基于GC5016的數(shù)字直放站設(shè)計(jì)

對(duì)于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，各國(guó)提出了多種不同的標(biāo)準(zhǔn)，要統(tǒng)一這些標(biāo)準(zhǔn)是非常困難的，IMT-2000的發(fā)展策略已經(jīng)改變過(guò)去“統(tǒng)一”的概念，轉(zhuǎn)而以各地區(qū)現(xiàn)有第二代系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)來(lái)制定比較現(xiàn)實(shí)的過(guò)渡方案，提出了“IMT-2000家族”的概念。它放棄了在空中接口、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面一致性的努力，而致力于制定網(wǎng)絡(luò)接口的標(biāo)準(zhǔn)和互通方案。而第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)中又有GSM和CDMA兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體制。因此，在未來(lái)的移動(dòng)通信的直放站中存在著多頻、多模、多體制和多標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，為軟件無(wú)線電技術(shù)在直放站中的應(yīng)用提出了切實(shí)的需求。為了提高3G直放站的性價(jià)比，采用數(shù)字技術(shù)來(lái)統(tǒng)一3G直放站的硬件平臺(tái)是一種較好的解決方案。

GC5016簡(jiǎn)介

GC5016是TI公司推出的寬帶四通道可編程數(shù)字上變頻/下變頻轉(zhuǎn)換器，提供160MSPS時(shí)鐘、杰出的3G性能、靈活的寬帶數(shù)字濾波、多個(gè)輸入與輸出接口選項(xiàng)以及超低功耗。同時(shí)，它也可以作為普通的數(shù)字濾波器使用。

在上變頻模式，信道接收實(shí)數(shù)據(jù)或者復(fù)數(shù)據(jù)，用可編程的數(shù)值1～4096進(jìn)行抽取，并將其調(diào)制到選定的中心頻率上。已調(diào)信號(hào)可以是四個(gè)通道的信號(hào)之和，也可以是任選的其他GC5016芯片的已調(diào)信號(hào)相加。信道可以成對(duì)使用以增加輸出采樣率或者增加輸入信號(hào)的帶寬，或者同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)。每個(gè)通道包含一個(gè)用戶可編程輸入濾波器(PFIR)，這個(gè)濾波器可以用作發(fā)射數(shù)據(jù)的整形濾波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信號(hào)等的Nyquist濾波器。

在下變頻轉(zhuǎn)換模式，信道接收的還是實(shí)數(shù)據(jù)或者復(fù)數(shù)據(jù)，并解調(diào)到選定的載頻上，再用可編程的數(shù)值1～4096進(jìn)行抽取，然后進(jìn)行自動(dòng)增益控制放大，并產(chǎn)生20位的輸出。下變頻轉(zhuǎn)換模式下，信道的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)格式化后，以實(shí)數(shù)或者復(fù)數(shù)的形式加到四個(gè)輸出端口，完成數(shù)字信號(hào)的下變頻。

在下變頻通道模式下，GC5016的4個(gè)通道的輸入時(shí)鐘速率可達(dá)160MS/s，而2個(gè)通道則可以達(dá)到320MS/s，4組寬帶下變頻通道可支持UMTS標(biāo)準(zhǔn)，具有115dB無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)的處理能力，具有16個(gè)能達(dá)到255階的FIR濾波器，64個(gè)并行輸入/輸出位，提供靈活的I/O選項(xiàng)。

上變頻通道模式與下變頻模式的性能基本相同，輸出可以是獨(dú)立的，可以是一兩個(gè)輸出的和，也可以是任意的幾個(gè)GC5016芯片輸出信號(hào)的融合。

