专利名称：用于多载波移动通信中继设备的数字选频装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于多载波移动通信系统的数字选频装置。
背景技术：
随着移动用户数量和数据业务比例逐渐增加，移动通信系统承载的载波数量急剧 增加，载波数的增加使得相邻载波之间产生许多互调信号，这些互调信号不仅会对通信系 统造成噪声干扰，降低通信的质量，甚至造成通信系统瘫痪，互调信号的谐波还有可能成为 其他通信的干扰源。另一方面，由于用户和运营商对移动通信网络质量和覆盖效果提出了 越来越高的要求，从而促使中继设备被广泛使用。在多载波通信系统中，为了降低互调信 号的影响，其中继设备一般会采取信道选频的方式，即在接收信号后，根据各信道频率的不 同，让每个信道都通过各自的带通滤波器，滤除每个信道带外的噪声，然后再把信号发射出 去。在传统的模拟信号领域实现通信系统的信号选频，一般都采用中频声表面滤波器 来完成。由于移动通信系统中传输的是射频信号，在采用这种实现方式时，需要把射频信号 变换到高中频处理。对于通信系统中的窄带信号，比如GSM信号、CDMA2000EVD0信号，实现 选频功能所使用的声表面滤波器的体积大，而且外围电路复杂，需要有阻抗匹配电路、增益 补偿电路等，并且每一个信号处理通道还需要有各自的混频单元，每个混频单元都需要独 立进行控制。在载波数激增的情况下，比如8载波、12载波甚至16载波，基于传统技术设计 制造的选频装置的体积越来越大，并且电路复杂程度成倍增加，对于故障排除、批量生产都 是十分不利的。近年来，数字信号处理技术已应用到移动通信系统的中继设备上。随着半导体技 术的发展，ASICs价格不断下降，原本应用在基站上的一些ASICs也应用到中继设备的选 频装置中。这种实现方式，相比于传统模拟的实现方式，虽然解决了电路复杂、体积大的问 题，但存在ASICs寄存器的配置复杂、芯片性能对制约设备性能提高和不利于系统扩展等 问题。
实用新型内容本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于多载波移动通信 中继设备的数字选频装置。本实用新型采用如下技术方案用于多载波移动通信中继设备的数字选频装置， 包括混频子系统，模数转换器子系统，数模转换器子系统，微控制器子系统，时钟子系统，以 及分别与模数转换器子系统、数模转换器子系统、微控制器子系统、时钟子系统连接的数字 中频处理子系统；数字中频处理子系统采用现场可编程逻辑阵列，并且包括依次连接的数字下变频 单元、增益控制调整单元、数字上变频单元，以及接口单元；数字下变频单元包括直接数字 频率合成器单元，用于进行数字混频、调制，以消除模数转换时产生的频谱搬移；以及滤波器，用于对信号进行了抽取、滤波处理；增益控制调整单元，用于接收数字下变频单元的输 出信号，并根据中继设备的带内波动情况对整个带宽的增益进行调整；数字上变频单元，包 括滤波器，用于对信号进行了插值、滤波处理；直接数字频率合成器单元，用于进行数字混 频、调制，还原出数字中频信号；接口单元分别与微控制器子系统、直接数字频率合成器单 元、增益控制调整单元连接。直接数字频率合成器单元，包括直接数字频率合成器，其根据输入频率字处理产 生的相应离散正弦/余弦信号，所述频率字由微控制器子系统根据各个信道频率相应设 置、并通过接口单元从微控制器子系统获取；以及乘法器，用于将模数转换器子系统的输出 信号/数字下变频单元的输出信号与直接数字频率合成器输出的离散正弦/余弦信号进行 相乘操作。增益控制调整单元根据增益调整参数对整个带宽的增益进行衰减/补偿，所述调 整参数由微控制器子系统根据中继设备的带内波动情况产生、并通过接口单元从微控制器 子系统获取。所述增益调整参数包括增益调整的步长和增益调整的范围。数字下变频单元、数字上变频单元采用两级包括滤波器级联结构。混频子系统，包括上混频器，用于将高中频信号变换成射频输出信号；下混频器， 用于把射频信号变换成高中频信号；补偿增益放大器，用于补偿混频时产生的衰减；带通 滤波器，用于抑制输入模数转换器子系统信号的谐波；以及本振模块，用于产生混频器的本 振信号。时钟子系统包括参考时钟模块，用于产生参考时钟信号；以及时钟分配模块，用于 将参考时钟分配给各个子系统。模数转换器子系统，包括模数转换器，用于实现信号模数转换；功率检测和控制模 块，用于对输入模数转换器的信号进行信号检测，并且根据输入信号功率控制模数转换器 子系统工作状态。