1 引言
随着移动通信业务的迅猛发展，直放站作为改善移动号弱区盲区的重要设备，以其具有投资较少、结构简单、安装方便灵活等优点广泛应用于2G移动网。而目前2G网络仍使用模拟设备的直放站。对于第三代移动通信系统，各国提出了多种不同标准，但要统一标准非常困难。未来的移动通信系统存在着多频、多模、多和多标准等问题，这就了各种设备的互通和兼容，因此对软件无线电技术在直放站中的应用提出了切实需求。为了提高3G直放站的性价比，采用数字技术统一3G直放站的硬件平台是一种较好的解决方案。这里提出了一种以AD6655为数字中频信号采集系统核心的通用、可扩展的硬件平台设计。
2 AD6655简介 2.1 性能特性
AD6655是ADI公司的一款高度集成的分集接收机，内置有低延迟的峰值检测器、RMS信号功率监测器、两个14bit的A／D转换器以及一个数字下变频转换器(DDC)。AD6655采用1.8 V和3.3 V供电电源；当工作在32.7～70 MHz带宽内，采样速率为150 MS／s时，SNR为74.0 dBc；而在70MHz带宽内，SFDR为84 dBc。因此，该器件适用于TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000、WIMAX、GSM等多种制式接收机系统。
2.2 内部结构
AD6655内部结构框图如图1所示。AD6655内部包含丰富的信号监测系统，每个通道都有4-bit的信号检测位，允许监控数据以串行方式输出。
AD6655的主要功能模块是14-bit的A／D转换器和DDC。信号经采样保持器进入A／D转换器，再通过DDC下变频，最后通过输出缓存输出数据。其中DDC包括32-bit数控振荡器(NCO)、低通／高通半带滤波器、FIR滤波器和fDAC／8 NCO等模块。这4个模块除半带滤波器外，其余均为可选单元。因此，通过配置寄存器，DDC具有5种工作模式：半带滤波器工作模式，输出实信号数据；半带滤波器+FIR滤波器，输出实信号数据；32-bit NCO+半带滤波器模式，输出复信号数据；32-bit NCO+半带滤波器+FIR滤波器；输出复信号数据；32-bitNCO+半带滤波器+FIR滤波器+fDAC／8 NCO模式，输出实信号数据。用户可根据输人信号的频率、频谱宽度以及输出信号的要求来选择恰当的工作模式。
3 数字直放站系统设计
数字直放站是提供一种带有数字预失真、可实现多载波、数字化的3G基站延伸系统，实现3G基站射频信号大容量、大动态范围的远距离数字传输，并提供灵活多样的快速组网方式，支持多频段和开放式架构，实现远程升级以及分布式建网，能够有效提高网络性能并降低网络建设的运营成本。
3.1 数字直放站简介
数字直放站主要由射频、数字中频两部分组成。其中射频部分包括：低噪声放大器、模拟射频接收机、模拟射频发射机、多载波功率放大器；而数字中频包括：A／D转换器、D／A转换器、数字上／下变频、数字滤波与分集接收、数字预失真、峰均比抑制(CFR)模块。
数字上／下变频实现信号频谱搬移、采样率变换、通道滤波等功能。CFR模块用于降低3G信号的峰均比。在3G通信系统(如WCDMA通信系统)中，信号的峰均比较高，一般可达10～14 dB。由于大多数功率类放大器都是非线性的，其动态范同有限，这就要求D／A转换前信号的峰均比应确保5～8 dB。采用CFR模块降低信号的峰均比，防止子载波间的交调干扰和频谱外泄，改善系统性能，提高功率器件的工作效率。自适应数字预失真模块可消除功放产生的非线性引起的失真
3.2 系统硬件设计
本系统设计主要是基于软件无线电的设计思想，旨在设计一个通用的硬件平台，具有模块化、开放性、可扩展性等特点，可实现在不同载波间平滑过渡、不同制式之间轻松升级。数字直放站系统设计框图如图2所示。
AD6655采集模拟混频器传输的中频信号，并将数字信号传输给FPGA。单片机(MCU)选用ATmega16L，实现对A／D转换器、D／A转换器、时钟等功能模块的配置和通信控制。FPGA选用Xilinx公司的Virtex-4 SX35，其具有运行频率高，DSP功能强大等特点。FPGA作为整个系统的核心完成数字下变频、数字上变频和降低峰均比等功能。
