数字中频的设计_完全版
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第一章 前言………………………………………………………………………………1 §1.1 引言.………………………………………………………………………………..1 §1.2 软件无线电的概念.………………………………………………………………..2 §1.3 数字中频的优点.…………………………………………………………………..3
电信科学技术研究院硕士学位论文
-iii-
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§4.3.4 DUC 的评估和选取…………………………………………………………41 §4.5 其它问题的考虑…………………………………………………………………42
§4.4.1 ISL5217、ISL5216 和 AD9777 寄存器配置..……………………………43 §4.4.2 DDC 中脉冲成形滤波器的设计……………………………………………44 §4.4.3 ADC 采样时钟的讨论 ……………………..………………………………45 §4.4.4 数字直接上变频技术中镜像抑制的方法 ..…..……………………………47 §4.4.5 数字中频电路中时钟同步问题的讨论 ……………………………………49 §4.4.6 其他问题的讨论…..…………………………………………………………50 §4.5 数字直接上变频电路.……………………………………………………………51 §4.6 数字直接下变频电路….…………………………………………………………54 第五章 数字中频电路测试与联调………………………………………………………57 §5.1 数字直接上变频电路测试….……………………………………………………57 §5.2 数字直接下变频电路测试….……………………………………………………59 第六章 结论以及下一步改进的建议……………………………………………………63 §6.1 结论.………………………………………………………………………………63 §6.2 下一步改进的建议.………………………………………………………………63 §6.3 理想软件无线电的技术挑战.……………………………………………………65 参考文献 …………………………………………………………………………………67 感谢 ………………………………………………………………………………………68 附录一 输出信号的分析图………………………………………………………………69 附录二 实物图……………………………………………………………………………70 附录三 EVM 和 BER 分析程序流程图…………………………………………………72 附录四 使用调制消除镜像的原理………………………………………………………74 附录五 数字中频关键器件主要性能指标………………………………………………75 附录六 缩略语……………………………………………………………………………76
电信科学技术研究院硕士学位论文
-2-
数字中频技术在 TD-SCDMA 基站系统中的应用和实现
§1.3 数字中频的优点
§1.3.1 传统超外差射频收发信机
传统的超外差结构的射频接收机和发射机如图 1-1 所示：
一次混频
带通 低噪声 滤波器 放大器
带通 滤波器
放大器
射频本振
二次混频 A/D I
cos
中频本振 sin
码片速率 码道间隔 基本帧长 多址方式 话音业务 数据业务
功率控制 调制方式 切换方式
1.28MHz 1.6MHz 5ms CDMA+TDMA+SDMA 8/12.2kps 移动环境下可达到 384kbps 非对称业务可达到 2Mbps 闭环功率控制和开环功率控制
QPSK 接力切换
电信科学技术研究院硕士学位论文
I/Q 信号幅度不平衡
电信科学技术研究院硕士学位论文
-3-
第一章 前言
幅度不平衡是由于 I/Q 是两路经过各自独立的信道进行处理所引起的；幅度 不平衡引起信号失真，如图 1-2 所示。
§1.3.1 传统超外差射频收发信机.………………………………………………….. 3 §1.3.2 数字中频结构的收发信机.………………………………………………….. 5 §1.4 数字中频的关键技术.……………………………………………………………..7 §1.5 论文内容……….…………………………………………………………………..7 第二章 数字中频的理论基础……………………………………………………………9 §2.1 信号采样理论.……………………………………………………………………..9 §2.1.1 Nyquist 采样定理..…………………………………………………………..9 §2.1.2 带通采样理论…………………………………………………………………9 §2.1.3 过采样和处理增益…..………………………………………………………10 §2.1.4 欠采样和频率转换…..………………………………………………………10 §2.2 多抽样率信号处理….