摘? 要: 介紹了AD公司最新推出的接收信號處理器AD6624的工作原理及其工作參數的設置,并根據基站無線發射與接收的相關規程(3GPP25104)的要求,對AD6624在寬帶碼分多址(WCDMA)數字中頻" title="數字中頻">數字中頻接收部分的應用進行了研究。
關鍵詞: AD6624? 數字中頻? WCDMA
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傳統的擴頻系統電路復雜、一致性差、不易調整,并且系統的專用性強。將軟件無線電" title="軟件無線電">軟件無線電的思想引入現有系統,即將A/D和D/A盡可能靠近天線并在硬件平臺上用軟件完成盡可能多的無線電功能,對減小系統硬件設計難度和提高系統的靈活性與通用性都是十分必要的。
利用軟件無線電結構實現的擴頻系統,由于DSP處理速度的限制和數字濾波等運算量的要求,系統通常在中頻部分進行數字化,即所謂數字中頻。在發射信道,由軟件定義的數字調制波形信號通過寬帶DAC變換成模擬中頻信號,然后將中頻信號變頻成射頻信號進行發射;而在接收信道,通過寬帶ADC采樣中頻轉換成數字信號,然后進行數字變頻、解調進入基帶處理。不難看出,數字中頻的核心部分為寬帶AD、DA變換模塊和高速實時數字信號處理模塊,其原理框圖如圖1所示。
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利用AD公司最新推出的接收信號處理器(Receive Signal Processor)AD6624與高性能DSP和A/D構成的軟件無線電硬件接收平臺,將在很大程度上滿足數字中頻信號的處理要求。
1 AD6624簡介
AD6624的主要特征有以下幾點:80MSPS寬帶輸入(14個線性比特加上3個RSSI),雙路高速數據輸入端口,單片集成四個獨立的數字接收通道,可編程抽取FIR濾波器和增益控制。AD6624可廣泛應用于GSM、IS-136、EDGE、PHS、IS-95系統,微蜂窩和微微蜂窩系統,無線本地環路,靈敏的天線系統,軟件無線電和室內無繩電話等。AD6624的原理框圖如圖2所示。
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AD6624內部的信號處理包括以下四個部分:頻率變換器、二階的重抽樣級聯積分梳狀濾波器(rCIC2)、五階的級聯積分梳狀FIR濾波器(CIC5)以及一個RAM系數濾波器(RCF)。
1.1 頻率變換器
頻率變換部分包含兩個乘法器和一個32-bit復數數控振蕩器(NCO)。NCO作為正交本振,可產生fSAMP/2到fSAMP/232的振蕩信號,分辨率達到fSAMP/232。
控制字NCO_FREQ是一個32-bit無符號整數,為了將中心頻率為fCH的信號變換到DC,可用下式計算該控制字：
當中頻大于取樣速率fSAMP時,模函數(mod)去掉該數的整數部分,使之可以存放在32-bit的NCO頻率寄存器中。若fCH/fSAMP的余數大于0.5,NCO頻率就會高于奈奎斯特速率,相應的信號就會被折回到第一奈奎斯特區域而成為一負頻率。
為了提高NCO的雜散性能,AD6624提供了相位抖動和幅度抖動選項。
1.2 rCIC2抽取濾波器
rCIC2是一個二階CIC固定參數抽取濾波器" title="抽取濾波器">抽取濾波器,作為重采樣濾波器。rCIC2允許主時鐘和輸出速率有非整數倍關系。內插率和抽取率分別高達512和4096。rCIC2的重采樣因子L為9bit整數,抽取因子M為一12bit整數。速率變化為一分數形式:
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對rCIC2的唯一限制,是L/M應小于或等于1,即 RrCIC2≤1。
rCIC2的輸出速率為:
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1.3 CIC5抽取濾波器
CIC5是一個比rCIC2濾波特性更為陡峭的固定參數抽取濾波器。其輸入速率為fSAMP2,最大輸入速率由下式限制:
式中,fCLK為系統時鐘" title="系統時鐘">系統時鐘,NCH等于2時為分集信道實輸入模式,否則NCH等于1。
CIC5的輸出速率為:
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1.4 RAM系數濾波器
RAM系數濾波器是乘積求和可編程系數抽取濾波器,圖3給出了其簡化框圖。
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數據存儲器I-RAM、Q-RAM存儲了256個最新的復采樣值,其分辨率為20bit。系數存儲器C-RAM最多可存儲256個系數,其分辨率為20bit。每一個時鐘用同樣的系數分別對I和Q的一個抽頭進行計算。最大的抽頭數NTAPS可按下式計算:
式中，抽取因子MRCF為8bit，即可選1～256之間的任意整數。
??? fSAMP5為輸入RCF的數據速率" title="數據速率">數據速率。
?? 此濾波器的輸出速率為:
2 資源需求
AD6624具有4個獨立的數字接收信道。由于時鐘CLK的限制,每個信道主要用于窄帶載頻。但通過幾個信道或幾片AD6624并行處理,降低單個信道的數據速率,提高RCF濾波器的階數。AD6624在WCDMA上的應用是可行的。
RCF濾波器的階數(即抽頭數)可通過下式計算:
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式中:NTAPS——RCF濾波器的階數(即抽頭數)
??? fCLK——系統時鐘頻率
? MRCF——RCF濾波器抽取因子
? fSAMP5——前端CIC5抽取濾波器的輸出速率
根據3GPP25104的要求,數據速率應為3.84MSPS。若系統時鐘fCLK取61.44MHz,CIC5抽取濾波器的輸出速率fSAMP5為3.84MSPS,RCF濾波器抽取因子MRCF為1,根據(6)式計算可得NTAPS為16。NTAPS仍遠遠不能達到WCDMA的要求。
現通過多信道并行處理,重新選取參數如下:
系統時鐘fCLK仍為61.44MHz,抽取因子RrCIC2、MCIC5、MRCF設置為RrCIC2=2、MCIC5=2、MRCF=8。若取CIC5抽取濾波器的輸出速率fSAMP5為15.36MSPS,RCF濾波器抽取因子MRCF為8,根據(6)式計算可得NTAPS為32,即可滿足WCDMA的要求。根據(7)式,信道的輸出速率為1.92MSPS,因為3.84/1.92=2,即需要2個信道并行使用。通過外部配置FPGA進行串/并轉換、信道求和,恢復3.84MSPS的數據速率可得圖4所示的輸出端口結構。
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3 FIR濾波器仿真
FIR濾波器采用矩形窗函數設計法,圖5給出了FIR濾波器的頻率響應曲線;圖6給出了FIR濾波器的單位取樣響應曲線。由圖5可知,FIR濾波器在2.4MHz左右,帶外衰減可達60dB以上,完全滿足WCDMA對消除碼間干擾和相鄰信道抑制的要求。
AD6624通過外配FPGA并用通用DSP控制,即可方便地實現數字中頻接收。
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參考文獻
1 AD6624 Datasheet.Analog Devices，2001
2 A.J.維特比著,李世鶴譯. CDMA擴頻通信原理.北京:人民郵電出版社,1997
3 鈕心忻,楊義先.軟件無線電技術與應用.北京:北京郵電大學出版社,2000