一种实用的中频数字接收机设计

摘要：针对后三代移动通信系统研究所需硬件平台的要求，提出了一种灵活性强的可扩展中频接收机设计方案。这种方案可以在较高的中频频率上实现信号的数字化接收，且适用于多种输入信号。该方案以自顶向下的思路，吸取其它方案的优点，完成了基于软件无线电思想的数字化接收机设计。该系统结构简单，成本低，有良好的实用性和通用性。
　　关键词：带通采样采样速率数字下变频
　　
　　近年来，移动通信的发展十分迅速。应对更高速率业务的要求，我国对于后三代移动通信系统(B3G)的研究也逐渐兴起，但是目前多局限于对仿真数据进行理论研究和模拟阶段，有必要建立一个硬件实验平台，以便寻找研究成果的应用方法。此硬件平台应具有适合于软件无线电的体系，在硬件结构上与无线通信的通用功能模块相一致：不仅可以接收现存通信标准规定的信号，还可以处理由用户自定义的信号，为未来研究提供可靠的实测数据。该平台还应具有高度的灵活性、开放性以支持多种通信体制和不同的QoS(QualityofService)要求。
　　
　　从软件无线电的观点来看，受宽带天线、高速A／D转换器及数字信号处理器等发展水平的限制，实现一个理想的软件无线电平台[1]的条件目前还不具备。因此，本文根据系统提出的中频频率为70MHz、信号带宽为10MHz的设计要求，在分析比较了几个方案优缺点的基础上，着重研究了在现有器件情况下最大限度地实现中频数字化这一关键问题，最终设计了一种可用于所述实验平台的中频数字化接收机。在使用该方案的实际系统上，可以对新一代蜂窝移动通信系统中的关键技术进行研究和实验评估。
　　
　　1初步设计方案
　　
　　站在系统灵活性的角度，本文暂不考虑使用模拟解调器的中频接收方案，而采用数字化的处理，先提出两种方案。
　　
　　1．1单路带通采样方案，
　　
　　根据系统的中频频率和带宽两项参数指标，若进行低通采样，由Nyquist定理知，采样速率至少要150Msps才能保证频谱不会发生混迭。但以目前芯片的制作水平来看，采样速率大于150Msps且分辨率在10bit以上的ADC成本会很高；此外，后级接口电路必须使用超高速逻辑电路，基带数字信号处理的压力很大，还增加了整个电路板的布线、制版工艺难度，从而带来许多问题。观察系统的中频接收信号：最高截止频率为75MHz，但信号带宽只有10MHz；若低通采样此信号，则默认信号分布在0～75MHz整个频带范围内，对此频带不再加以利用，因而频谱利用率较低。可以运用带通采样机制，按远低于2倍信号最高截止频率的采样速率进行欠采样，将中频信号频谱无混迭地搬移至基带[1]。此方案的示意图如图1所示。
　　
　　例如，当发送端的基带信号是实信号时，选择接收机的采样速率fs=35Msps，频谱周期性复制到：f1±kfs(k为整数)，采样前后信号频谱的变化如图2、图3所示。
　　
　　从图中可以看到，带通采样利用ADC作为近似理想的混频器对信号进行变频。采样后相当于信号的中心频率从70MHz搬移到基带，实现了中频到基带的频率变换，频谱利用率也比较高。可见，带通采样是比较合适的高速中频采样方案。此方案的优点是不再要求ADC有很高的采样速率，而只要采样速率选取得合适，后端可以直接得到基带数据进行相应的处理，大大简化了系统。此方案的缺点是当发送的基带信号为复数形式时，正负频谱关于虚轴不对称，若仍用35Msps的采样速率，频谱会发生混迭。因此要在采样前将信号先分别通过两个模拟边带滤波器得到两路有用的边带信息，再分别进行带通采样，要求此模拟滤波器的截止特性必须十分陡峭，否则会损失通带内的低频分量。但模拟滤波器有两个缺点：首先，过渡带宽窄的滤波器由于相位对频率的非线性会导致信号失真；其次，过渡带窄意味着高阶滤波器需要大量高质量的储能元件，代价很高。由此，该模拟边带滤波器不仅昂贵，还会使有用信号产生失真。
　　
　　1．2两路正交化采样方案
　　
　　笔者又提出了适用于发送端是复基带信号的两路正交化采样方案：借鉴正交采样的基本思想，使用两路ADCs以起始采样时间相距1/4个中频信号周期、同样的采样速率对中频信号进行带通采样。由于相位是以2π为周期的，所以这种方法得到的两路采样信号相位相差π/2，可以把它们分别看作一个复数信号的I、Q两路，对于每一路数据都按照前一种方案的思路将频谱搬移到基带。此方案示意图如图4所示，其中NCO(NumbericallyControlledOscillator)表示数控振荡器。
　　
　　这种方案用两路正交信号恢复基带复信号，若仍用原来1/2的采样速率就能获得比第一种方案好的信噪比，而且方案二所适用的范围更广。此方案最大

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