数字上变频器ISL5217在移动通信宽带数字化中频中的应用

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摘要:本文介绍了软件无线电技术的定义和有关概念,并以软件无线电的设计思想为指导,提出了以数字上变频器ISL5217 为核心的移动通信系统中宽带数字化中频的实现方案。

关键词:软件无线电;数字中频;宽带数字

1 概述

第三代移动通信系统以世界范围的个人通信为目标,但通信市场的现状是:一方面第二代移动通信系统多种制式并存,且仍在发挥重要作用;另一方面新标准不断被制定,却又不能完全代替现存标准。现有系统标准众多,新旧体制并存,而通信技术发展日新月异,新的制式、标准又不断涌现,运营商对多模式、多频段结构的需求不断增长,多制式的兼容性逐渐成为一个突出的问题。显然,基于通用数字化平台的软件无线电技术在实现多模式、多频段、通用移动通信系统中有着重要的应用价值。

软件无线电的关键思想在于:(1)将宽带A/D 和D/A变换器尽可能地靠近天线;(2)将所需的各种功能尽量在一个开放性、模块化平台上由软件来实现。软件无线电结构框图如图1 所示。

图1 软件无线电结构框图

软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A变换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件(包括各种硬件电路配置软件)组成。理想的软件无线电是多频段多模式的,在保持硬件电路平台不变的情况下通过软件配置来实现各种不同的需要。

鉴于目前关键技术的现状,还无法做到直接数字化射频信号,但中频信号数字化技术已开始逐渐成熟。宽带中频带通采样软件无线电结构,如图2 所示。一次或多次混频体制(超外差体制),接收电路通过把射频信号变换到中频后再进行数字化处理。这样不光对A/D-D/A 变换器的工作频率要求降低了,而且对数字信号处理器的性能要求也降低了。

图2 宽带中频带通采样数字化软件无线电结构

2 ISL5217简介
ISL5217 是一款Intersil公司推出的四通道可编程上变频器(QPUC),一种可实现单通道或多通道数字软件无线电发信机(宽带或窄带)的数字发信处理芯片,功能强大,其主要特性如下:
(1)样速率高达104MSPS,输入数据速率也高达6.5MSPS;
(2)FDR 大于140dB;
(3)S-136、EDGE、IS95,TD-SCDMA,CDMA-2000-1X/3X,W-CDMA,UMTS 制式的应用,也支持AMPS,NMT,GSM 的FM 调制等;
(4)全独立的通道,每个通道均包含整形滤波器、半带滤波器,以及高阶内插滤波器等;
(5)16bit 并行微处理器接口和四个独立串行数据输入口;
(6)2 个20bit I/O 总线和2 个20bit 输出总线,可用于多片级联;
(7)32bit 可编程NCO;48bit 可编程符号同步NCO;
(8)模式和输出路由控制。
DUC 芯片ISL5217 原理框图如图3 所示。ISL5217 芯片通过微处理器接口进行内部配置,A<6:0>为地址总线,P<15:0>为数据总线,/RD 、/WR和/CS为控制总线,能方便地与DSP、MCU 等进行接口通信。可从该接口加载的配置数据包括48bit 采样速率NCO 频率字、32bit 载频NCO 频率字、内部滤波器系数、调制方式、增益控制字等等。

图3 DUC芯片ISL5217原理框图

2.1 整形滤波
该滤波器提供对输入的数据进行必要的脉冲整形。使用了由NCO 控制的内插FIR 滤波器结构,具有4、8 和16 三种内插倍率(IP)。多相滤波器的冲激响应的展宽为4~16 个数据样值,即DS 值可在4 和16 之间取值。该整形滤波器的系数个数为:

2.2 增益控制部分
整个通道的增益控制由增益模板和增益控制单元一起来完成的。增益模板主要用于发射的突发模式(如GSM 系统),以形成突发脉冲的上升和下降的边沿模板。增益模板的系数为12bit,表示增益系数,最大为1,最小为0。增益控制单元通过比例乘法器和比例移位方式实现,总的增益调节范围为-0.0026dB ~-144dB。