针对不同应用的接收机，需选择不同的采样技术，进而确定最佳的采样频率及中频频率。针对3G信号带宽、工作频点高的特点，如WCDMA信号发射频段为2 110～2 170 MHz、四载波带宽20 MHz，需选用带通采样。合理选择采样频率和IF频率有利于简化A／D转换前的抗混叠滤波器设计，提高频率分辨率。根据AD6655性能综合考虑，该系统设计设定采样频率为122.88 MHz，中频频率为153.6 MHz。
AD6655中的DDC是对整个通带内信号的初步下变频，降低通带内信号FPGA信号处理时钟的要求。由于本系统设计选用带通采样技术，通带内信号将在频域大于fs的整数倍处镜像。在采样频率为122.88 MHz，中频频率为153.6 MHz的情况下，选择第一奈奎斯特区间内镜像，其中心频点应在30.72 MHz。为实现HB滤波器的最佳效果，需将信号的中心频率变换到零中频，32-bit NCO频率控制字NCQ_FREQ为0x40000000。将多相结构的19阶HB滤波器与66阶FIR滤波器配合使用能够实现良好的低通效果，如图3所示。
需注意HB滤波器对信号带宽的，在122.88 MHz的采样时钟，HB滤波器带宽可达24 MHz。同时HB滤波器就是抽取率为2的下变频器。DDC最后一级fDAC／8 NCO经低通滤波的信号频谱搬移至15.36 MHz。
图4为AD6655的实际应用电路，采用宽带变压器实现单端信号与差分信号的转换。这样在模拟信号阶段可以滤掉偶次谐波分量和共模干扰信号(如电源和地引人的噪声)。该系统设计提供了两种在A／D转换器的模拟信号输入端加入一个直流偏置的方法：第一种方法是南A／D转换器自带的CML信号提供，直流偏置同定；另一种方法是由R507、R513对模拟电源分压提供，直流偏置可根据需求修改。建议直流偏置等于AVDD／2。
电路中R500、R501、C482构成简易的抗混叠滤波器，具体数值可根据实际选用的中频频率计算。需要注意的是，该应用电路未给出退耦电容，在实际应用时需增必需的退耦电容。
AD6655通过MCU的SPI总线配置寄存器参数。AD6655采用片选信号(CSB)、串行通信时钟(SELK)、串行通信数据输出／输入端口实现系统控制(SDIO)。先将0x00寄存器配置为0x3C，再配置为0x18，实现对AD6655寄存器的软件复位；当无模拟信号接入时，若发现经过AD6655转换后数字信号不是0x2000，则需要配置0x10寄存器，用于补偿直流偏置误差直至满足要求；分别配置0x102、0x103、0x11D寄存器
为0x01、0x01、0x07，使AD6655工作于第5种工作模式；通过配置0x11E～0x121寄存器，设定32-bit NCO频率为30.72 MHz，相应频率字为0x40000000。 4 测试结果 4.1 测试方案
中频输入信号由 Agilent E4438C产生的四载波WCDMA中频信号，其中心频点为137.88 MHz，分别将4个载波频点设置为130.38 MHz、135.38 MHz、140.38 MHz、145.38 MHz，输入信号幅值为0 dBm。信号经数字直放站中频板后，将中频信号分别接入频谱仪Agilent E4408B观察信号的频谱及WCDMA信号性能指标。
4.2 测试结果及分析
图5给出WCDMA中频信号经过系统板后，中频输出信号的频谱。由图5看出，输出信号的载波数和频点符合设置信息，输出频点为(122.88+7.5)MHz，(122.88+12.5)MHz，(122.88+17.5)MHz，
(122.88+22.5)MHz，ACLR约为45 dB@5MHz，45 dB@10 MHz。同时测得各频点平均EVM为4.68％，一般来说，射频电路的EVM为3％～5％。这样，数字中频与射频级联后，EVM仍小于12.5％。所以该系统EVM值可达到指标要求。