由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是本实用新型提供的用于多载波移动通信中继设备的数字选频装置，采用软件无线 电技术，利用FPGA实现数字滤波完成多载波选频，与传统的模拟实现方式和使用ASICs的 数字实现方式相比，具备体积小、电路简单、功耗低，调试简单，方便大规模生产等优点；本 装置具有良好的适用性、可扩展性和灵活性，只需对装置的软件程序进行修改，即可移植到 不同的移动通信系统上使用，只需选用封装一样而容量不同的FPGA，即可适应载波数不同 的通信系统，不需要重新设计PCB板，可实现产品快速设计和实现，能有效降低成本；本装 置在数字域具有增益调整功能，可用于抵消补偿通信系统中出现的带内波动，保证整个工 作带宽内的增益一致；采用射频输入、射频输出的设计，可以很好的替换原模拟方式选频装 置。
图1是用于多载波移动通信中继设备的数字选频装置的原理框图。图2是数字中频处理子系中的直接数字频率合成器的原理框图。图3是数字中频处理子系中的直接数字频率合成器单元和数字下变频单元的原理框图。图4是数字中频处理子系中的直接数字频率合成器单元和数字上变频单元的原 理框图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式
对本实用新型作进一步的描述。本实用新型提供一种用于多载波移动通信中继设备的数字窄带选频装置，能支持 任意载波数的数字选频，载波数目可以根据实际设计要求任意进行增减。本装置基本原理 是将接收到的射频信号进行模数转换后，使用数字中频处理系统在数字域对信号进行选 频处理，然后再通数模转换把信号还原到模拟域并发射出去。参照图1，数字选频装置包括混频子系统、模数转换器(ADC)子系统、数模转换器 (DAC)子系统、数字中频处理子系统、微控制器子系统、时钟子系统。数字中频处理子系统分 别与ADC子系统、DCA子系统、微控制器子系统、时钟子系统连接。微控制器子系统还分别 与ADC子系统、数模转换器子系统、时钟子系统、混频子系统相连。混频子系统包括上混频器、下混频器、补偿增益放大器、带通滤波器、本振模块。模 数转换器子系统包括模数转换器和功率检测模块。时钟子系统包括参考时钟模块和时钟 分配模块CLOCK，参考时钟模块用于产生参考时钟信号，时钟分配模块CLOCK用于将时钟 分配给ADC子系统、DCA子系统、数字中频处理子系统、微控制器子系统、混频子系统，为各 个子系统提供工作的驱动时钟信号。数字中频处理子系统包括直接数字频率合成器单元、 数字下变频单元、增益控制调整单元、数字上变频单元、接口单元。其中，接口单元用于与 微控制器子系统连接。数字中频处理子系统采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)实现。采用 FPGA芯片并通过程序控制来完成数字选频功能，可以适应各种不同的通信标准，比如GSM、 CDMA1X-EVD0、WCDMA 等。下面对数字选频装置的各子系统具体构成和工作原理进行详细描述首先，微控制器子系统在系统上电后，完成对混频子系统的本振模块、ADC子系统、 DAC子系统和时钟子系统德时钟分配模块的初始化，主要是根据设计完成对这些ASICs内 部寄存器的赋值，从而实现完成对ASICs工作状态的设定。数字选频装置在接收到输入的射频信号后，利用混频子系统的下混频器把射频信 号变换成高中频信号。由于在混频时会产生一定的衰减，所以在下混频器后放置一级补偿 增益放大器，用于补偿混频时的衰减。又因为ADC在采样时是宽带的，为了防止输入信号的 谐波在采样阶段混入带内，所以在ADC子系统的输入端设置LC带通滤波器，用于抑制输入 信号的谐波。LC带通滤波器的阶数，以5阶或7阶为宜，尽量把输入信号的谐波抑制到设备 底噪声的水平。混频子系统的本振模块采用NS或TI等半导体厂商的本振芯片，本振芯片的内部 包括一个PLL和一个VC0。本振芯片包含覆盖500MHz到2. 9GHz所有频点的系列产品，对于 不同通信标准，可以选择使用系列产品中对应的芯片。混频子系统的上混频器和下混频器 均为宽带器件，可适用于各种通信系统。从混频子系统出来的信号进入ADC子系统。ADC子系统将输入的模拟信号进行模 数转换，量化成数字信号。ADC采用带通采样的工作方式。根据带通采样定理，ADC子系统的采样率必须是信号带宽的两倍。