基于AD6655的數(shù)字直放站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著移動通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，直放站作為改善移動網(wǎng)信號弱區(qū)盲區(qū)的重要設(shè)備，以其具有投資較少、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便靈活等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于2G移動網(wǎng)。而目前2G網(wǎng)絡(luò)仍使用模擬設(shè)備的直放站。對于第三代移動通信系統(tǒng)，各國提出了多種不同標(biāo)準(zhǔn)，但要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)非常困難。未來的移動通信系統(tǒng)存在著多頻、多模、多體制和多標(biāo)準(zhǔn)等問題，這就限制了各種設(shè)備的互通和兼容，因此對軟件無線電技術(shù)在直放站中的應(yīng)用提出了切實(shí)需求。為了提高3G直放站的性價(jià)比，采用數(shù)字技術(shù)統(tǒng)一3G直放站的硬件平臺是一種較好的解決方案。這里提出了一種以AD6655為數(shù)字中頻信號采集系統(tǒng)核心的通用、可擴(kuò)展的硬件平臺設(shè)計(jì)。

2 AD6655簡介

2.1 性能特性

AD6655是ADI公司的一款高度集成的分集接收機(jī)，內(nèi)置有低延遲的峰值檢測器、RMS信號功率監(jiān)測器、兩個(gè)14bit的A／D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換器(DDC)。AD6655采用1.8 V和3.3 V供電電源；當(dāng)工作在32.7～70 MHz帶寬內(nèi)，采樣速率為150 MS／s時(shí)，SNR為74.0 dBc；而在70MHz帶寬內(nèi)，SFDR為84 dBc。因此，該器件適用于TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、WIMAX、GSM等多種制式接收機(jī)系統(tǒng)。

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD6655內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。AD6655內(nèi)部包含豐富的信號監(jiān)測系統(tǒng)，每個(gè)通道都有4-bit的信號檢測位，允許監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以串行方式輸出。

AD6655的主要功能模塊是14-bit的A／D轉(zhuǎn)換器和DDC。信號經(jīng)采樣保持器進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器，再通過DDC下變頻，最后通過輸出緩存輸出數(shù)據(jù)。其中DDC包括32-bit數(shù)控振蕩器(NCO)、低通／高通半帶濾波器、FIR濾波器和fDAC／8 NCO等模塊。這4個(gè)模塊除半帶濾波器外，其余均為可選單元。因此，通過配置寄存器，DDC具有5種工作模式：半帶濾波器工作模式，輸出實(shí)信號數(shù)據(jù)；半帶濾波器+FIR濾波器，輸出實(shí)信號數(shù)據(jù)；32-bit NCO+半帶濾波器模式，輸出復(fù)信號數(shù)據(jù)；32-bit NCO+半帶濾波器+FIR濾波器；輸出復(fù)信號數(shù)據(jù)；32-bitNCO+半帶濾波器+FIR濾波器+fDAC／8 NCO模式，輸出實(shí)信號數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)輸人信號的頻率、頻譜寬度以及輸出信號的要求來選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ健?/p>

3 數(shù)字直放站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字直放站是提供一種帶有數(shù)字預(yù)失真、可實(shí)現(xiàn)多載波、數(shù)字化的3G基站延伸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)3G基站射頻信號大容量、大動態(tài)范圍的遠(yuǎn)距離數(shù)字傳輸，并提供靈活多樣的快速組網(wǎng)方式，支持多頻段和開放式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級以及分布式建網(wǎng)，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)性能并降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的運(yùn)營成本。

3.1 數(shù)字直放站簡介

數(shù)字直放站主要由射頻、數(shù)字中頻兩部分組成。其中射頻部分包括：低噪聲放大器、模擬射頻接收機(jī)、模擬射頻發(fā)射機(jī)、多載波功率放大器；而數(shù)字中頻包括：A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字上／下變頻、數(shù)字濾波與分集接收、數(shù)字預(yù)失真、峰均比抑制(CFR)模塊。