2.3 采样率NCO
采样率NCO 为数据输入FIFO存储器、整形滤波器以及内插滤波器等电路提供所需的时钟信号。

2.4 半带滤波器
该半带滤波器为11tap固定系数的两倍内插的半带滤波器,并具有旁路模式。当处于旁路模式时,该滤波器的输入数据强制为零,降低功耗。该半带滤波器的系数为:3、0、-25、0、150、250、150、0、-25、0 和3。滤波器的输入为20bit。

2.5 内插滤波器
内插滤波器用于建立通道最后输出所需的数据采样速率,其内插率NIS的关系式如下:

其中, fCLK为主时钟, f S为基带信号输入采样率,IP为该内插滤波器输入之前的总内插率。

2.6 载波NCO
经过内插的数字信号输入到复数混频器,把基带信号搬移到指定的载波频率上。载波NCO 用于产生所需的正交载波本振信号。频率控制字CR 为32bit,表示的范围为[- 231, 231],对应的载波频率范围为
- fCLK/2~f CLK/2,对应关系为Fc = CR× fclk×2-32。

2.7 信号路由控制/加法
器组主要包括信号路由控制电路、4-4 输入加法器和两个用于级联加法器三部分电路组成。通过合适的配置来形成所需的多载波、多通道等,单芯片时单通道的最大载波数可以配置到4 个,并且允许四芯片级联,所以级联后单通道的最大载波数可以配到16 个载波,这很好地满足了基站的多载波扇区的应用需要。

3 应用举例
图4 为DUC 芯片ISL5217 在宽带移动通信应用中的具体实现原理框图。该电路以ISL5217 为核心,配以时序电路、DAC 电路和控制电路等来实现数字化宽带多载波中频处理系统。

图4 ISL5217在宽带数字化中频应用中的实现原理框图]

DSP/MCU 用于实现电路的具体配置数据的下载以及一些相关电路的控制功能。CPLD EPM7256 芯片为Altera 公式的产品,在该设计中用于产生输入数字信号的时序以及控制信号等,起到与ISL5217 芯片之间的接口适配的作用。图中的虚线框部分电路实现数模转换、低通信号滤波等,以输出所需要的模拟中频信号。该部分电路以模块化形式制作,可根据具体所需模拟通道的个数进行相应的电路配置。

D/A 变换器选用Intersil 公司的ISL5961,该芯片是一款14bit 采样速率130/210MSPS 的CMOS 兼容高速低功耗高性能D/A 变换器,它的输出满幅电流2~20mA 可调,并且具有很高的SFDR,非常适用于第二代至第三代移动通信基站发信系统。LPF为一个35MHz 带宽的低通滤波器。

单片ISL5217 芯片对应可配置的最大输入基带信号为4 路(BB1~4),最大输出模拟通道数为4 路(IFout1~4),最大载波数为4。对于更多的载波数的要求,可以通过该芯片最多能实现四片级联的功能来实现,通过IIO/20 和QIO/20 端口输入级联的数字信号。

在本设计中,系统时钟采样92.16MHz,LPF 为35MHz 带宽,所以该设计可以实现输出模拟信号的频率范围为0~35MHz。图5 为单载波配置时的输出,中心频率为30MHz 的WCDMA信号;图6为双载波配置时的输出结果,其中心频率分别为10MHz 和20MHz。从测试的结果来看,该设计能够很好地满足3G 移动通信系统的应用。

图5 中心频率为30MHz 的WCDMA 信号


图6 频率为10MHz 和20MHz 的双载波WCDMA 信号

该设计不仅能很好地满足3G UMTS系统的应用,而且在不改变硬件配置的情况下,只需通过改变相应部分参数的设置,如NCO 载波、数字滤波器以及内插、抽取等参数值的设置,即可实现GSM 以及CDMA2000 等系统的应用。

本文利用了可编程数字上变频器ISL5217 实现了应用于移动通信系统的宽带数字化中频技术,该应用设计显示了中频数字收发技术优点,可以简化模拟通道的设计,减轻射频系统的指标压力,从而降低系统成本,提高整个系统的性能等。数字化中频技术在移动通信系统中的应用,可以大大降低系统的更新换代、新产品的设计和生产成本。