从功能上看，该设计方案实现了数字直放站数字中频系统的基本功能；从指标性能上看，该方案虽达到指标要求，但其性能仍需优化。由于CDMA2000单载波的数据量比WCDMA小，对接收机噪声系数以及A／D转换的要求也比WCDMA的要求低，所以只要重新配置参数，并通过相应程序代码下载到FPGA，可便于实现CDMA2000多载波数字中频系统。该系统硬件平台也适用于GSM数字中频，可实现GSM数字中频更多载波的扩容与升级。 5 结语
AD6655是采样速率高达150 MS／s的14位高性能宽带模数转换器，内部集成NCO、HB滤波器、FIR数字滤波器，并具有多种工作模式和良好的交流和直流性能。因此，AD6655可应用于通信、图像采集系统中，适用于不同制式移动通信系统中数字直放站的信号采集系统。
基于GC5016的数字直放站设计
对于第三代移动通信系统，各国提出了多种不同的标准，要统一这些标准是非常困难的，IMT-2000的发展策略已经改变过去“统一”的概念，转而以各地区现有第二代系统网络为基础来制定比较现实的过渡方案，提出了“IMT-2000家族”的概念它放弃了在空中接口、网络技术等方面一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案而第二代移动通信系统中又有GSM和CDMA两个标准因此，在未来的移动通信的直放站中存在着多频、多模、多和多标准等问题，为软件无线电技术在直放站中的应用提出了切实的需求为了提高3G直放站的性价比，采用数字技术来统一3G直放站的硬件平台是一种较好的解决方案 GC5016简介
GC5016是TI公司推出的宽带四通道可编程数字上变频/下变频转换器，提供160MSPS时钟、杰出的3G性能、灵活的宽带数字滤波、多个输入与输出接口选项以及超低功耗同时，它也可以作为普通的数字滤波器使用
在上变频模式，信道接收实数据或者复数据，用可编程的数值1～4096进行抽取，并将其调制到选定的中心频率上已调信号可以是四个通道的信号之和，也可以是任选的其他GC5016芯片的已调信号相加信道可以成对使用以增加输出采样率或者增加输入信号的带宽，或者同时实现两个目标每个通道包含一个用户可编程输入滤波器(PFIR)，这个滤波器可以用作发射数据的整形滤波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信号等的Nyquist滤波器
在下变频转换模式，信道接收的还是实数据或者复数据，并解调到选定的载频上，再用可编程的数值1～4096进行抽取，然后进行自动增益控制放大，并产生20位的输出下变频转换模式下，信道的输出信号经过格式化后，以实数或者复数的形式加到四个输出端口，完成数字信号的下变频
在下变频通道模式下，GC5016的4个通道的输入时钟速率可达160MS/s，而2个通道则可以达到320MS/s，4组宽带下变频通道可支持UMTS标准，具有115dB无失真动态范围(SFDR)的处理能力，具有16个能达到255阶的FIR滤波器，个并行输入/输出位，提供灵活的I/O选项
上变频通道模式与下变频模式的性能基本相同，输出可以是的，可以是一两个输出的和，也可以是任意的几个GC5016芯片输出信号的融合
模拟直放站简介
目前成熟的采用模拟方式处理的直放站框图如图1所示(以宽带直放站为例)，其中，下行链路是直放站通过天线接收基站发来的信号，经过低噪声放大器(LNA)、射频滤波器(RF Filter)、混频器(下变频)、中频声表滤波器(IF Filter)、混频器(上变频)、射频滤波器(RF Filter)、功率放大器驱动模块(Amp)和功率放大器(PA)，再通过天线发射出去；上行链路是直放站通过天线接收移动台(通常是手机或车载电话)，经过与下行链路类似的处理后，通过天线发射给基站
图1 模拟直放站系统框图
目前的直放站为了满足不同的与标准，必须更换其中的中频滤波单元(IF Filter)模块，致使不同标准的直放站具有不同的硬件配置，大大增加研发、生产和维护成本 数字直放站设计 ● 数字中频框图