而依照现在国内信号频谱的规划，中国移动GSM通信系 统的带宽为24MHz，中国电信CDMA800通信系统的带宽为25MHz，中国联通W⑶MA痛惜系统 的带宽是20MHz。当然还有一些其他的通信系统，这里不一一列举。ADC子系统的采样率 一般采用61. 44MSPS、92. 16MSPS或122. 88MSPS等一些典型值，当然也可使用例如70MSPS、 100MSPS等等，这都可以根据实际需求更改。IF频率的选择与采样率相关，一般IF频率的 选择遵循公式(1)、(2)要求，假设F0是IF信号的中心频率，Fs是采样率，B是有用信号的 带宽。F0+B/2 < 3Fs/2..................(1)F0-B/2 > Fs ..................(2)以上要求可将有用信号都放置在乃奎斯特带宽的正区间，但为了保证对IF部分 的本振泄漏进行抑制，一般要求有用信号高低的两个边缘点距离乃奎斯特带宽的正区间的 边缘还有5MHz左右的距离。由于所有的ADC都有一定的量程，对于超过量程的信号，ADC不能正确量化，会造 成信号失真。因此，ADC子系统采用功率检测和控制模块对输入的信号进行信号检测，当发 现输入信号功率超过ADC的量程时，该模块发出告警信号并控制停止ADC的信号输出，直到 信号恢复正常，才使ADC回到正常的工作状态。ADC在进行带通采样的过程会形成频谱搬移，并产生镜像频谱。假设信号频率为 F，采样率为Fs，则经过带通采样后，信号的频率由F搬移至F-Fs，并且在-(F-Fs)产生镜像 频谱。数字中频处理子系统接收到ADC子系统送来的信号后，进行以下操作利用直接数字频率合成器(DDS)单元将信号频率搬移到零中频上。参照图3，DDS 单元包括直接数字频率合成器(DDS)和乘法器。其中，DDS的原理框图如图2，DDS包括相 位累加器和正、余弦ROM查找表，其工作原理是公知，不再赘述。DDS可根据输入的频率字 控制产生的离散正弦/余弦信号，而频率字是由数字中频处理子系统中的接口单元从微控 制器子系统获取。微控制器子系统根据各个信道频率情况，设置相应的频率字。DDS单元 将ADC子系统送来的信号和DDS输出的离散正弦/余弦信号进行相乘操作，把信号搬移至 零中频，并分别生成IQ两路信号。利用数字滤波器对IQ两路信号分别进行抽取、滤波处理。参照见图3，数字下变
频子单元采用两级数字滤波器的结构，第一级为5阶的CIC抽取滤波器，用于对IQ两路信
号进行数字抽取处理，抽取倍数根据不同的移动通信系统确定；第二级为FIR滤波器，除了
实现对信道带外信号进行抑制，还实现信号的成型滤波功能。所述数字滤波器是采用无衰
减设计的，滤波器可能出现信号衰减。当出现信号衰减，则需要在数字滤波器后进行增益补 m
te o增益调整控制单元接收数字下变频的输出信号，并用于抵消补偿通信系统中出现 的带内波动。公知的，在中继系统中使用了很多无源器件，如腔体双工器、介质双工器及射 频声表等等。并且放大器在一个比较宽的频带内，增益很难做到一致，所以中继系统工作时 会出现在整个工作带宽内增益不平衡的现象，即带内波动。利用增益调整控制单元可把所 述带内波动的幅度降低，甚至消除。具体实现方法是微控制器子系统根据中继设备实际的 带内波动情况产生调整参数，数字中频处理子系统的接口单元从微控制器子系统获取调整
6参数并传送给增益调整控制单元，增益调整控制单元根据调整参数对整个带宽的增益进行 微调，即把增益较大的频段适当进行衰减，把增益较小的频率进行增益补偿。调整参数包括 增益调整的步长和增益调整的范围。一般的，调整的步长为0. ldB，调整的范围为2dB。数字上变频子单元实现数字下变频的逆过程。由于数字下变频对信号进行了抽 取，因此在进行数字上变频时，为了还原信号，需要对信号进行插值。参照图4，数字下变频 子单元也采用两级数字滤波器的结构，包括FIR滤波器，用于实现对信道带外信号的抑制 和信号的成型滤波；CIC插值滤波器，用于对IQ两路信号进行数字插值处理。插值的过程 会产生信号镜像，同样需要采用滤波器将信号镜像。利用DDS单元进行混频、调制还原出信 号。DDS单元与上述结构相同，不再赘述。同样的，所述数字滤波器也是采用无衰减设计的， 滤波时可能出现信号衰减。当出现信号衰减，则需要在数字滤波器后进行增益补偿。在完成数字上变频后，数字信号送到DAC子系统完成数模转换，再利用混频子系 统的上混频器把高中频模拟信号变换成射频信号。数模转换时，通常要求离散信号的码速 率要达到变换频率的两倍以上，所以应选用的带有内插值功能DAC，以保证离散信号码速率 达到要求。另外，DAC有正交调制功能可选，若DAC使用正交调制功能，则其输出的为单端 信号，相应的上混频应选择单端变换的ASIC ；若DAC不使用正交调制功能，则应选择带有正 交调制功能的上混频器来完成调制和上混频的操作。同样的，DAC子系统输出端连接有LC 带通滤波器，若DAC输出为单端信号，则选用单端的LC滤波器；若DAC输出仍为IQ信号，则 LC滤波器需要设计为差分的形式。在上混频器输出后，为了补偿之前链路产生的衰减，同样 放置一级增益补偿电路。上述仅为本实用新型的一个具体实施方式