模擬直放站簡(jiǎn)介

目前成熟的采用模擬方式處理的直放站框圖如圖1所示(以寬帶直放站為例)，其中，下行鏈路是直放站通過(guò)天線接收基站發(fā)來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(LNA)、射頻濾波器(RF Filter)、混頻器(下變頻)、中頻聲表濾波器(IF Filter)、混頻器(上變頻)、射頻濾波器(RF Filter)、功率放大器驅(qū)動(dòng)模塊(Amp)和功率放大器(PA)，再通過(guò)天線發(fā)射出去；上行鏈路是直放站通過(guò)天線接收移動(dòng)臺(tái)(通常是手機(jī)或車載電話)，經(jīng)過(guò)與下行鏈路類似的處理后，通過(guò)天線發(fā)射給基站。

圖1 模擬直放站系統(tǒng)框圖

目前的直放站為了滿足不同的體制與標(biāo)準(zhǔn)，必須更換其中的中頻濾波單元(IF Filter)模塊，致使不同體制標(biāo)準(zhǔn)的直放站具有不同的硬件配置，大大增加研發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)成本。

數(shù)字直放站設(shè)計(jì)

● 數(shù)字中頻框圖

隨著A/D、D/A及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在軟件無(wú)線電技術(shù)已經(jīng)可以用于直放站的中頻濾波單元，如圖2所示。采用圖2所示的一個(gè)數(shù)字中頻單元模塊直接替換圖1中的模擬中頻濾波單元(IF Filter)模塊(包括上行和下行兩個(gè)模塊)，就基本可以滿足目前所有體制標(biāo)準(zhǔn)的直放站硬件需求。這樣，直放站的硬件平臺(tái)基本達(dá)到了統(tǒng)一，只要采用不同的數(shù)字濾波配置代碼，就可以實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)的直放站功能。其中的數(shù)字濾波功能可以采用高速DSP芯片、FPGA或?qū)Ｓ肁SIC實(shí)現(xiàn)

圖2 數(shù)字中頻單元框

● 芯片選型

基于上行/下行的對(duì)稱性及成本上的考慮，這里的A/D和D/A芯片都選擇了雙通道集成的芯片。其中，A/D選擇ADS5553；D/A選擇DAC5687；數(shù)字濾波采用專用ASIC芯片GC5016實(shí)現(xiàn)。

ADS5553的分辨率為14bit，采樣率為65MS/s，70MHz fIN時(shí)的信號(hào)雜波比(SNR)為74dBFs，SFDR為84dBc。

DAC568不僅能夠提供大于75dB的信噪比(SNR)，以及大于81dBc的三階互調(diào)(IMD3)，而且還允許多載波系統(tǒng)在更高的輸出功率下進(jìn)行工作。此外，DAC5687在速率為500MS/s時(shí)的功耗僅為700mW，提高了系統(tǒng)可靠性并實(shí)現(xiàn)了更高的通道密度。

系統(tǒng)配置

基于上述數(shù)字中頻硬件平臺(tái)，可以通過(guò)不同的配置，以應(yīng)用于不同標(biāo)準(zhǔn)的直放站，現(xiàn)以WCDMA直放站為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

設(shè)置輸入模擬中頻(IF)為140MHz，ADC5553的采樣頻率為61.44MHz。采用通帶欠采樣技術(shù)，ADC5553輸出速率為61.44MS/s。GC5016接收ADC5553輸出的信號(hào)，進(jìn)行下變頻、濾波后信號(hào)速率變?yōu)?.68MS/s，然后再進(jìn)行上變頻處理，輸出速率為61.44MS/s的中頻數(shù)字信號(hào)。DAC5687接收GC5016輸出的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)插和濾波輸出140MHz的IF模擬信號(hào)。

ADC5553不需要軟件配置，只要給它穩(wěn)定的61.44MHz時(shí)鐘就可以了。系統(tǒng)的濾波功能主要在GC5016中實(shí)現(xiàn)，WCDMA對(duì)于濾波的要求如圖3所示。DAC5687需要完成內(nèi)插/濾波及上變頻的功能，可通過(guò)串行接口對(duì)其進(jìn)行編程。

圖3 單信道濾波器幅頻特性