數(shù)字上／下變頻實(shí)現(xiàn)信號頻譜搬移、采樣率變換、通道濾波等功能。CFR模塊用于降低3G信號的峰均比。在3G通信系統(tǒng)(如WCDMA通信系統(tǒng))中，信號的峰均比較高，一般可達(dá)10～14 dB。由于大多數(shù)功率類放大器都是非線性的，其動態(tài)范同有限，這就要求D／A轉(zhuǎn)換前信號的峰均比應(yīng)確保5～8 dB。采用CFR模塊降低信號的峰均比，防止子載波間的交調(diào)干擾和頻譜外泄，改善系統(tǒng)性能，提高功率器件的工作效率。自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真模塊可消除功放產(chǎn)生的非線性引起的失真。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是基于軟件無線電的設(shè)計(jì)思想，旨在設(shè)計(jì)一個(gè)通用的硬件平臺，具有模塊化、開放性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在不同載波間平滑過渡、不同制式之間輕松升級。數(shù)字直放站系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

AD6655采集模擬混頻器傳輸?shù)闹蓄l信號，并將數(shù)字信號傳輸給FPGA。單片機(jī)(MCU)選用ATmega16L，實(shí)現(xiàn)對A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘等功能模塊的配置和通信控制。FPGA選用Xilinx公司的Virtex-4 SX35，其具有運(yùn)行頻率高，DSP功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的核心完成數(shù)字下變頻、數(shù)字上變頻和降低峰均比等功能。

針對不同應(yīng)用的接收機(jī)，需選擇不同的采樣技術(shù)，進(jìn)而確定最佳的采樣頻率及中頻頻率。針對3G信號帶寬、工作頻點(diǎn)高的特點(diǎn)，如WCDMA信號發(fā)射頻段為2 110～2 170 MHz、四載波帶寬20 MHz，需選用帶通采樣。合理選擇采樣頻率和IF頻率有利于簡化A／D轉(zhuǎn)換前的抗混疊濾波器設(shè)計(jì)，提高頻率分辨率。根據(jù)AD6655性能綜合考慮，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)定采樣頻率為122.88 MHz，中頻頻率為153.6 MHz。

AD6655中的DDC是對整個(gè)通帶內(nèi)信號的初步下變頻，降低通帶內(nèi)信號FPGA信號處理時(shí)鐘的要求。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用帶通采樣技術(shù)，通帶內(nèi)信號將在頻域大于fs的整數(shù)倍處鏡像。在采樣頻率為122.88 MHz，中頻頻率為153.6 MHz的情況下，選擇第一奈奎斯特區(qū)間內(nèi)鏡像，其中心頻點(diǎn)應(yīng)在30.72 MHz。為實(shí)現(xiàn)HB濾波器的最佳效果，需將信號的中心頻率變換到零中頻，32-bit NCO頻率控制字NCQ_FREQ為0x40000000。將多相結(jié)構(gòu)的19階HB濾波器與66階FIR濾波器配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)良好的低通效果，如圖3所示。

需注意HB濾波器對信號帶寬的限制，在122.88 MHz的采樣時(shí)鐘，HB濾波器帶寬可達(dá)24 MHz。同時(shí)HB濾波器就是抽取率為2的下變頻器。DDC最后一級fDAC／8 NCO經(jīng)低通濾波的信號頻譜搬移至15.36 MHz。

圖4為AD6655的實(shí)際應(yīng)用電路，采用寬帶變壓器實(shí)現(xiàn)單端信號與差分信號的轉(zhuǎn)換。這樣在模擬信號階段可以濾掉偶次諧波分量和共模干擾信號(如電源和地引人的噪聲)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了兩種在A／D轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端加入一個(gè)直流偏置的方法：第一種方法是南A／D轉(zhuǎn)換器自帶的CML信號提供，直流偏置同定；另一種方法是由R507、R513對模擬電源分壓提供，直流偏置可根據(jù)需求修改。建議直流偏置等于AVDD／2。

