基于軟件無線電技術(shù)的4G數(shù)字接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司馬吉?jiǎng)P

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410124）

基于軟件無線電技術(shù)的4G數(shù)字接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司馬吉?jiǎng)P

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410124）

研究了基于軟件無線電技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于軟件無線電技術(shù)的4G數(shù)字接收系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)各主要部分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有雙通道，采樣速率可達(dá)到65MHz，分辨率12bit。由于該設(shè)計(jì)采用了FPGA作為信號(hào)處理器，其設(shè)計(jì)靈活及可編程等特點(diǎn)使得該設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的通用性，適合4G通信中應(yīng)用。

軟件無線電;4G通信;帶通采樣;FPGA

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，3G通信被廣泛應(yīng)用，隨之而來的4G通信也倍受青睞。作為4G通信中的關(guān)鍵技術(shù)之一，軟件無線電技術(shù)成為了眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。［1］按照軟件無線電的思想，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)該盡可能的靠近天線，同時(shí)為了滿足更多系統(tǒng)的需求，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)盡可能的采用寬帶A/D轉(zhuǎn)換器。從軟件無線電接收結(jié)構(gòu)中可以看到，射頻采樣結(jié)構(gòu)是最理想的實(shí)現(xiàn)方案。但是受A/D轉(zhuǎn)換器性能的限制，主要是采樣率和分辨率的限制，在一些載波頻率較高或者系統(tǒng)頻帶寬度較大的系統(tǒng)中，射頻采樣的軟件無線電接收結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)。［2］絕大部分系統(tǒng)采用模擬混頻技術(shù)，將射頻信號(hào)進(jìn)行一次或多次混頻后得到中頻信號(hào)，并利用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，即基于中頻采樣的軟件無線電接收結(jié)構(gòu)較為常用。文章結(jié)合4G通信中的應(yīng)用，提出了一種基于軟件電線電技術(shù)的數(shù)字接收系統(tǒng)。

1 軟件無線電體系結(jié)構(gòu)

1．1 射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)

射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于在A/D轉(zhuǎn)換器前采用了帶寬相對(duì)較窄的電調(diào)濾波器，其對(duì)高速A/D轉(zhuǎn)換器性能要求可以適當(dāng)降低，該結(jié)構(gòu)中根據(jù)所需的處理帶寬進(jìn)行帶通采樣，對(duì)A/D的采樣速率的要求相對(duì)降低，對(duì)后續(xù)DSP的處理速度要求也可以隨之大大降低。［3］但實(shí)際中對(duì)A/D中采樣保持器的速度要求還是比較高的，實(shí)現(xiàn)起來還是很困難。

圖1 射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)

1．2 中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)

寬帶中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)采用了超外差體制，利用模擬電路將射頻信號(hào)變換到適當(dāng)?shù)闹蓄l，同時(shí)中頻采用寬帶濾波器進(jìn)行信號(hào)濾波，其中頻帶寬較寬，可以適應(yīng)更多的無線電通信系統(tǒng)。［4］該結(jié)構(gòu)中同樣采用了高速A/D轉(zhuǎn)換器，但由于中頻帶寬的限制，對(duì)高速A/D轉(zhuǎn)換器的性能要求相對(duì)降低，同時(shí)對(duì)后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理器性能要求也隨之降低。顯而易見，這種寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度最高，靈活性最差，其設(shè)計(jì)思想也更遠(yuǎn)離軟件無線電的要求．但是由于受到高速A/D器件的性能制約，寬帶中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)對(duì)器件的性能要求最低，因而是目前最可行的軟件無線電結(jié)構(gòu)。隨著電子元器件特別是高速A/D轉(zhuǎn)換器性能的不斷提升，射頻低通采樣結(jié)構(gòu)和射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)將會(huì)成為軟件無線電的主流。

圖2 中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)

中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)和上面兩種結(jié)構(gòu)相比，主要區(qū)別在于增加了模擬電路部分，特別是混頻器的使用。如圖2所示的中頻帶通采樣結(jié)構(gòu)采用了超外差體制，通過本振信號(hào)與輸入或輸出信號(hào)混頻后送到后一級(jí)進(jìn)行處理。整個(gè)電路的工作過程如下：接收過程中信號(hào)經(jīng)過低頻放大器后與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻后經(jīng)過寬帶濾波器，此時(shí)輸出信號(hào)已經(jīng)被混頻到中頻，其中中頻的選擇一般選擇為低中頻;混頻后的中頻信號(hào)經(jīng)過中頻放大器后送到A/D轉(zhuǎn)換器中完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2 軟件無線電接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)4G通信中的應(yīng)用需求，結(jié)合軟件無線電帶通采樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于軟件無線電帶通采樣結(jié)構(gòu)的的數(shù)字接收系統(tǒng)，如圖3所示。［5］該系統(tǒng)利用AD9238實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的采樣，將采樣后的數(shù)字量送給FPGA進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字處理。