，但本实用新型的设计构思并不局限于 此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围 的行为。
权利要求用于多载波移动通信中继设备的数字选频装置，包括混频子系统，模数转换器子系统，数模转换器子系统，微控制器子系统，时钟子系统，以及分别与模数转换器子系统、数模转换器子系统、微控制器子系统、时钟子系统连接的数字中频处理子系统；其特征是数字中频处理子系统采用现场可编程逻辑阵列，并且包括依次连接的数字下变频单元、增益控制调整单元、数字上变频单元，以及接口单元；数字下变频单元包括直接数字频率合成器单元，用于进行数字混频、调制，以消除模数转换时产生的频谱搬移；以及滤波器，用于对信号进行了抽取、滤波处理；增益控制调整单元，用于接收数字下变频单元的输出信号，并根据中继设备的带内波动情况对整个带宽的增益进行调整；数字上变频单元，包括滤波器，用于对信号进行了插值、滤波处理；直接数字频率合成器单元，用于进行数字混频、调制，还原出数字中频信号；接口单元分别与微控制器子系统、直接数字频率合成器单元、增益控制调整单元连接。
2.根据权利要求1所述的数字选频装置，其特征是直接数字频率合成器单元，包括直 接数字频率合成器，其根据输入频率字处理产生的相应离散正弦/余弦信号，所述频率字 由微控制器子系统根据各个信道频率相应设置、并通过接口单元从微控制器子系统获取； 以及乘法器，用于将模数转换器子系统的输出信号/数字下变频单元的输出信号与直接数 字频率合成器输出的离散正弦/余弦信号进行相乘操作。
3.根据权利要求1所述的数字选频装置，其特征是增益控制调整单元根据增益调整 参数对整个带宽的增益进行衰减/补偿，所述调整参数由微控制器子系统根据中继设备的 带内波动情况产生、并通过接口单元从微控制器子系统获取。
4.根据权利要求3所述的数字选频装置，其特征是所述增益调整参数包括增益调整 的步长和增益调整的范围。
5.根据权利要求1所述的数字选频装置，其特征是数字下变频单元、数字上变频单元 采用两级包括滤波器级联结构。
6.根据权利要求1所述的数字选频装置，其特征是混频子系统，包括上混频器，用于 将高中频信号变换成射频输出信号；下混频器，用于把射频信号变换成高中频信号；补偿 增益放大器，用于补偿混频时产生的衰减；带通滤波器，用于抑制输入模数转换器子系统信 号的谐波；以及本振模块，用于产生混频器的本振信号。
7.根据权利要求1所述的数字选频装置，其特征是时钟子系统包括参考时钟模块，用 于产生参考时钟信号；以及时钟分配模块，用于将参考时钟分配给各个子系统。
8.根据权利要求1所述的数字选频装置，其特征是模数转换器子系统，包括模数转换 器，用于实现信号模数转换；功率检测和控制模块，用于对输入模数转换器的信号进行信号 检测，并且根据输入信号功率控制模数转换器子系统工作状态。专利摘要用于多载波移动通信中继设备的数字选频装置，包括混频子系统、ADC子系统、DCA子系统、微控制器子系统、时钟子系统、以及数字中频处理子系统；数字中频处理子系统采用现场可编程逻辑阵列，并且包括数字下变频单元包括DDS单元和滤波器，用于进行数字混频、调制，以消除模数转换时产生的频谱搬移，并对信号进行了抽取、滤波处理；增益控制调整单元，用于接收数字下变频单元的输出信号，并根据中继设备的带内波动情况对整个带宽的增益进行调整；数字上变频单元，包括滤波器和DDS单元，用于对信号进行插值、滤波处理，并进行数字混频、调制，还原出数字中频信号；接口单元分别与微控制器子系统、DDS单元、增益控制调整单元连接。
文档编号H04B7/15GK201708797SQ20102019837
公开日2011年1月12日 申请日期2010年5月17日 优先权日2010年5月17日
发明者刘聪江, 吴明磊 申请人:福建先创通信有限公司