基于GC5016的數(shù)字直放站設(shè)計

對于第三代移動通信系統(tǒng)，各國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)來制定比較現(xiàn)實的過渡方案，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。而第二代移動通信系統(tǒng)中又有GSM和CDMA兩個標(biāo)準(zhǔn)體制。因此，在未來的移動通信的直放站中存在著多頻、多模、多體制和多標(biāo)準(zhǔn)等問題，為軟件無線電技術(shù)在直放站中的應(yīng)用提出了切實的需求。為了提高3G直放站的性價比，采用數(shù)字技術(shù)來統(tǒng)一3G直放站的硬件平臺是一種較好的解決方案。
 

GC5016簡介

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時鐘、杰出的3G性能、靈活的寬帶數(shù)字濾波、多個輸入與輸出接口選項以及超低功耗。同時，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)信號可以是四個通道的信號之和，也可以是任選的其他GC5016芯片的已調(diào)信號相加。信道可以成對使用以增加輸出采樣率或者增加輸入信號的帶寬，或者同時實現(xiàn)兩個目標(biāo)。每個通道包含一個用戶可編程輸入濾波器(PFIR)，這個濾波器可以用作發(fā)射數(shù)據(jù)的整形濾波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信號等的Nyquist濾波器。

在下變頻轉(zhuǎn)換模式，信道接收的還是實數(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，信道的輸出信號經(jīng)過格式化后，以實數(shù)或者復(fù)數(shù)的形式加到四個輸出端口，完成數(shù)字信號的下變頻。 

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

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

模擬直放站簡介

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天線接收基站發(fā)來的信號，經(jīng)過低噪聲放大器(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)動模塊(Amp)和功率放大器(PA)，再通過天線發(fā)射出去；上行鏈路是直放站通過天線接收移動臺(通常是手機(jī)或車載電話)，經(jīng)過與下行鏈路類似的處理后，通過天線發(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

● 數(shù)字中頻框圖

隨著A/D、D/A及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在軟件無線電技術(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?a target="_blank">ASIC實現(xiàn)
 

圖2  數(shù)字中頻單元框

● 芯片選型
 

基于上行/下行的對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實現(xiàn)。

ADS5553的分辨率為14bit，采樣率為65MS/s，70MHz fIN時的信號雜波比(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時的功耗僅為700mW，提高了系統(tǒng)可靠性并實現(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，可以通過不同的配置，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，進(jìn)行下變頻、濾波后信號速率變?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。DAC5687接收GC5016輸出的信號，通過內(nèi)插和濾波輸出140MHz的IF模擬信號。

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

圖3  單信道濾波器幅頻特性

GC5016可以采用CMD5016配置軟件程序，按要求生成一系列輸出文件。這里面包含配置文件、分析文件、調(diào)試文件和列表文件。配置文件以一種格式定義所有寄存器的設(shè)置以適合GC101的估計模式。分析文件提供用戶內(nèi)部到芯片的增益反饋信息，并且提供其他有用的信息給用戶讀取。調(diào)試文件是給軟件程序的調(diào)試者使用的，而且這個文件對其他人可能是保密的。列表文件包含每個控制區(qū)的值。這種格式可以使用戶較容易地看出每個控制區(qū)采用的是哪種設(shè)置。

在前面已經(jīng)講到，每個通道都有兩種工作模式：發(fā)射和接收。這里采用兩個通道(AB)用于發(fā)射，兩個通道(CD)用于接收。由于不同的參數(shù)適合于不同的工作模式，所以使用時要先進(jìn)行模式設(shè)置。模式的設(shè)置可以用一條模式命令完成。

mode [AB|CD] [transmit| receive]

用戶在命令文件中定義變量。這些變量可以是區(qū)(硬件控制寄存器的位區(qū))或者pseudo_fields(僅僅在軟件中存在的變量，而在硬件中沒有與之直接對應(yīng)的元素)。變量可以有六種類型：mandatory(M)、defaulted(D)、computed(C)、unused(U)、expert(E)和not available(-)。Not available只能用在只讀變量中。在發(fā)射和接收模式中，變量有不同的類型。例如，cic_int在發(fā)射中是M(mandatory)型，而在接收中則是U(unused)型。任何變量均可以由用戶定義，而且它們的值可用于芯片的編程也可用于其他區(qū)的計算。用戶要想修改這些變量的值，就應(yīng)該在軟件中給出C和E區(qū)定義值。有一點需要注意，為了提高程序的可讀性，往往需要加一些注釋，注釋的格式是：以“#”或者“/”開始，在注釋中允許有空行。

圖4和圖5分別是WCDMA濾波器頻率響應(yīng)和濾波器頻率響應(yīng)過渡帶寬度和阻帶衰減的關(guān)系。

圖4  WCDMA濾波器頻率響應(yīng)

圖5  WCDMA濾波器頻率響應(yīng)過渡帶寬度和阻帶衰減的關(guān)系

結(jié)語

該硬件平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于多種直放站設(shè)備，都達(dá)到了相應(yīng)的移動通信直放站標(biāo)準(zhǔn)，性能穩(wěn)定可靠，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。