……………………………………………………………11 §2.2.1 抽取和内插…..………………………………………………………………11 §2.2.2 整数倍内插…..………………………………………………………………11 §2.2.3 整数倍抽取…..………………………………………………………………16 §2.3 数字中频中常用的数字滤波器….………………………………………………19 §2.3.1 积分梳状（CIC）滤波器……………………………………………………19 §2.3.2 半带滤波器…..………………………………………………………………21 §2.3.3 升余弦滤波器和根升余弦滤波器…..………………………………………21 第三章 数字中频指标分析………………………………………………………………23 §3.1 数字中频各部分指标分析….……………………………………………………24 §3.1.1 ADC 的主要性能指标………………………………………………………24 §3.1.2 TD-SCDMA 基站系统对于 ADC 和 DDC 的指标要求…..………………26 §3.1.3 DAC 的主要性能指标………………………………………………………29 §3.1.4 TD-SCDMA 基站系统对于 DUC 和 DAC 的指标要求…..………………30 第四章 数字中频电路实现………………………………………………………………33 §4.1 数字中频时钟的选取….…………………………………………………………33 §4.2 数字中频频率的选择….…………………………………………………………34 §4.3 数字中频关键器件评估和选取….………………………………………………35 §4.3.1 ADC 的选取…………………………………………………………………35 §4.3.2 数字下变频器的选取…..……………………………………………………36 §4.3.3 DAC 的选取…………………………………………………………………38
-1-
第一章 前言
§1.2 软件无线电的概念
软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软 件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出 来。
由于技术的变化和应用的扩展，有关软件无线电的概念、结构实现、用途等都在 发展之中，目前还很难给出一个严格而全面的定义。但是根据大多数专家的理解，可 以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平 台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电的核 心思想是：
软件无线电结构形式有三种：射频低通采样软件无线电结构、射频直接带通采样 软件无线电结构和中频带通软件无线电结构。
目前，由于 A/D 和 D/A 技术的限制，只有中频带通软件无线电结构，即数字中 频结构可以实现。数字中频结构与传统的超外差无线电台收发信机结构是类似的，二 者的本质区别是中频带宽不一样，传统的收发信机中频带宽为窄带结构。由于中频带 宽不仅使前端电路的设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且与常规超 外差电台相比，这种宽带中频结构再配以后续的数字化处理，使其具有更好的波形适 应性、信号带宽适应性以及可扩展性。
数字中频结构是上述三种结构中最容易实现的，对器件的性能要求最低，但它离 理想的软件无线电的要求还有一定的距离。数字中频并没有实现完全意义上的软件无 线电，但是它是朝着软件无线电结构形式发展而来的。
数字中频技术的应用范围很广，除了可以应用在基站的收发信机中，在其他很多 领域中都可以应用。如在信号源或者信号频谱分析仪中，应用数字中频可以达到更好 的性能；数字中频可以应用于信息化家电中、雷达系统中等等。以后的技术如果使器 件耗电量和尺寸都很小的情况下，数字中频甚至可以应用在终端系统中。
电信科学技术研究院硕士学位论文
-iv-
数字中频技术在 TD-SCDMA 基站系统中的应用和实现
第一章 前言
§1.1 引言
移动通信在过去几年飞速发展，使用移动通信的用户讯速增加。到目前为止，我 国移动通信用户已经超过 1 亿。而且随着各种信息技术的发展，应用移动通信传输非 话音业务的需求也不断的增加。可以说移动通信在全世界有广阔的发展空间。面对国 内外巨大的市场前景，全世界通信领域内各个大公司早就将第三代移动通信的标准制 定和产品开发作为最主要的方向，投入巨大人力财力进行开发工作。特别是日本和欧 美的各公司，已经开发出完整的第三代移动通信系统，并将陆续进入大规模现场试验， 有的甚至已经开始商用。
TD-SCDMA 系统简介
TD-SCDMA 采用时分双工（TDD）模式，运用了多项先进技术，如：智能天线 （Smart Antenna）技术、联合检测（Joint Detection）技术、同步码分多址（SCDMA） 技术、软件无线电（Software Defined Radio）技术。其具有以下主要特点：
