数字中频接收机信号处理的研究_手机接收链路里是数字中频接收机吗

　　摘要:大规模集成电路的发展使得数字中频采样收发机的实现成为现实。本文使用宽带中频数字化方案,利用FPGA中的IP核把经过AD转换后的中频信号通过数字下变频处理为基带信号,并利用Matlab中的Dspbuilder提供的IP核得到了总体的仿真结果。该接收系统用于WCDMA移动通信网络的基站体系中,能很好地实现手机信号覆盖和传输。
　　关键词:信号;处理;数字;变频;滤波
　　
　　The research of signal processing in IF digital receiver
　　
　　ZHU Yun-hang, QU Hui-li
　　(Hunan College of Information, Changsha, 410200,China)
　　
　　 The development of large scale integrated circuits made implementation of digital IF transceivers. The paper uses the IF digital programs, taking advantage of the FPGA IP core technology, IF signal converted by the AD processing convert baseband signals by digital down converter, and provides the whole simulation result by Dspbuilder IP core in Matlab. The receiving system used for base station system in WCDMA mobile communication network, would realize the cell phone signal coverage and transmission very well.
　　
　　1数字中频接收机
　　
　　基站技术随着移动通信的发展不断地从模拟向数字、从窄带向宽带、向标准化和模块化方向发展。决定3G移动通信网络的关键是如何实现密集城区的无线网络覆盖。目前,网络覆盖理念的核心思想是把传统宏基站的基带处理和射频部分分离,分成基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)两个设备,在两者之间采用光纤连接。而数字收发机是RRU设备的核心部分,实现移动通信网中射频信号的传输,并使信号符合光纤传输的要求。数字中频接收机相对最初的基带收发机有以下优点:
　　1)显著地减小了尺寸、功耗。在必须同时处理多个信道的接收器(如基站)中,数字化IF可包含来自多个相关信道的信息,故只需要一个RF前端。单信道设备的成本也较低;
　　2)电路结构简化。中频数字化可去掉传统直接模拟中频正交解调器及模拟基带放大器;
　　3)有利于系统集成。采用更多数字器件代替模拟器件,减少了部分机械加工和手工调试的工作,可提高系统的稳定性和灵活性;
　　4)模拟部分实现的难度降低。通过适当的设计,可以不需要快速而繁琐的AGC控制电路;另外,在中频段对信号进行数字滤波可以降低对前端滤波器的要求;
　　5)在IF级采用数字技术可增加处理增益,进而提高系统的信噪比(SNR)。处理带宽增大,有更灵活的配置系统,更高效地为用户提供多种服务。
　　数字中频接收机的实现有射频数字化方案、零中频数字化方案及宽带中频数字化方案等。宽带中频数字化方案如图1所示,经过射频前端处理的射频信号通过AD转换器转换为数字中频信号,该信号可以直接进入光模块进行传输。但由于数字处理器的处理速度有限,往往难以对A/D采样得到的高速率数字信号直接进行各种类别的实时处理,故需先进行数字下变频(DDC)处理,即将高速率的数字中频信号处理成低速率的基带信号。数字下变频可以实现多种频率的变频处理,只需重新修改软件部分的参数即可实现,这样可以在不修改硬件电路的基础上仅仅通过软件处理实现,极大地降低了开发成本,且缩短了开发周期。
　　
　　2基于FPGA的数字下变频的实现
　　
　　FPGA芯片有规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源,适合于处理数字系统的任务。但是长期以来,一直用于系统逻辑或时序控制上,很少有信号处理方面的应用。其原因主要是因为在FPGA中缺乏实现乘加运算的有效结构,而数字下变频算法中大量的滤波器中都有乘加算法。近几年随着FPGA的性能不断提高,内部资源越来越丰富,尤其美国Xilinx公司推出的V4、V5系列嵌入大量的Xtreme DSP硬核乘法器。并且Xilinx公司提供的FFT的IP核处理能力也随之提高,其输入数据位宽可以达到32位,并且支持块浮点模式的运算,可以满足多数通信系统的指标要求,并且使用FPGA处理这种数据量大的运算,数度快、并行性好,大大提高了信号处理系统的性能。
　　
　　2.1数字下变频的实现结构
　　本设计要求转换后的中频信号载波频率为96 MHz,采样频率为92.16 Msps。数字下变频将96 MHz的中频信号转换为基带信号,且基带信号的采样频率降至3.84 Msps。实现结构如图2所示。
