移動(dòng)通信基站接收分系統(tǒng)的軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)

董飛鵬　王躍科

國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院



　　摘　要：軟件無線電技術(shù)自軍事研究領(lǐng)域提出來后，以其強(qiáng)大通用性和靈活性而得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。本文介紹了移動(dòng)通信基站接收分系統(tǒng)的一種寬帶中頻帶通采樣軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。


　　關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信；軟件無線電技術(shù)；基站；帶通采樣



一、引　　言


　　軟件無線電技術(shù)（Software Radio Technology）是近年來隨著微電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的無線電技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的基于ASIC的無線技術(shù)，它具有靈活性、通用性強(qiáng)和升級(jí)方便等特點(diǎn)。它的技術(shù)核心是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步和芯片處理速度的不斷提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平臺(tái)上，利用軟件來完成以前用ASIC實(shí)現(xiàn)的多種數(shù)字信號(hào)處理的功能。


　　軟件無線電采用開放式模塊化結(jié)構(gòu)，其硬件主要包括天線、射頻和基帶的模／數(shù)（A／D）、數(shù)／模（D／A）轉(zhuǎn)換設(shè)備和以數(shù)字信號(hào)處理（DSP）為基礎(chǔ)的數(shù)字信號(hào)處理單元。在軟件無線電設(shè)備中所有的信號(hào)處理（包括放大、變頻、濾波、調(diào)制、信道編譯碼、信源編譯碼、信道和接口的協(xié)議／信令處理、加／解密、抗干擾處理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理等）都以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行。


　　但是由于受寬帶天線、高速A／D及DSP等技術(shù)水平的限制，實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的軟件無線電平臺(tái)的條件目前還不具備。因此，現(xiàn)在對(duì)軟件無線電的研究一方面集中在上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上，另一方面更多的是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度地實(shí)現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用實(shí)踐中。


二、寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)


　　目前蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的工作頻段一般在800～900 MHz和1 800～1 900 MHz兩個(gè)頻段�，F(xiàn)在的電子技術(shù)對(duì)如此高的頻率直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換是很困難的，比較可行的辦法就是對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行模擬下變頻，把高頻段信號(hào)搬移到頻率相對(duì)較低的中頻，然后再進(jìn)行數(shù)字化，也就是寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)，如圖1所示。





　　從圖1所示結(jié)構(gòu)可以看出，這種軟件無線電的射頻前端的預(yù)處理電路比較復(fù)雜，但是這種復(fù)雜是不可少的，它的主要功能是把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于A／D采樣的寬帶中頻信號(hào)或把D／A輸出的寬帶中頻信號(hào)變換為射頻信號(hào)。


三、基于寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)的基站接收分系統(tǒng)模型


　　如圖2所示，由天線接收到的上行信號(hào)，經(jīng)過了帶通濾波器濾除帶外信號(hào)后，經(jīng)過放大和混頻，將無法對(duì)其進(jìn)行A／D采樣的射頻信號(hào)（800～900 MHz和1 800～1 900 MHz）轉(zhuǎn)換為中心頻率為f0、帶寬為B0（B0＝20、25、60、75 MHz）的寬帶中頻信號(hào)，并且經(jīng)過中頻濾波器濾除鏡像頻率，再進(jìn)行中頻放大到A／D所需的足夠的信號(hào)電平，最后送到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字采樣。由此可見，圖2所示的軟件無線電基站前端電路的一個(gè)主要特點(diǎn)是寬帶化，即它將基站所需接收的整個(gè)上行頻段同時(shí)變換到中頻，實(shí)現(xiàn)寬帶處理。但是這樣就對(duì)A／D變換器的采樣速率和動(dòng)態(tài)范圍等性能提出了比較高的要求，如采樣速率要高、動(dòng)態(tài)范圍要大等。下面討論圖2中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（f0、fs、fL、B0）的選取問題。





