??? 摘? 要： 建立多信道軟件無線電" title="軟件無線電">軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型，介紹了ADI公司的高性能寬帶多載波" title="多載波">多載波數(shù)字中頻" title="數(shù)字中頻">數(shù)字中頻接收芯片AD6654電路結(jié)構(gòu)和主要特性。在此基礎(chǔ)上提出一種數(shù)字中頻在cdma2000多載波接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方案,并給出了系統(tǒng)各個(gè)單元的設(shè)計(jì)和性能參數(shù)，最后仿真驗(yàn)證了方案的可行性。
??? 關(guān)鍵詞： 數(shù)字中頻? 多載波? 抽取濾波器? 軟件無線電
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??? 移動(dòng)通信技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí),也出現(xiàn)了多種通信體制并存、各種標(biāo)準(zhǔn)層出不窮和頻率資源缺乏等問題。這些新標(biāo)準(zhǔn)由于射頻載波頻率和調(diào)制方式不同而限制了各種設(shè)備的互通和兼容,造成了資金浪費(fèi)和重復(fù)投入。軟件無線電SDR(Software Defined Radio)技術(shù)的出現(xiàn)，使人們看到解決問題的希望。它的基本思想[1]是：構(gòu)造一個(gè)開放、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的通用硬件平臺，將無線通信系統(tǒng)的各種功能如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。但是現(xiàn)階段，由于微電子發(fā)展水平有限，直接對射頻（RF）進(jìn)行采樣還很難，所以需要先將射頻信號轉(zhuǎn)換到中頻（IF）上，然后在中頻對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，即數(shù)字中頻。它是軟件無線電技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要步驟，它與模擬中頻相比能產(chǎn)生嚴(yán)格的幅相平衡正交信號，處理時(shí)能保證有嚴(yán)格的線性相位。數(shù)字中頻技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，除了可以應(yīng)用在基站的收發(fā)信機(jī)中，在其他很多領(lǐng)域中都可以應(yīng)用。如在信號源或者信號頻譜分析儀中、信息化家電中、雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用，甚至可以應(yīng)用在終端系統(tǒng)中。
??? 近年來，CDMA已成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。cdma2000是北美基于IS-95系統(tǒng)發(fā)展而來的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，在前向信道結(jié)構(gòu)上采用直接序列擴(kuò)頻和多載波兩種方式來達(dá)到提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的目的。cdma2000標(biāo)準(zhǔn)中，詳細(xì)規(guī)定了發(fā)射技術(shù)的具體建議，但接收部分涉及的不多。本文建立了多信道軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型，基于高性能寬帶多載波數(shù)字中頻接收芯片AD6654，提出一種數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)的解決方案。
1 多信道軟件無線電接收機(jī)數(shù)學(xué)模型
??? 所謂多信道軟件無線電接收機(jī)是指這種接收機(jī)在同一時(shí)刻可以接收多個(gè)信道的信號進(jìn)行解調(diào)分析，在接收多載波信號時(shí)，需要對輸入的一個(gè)包含多個(gè)子載波的總的載波（即寬帶信號）進(jìn)行處理，必須將各個(gè)子載波從整體信號中隔離出來進(jìn)行單獨(dú)處理。輸入的多載波信號S(n)可以表示為：
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??? 其中，
為第k路信號的載波頻率，Φk表示第k路信號的相位，ak表示第k路信號的幅度，D為載波的個(gè)數(shù)。如果一個(gè)原型理想低通濾波器HLP（n）的頻率響應(yīng)為：
??? 