发射机中，射频前端的滤波器主要抑制本系统产生的杂散。中频的滤波器主要用 于抑制由 D/A 变换器和中频混频器所引起的镜像。射频放大器将信号放大到相应电 平。
以上收发信机的设计采用二中频的收发信机，放大器、混频器和滤波器之间应该 保持良好的阻抗匹配，保证信号有效的传输。
由于模拟器件的一致性不是很好，传统的收发信机主要有以下几方面的缺点：
1．ADC 和 DAC 尽可能靠近天线。 2．用软件来完成尽可能多的无线电功能。
软件无线电的主要特点可以归纳如下： 具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。 具有较强的开放性 软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术
的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级
A/D Q
基带 处理
基带 处理
一次混频
放大器
带通 滤波器
放大器
带通 滤波器
射频本振
D/A I
基带 处理
cos
中频本振
sin
D/A
Q
基带 处理Байду номын сангаас
图 1-1 传统的射频收发信机
接收机中，第一个射频带通滤波器主要抑制带外杂散信号。中频滤波器主要作用 是提取有用的信号而抑制其他的干扰信号。第一个放大器是低噪声放大器，后面的相 应的是中频放大器。
我国从 1998 年就开始关注第三代移动通信技术和标准，并由国家科委组织 863 计划对第三代通信技术进行开发。信息产业部电信科学技术研究院（CATT）作为我 国的电信技术最大的研究院和产业集团，从 1998 年起，在原邮电部科技司的领导下， 积极参与了第三代移动通信的标准工作，提出了我国自己的 TD-SCDMA 建议，并且 已经成为国际三大主流标准之一。并从 1999 年起开始 TD-SCDMA 系统设备的研发， 于 2002 年 2 月 3 日，进行了第一次 TD-SCDMA 现场演示会。2002 年 2 月 7 日，通 过了 C3G 组织的 MTnet 第一阶段测试、验收。2002 年 10 月，中国按照国际惯例出 台了 3G 频率规划方案，为 TD-SCDMA 标准预留出 1880-1920MHz、2010-2025MHz 及 2300-2400MHz 共计 155MHz 频段。
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第一章 前言………………………………………………………………………………1 §1.1 引言.………………………………………………………………………………..1 §1.2 软件无线电的概念.………………………………………………………………..2 §1.3 数字中频的优点.…………………………………………………………………..3
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§4.3.4 DUC 的评估和选取…………………………………………………………41 §4.5 其它问题的考虑…………………………………………………………………42
§4.4.1 ISL5217、ISL5216 和 AD9777 寄存器配置..……………………………43 §4.4.2 DDC 中脉冲成形滤波器的设计……………………………………………44 §4.4.3 ADC 采样时钟的讨论 ……………………..………………………………45 §4.4.4 数字直接上变频技术中镜像抑制的方法 ..…..……………………………47 §4.4.5 数字中频电路中时钟同步问题的讨论 ……………………………………49 §4.4.6 其他问题的讨论…..…………………………………………………………50 §4.5 数字直接上变频电路.……………………………………………………………51 §4.6 数字直接下变频电路….…………………………………………………………54 第五章 数字中频电路测试与联调………………………………………………………57 §5.1 数字直接上变频电路测试….……………………………………………………57 §5.2 数字直接下变频电路测试….……………………………………………………59 第六章 结论以及下一步改进的建议……………………………………………………63 §6.1 结论.………………………………………………………………………………63 §6.2 下一步改进的建议.………………………………………………………………63 §6.3 理想软件无线电的技术挑战.……………………………………………………65 参考文献 …………………………………………………………………………………67 感谢 ………………………………………………………………………………………68 附录一 输出信号的分析图………………………………………………………………69 附录二 实物图……………………………………………………………………………70 附录三 EVM 和 BER 分析程序流程图…………………………………………………72 附录四 使用调制消除镜像的原理………………………………………………………74 附录五 数字中频关键器件主要性能指标………………………………………………75 附录六 缩略语……………………………………………………………………………76
