??? 摘? 要： 建立多信道軟件無線電" title="軟件無線電">軟件無線電接收機數學模型，介紹了ADI公司的高性能寬帶多載波" title="多載波">多載波數字中頻" title="數字中頻">數字中頻接收芯片AD6654電路結構和主要特性。在此基礎上提出一種數字中頻在cdma2000多載波接收系統的設計及應用方案,并給出了系統各個單元的設計和性能參數，最后仿真驗證了方案的可行性。
??? 關鍵詞： 數字中頻? 多載波? 抽取濾波器? 軟件無線電
?
??? 移動通信技術迅速發展的同時,也出現了多種通信體制并存、各種標準層出不窮和頻率資源缺乏等問題。這些新標準由于射頻載波頻率和調制方式不同而限制了各種設備的互通和兼容,造成了資金浪費和重復投入。軟件無線電SDR(Software Defined Radio)技術的出現，使人們看到解決問題的希望。它的基本思想[1]是：構造一個開放、標準、模塊化的通用硬件平臺，將無線通信系統的各種功能如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等通過軟件編程來實現。但是現階段，由于微電子發展水平有限，直接對射頻（RF）進行采樣還很難，所以需要先將射頻信號轉換到中頻（IF）上，然后在中頻對模擬信號進行數字化，即數字中頻。它是軟件無線電技術發展的一個重要步驟，它與模擬中頻相比能產生嚴格的幅相平衡正交信號，處理時能保證有嚴格的線性相位。數字中頻技術的應用范圍很廣，除了可以應用在基站的收發信機中，在其他很多領域中都可以應用。如在信號源或者信號頻譜分析儀中、信息化家電中、雷達系統中的應用，甚至可以應用在終端系統中。
??? 近年來，CDMA已成為移動通信領域的研究熱點。cdma2000是北美基于IS-95系統發展而來的第三代移動通信系統，在前向信道結構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據業務的目的。cdma2000標準中，詳細規定了發射技術的具體建議，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數學模型，基于高性能寬帶多載波數字中頻接收芯片AD6654，提出一種數字中頻軟件無線電接收系統的解決方案。
1 多信道軟件無線電接收機數學模型
??? 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，Φk表示第k路信號的相位，ak表示第k路信號的幅度，D為載波的個數。如果一個原型理想低通濾波器HLP（n）的頻率響應為：
??? 
則復信號本振角頻率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的子頻帶。濾波后的信號帶寬為2π/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D很大時，要求濾波器階數很高，即便采用抽取器的多相濾波器結構，實現代價仍太大，對于實時系統無法實現。所以工程中都使用抽取濾波器級聯的方式來實現。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：
??? 
?
2 AD6654的特性
??? AD6654將14位的ADC和4通道或6個接收通道的DDC集成到一個芯片中，極大簡化了設計。排除了從ADC到DDC進行高速數據傳輸所遇到的傳統互連問題。此外，該集成器件降低了材料清單(BOM)的數量，比采用單獨的器件成本要節省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，更小的數據率，使后面FIR濾波器在單位時鐘周期內可以處理更多的抽頭數，有更好的濾波性能。AD6654的另一個特點是具有一個分數倍頻器用來使ADC的時鐘產生一個高達200MHz的數字下變頻主時鐘，能使數字信號采樣抽取和數字濾波的性能達到最佳。它的兩個16bit并行輸出端口能適合高速數據傳輸速率的3G應用，還可以進一步提高一個片內內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據調整幅度的數字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為周期的寬帶數字信號；根據分布在第一Nyquist區間的各載波的中心頻率，分別設置各通道NCO的工作時鐘，完成數字下變頻，各通道都得到一個高速的基帶信號，由后續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基帶解調的速率，其中CRCF是譜成形濾波器，不同的設置可以輸出符號不同的3G標準的譜信號，最后的AGC用來使輸出信號的平均功率穩定在一個符合后續基帶處理要求的值上。
3 AD6654在cdma2000多載波接收機中的應用設計及仿真結果
??? 下面分析AD6654在采用多載波數字中頻結構的cdma2000基站中應用時的初步設計。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，有利于提高系統性能。
3．1 系統方案
??? 圖3為系統框圖。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字信號處理器（DSP）。整個系統的配置以及初始化均由微處理器和PC機來完成。數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的，所以本系統采用ADI的一款性能很高的DSP―ADSP-TS201來進行基帶處理。它的主頻高達500MHz，是Tiger-SHARC系列中性能最優越的一款DSP。
?
?
3．2 A/D的性能要求及實現
??? A/D器件的選取直接關系著整個中頻接收機的性能，包括位數和采樣頻率" title="采樣頻率">采樣頻率的選取。位數的選取由信號的動態范圍決定，而采樣頻率的選擇應綜合考慮中頻、帶寬等各個方面的因素。有經驗公式：
??? 