則復(fù)信號本振角頻率wk（k=0,1,2,…,D-1）由
得到，其作用是將(2)式中的第k個(gè)子頻帶（載波）移到基帶（零中頻），然后通過后接的低通濾波器濾出對應(yīng)的子頻帶。濾波后的信號帶寬為2π/D，可以進(jìn)行D倍抽取。
??? 基于以上分析建立的多信道軟件無線電接收機(jī)如圖1所示，抽取后的基帶信號輸入DSP做進(jìn)一步處理。顯然當(dāng)D很大時(shí)，要求濾波器階數(shù)很高，即便采用抽取器的多相濾波器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)代價(jià)仍太大，對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)。所以工程中都使用抽取濾波器級聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。假如每載波采用M級抽取，每一級的抽取因子分別為Dm（m＝1,2,3,…,M），則總的抽取因子為：
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2 AD6654的特性
??? AD6654將14位的ADC和4通道或6個(gè)接收通道的DDC集成到一個(gè)芯片中，極大簡化了設(shè)計(jì)。排除了從ADC到DDC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸所遇到的傳統(tǒng)互連問題。此外，該集成器件降低了材料清單(BOM)的數(shù)量，比采用單獨(dú)的器件成本要節(jié)省20%，從而能更好地處理多載波信號。每個(gè)通道可以單獨(dú)處理一個(gè)載波，也可以由多個(gè)通道協(xié)作處理一個(gè)載波，從而每個(gè)通道都可以有更大的抽取因子，更小的數(shù)據(jù)率，使后面FIR濾波器在單位時(shí)鐘周期內(nèi)可以處理更多的抽頭數(shù)，有更好的濾波性能。AD6654的另一個(gè)特點(diǎn)是具有一個(gè)分?jǐn)?shù)倍頻器用來使ADC的時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)200MHz的數(shù)字下變頻主時(shí)鐘，能使數(shù)字信號采樣抽取和數(shù)字濾波的性能達(dá)到最佳。它的兩個(gè)16bit并行輸出端口能適合高速數(shù)據(jù)傳輸速率的3G應(yīng)用，還可以進(jìn)一步提高一個(gè)片內(nèi)內(nèi)插半帶濾波器的輸出速率，并且每個(gè)并行輸出端口都有一個(gè)為輸出數(shù)據(jù)調(diào)整幅度的數(shù)字AGC。
??? 6通道的AD6654如圖2所示[2]， AD6654主要由ADC、NCO、速率變換部分、濾波器以及AGC組成。輸入的模擬寬帶中頻信號經(jīng)高性能ADC采樣后，變成了頻譜以采樣速率" title="采樣速率">采樣速率Fs為周期的寬帶數(shù)字信號；根據(jù)分布在第一Nyquist區(qū)間的各載波的中心頻率，分別設(shè)置各通道NCO的工作時(shí)鐘，完成數(shù)字下變頻，各通道都得到一個(gè)高速的基帶信號，由后續(xù)的多速率信號處理濾波部分，將信號的速率變換到一個(gè)適合后續(xù)基帶解調(diào)的速率，其中CRCF是譜成形濾波器，不同的設(shè)置可以輸出符號不同的3G標(biāo)準(zhǔn)的譜信號，最后的AGC用來使輸出信號的平均功率穩(wěn)定在一個(gè)符合后續(xù)基帶處理要求的值上。
3 AD6654在cdma2000多載波接收機(jī)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果
??? 下面分析AD6654在采用多載波數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)的cdma2000基站中應(yīng)用時(shí)的初步設(shè)計(jì)。作為新型的高速器件，AD6654的模擬信號輸入要求差分形式。這樣在模擬信號階段，差分信號可以濾掉偶次諧波分量、共模的干擾信號（如由電源和地引入的噪聲），對晶振的反饋信號也有很好的濾波作用，有利于提高系統(tǒng)性能。
3．1 系統(tǒng)方案
??? 圖3為系統(tǒng)框圖。AD6654用來處理從射頻前端來的寬帶cdma2000中頻多載波信號，并把處理后的基帶信號輸入到數(shù)字信號處理器（DSP）。整個(gè)系統(tǒng)的配置以及初始化均由微處理器和PC機(jī)來完成。數(shù)字信號處理是整個(gè)軟件無線電的靈魂和核心，軟件無線電的靈活性、開放性和可編程等特點(diǎn)都是通過DSP為中心的通用硬件平臺以及軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以本系統(tǒng)采用ADI的一款性能很高的DSP―ADSP-TS201來進(jìn)行基帶處理。它的主頻高達(dá)500MHz，是Tiger-SHARC系列中性能最優(yōu)越的一款DSP。