圖3 基于軟件無線電帶通采樣結(jié)構(gòu)的接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 A/D轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器電路采用ADI公司生產(chǎn)的AD9238芯片，采樣的采樣速率為65 MSPS，該芯片具有20/ 40/65 MSPS幾種不同采樣速率，其分辨率為12bit。 AD9238單個(gè)芯片集成了雙通道，可實(shí)現(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)采集。由于該芯片輸入信號(hào)為差分方式，因此，AD9238前端需要采用單端轉(zhuǎn)差分器件。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 AD9238電路設(shè)計(jì)

2．2 FPGA及外圍電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的是Altera公司的器件，其型號(hào)為EP2S60。該芯片具有豐富的內(nèi)部資源，器件內(nèi)部具有60440個(gè)邏輯單元、4個(gè)增強(qiáng)型PLL、8個(gè)快速PLL、144個(gè)18bit乘18bit的乘法器以及24176個(gè)自適應(yīng)邏輯模塊。上述豐富的硬件資源對(duì)于系統(tǒng)功能開發(fā)和應(yīng)用提供了極大的便利。FPGA的配置主要包括快速被動(dòng)并行FPP配置方式、異步被動(dòng)并行PPA配置方式、主動(dòng)串行AS配置方式、被動(dòng)串行PS配置方式以及JTAG配置方式。利用撥碼開關(guān)去配置該芯片的MSEL3、MSEL2、MSEL1和MSEL0引腳，以此實(shí)現(xiàn)FPGA的配置方式的選擇。

2．3 電源電路設(shè)計(jì)

由于EP2S60工作電流能達(dá)到3A左右，對(duì)它供電的電源芯片需要提供足夠的電流才能使FPGA正常工作。設(shè)計(jì)中供電采用了兩種直流電源，分別為核心和周邊I/O接口供電。該系統(tǒng)中給FPGA供電的電源模塊選用TI公司的TPS54810和TPS54610電源芯片，它們最大能提供8A和6A的電流，分別給FPGA提供IO電源（VCCIO）和核電源（VCCINT）。

3 仿真結(jié)果及分析

在完成系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)A/D采樣進(jìn)行了測(cè)試，輸入信號(hào)為20MHz的正弦波信號(hào)，使用QuartusII內(nèi)部自帶的Signal_Tap提取A/D采樣后的波形如圖5所示。

圖5 A/D采樣波形圖

由提取波形可看出，采樣后的波形為離散的正弦信號(hào)，通過將離散的點(diǎn)連接成線后可以看出輸入信號(hào)為正弦信號(hào)。Signal_Tap觸發(fā)時(shí)鐘頻率，可以通過讀取橫坐標(biāo)的標(biāo)尺數(shù)值計(jì)算出來采樣后的正弦信號(hào)頻率為20MHz，A/D采樣測(cè)試結(jié)果正確。

4 結(jié)論

結(jié)合4G通信中的應(yīng)用，針對(duì)軟件無線電帶通采樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的軟件無線電帶通采樣接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)采樣速率可達(dá)到65MHz，分辨率12bit。由于設(shè)計(jì)中采用了FPGA作為主要信號(hào)處理器，其可編程、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)為4G通信系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了便利條件，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和通用性。

［1］陸迎光．軟件無線電理論研究及中頻軟件無線電接收機(jī)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．上海：東華大學(xué)，2004．

［2］李琳，張爾揚(yáng)，路軍．帶通信號(hào)的直接采樣理論［J］．通信學(xué)報(bào)，2003，（04）．

［3］Zhang Xuejing，Li Jinping，Zou Erning，Ding Xiaojun．Study of Hardware Architecture Based on Software Radio［C］．Information Technology and Applications（IFITA），2010 International Forum，2010．

［4］王益民，彭霞．基于軟件無線電的機(jī)載數(shù)字接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代雷達(dá)，2010，（08）．

［5］唐睿，陳霞，談?wù)褫x．軟件無線電的數(shù)字中頻技術(shù)在WCDMA基站中的應(yīng)用［J］．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（05）．

［編校：鄧桂萍］

4G Digital Receiving System Design Based on Software Rato Technigne

SIMA Jikai
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124）

A architecture based on software radio techniques is studied．A kind of digital receiving system based on software radio is designed．The designs of themain parts of the circuits are introduced in detail．The system has dual channels，the sampling rate of65MHz and 12bit resolution．The design has strong versatility suitable for the application of4G communication according to the application of FPGA，which has flexible design and programmable features．

software radio;4G communication;band－pass sampling;Field Programmable Gate Array

TN925

A

1671－9654（2012）02－057－04

2012－06－09

司馬吉?jiǎng)P（1983－），男，湖南湘陰人，助教，工程碩士，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。