基于GC5016的數字直放站設計

對于第三代移動通信系統，各國提出了多種不同的標準，要統一這些標準是非常困難的，IMT-2000的發展策略已經改變過去“統一”的概念，轉而以各地區現有第二代系統網絡為基礎來制定比較現實的過渡方案，提出了“IMT-2000家族”的概念。它放棄了在空中接口、網絡技術等方面一致性的努力，而致力于制定網絡接口的標準和互通方案。而第二代移動通信系統中又有GSM和CDMA兩個標準體制。因此，在未來的移動通信的直放站中存在著多頻、多模、多體制和多標準等問題，為軟件無線電技術在直放站中的應用提出了切實的需求。為了提高3G直放站的性價比，采用數字技術來統一3G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字上變頻/下變頻轉換器，提供160MSPS時鐘、杰出的3G性能、靈活的寬帶數字濾波、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字濾波器使用。
 

在上變頻模式，信道接收實數據或者復數據，用可編程的數值1～4096進行抽取，并將其調制到選定的中心頻率上。已調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，或者同時實現兩個目標。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射數據的整形濾波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信號等的Nyquist濾波器。

在下變頻轉換模式，信道接收的還是實數據或者復數據，并解調到選定的載頻上，再用可編程的數值1～4096進行抽取，然后進行自動增益控制放大，并產生20位的輸出。下變頻轉換模式下，信道的輸出信號經過格式化后，以實數或者復數的形式加到四個輸出端口，完成數字信號的下變頻。 

在下變頻通道模式下，GC5016的4個通道的輸入時鐘速率可達160MS/s，而2個通道則可以達到320MS/s，4組寬帶下變頻通道可支持UMTS標準，具有115dB無失真動態范圍(SFDR)的處理能力，具有16個能達到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來的信號，經過低噪聲放大器(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)、功率放大器驅動模塊(Amp)和功率放大器(PA)，再通過天線發射出去；上行鏈路是直放站通過天線接收移動臺(通常是手機或車載電話)，經過與下行鏈路類似的處理后，通過天線發射給基站。

圖1  模擬直放站系統框圖

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

數字直放站設計

● 數字中頻框圖

隨著A/D、D/A及數字信號處理技術的發展，現在軟件無線電技術已經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準的直放站硬件需求。這樣，直放站的硬件平臺基本達到了統一，只要采用不同的數字濾波配置代碼，就可以實現不同標準的直放站功能。其中的數字濾波功能可以采用高速DSP芯片、FPGA或專用ASIC實現
 

圖2  數字中頻單元框

● 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；數字濾波采用專用ASIC芯片GC5016實現。

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(IMD3)，而且還允許多載波系統在更高的輸出功率下進行工作。此外，DAC5687在速率為500MS/s時的功耗僅為700mW，提高了系統可靠性并實現了更高的通道密度。

系統配置

基于上述數字中頻硬件平臺，可以通過不同的配置，以應用于不同標準的直放站，現以WCDMA直放站為例進行詳細說明。

設置輸入模擬中頻(IF)為140MHz，ADC5553的采樣頻率為61.44MHz。采用通帶欠采樣技術，ADC5553輸出速率為61.44MS/s。GC5016接收ADC5553輸出的信號，進行下變頻、濾波后信號速率變為7.68MS/s，然后再進行上變頻處理，輸出速率為61.44MS/s的中頻數字信號。DAC5687接收GC5016輸出的信號，通過內插和濾波輸出140MHz的IF模擬信號。

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

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置以適合GC101的估計模式。分析文件提供用戶內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。調試文件是給軟件程序的調試者使用的，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的值。這種格式可以使用戶較容易地看出每個控制區采用的是哪種設置。

在前面已經講到，每個通道都有兩種工作模式：發射和接收。這里采用兩個通道(AB)用于發射，兩個通道(CD)用于接收。由于不同的參數適合于不同的工作模式，所以使用時要先進行模式設置。模式的設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(硬件控制寄存器的位區)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。在發射和接收模式中，變量有不同的類型。例如，cic_int在發射中是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的計算。用戶要想修改這些變量的值，就應該在軟件中給出C和E區定義值。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濾波器頻率響應和濾波器頻率響應過渡帶寬度和阻帶衰減的關系。

圖4  WCDMA濾波器頻率響應

圖5  WCDMA濾波器頻率響應過渡帶寬度和阻帶衰減的關系

結語

該硬件平臺已經成功應用于多種直放站設備，都達到了相應的移動通信直放站標準，性能穩定可靠，取得了較好的經濟效益。