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3．2 A/D的性能要求及實(shí)現(xiàn)
??? A/D器件的選取直接關(guān)系著整個(gè)中頻接收機(jī)的性能，包括位數(shù)和采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率的選取。位數(shù)的選取由信號的動(dòng)態(tài)范圍決定，而采樣頻率的選擇應(yīng)綜合考慮中頻、帶寬等各個(gè)方面的因素。有經(jīng)驗(yàn)公式：
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??? 其中，Pb為最大帶內(nèi)阻塞，Ps為最小信號，量化噪聲應(yīng)該比最小信號電平低15dB～20dB。cdma2000要求信噪比SNR≥DR=93dB。由于實(shí)際A/D非理想，且還有其他噪聲，因此選SNR值為96dB[3]，由(5)式：
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式中，N為A/D的位數(shù)，fs為采樣頻率,B為處理帶寬。如果取采樣頻率為61.44MHz，cdma2000多載波帶寬取5MHz，則14位的A/D可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
3．3 中頻頻率及采樣頻率的確定
??? 精心選擇采樣頻率和IF頻率有利于簡化設(shè)計(jì)，避免了在數(shù)字信道抽取時(shí)出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)字載頻NCO過載的可能性，同時(shí)提高了頻率分辨率。另外，提高采樣頻率fs也能使系統(tǒng)信噪比得到改善。由(5)式可知采樣頻率每提高一倍，SNR增加3dB。因此，在可能的情況下，fs要盡可能選擇大一些。
??? 合理地選擇采樣頻率fs應(yīng)該考慮：fs位于[2B,2Fh]且Fh大于2B時(shí)fs應(yīng)該滿足[4]：
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其中K為整數(shù)（帶通采樣無混疊條件），F(xiàn)l、Fh、B分別代表輸入信號的最低頻率、最高頻率和帶寬。因?yàn)锳D6654整體上實(shí)現(xiàn)整數(shù)倍抽取，fs應(yīng)該是理想基帶處理速率的整數(shù)倍。例如在cdma2000應(yīng)用中，fs應(yīng)該為1.228 8MHz的整數(shù)倍，WCDMA中應(yīng)該為3.84MHz的整數(shù)倍；TD-SCDMA中應(yīng)該為1.28MHz的整數(shù)倍。由帶通采樣定理：
??? 
??? 結(jié)合(6)式取K=3，可得中頻頻率為76.8MHz，則ADC時(shí)鐘頻率定為61.44MHz。
3．4 NCO的設(shè)置
??? 內(nèi)部數(shù)控振蕩器（NCO）的頻率控制字N是一個(gè)32位無符號整數(shù)。為了將中心頻率為fCH的中頻信號變換到零中頻，可以用下式計(jì)算N：
??? 
其中, fSAMP為抽樣頻率，N代表AD6654[2]中的頻率控制字NCO-FREQ。三個(gè)載波的頻帶范圍分別為[74.925 76.175]、[76.175 77.425]和[77.425 78.675],對于通道零NCO應(yīng)該產(chǎn)生的頻率為：75.55MHz-61.44MHz=14.11MHz；通道一NCO應(yīng)該產(chǎn)生的頻率為：76.8MHz-61.44MHz=15.36MHz；通道二應(yīng)該產(chǎn)生的頻率為：78.05MHz-61.44MHz=16.61MHz。這樣每個(gè)通道數(shù)字混頻后信號都被下變頻到基帶信號。
3．5 各個(gè)部分抽取因子和濾波器設(shè)計(jì)及性能分析
??? 總抽取因子：D=61.44/2.4576=25,cdma2000基帶信號的標(biāo)準(zhǔn)速率是1.228 8Mcps,每個(gè)通道將速率降到2.4576Msps是為了使后面基帶解調(diào)電路獲得一個(gè)過采樣信號，以保證解調(diào)的性能更優(yōu)。
??? (1)DDC處理速度必須大于或等于ADC的采樣速率。這里DDC的時(shí)鐘頻率PCLK選擇為：61.44×13/4=199.68MHz。倍頻系數(shù)為M=13；分頻系數(shù)為N＝4。
??? (2)CIC5的可編程抽取率大小為2～32。對CIC5抽取的選取主要有以下三個(gè)方面的考慮。
??? ①處理增益