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数字中频技术在 TD-SCDMA 基站系统中的应用和实现
§1.3 数字中频的优点
§1.3.1 传统超外差射频收发信机
传统的超外差结构的射频接收机和发射机如图 1-1 所示：
一次混频
带通 低噪声 滤波器 放大器
带通 滤波器
放大器
射频本振
二次混频 A/D I
cos
中频本振 sin
码片速率 码道间隔 基本帧长 多址方式 话音业务 数据业务
功率控制 调制方式 切换方式
1.28MHz 1.6MHz 5ms CDMA+TDMA+SDMA 8/12.2kps 移动环境下可达到 384kbps 非对称业务可达到 2Mbps 闭环功率控制和开环功率控制
QPSK 接力切换
电信科学技术研究院硕士学位论文
I/Q 信号幅度不平衡
电信科学技术研究院硕士学位论文
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第一章 前言
幅度不平衡是由于 I/Q 是两路经过各自独立的信道进行处理所引起的；幅度 不平衡引起信号失真，如图 1-2 所示。
§1.3.1 传统超外差射频收发信机.………………………………………………….. 3 §1.3.2 数字中频结构的收发信机.………………………………………………….. 5 §1.4 数字中频的关键技术.……………………………………………………………..7 §1.5 论文内容……….…………………………………………………………………..7 第二章 数字中频的理论基础……………………………………………………………9 §2.1 信号采样理论.……………………………………………………………………..9 §2.1.1 Nyquist 采样定理..…………………………………………………………..9 §2.1.2 带通采样理论…………………………………………………………………9 §2.1.3 过采样和处理增益…..………………………………………………………10 §2.1.4 欠采样和频率转换…..………………………………………………………10 §2.2 多抽样率信号处理….……………………………………………………………11 §2.2.1 抽取和内插…..………………………………………………………………11 §2.2.2 整数倍内插…..………………………………………………………………11 §2.2.3 整数倍抽取…..………………………………………………………………16 §2.3 数字中频中常用的数字滤波器….………………………………………………19 §2.3.1 积分梳状（CIC）滤波器……………………………………………………19 §2.3.2 半带滤波器…..………………………………………………………………21 §2.3.3 升余弦滤波器和根升余弦滤波器…..………………………………………21 第三章 数字中频指标分析………………………………………………………………23 §3.1 数字中频各部分指标分析….……………………………………………………24 §3.1.1 ADC 的主要性能指标………………………………………………………24 §3.1.2 TD-SCDMA 基站系统对于 ADC 和 DDC 的指标要求…..………………26 §3.1.3 DAC 的主要性能指标………………………………………………………29 §3.1.4 TD-SCDMA 基站系统对于 DUC 和 DAC 的指标要求…..………………30 第四章 数字中频电路实现………………………………………………………………33 §4.1 数字中频时钟的选取….…………………………………………………………33 §4.2 数字中频频率的选择….…………………………………………………………34 §4.3 数字中频关键器件评估和选取….………………………………………………35 §4.3.1 ADC 的选取…………………………………………………………………35 §4.3.2 数字下变频器的选取…..……………………………………………………36 §4.3.3 DAC 的选取…………………………………………………………………38
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第一章 前言
§1.2 软件无线电的概念
软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软 件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出 来。
