光信号转换成中频信号 再经解调器变成模拟l q 信号 送到c u m t 的射频收信机将经过射频开关接收过来的信号放大 滤波后f 变频到中频上 再经解调器变成模拟j q 信号 送到基带处理单元 6 第二奄b 3 6r d d 射频系统介绍 图2 3 a p 射频系统框图案图2 4m t 射频系统框图 2 5 接口定义 2 5 1 射频一基带接口定义 在移动通信系统中射频和基带的关系密不可分 一方面基带要产生很多控制信号如收 发切换信号 自动功率控制 a p c 自动增益控制 a g c 去调节射频部分的工作状态 另一方面 射频部分也要送给基带部分一些告警和反馈信号以便于基带部分了解射频的工 作状况 为了实现射频和基带系统的协调 高效地通信 必须对射频 基带接口做出完备 的定义 以下对接口定义作简单介绍 射频控制部分的通讯模块 r f c m 通过r s2 3 2 和主控基带处理器 m c b p 通信 r f c m 通过r s 2 3 2 协议 将告警信息通知m c bp m c b p 通过r s 2 3 2 协议控制r f c m 的相 关信息 具体包括物理层 链路层 应用层三部分内容 物理层帧结构如图2 5 所示 图2 5 物理层帧结构 起始位是l b l t 数据位8 b 1t s 检验位为1 b n 采用偶校验方式 停止位是1 b l t 通信速率1 1 5 2 kb a u d r f c mr s 2 3 2 链路层单元格式如图所示 帧长定义地址域 功能码保留 数据 c r c 8 b i t s 8 b l t s16 b l t s 8 b 1 七s 249 b v 七e s 8 b l t 图2 6 链路层帧结构l 到 其中帧艮嚏定义为l 字节 刚米定义数据氏度 净荷字节数 2 3 2 数据帧静荷传输为可 变帧长 昂大2 5 5 b y t e 帧长度数值为p 叱单元的数据帧的字 数 包含帧长 1 管 地址域 2 字节 功能码 1 字节 保留位 1 字节 数据位 可变k 度 和c r c 校 验 1 字节 地址域长度是2 字符 用束区分是射频板编弓 当m c b p 向r f c m 发送数据 时 将所要设置的射频子扳编号放在地址域 当r f c m 向m c b p 回复数据时 从该地址域能 读取到特定子板的状态信息 f 板具体对应关系如下表 表2 2子板地址定义 b y t e 0b y l e l功能描述 0 00 0 1 号子扳 o oo l 2 号子板 o o0 2 3 号子板 0 10 04 号子板 1 1l l1 2 3 4 同时操作 功能码长1 字节 具体功能定义如下 表2 3功能码定义 c o d ef i e l dn a ec o d ef i e l dh a e 0 0 读取r s s l 值 0 9 回复设置发射天线 0 1 回复r s s l 值 0 a 设置接收天线 0 2 设置锁相环频率 o b 同复设置接收天线 0 3 回复锁相环状态 0 c 设置a f c 值 0 4 设置a g c 值 0 d 回复设置a f c 0 j 同复设置a g cl o 查淘a g c 设置数据 0 6漫置a p c 值1 1 回复a g c 实际数值 0 7 回复设置a p c 1 2 查询a p c 设置数据 0 8 设置发射天线 1 3 凹复a p c 实际数值 曲 议对于数据帧格式也作了详细定义 这里不再赘述 第二章b 3 gj 1 d d 射频系统升绍 25 2 射频背板接口定义 在射频系统中 电源 接收 发射和控制单元电路都圃定在同一机框内 每个单元都 由p c n 2 1 1 1 0 连接器与背板相连 背板总线为各个单元提供电源 将射频 基带接口发送 过来的控制信号送给控制单元 并将控制单元发送的反馈信号送给射频一基带接口 另外 背板还负责收发信机与射频控制单元的通信 主要包括 通道选择 收发切换控制 功率 控制 增益控制 锁相环控制等 a i 1 罢 器引o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0i oooooooooool 0 0 0 0 0 0 0 c 0 0 0 00000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 f 图2 7p c n 2 卜1 1 0 连接器示意图 将其中部分管脚定义简要列于下表2 4 中 表2 4连接器部分管脚定义 管脚定义管脚编号管脚定义管脚编号管脚定义 管脚编号 5 va 1 e 锁相环时 a 5 e 5 通道选择 a 1j e 1 a 2 吨2钟 控制 a 6 d 6 数据 a 7 c 7 a 8 c 8 收发切换 a 1 5 a 1 6增益 功率b 5 b 2 0 琐存器控制 a o d 1 0 控制 c 5 c 2 0 d 1 5 d 2 0 e 5 j e 2 0 东南 人学坝i 掌位论义 第三章射频接收系统方案与仿真 3 1 接收机主要技术指标 接收机是要从众多的电波中选出有用信号 并放人到解调器所要求的电平值后再由解 调器解调 将射频信号变为基带信号 由于传输路径上的损耗和多径效应 接收机接收的 信号是微弱且又变化的 并伴随着许多干扰 这些干扰信号强度往往远大于有用信号 因 此接收机的主要指标是灵敏度和选择性 3 1 1 接收机灵敏度l i o j 灵敏度是指接收机在满足一定输出信噪比 s n r 