電路中R500、R501、C482構(gòu)成簡易的抗混疊濾波器，具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際選用的中頻頻率計(jì)算。需要注意的是，該應(yīng)用電路未給出退耦電容，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需增必需的退耦電容。

AD6655通過MCU的SPI總線配置寄存器參數(shù)。AD6655采用片選信號(CSB)、串行通信時(shí)鐘(SELK)、串行通信數(shù)據(jù)輸出／輸入端口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制(SDIO)。先將0x00寄存器配置為0x3C，再配置為0x18，實(shí)現(xiàn)對AD6655寄存器的軟件復(fù)位；當(dāng)無模擬信號接入時(shí)，若發(fā)現(xiàn)經(jīng)過AD6655轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號不是0x2000，則需要配置0x10寄存器，用于補(bǔ)償直流偏置誤差直至滿足要求；分別配置0x102、0x103、0x11D寄存器為0x01、0x01、0x07，使AD6655工作于第5種工作模式；通過配置0x11E～0x121寄存器，設(shè)定32-bit NCO頻率為30.72 MHz，相應(yīng)頻率字為0x40000000。

4 測試結(jié)果

4.1 測試方案

中頻輸入信號由 Agilent E4438C產(chǎn)生的四載波WCDMA中頻信號，其中心頻點(diǎn)為137.88 MHz，分別將4個(gè)載波頻點(diǎn)設(shè)置為130.38 MHz、135.38 MHz、140.38 MHz、145.38 MHz，輸入信號幅值為0 dBm。信號經(jīng)數(shù)字直放站中頻板后，將中頻信號分別接入頻譜儀Agilent E4408B觀察信號的頻譜及WCDMA信號性能指標(biāo)。

4.2 測試結(jié)果及分析

圖5給出WCDMA中頻信號經(jīng)過系統(tǒng)板后，中頻輸出信號的頻譜。由圖5看出，輸出信號的載波數(shù)和頻點(diǎn)符合設(shè)置信息，輸出頻點(diǎn)為(122.88+7.5)MHz，(122.88+12.5)MHz，(122.88+17.5)MHz，(122.88+22.5)MHz，ACLR約為45 dB@5MHz，45 dB@10 MHz。同時(shí)測得各頻點(diǎn)平均EVM為4.68％，一般來說，射頻電路的EVM為3％～5％。這樣，數(shù)字中頻與射頻級聯(lián)后，EVM仍小于12.5％。所以該系統(tǒng)EVM值可達(dá)到指標(biāo)要求。

從功能上看，該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了數(shù)字直放站數(shù)字中頻系統(tǒng)的基本功能；從指標(biāo)性能上看，該方案雖達(dá)到指標(biāo)要求，但其性能仍需優(yōu)化。由于CDMA2000單載波的數(shù)據(jù)量比WCDMA小，對接收機(jī)噪聲系數(shù)以及A／D轉(zhuǎn)換的要求也比WCDMA的要求低，所以只要重新配置參數(shù)，并通過相應(yīng)程序代碼下載到FPGA，可便于實(shí)現(xiàn)CDMA2000多載波數(shù)字中頻系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件平臺也適用于GSM數(shù)字中頻，可實(shí)現(xiàn)GSM數(shù)字中頻更多載波的擴(kuò)容與升級。

5 結(jié)語

AD6655是采樣速率高達(dá)150 MS／s的14位高性能寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成NCO、HB濾波器、FIR數(shù)字濾波器，并具有多種工作模式和良好的交流和直流性能。因此，AD6655可應(yīng)用于通信、圖像采集系統(tǒng)中，適用于不同制式移動通信系統(tǒng)中數(shù)字直放站的信號采集系統(tǒng)。

作者：李鋒 石江宏　(廈門大學(xué)　信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　361005)