1．采樣頻率


　　允許過渡帶混疊的頻譜圖如圖3所示，其中B0是中頻帶寬。根據(jù)矩形系數(shù)r的定義r＝（2B0′＋B0）／B0可推導(dǎo)出濾波器的過渡帶B0′為



　　由（3）式可知，當(dāng)中頻濾波器的矩形系數(shù)r＝2時(shí)，不同的中頻帶寬B0所需的采樣頻率fs也將不同。





2．中頻頻率f0


　　當(dāng)采樣頻率fs確定后，根據(jù)帶通信號(hào)的采樣理論，就可以確定中心頻率f0：





　　式中，n＝0，1，2，…為正整數(shù)，f0的選取除了滿足（4）式外，還有一個(gè)重要的原則就是要考慮互調(diào)產(chǎn)物以及本振的反向輻射。


3．本振頻率fL


　　本振頻率fL與中心頻率f0選取有關(guān)，由下式確定：





　　式中fi為輸入信號(hào)的頻率，取“＋”時(shí)采用高本振（fL＞fi），取“－”時(shí)采用低本振（fL＜fi）。設(shè)fimax和fimin分別為輸入信號(hào)的最高和最低頻率，在進(jìn)行混頻時(shí)，（5）式中的fi為輸入信號(hào)頻段的中心頻率，即





4．中頻帶寬B0


　　考慮到無本振反向輻射或無三階互調(diào)產(chǎn)物的要求和濾波器的矩形系數(shù)以及留一些富裕量，則有如下關(guān)系：





四、多頻段基站接收分系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例


　　由上面的推導(dǎo)我們可以設(shè)f0＝5B0，則在800～900 MHz頻段（B0＝20～25 MHz），f0可取125 MHz；在1 800～1 900 MHz頻段（B0＝60～75 MHz），f0可取375 MHz。如果2個(gè)頻段共用一個(gè)中頻，則f0的取值應(yīng)滿足后者，即337．5 MHz。這樣就可以根據(jù)下式來確定采樣頻率fs：





　　由（8）式得，分別可以選取當(dāng)n＝2和n＝7時(shí)的2個(gè)采樣頻率270 MHz和90 MHz作為對(duì)1 800～1 900MHz頻段和800～900 MHz頻段信號(hào)采樣的2個(gè)采樣頻率。多頻基站前端的組成框圖如圖4所示。本振頻率fL可以由（5）、（6）式和輸入頻率確定。寬帶射頻信號(hào)經(jīng)過圖4所示的基站前端電路處理后，全部統(tǒng)一變換成為帶寬為B0、中心頻率為f0的中頻信號(hào)，然后經(jīng)后續(xù)的高速的A／D采樣后，送到由圖5所示的基頻軟件接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。由圖5可見，A／D采樣信號(hào)首先通過2個(gè)正交本振cos（ωin）和sin（ωin）進(jìn)行正交數(shù)字下變頻把B0內(nèi)的信號(hào)fi變換成2個(gè)正交基號(hào)XI（n）和XQ（n）。由于信號(hào)帶寬BS相對(duì)于奈奎斯特（Nyquist）帶寬窄得多，所以可以對(duì)高采樣的基帶信號(hào)進(jìn)行抽取，以降低采樣頻率，便于后續(xù)信號(hào)處理。經(jīng)抽取濾波獲得的低采樣率基帶正交信號(hào)I（m）和Q（m），再經(jīng)過如下變換：





　　求出信號(hào)的φ（m）和瞬時(shí)頻率f（m）等特征參數(shù)，連同正交基帶分量I（m）和Q（m）共5個(gè)信號(hào)特征量送到后續(xù)的DSP進(jìn)行軟件解調(diào)、分析以及信號(hào)參數(shù)的估計(jì)、測量，最終輸出解調(diào)的信息比特流。








五、結(jié)　　論


　　由上面的分析可知，通過基站接收天線感應(yīng)的移動(dòng)通信上行信號(hào)經(jīng)模擬寬帶前端變換為中頻信號(hào)，再由高速的A／D進(jìn)行數(shù)字化和基站軟件接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字下變頻、抽取、濾波以及軟件解調(diào)，給出所需的解調(diào)信號(hào)比特流，最后送到基站控制器（BSC）進(jìn)行后處理。


參考文獻(xiàn)



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摘自　電訊技術(shù)