　　 数字下变频将中频信号从特定的中频频率96 MHz通过NCO移到0 Hz。中频信号的采样率为92.16 Msps,经过CIC滤波器后采样率为15.36 Msps,再经过半带滤波器后采样率为7.68 Msps,最后通过根升余弦整形滤波器(SRRC),采样率为3.84 Msps。其中滤波器无需乘法运算即可以实现高速滤波,所以一般用在输入采样率最高的第一级。而半带滤波器虽然需要乘法运算,但只有普通滤波器FIR运算量的一半,所以一般用在中等输入采样率的第二级。
　　
　　2.2 NCO的设计
　　NCO的输出频率与中频采样频率以及中频有关。本设计的数字下变频,经过AD采样后,离零中频最近的频率,即输出频率96-92.16=3.84 MHz,实现第一次搬移。此时,NCO只需将信号的频谱3.84 MHz移到0 MHz,即变为零中频信号。如图3所示为频谱搬移过程。
　　
　　2.3 CIC的设计
　　在数字下变频中,CIC滤波器用于抽取滤波,将采样率从92.16 Msps降低到15.36 Msps,即设置CIC滤波器的参数N=5,M=1,R=6。若给定输入数据宽度为8 bits,根据
　　 Bout =Bin + Nlog2 (RM)
　　 可得出输出数据的位数应为21 bits,但事实上后续不用这么高的数据精度,可以进行舍尾截取,即保证输出数据位数为8 bits。
　　
　　2.4 FIR的设计
　　在数字下变频器中,FIR滤波器主要作用是对整个信道进行整形滤波,信号经过CIC、HB滤波器后,输入到FIR滤波器的采样速率相对来说己经很低,因此在一定的处理时钟速率下,能够有较高阶的FIR滤波,使得滤波器的通带波动、过渡带带宽、阻带最小衰减等指标都能够设计得很好。
　　这里采用窗函数法设计FIR低通滤波器,滤波器是通过调用Xilinx提供的FIR滤波器的IP核来实现的。该IP核功能强大,支持的抽头系数范围为2~1024,位宽为1~32位,支持多通道操作,并且可以利用系数的对称性来节省硬件资源。所设计的滤波器的理想频率响应用H(ejX)表示,单位脉冲响应可以表示为
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　 h(n)=H(e)e dω
　　 对于本系统的设计指标,采样频率为92.16 MHz,要求的低通滤波器的通带为-2.5~2.5 MHz,,过渡带要求不超过10 MHz。
　　
　　2.5 DDC的仿真
　　 整体实现方案使用Matlab进行仿真,包括CIC滤波器,NCO混频器,半带滤波器和SRRC滤波器。使用Matlab进行仿真时,应考虑到各个滤波器的通带截止频率、阻带截止频率、阻带衰减、使用对称结构等。使用dspbuilder进行系统级仿真时,NCO的输出值与数字中频信号通过乘法器进行移频处理得到零频的信号,再通过抽取滤波器进行抽取,使采样率降低,CIC滤波器的通带内的幅度响应一般有较大的衰减,要用一个线性相位滤波器来补偿,而在通带外,其频谱形状几乎可任意选择,只要不会过分放大带外噪声即可。
　　三个独立通道0、1、2的中心频率分别为l0 MHz、15 MHz和20 MHz。如图4所示为一个通道的DDC输入信号功率频谱图。图5为经过DDC处理后通道0的输出信号功率频谱图。从图中可以看出,邻通道泄漏功率比ACLR大80 dB。
　　
　　3总结
　　
　　本文通过根据数字下变频整体方案,对NCO、CIC滤波器、FIR滤波器进行了相关参数分析,并得出了总体仿真框图和结果,实现了数字下变频的FPGA设计与仿真。该接收系统用于WCDMA移动通信网络的基站体系中,实现手机信号良好的覆盖和传输。
　　
　　参考文献
　　[1]中华人民共和国信息产业部. WCDMA数字蜂窝移动通信网―分布式基站的射频远端设备技术要求. 2006.
　　[2]田耘, 徐文波, 胡彬等. Xilinx ISE Desinn Suite 10. x EPGA开发指南一逻辑设计篇[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2008: 338-356.
　　[3] 张欣. 扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现[M]. 北京: 科学出版社, 2004.
　　[4] 范艳根. CIC滤波器的FPG.A实现 [J]. 黑龙江科技学院学报, 2008, 18 (3): 206-208.
　　[5] 高志成, 肖先赐. 宽带数字下变频的种高效实现结构[J]. 电子与信息学报, 2001, 23(3): 255-260.
　　Gao Zhi-cheng and Xiao Xian-ci. An efficient implementation architecture for wideband digital downconversion. Journal of Electronics & Information Technology, 2001, 23(3): 255-260.
　　
　　作者简介
　　朱运航,副教授。主要研究方向为集成电路设计与信号处理。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文