??? 由5級CIC濾波器頻率響應(yīng)的表達(dá)式H5（ejw)=D5·Sa5(wD/2)·Sa-5(w/2)可知，CIC抽取濾波器有一個(gè)處理增益D5。所以級數(shù)不能太大，否則容易引起溢出或降低運(yùn)算精度。
??? ②抗混疊性能
??? 為了降低混疊影響，獲得足夠大的阻帶衰減，在輸入采樣速率一定的前提下，盡可能地采用小的抽取因子。
??? ③帶內(nèi)平坦度考慮
??? 隨著抽取率的提高，通帶內(nèi)的信號衰減也增大，不過帶內(nèi)衰減可以在后級濾波器中進(jìn)行補(bǔ)償。需要保護(hù)的cdma2000碼片間隔為0.625MHz，則0.625/61.44=1.02%,CIC5的混疊抑制性能表如表1所示[2]。選取抽取因子為5。要保證進(jìn)入CRCF的速率盡可能低，以使其濾波成形的效果更好。每通道輸入的采樣速率為61.44Msps，輸出采樣速率為2.4 576Msps。CIC5的頻率響應(yīng)如圖4所示。
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??? 根據(jù)表1，可知選取5×5方案，可以獲得比較好的效果。即CIC濾波器的抽取倍數(shù)為5，剩下的5倍抽取由后面的DRCF實(shí)現(xiàn)。
??? (3)MRCF旁路，DRCF實(shí)現(xiàn)5倍抽取，輸入采樣速率為12.288Msps，輸出的采樣速率為2.457 6Msps。為了節(jié)省資源，DRCF的阻帶設(shè)計(jì)大于系統(tǒng)處理帶寬，而最終的帶外衰減主要由CRCF完成。DRCR的頻率響應(yīng)如圖5所示，最大抽頭個(gè)數(shù)估計(jì)：Ceil{199.68/2.4576}-1=80。
??? CRCF的主要目的是對整個(gè)信道進(jìn)行整形濾波，這里不使用它實(shí)現(xiàn)抽取。信號經(jīng)過前幾級抽取后采樣速率相對來說已經(jīng)比較低了，所以此處用于波形成形，各種指標(biāo)能設(shè)計(jì)得很好。所以設(shè)置如下：CIC5 抽取因子為5；FIR1、FIR2使用，HB1、HB2旁路，DRCF使用，階數(shù)為80，抽取因子為5；CRCF使用，階數(shù)為80，不抽取，LHB旁路。
3．6 AGC、同步及端口設(shè)置
??? AGC利用自身的環(huán)路負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，使輸出信號的平均功率穩(wěn)定在可編程規(guī)定的值上。并口與6個(gè)AGC的處理關(guān)系是：數(shù)據(jù)先到的先處理。選擇AGC工作于理想電平模式，AGC自身的環(huán)路將根據(jù)信號的平均功率電平和“理想電平”的差別來調(diào)整增益，使平均功率電平穩(wěn)定在理想值上。兩個(gè)I/O口工作16位交織模式，即8位I比特和8位Q比特交替輸出。同步方式采用軟同步（SOFT SYNC）。在這個(gè)設(shè)計(jì)中只利用三個(gè)通道，每個(gè)通道只處理一個(gè)載波。如果要用多個(gè)通道資源來處理一個(gè)載波時(shí)，只需要將對應(yīng)通道的FCF濾波器的抽頭相位設(shè)置好即可，如果兩個(gè)通道合作時(shí)，一個(gè)設(shè)置為0，另一個(gè)設(shè)置為1。
??? 下面利用ADI公司提供的專用仿真軟件SoftCell Filter Design來仿真AD6654的通帶濾波特性：按照以上各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真。頻譜響應(yīng)如圖6所示，由頻譜圖可以看出，AD6654具有近乎理想的帶內(nèi)平坦和帶外衰落特性，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
??? 目前已經(jīng)完成現(xiàn)有器件的設(shè)計(jì)方案、報(bào)告及主要性能參數(shù)的優(yōu)化。雖然這只是數(shù)字中頻在cdma2000多載波接收機(jī)中的應(yīng)用，但對于其他通信系統(tǒng)，其原理及處理方法上也是適用的。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊小牛.軟件無線電原理與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2002.
[2]?AD6654 芯片資料.
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[4] WEPMAN J A. HOFFMAN J R. RF and IF digitalization in radio receivers: theory, concepts and examples[R].NTIA Report:96-328.