一种GSM接收机设计与实现

一种GSM接收机设计与实现
作者：刘之光王星
来源：《硅谷》2011年第12期
摘要：介绍一种GSM接收机设计与实现方案，该设计中采用AD9445实现GSM信号的模数变换，将采集后数据送到FPGA和DSP中进行后续基带信号处理。

给出系统总体设计，并对其中的主要电路设计进行详细阐述。

由于该GSM接收机系统采用FPGA+DSP结构，因此系统具有较强的设计灵活性和较高的实用价值。

关键词： GSM；接收机；现场可编程门阵列；数字信号处理器
中图分类号：TM92文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620070－01
0 引言
GSM是全球使用最为广泛的一种无线通信标准，属于第2代蜂窝移动通信技术，GSM电话的市场份额占到全球移动电话市场份额的70%[1]。

传统的GSM接收设备一般采用专用ASIC芯片实现基带信号处理算法，该方法难以实现基带算法的灵活可调，可移植性不强。

随着软件无线电技术的发展，以及现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）的进步，其被广泛应用于GSM接收设备中[2]。

本文介绍了一种GSM接收机的设计与实现，该设计采用FPGA+DSP结构，构建了一个便于修改、灵活性好的通用硬件平台。

1 GSM接收机系统总体设计
本设计中GSM接收机采用了FPGA+DSP结构，其中FPGA采用了ALTERA公司StratixII 系列EP2S60，DSP采用了TI公司TMS320C6021芯片。

对于A/D转换器的选择，按照带通采样定理，选择为信号带宽的2倍或以上即可，因此本设计中A/D转换器采用了美国模拟器件公司生产的AD9445，为了给AD9445提供高速时钟，设计中采用了PLL芯片ADF4360提供所需时钟，同时为了满足AD9445差分输入需求，信号调理部分实现了单端信号转差分功能，具体GSM接收机硬件系统设计如图1所示。

图1GSM接收机硬件系统设计
2 GSM接收机各主要电路设计与实现
2.1 信号调理电路设计
信号调理电路主要是完成信号单端输入转换成差分输出，采用了Mini-Circuits公司生产的单端-差分转换器ADTT1-6，其中VIN_A为单端输入信号，VIN-A和VIN+A为差分输出信号，具体电路设计如图2所示。

图2信号调理电路设计
2.2 时钟电路设计
本系统中时钟电路部分主要利用了锁相环芯片，产生高速时钟提供给高速A/D转换器。

选择了ADF4360芯片提供系统所需时钟，该芯片是AD公司新推出的一系列的PLL芯片[3]，其针对不同频率范围有几种系列可供选择。

该芯片中心频率由外置电感决定，可根据参考输入频率，通过三线配置其内部的R、C、N三个寄存器，即写24bit控制字即可完成配置实现最终输出频率。

该芯片中采用两个不同的分频模数P和P+1，分别预置在A和B（A
（1）
2.3 A/D转换器电路设计
本设计中A/D转换器采用了AD9445，该芯片是AD公司推出的一款高速模数转换器[4]，该芯片采样率为125MSPS，分辨率为14bit，在输入频率高达300MHz时其信噪比（SNR）达到72.5DBFS，无杂散动态范围（SFDR）超过80DBC。

该芯片具有片内基准电压源、跟踪保持、LVDS输出，适合于多载波、多模式的接收器。

2.4 FPGA电路设计
本设计中FPGA选用了Altera公司的StratixII系列芯片EP2S60，该芯片具有丰富的内部资源，具有36个DSP模块，4个增强型PLL、60440个逻辑单元以及24176个自适应逻辑模块，可以满足GSM接收机系统对于资源的需求。

其LVDS接口可以与高速A/D转换器实现接口，解决高速信号接收问题[5，6]。

FPGA在配置方面具有快速被动并行、被动串行、异步被动并行以及JTAG配置等几种方式，本系统中采用了JTAG方式和主动串行配置方式，调试中采用JTAG方式，烧写程序时采用主动串行配置方式。

其配置模式通过MSEL3、MSEL2、MSEL1和MSEL0引脚的设置来完成。

2.5 DSP电路设计
本设计中DSP采用的TI公司定点TMS320C6201，该芯片EMIF外部空间最大容量为
64MB，有两种存储器映射方式：MAP0和MAP1。

设计中将存储器映射方式设置为1，即地址0处的存储器在内部，芯片采用8bitROM方式实现自加载。

具有8个可并行执行的功能单元，最高可同时执行8条并行指令[7]。

2.6 电源电路设计
由于本设计中采用了FPGA和DSP以及PLL芯片等，因此系统需要多种电源电压，为了实现不同电压供电，本设计中采用了TI公司生产的电源模块TPS75003实现其中+3.3V、+1.2V 以及+2.5V电压的供电，采用了LT1764AEQ
实现了其+1.8V电压的供电，具体电路如图3所示。

图3电源电路设计
3 结束语
本文介绍了一种GSM接收机设计与实现，该GSM接收机采用了FPGA+DSP
框架结构，具有较强的通用性和设计的灵活性。

高速A/D转换器AD9445的使用，使得该GSM接收机的采样率和分辨率可以得到极大的提升，特别是动态范围方面。

本文设计的GSM 接收机系统，软件设计可在FPGA或DSP中完成，具有资源充足、可移植性强的特点，因此在GSM接收机系统中具有较高的实用价值。

参考文献：
[1]王正生，GSM接收机同步技术研究与基于FPGA和DSP的接收机设计[D].北京交通大学，2009（12）：28-46.
[2]赵远鸿，基于FPGA的GSM解扩解调的设计与实现[D].中南大学，2010
（04）：36-38.
[3]蒲凯、陈福深、龚赤坤，基于FPGA的高速信号处理系统设计与实现[J].电子元器件应用，2008.10：12-14.
[4]张福洪、杨小海、栾慎吉，基于AD9516的宽带高动态数字中频系统采样时钟设计与应用[J].电子器件，2009（06）：23-25.
[5]吴继华、王诚编著，Altera FPGA/CPLD设计（基础篇）[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[6]何鹏，基于DSP+FPGA的1553B总线接口通讯模块的研究和应用[D].长安大学，2009（12）：69-70.
[7]韩非、胡春海、李伟编著，TMS犯OC6000系列DSP开发应用技巧一重点与难点剖析[M].中国电力出版社，2008.。