随着A/D、D/A及数字信号处理技术的发展，现在软件无线电技术已经可以用于直放站的中频滤波单元，如图2所示采用图2所示的一个数字中频单元模块直接替换图1中的模拟中频滤波单元(IF Filter)模块(包括上行和下行两个模块)，就基本可以满足目前所有标准的直放站硬件需求这样，直放站的硬件平台基本达到了统一，只要采用不同的数字滤波配置代码，就可以实现不同标准的直放站功能其中的数字滤波功能可以采用高速DSP芯片、FPGA或专用ASIC实现
图2 数字中频单元框图
● 芯片选型
基于上行/下行的对称性及成本上的考虑，这里的A/D和D/A芯片都选择了双通道集成的芯片其中，A/D选择ADS5553；D/A选择DAC5687；数字滤波采用专用ASIC芯片GC5016实现
ADS5553的分辨率为14bit，采样率为65MS/s，70MHz fIN时的信号杂波比(SNR)为74dBFs，SFDR为84dBc
DAC568不仅能够提供大于75dB的信噪比(SNR)，以及大于81dBc的三阶互调(IMD3)，而且还允许多载波系统在更高的输出功率下进行工作此外，DAC5687在速率为500MS/s时的功耗仅为700mW，提高了系统可靠性并实现了更高的通道密度 系统配置
基于上述数字中频硬件平台，可以通过不同的配置，以应用于不同标准的直放站，现以WCDMA直放站为例进行详细说明
设置输入模拟中频(IF)为140MHz，ADC5553的采样频率为61.44MHz采用通带欠采样技术，ADC5553输出速率为61.44MS/sGC5016接收ADC5553输出的信号，进行下变频、滤波后信号速率变为7.68MS/s，然后再进行上变频处理，输出速率为61.44MS/s的中频数字信号DAC5687接收GC5016输出的信号，通过内插和滤波输出140MHz的IF模拟信号
ADC5553不需要软件配置，只要给它稳定的61.44MHz时钟就可以了系统的滤波功能主要在GC5016中实现，WCDMA对于滤波的要求如图3所示DAC5687需要完成内插/滤波及上变频的功能，可通过串行接口对其进行编程
图3 单信道滤波器幅频特性
GC5016可以采用CMD5016配置软件程序，按要求生成一系列输出文件这里面包含配置文件、分析文件、调试文件和列表文件配置文件以一种格式定义所有寄存器的设置以适合GC101的估计模式分析文件提供用户内部到芯片的增益反馈信息，并且提供其他有用的信息给用户读取调试文件是给软件程序的调试者使用的，而且这个文件对其他人可能是保密的列表文件包含每个控制区的值这种格式可以使用户较容易地看出每个控制区采用的是哪种设置
在前面已经讲到，每个通道都有两种工作模式：发射和接收这里采用两个通道(AB)用于发射，两个通道(CD)用于接收由于不同的参数适合于不同的工作模式，所以使用时要先进行模式设置模式的设置可以用一条模式命令完成 mode [AB|CD] [transmit| receive]
用户在命令文件中定义变量这些变量可以是区(硬件控制寄存器的位区)或者pseudo_fields(仅仅在软件中存在的变量，而在硬件中没有与之直接对应的元素)变量可以有六种类型：mandatory(M)、defaulted(D)、computed(C)、unused(U)、expert(E)和not available(-)Not available只能用在只读变量中在发射和接收模式中，变量有不同的类型例如，cic_int在发射中是M(mandatory)型，而在接收中
则是U(unused)型任何变量均可以由用户定义，而且它们的值可用于芯片的编程也可用于其他区的计算用户要想修改这些变量的值，就应该在软件中给出C和E区定义值有一点需要注意，为了提高程序的可读性，往往需要加一些注释，注释的格式是：以“#”或者“/”开始，在注释中允许有空行
图4和图5分别是WCDMA滤波器频率响应和滤波器频率响应过渡带宽度和阻带衰减的关系
图4 WCDMA滤波器频率响应
图5 WCDMA滤波器频率响应过渡带宽度和阻带衰减的关系
结语
该硬件平台已经成功应用于多种直放站设备，都达到了相应的移动通信直放站标准，性能稳定可靠，取得了较好的经济效益