??? 其中，Pb為最大帶內阻塞，Ps為最小信號，量化噪聲應該比最小信號電平低15dB～20dB。cdma2000要求信噪比SNR≥DR=93dB。由于實際A/D非理想，且還有其他噪聲，因此選SNR值為96dB[3]，由(5)式：
??? 
式中，N為A/D的位數，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可以滿足系統設計要求。
3．3 中頻頻率及采樣頻率的確定
??? 精心選擇采樣頻率和IF頻率有利于簡化設計，避免了在數字信道抽取時出現發現數字載頻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應該考慮：fs位于[2B,2Fh]且Fh大于2B時fs應該滿足[4]：
??? 
其中K為整數（帶通采樣無混疊條件），Fl、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整體上實現整數倍抽取，fs應該是理想基帶處理速率的整數倍。例如在cdma2000應用中，fs應該為1.228 8MHz的整數倍，WCDMA中應該為3.84MHz的整數倍；TD-SCDMA中應該為1.28MHz的整數倍。由帶通采樣定理：
??? 
??? 結合(6)式取K=3，可得中頻頻率為76.8MHz，則ADC時鐘頻率定為61.44MHz。
3．4 NCO的設置
??? 內部數控振蕩器（NCO）的頻率控制字N是一個32位無符號整數。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AD6654[2]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應該產生的頻率為：75.55MHz-61.44MHz=14.11MHz；通道一NCO應該產生的頻率為：76.8MHz-61.44MHz=15.36MHz；通道二應該產生的頻率為：78.05MHz-61.44MHz=16.61MHz。這樣每個通道數字混頻后信號都被下變頻到基帶信號。
3．5 各個部分抽取因子和濾波器設計及性能分析
??? 總抽取因子：D=61.44/2.4576=25,cdma2000基帶信號的標準速率是1.228 8Mcps,每個通道將速率降到2.4576Msps是為了使后面基帶解調電路獲得一個過采樣信號，以保證解調的性能更優。
??? (1)DDC處理速度必須大于或等于ADC的采樣速率。這里DDC的時鐘頻率PCLK選擇為：61.44×13/4=199.68MHz。倍頻系數為M=13；分頻系數為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方面的考慮。
??? ①處理增益
??? 由5級CIC濾波器頻率響應的表達式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。所以級數不能太大，否則容易引起溢出或降低運算精度。
??? 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帶內平坦度考慮
??? 隨著抽取率的提高，通帶內的信號衰減也增大，不過帶內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的頻率響應如圖4所示。
?
?
??? 根據表1，可知選取5×5方案，可以獲得比較好的效果。即CIC濾波器的抽取倍數為5，剩下的5倍抽取由后面的DRCF實現。
??? (3)MRCF旁路，DRCF實現5倍抽取，輸入采樣速率為12.288Msps，輸出的采樣速率為2.457 6Msps。為了節省資源，DRCF的阻帶設計大于系統處理帶寬，而最終的帶外衰減主要由CRCF完成。DRCR的頻率響應如圖5所示，最大抽頭個數估計：Ceil{199.68/2.4576}-1=80。
??? CRCF的主要目的是對整個信道進行整形濾波，這里不使用它實現抽取。信號經過前幾級抽取后采樣速率相對來說已經比較低了，所以此處用于波形成形，各種指標能設計得很好。所以設置如下：CIC5 抽取因子為5；FIR1、FIR2使用，HB1、HB2旁路，DRCF使用，階數為80，抽取因子為5；CRCF使用，階數為80，不抽取，LHB旁路。
3．6 AGC、同步及端口設置
??? AGC利用自身的環路負反饋結構，使輸出信號的平均功率穩定在可編程規定的值上。并口與6個AGC的處理關系是：數據先到的先處理。選擇AGC工作于理想電平模式，AGC自身的環路將根據信號的平均功率電平和“理想電平”的差別來調整增益，使平均功率電平穩定在理想值上。兩個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）。在這個設計中只利用三個通道，每個通道只處理一個載波。如果要用多個通道資源來處理一個載波時，只需要將對應通道的FCF濾波器的抽頭相位設置好即可，如果兩個通道合作時，一個設置為0，另一個設置為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：按照以上各個模塊的參數設置進行仿真。頻譜響應如圖6所示，由頻譜圖可以看出，AD6654具有近乎理想的帶內平坦和帶外衰落特性，符合系統設計要求。
??? 目前已經完成現有器件的設計方案、報告及主要性能參數的優化。雖然這只是數字中頻在cdma2000多載波接收機中的應用，但對于其他通信系統，其原理及處理方法上也是適用的。
參考文獻
[1] 楊小牛.軟件無線電原理與應用.北京：電子工業出版社，2002.
[2]?AD6654 芯片資料.
[3]?許曉東，王文博，楊大成.寬帶CDMA數字中頻接收機.通信學報，2001,22（8）.
[4] WEPMAN J A. HOFFMAN J R. RF and IF digitalization in radio receivers: theory, concepts and examples[R].NTIA Report:96-328.