AD6654在cdma2000多載波數(shù)字中頻接收機中的應(yīng)用

1、    AD6654在cdma2000多載波數(shù)字中頻接收機中的應(yīng)用        羅文宇, 張立志, 金 梁 時間:2008年07月07日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>多載波<"cblue" &qu

2、ot; target='_blank'>軟件無線電<"cblue" " target='_blank'>采樣頻率<"cblue" " target='_blank'>數(shù)字中頻<"cblue" " target='_blank'>采樣速率            ? 摘? 要： 建立多信

3、道<"cblue" " title="軟件無線電">軟件無線電接收機數(shù)學(xué)模型，介紹了ADI公司的高性能寬帶<"cblue" " title="多載波">多載波<"cblue" " 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)計及應(yīng)用方案,并給出了系統(tǒng)各個單元的設(shè)計和性能參數(shù)，最后仿真驗證了方案的可行性。? 關(guān)鍵詞： 數(shù)字

4、中頻? 多載波? 抽取濾波器? 軟件無線電? 移動通信技術(shù)迅速發(fā)展的同時,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）進行采樣還很難，所以需要先將射頻信號轉(zhuǎn)換到中頻（I

5、F）上，然后在中頻對模擬信號進行數(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已成為移動通信領(lǐng)域的研究熱點。cdma2000是北美基于IS-95系統(tǒng)發(fā)展而來的第三代移動通信系統(tǒng)，在前向信道結(jié)構(gòu)上采用直接序列擴頻和多載波兩種方式來達到提供寬帶數(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

6、收部分涉及的不多。本文建立了多信道軟件無線電接收機數(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數(shù)學(xué)模型? 所謂多信道軟件無線電接收機是指這種接收機在同一時刻可以接收多個信道的信號進行解調(diào)分析，在接收多載波信號時，需要對輸入的一個包含多個子載波的總的載波（即寬帶信號）進行處理，必須將各個子載波從整體信號中隔離出來進行單獨處理。輸入的多載波信號S(n)可以表示為：? ? 其中，為第k路信號的載波頻率，k表示第k路信號的相位，ak表示第k路信號的幅度，D為載波的個數(shù)。如果一個原型理想低通濾波器HLP（n）的頻率響

7、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2/D，可以進行D倍抽取。? 基于以上分析建立的多信道軟件無線電接收機如圖1所示，抽取后的基帶信號輸入DSP做進一步處理。顯然當(dāng)D很大時，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)，實現(xiàn)代價仍太大，對于實時系統(tǒng)無法實現(xiàn)。所以工程中都使用抽取濾波器級聯(lián)的方式來實現(xiàn)。假如每載波采用M級抽取，每一級的抽取因子分別為Dm（m1,2,3,M），則總的抽取因子為：? ?2 AD6654的特性? AD6654將14

8、位的ADC和4通道或6個接收通道的DDC集成到一個芯片中，極大簡化了設(shè)計。排除了從ADC到DDC進行高速數(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。每個通道可以單獨處理一個載波，也可以由多個通道協(xié)作處理一個載波，從而每個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的另一個特點是具有一個分?jǐn)?shù)倍頻器用來使ADC的時鐘產(chǎn)生一個高達200MHz的數(shù)字下變頻主時鐘，能使數(shù)字信號采樣抽取和數(shù)字濾波的性能達到最佳。它的兩個16bi

9、t并行輸出端口能適合高速數(shù)據(jù)傳輸速率的3G應(yīng)用，還可以進一步提高一個片內(nèi)內(nèi)插半帶濾波器的輸出速率，并且每個并行輸出端口都有一個為輸出數(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<"cblue" " 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的工作時鐘，完成數(shù)字下變頻，各通道都得到一個高速的基帶信號，

10、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)定在一個符合后續(xù)基帶處理要求的值上。3 AD6654在cdma2000多載波接收機中的應(yīng)用設(shè)計及仿真結(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)用時的初步設(shè)計。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。31 系

11、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）。整個系統(tǒng)的配置以及初始化均由微處理器和PC機來完成。數(shù)字信號處理是整個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都是通過DSP為中心的通用硬件平臺以及軟件來實現(xiàn)的，所以本系統(tǒng)采用ADI的一款性能很高的DSPADSP-TS201來進行基帶處理。它的主頻高達500MHz，是Tiger-SHARC系列中性能最優(yōu)越的一款DSP。?32 A/D的性能要求及實現(xiàn)? A/D器件的選取直接關(guān)系著整個中頻接收機的性能，包括位數(shù)和<&quo

12、t;cblue" " title="采樣頻率">采樣頻率的選取。位數(shù)的選取由信號的動態(tài)范圍決定，而采樣頻率的選擇應(yīng)綜合考慮中頻、帶寬等各個方面的因素。有經(jīng)驗公式：? ? 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15dB20dB。cdma2000要求信噪比SNRDR=93dB。由于實際A/D非理想，且還有其他噪聲，因此選SNR值為96dB3，由(5)式：? 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)計要求。3

13、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，避免了在數(shù)字信道抽取時出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)數(shù)字載頻NCO過載的可能性，同時提高了頻率分辨率。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fs應(yīng)該滿足4：? 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。因為AD6654整體上實現(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

14、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時鐘頻率定為61.44MHz。34 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，可以用下式計算N：? 其中, fSAMP為抽樣頻率，N代表AD66542中的頻率控制字NCO-FREQ。三個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

15、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。這樣每個通道數(shù)字混頻后信號都被下變頻到基帶信號。35 各個部分抽取因子和濾波器設(shè)計及性能分析? 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

16、時鐘頻率PCLK選擇為：61.44×13/4=199.68MHz。倍頻系數(shù)為M=13；分頻系數(shù)為N4。? (2)CIC5的可編程抽取率大小為232。對CIC5抽取的選取主要有以下三個方面的考慮。? 處理增益? 由5級CIC濾波器頻率響應(yīng)的表達式H5（ejw)=D5·Sa5(wD/2)·Sa-5(w/2)可知，CIC抽取濾波器有一個處理增益D5。所以級數(shù)不能太大，否則容易引起溢出或降低運算精度。? 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。? 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

17、，不過帶內(nèi)衰減可以在后級濾波器中進行補償。需要保護的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。? 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實現(xiàn)。? (3)MRCF旁路，DRCF實現(xiàn)5倍抽取，輸入采樣速率為12.288Msps，輸出的采樣速率為2.457

18、 6Msps。為了節(jié)省資源，DRCF的阻帶設(shè)計大于系統(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，最大抽頭個數(shù)估計：Ceil199.68/2.4576-1=80。? CRCF的主要目的是對整個信道進行整形濾波，這里不使用它實現(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。36 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