由于技术的变化和应用的扩展，有关软件无线电的概念、结构实现、用途等都在 发展之中，目前还很难给出一个严格而全面的定义。但是根据大多数专家的理解，可 以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平 台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。软件无线电的核 心思想是：
软件无线电结构形式有三种：射频低通采样软件无线电结构、射频直接带通采样 软件无线电结构和中频带通软件无线电结构。
目前，由于 A/D 和 D/A 技术的限制，只有中频带通软件无线电结构，即数字中 频结构可以实现。数字中频结构与传统的超外差无线电台收发信机结构是类似的，二 者的本质区别是中频带宽不一样，传统的收发信机中频带宽为窄带结构。由于中频带 宽不仅使前端电路的设计得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且与常规超 外差电台相比，这种宽带中频结构再配以后续的数字化处理，使其具有更好的波形适 应性、信号带宽适应性以及可扩展性。
数字中频结构是上述三种结构中最容易实现的，对器件的性能要求最低，但它离 理想的软件无线电的要求还有一定的距离。数字中频并没有实现完全意义上的软件无 线电，但是它是朝着软件无线电结构形式发展而来的。
数字中频技术的应用范围很广，除了可以应用在基站的收发信机中，在其他很多 领域中都可以应用。如在信号源或者信号频谱分析仪中，应用数字中频可以达到更好 的性能；数字中频可以应用于信息化家电中、雷达系统中等等。以后的技术如果使器 件耗电量和尺寸都很小的情况下，数字中频甚至可以应用在终端系统中。
电信科学技术研究院硕士学位论文
-iv-
数字中频技术在 TD-SCDMA 基站系统中的应用和实现
第一章 前言
§1.1 引言
移动通信在过去几年飞速发展，使用移动通信的用户讯速增加。到目前为止，我 国移动通信用户已经超过 1 亿。而且随着各种信息技术的发展，应用移动通信传输非 话音业务的需求也不断的增加。可以说移动通信在全世界有广阔的发展空间。面对国 内外巨大的市场前景，全世界通信领域内各个大公司早就将第三代移动通信的标准制 定和产品开发作为最主要的方向，投入巨大人力财力进行开发工作。特别是日本和欧 美的各公司，已经开发出完整的第三代移动通信系统，并将陆续进入大规模现场试验， 有的甚至已经开始商用。
TD-SCDMA 系统简介
TD-SCDMA 采用时分双工（TDD）模式，运用了多项先进技术，如：智能天线 （Smart Antenna）技术、联合检测（Joint Detection）技术、同步码分多址（SCDMA） 技术、软件无线电（Software Defined Radio）技术。其具有以下主要特点：
发射机中，射频前端的滤波器主要抑制本系统产生的杂散。中频的滤波器主要用 于抑制由 D/A 变换器和中频混频器所引起的镜像。射频放大器将信号放大到相应电 平。
以上收发信机的设计采用二中频的收发信机，放大器、混频器和滤波器之间应该 保持良好的阻抗匹配，保证信号有效的传输。
由于模拟器件的一致性不是很好，传统的收发信机主要有以下几方面的缺点：
1．ADC 和 DAC 尽可能靠近天线。 2．用软件来完成尽可能多的无线电功能。
软件无线电的主要特点可以归纳如下： 具有很强的灵活性 软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。 具有较强的开放性 软件无线电由于采用了标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术
的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级
A/D Q
基带 处理
基带 处理
一次混频
放大器
带通 滤波器
放大器
带通 滤波器
射频本振
D/A I
基带 处理
cos
中频本振
sin
D/A
Q
基带 处理Байду номын сангаас
图 1-1 传统的射频收发信机
接收机中，第一个射频带通滤波器主要抑制带外杂散信号。中频滤波器主要作用 是提取有用的信号而抑制其他的干扰信号。第一个放大器是低噪声放大器，后面的相 应的是中频放大器。
我国从 1998 年就开始关注第三代移动通信技术和标准，并由国家科委组织 863 计划对第三代通信技术进行开发。信息产业部电信科学技术研究院（CATT）作为我 国的电信技术最大的研究院和产业集团，从 1998 年起，在原邮电部科技司的领导下， 积极参与了第三代移动通信的标准工作，提出了我国自己的 TD-SCDMA 建议，并且 已经成为国际三大主流标准之一。并从 1999 年起开始 TD-SCDMA 系统设备的研发， 于 2002 年 2 月 3 日，进行了第一次 TD-SCDMA 现场演示会。2002 年 2 月 7 日，通 过了 C3G 组织的 MTnet 第一阶段测试、验收。2002 年 10 月，中国按照国际惯例出 台了 3G 频率规划方案，为 TD-SCDMA 标准预留出 1880-1920MHz、2010-2025MHz 及 2300-2400MHz 共计 155MHz 频段。