条件下所能检测的最小功率电 甲 设接收机可检测到的最小功率电平为p 卿 p 川 d b m 一1 7 4 d b m h z n f d b 1 0 l o g b s n r0 u d b 其中b 为接收机带宽 可见灵敏度取决于接收机的噪声系数和所要求的输出信噪比 而接 收机的嗓声系数取决于各级原器件的噪声系数 公式如下 f f 型 量兰 玉二1 1 g 1g g2g l g2 g 其 1f 为各级噪声系数 g 为各级的增益 可见在接收机的前级加入具有适当增益的低 噪声放大器有助于降低系统的噪声系数 从而提高在特定输出信噪比下的灵敏度 3 1 2 动态范围 接收机接收的信号强弱是不断变化的 动态范刖足指接收机高性能工作所能承受的信 号变化范围 它的下限是灵敏度 上限则由最大可接受的信号失真决定 动态范围有两种 定义 线性动态范围和无杂散动态范罔 线性动态范吲定义为产生1 d b 压缩点的输入信号 功率与灵敏度之比 无杂散动态范围定义为 p d r 二里 p 川姗 其中只 为在输出端所引起的二阶互调分量折 合到输入端等丁i 基底噪声的输入信号功 率 只 为接收机的灵敏度 3 3 瓦调失真陋1 6 1 在射频系统中分析互调失真 般考虑域音信号的情况 当输入接收机的两个信号频 率f i f 十分接近时 由丁系统 p 矩线性 内影响产生许多且调分量 堡 堕塑堡堕墨竺查茎兰堕塞 m n f 2 m n o l 2 按照谐波次数称为 m n 阶互调分量 其中三阶互调分量 2 一f 2 和2 f 2 一f l 在基频f 和f 2 附近而且幅度较大 通常会落在通带内 如图3 所示 由于和有用信号频率很接近 很难滤除 成为干扰信号 兰阶互调分量对系统的影响通常 用三阶互调点 i p 3 来衡量 t p 3 定义为信号线性输出功率与j 阶互调信号功率的交点 此时对应的输入功率为输入i p 3 1 i p 3 输出功率为输出1 p 3 o l p 3 其中i i p 3 的计算公式为 i i p 3 毕 z 其中只 为输入信号电平 1 l m 3 为三阶互调分量电平 l 到3 一 三阶互调分量示意图 31 4 邻信道选择性 1 5 1 7 邻道选择性 a c s 是指在相邻信道上存在已调无用信号时 接收己调有用信号的能力 官用无用信号与灵敏度的相对电平 d b 来表示 影响a c s 主要有两个方面的主要原因 邻道的强干扰信号通过滤波器直接影响接收机的解调性能 这部分的影响较大 因而对中 频声表面波的邻道选择性提出要求 另一部分是泄漏到l n a 前端的强信号产生的交叉调 制 不过这部分的影响较弱 3i 5 矢量误差幅度 2 1 8 1 e v m 在数字通信系统中 对一些非恒定包络调制方法 比如正交幅度调制 q a m 或四相 移相键控调制 q p s k 的解调精确度可以通过观察星座图来评价 o 图32 误著向量示意图 一 一 k 一 卜 2 t l i 0 卜 一 一 东潮大学硕 1 j 学位论文 定义被测信号与参考位置弁勺偏移量为曝差向量 参考位置由一个参考信号决定 这个 参考信弓是通过重新完奖的唰制解调接收信号的数据比特来组合的 图3 2 给出r t 芫差向 量 被测向量与参考向量之间的关系 矢量误差幅度 e v m 是衡量接收机解调性能的一项重要指标 它的定义是平均误差 向量功率与平均参考功率比值的均方根 一般以卣分数表示 公式如下 e v m 1 0 0 影响接收机e v m 指标的主要因素有 l 正交解调器i 0 幅度 相位不平衡性 通道滤波器的幅度 相位特性失真 本振相位噪声的影响 非线性产物的影响 接收机还有一些其他的指标 如通带平坦度 阻塞特性 杂散辐射等 3 2 接收机方案1 1 5 1 7 1 9 2 0 b 3 g 通信系统是一个宽带通信系统 且 一作频段较高 选择怎样的接收机方案对系统 指标有很大的影响 必须仔细分析考虑 权衡利弊 选择最合适的方案 接收机的方案主 要有零中频方案 超外差方案 镜像抑制接收方案和数字中频方案 零中频方案的原理如图3 3 所示 用两路互相正交的本振去解稠接收信号 变成两路 基带i 0 信号 由于本振频率等于载频 就不存在镜像频率 排除 厂镜频干扰 另外零中 频接收机的射频部分只包括低噪声放大器和混频器 增益不高 易于满足动态范围的要求 由于不经过中频转换 不需要采用专用的中频滤波器来选择信道 只要用普通的低通滤波 器即可 r 除一一忑郦 k y 二 r 嘉一 l 磊旦 幽3 3零中频接收机框斟 但是零巾频接收机电存在一些难以克服的问题 首先是本振泄露问题 如果混频器的 本振口与射频 之间的隔离度不够高 本振信号就会由射频口输出 再由射频放大器泄露 到天线 对邻道造成干扰 其次是直流偏著问题 由 r 混频器的隔离度有限 所以本振和 强干扰信号都会目混频产生直流分量 如 3 4 所示 这些直流分量往往比射频输入端的 噪声还人 它们叠加在基带信号上 使信噪比变筹 甚至会使混频器后的放人器饱耳 第三章射频接收系统力案与仿真 滓遐垣臣妒 竺j b 司l t酐揣号l j k d 图3 4零中频接收机的干扰信号 超外差接收机是将射频信号下变频到中频后进行解调的 它的工作原理如图3 5 所示 图3 s 超外差接收机框图 这种方案有三方面的优点 首先 可以将接收到的微弱信号分别在射频 中频 基带 部分进行放大 中频高增益放大器要比射频高增益放大器容易实现 其次在中频实现信道 选择比存射频上实现对滤波器0 值要求低得多