0 引言
基站是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分,，在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)中基站一般由射頻前端,、數(shù)字中頻和基帶處理構(gòu)成。由于數(shù)字中頻處于模擬和數(shù)字的轉(zhuǎn)換部分,，因此它的性能往往對(duì)基站系統(tǒng)的性能起著決定性作用,。目前,，數(shù)字中頻的上行鏈路部分通常以高速采樣的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字下變頻(DDC)及抽取濾波實(shí)現(xiàn),。
ADC完成模擬中頻信號(hào)的數(shù)字化,。在數(shù)字中頻接收鏈路中，A／D變換中的做法是同時(shí)使用OverSampling和UnderSampling兩種技術(shù),。使用OverSampling技術(shù),，可以提高ADC的SNR，提高鄰道抑制,；使用UnderSampling技術(shù),，可以保證在現(xiàn)有A／D器件采樣率的條件下，實(shí)現(xiàn)較高頻率的模擬中頻輸入,，相當(dāng)于完成了一次數(shù)字域下變頻,。以TD-SCDMA協(xié)議為例可以計(jì)算，12 b ADC能夠滿足性能要求,。通帶取決于奈奎斯特準(zhǔn)則在帶寬下對(duì)采樣率的要求,，12載波的信號(hào)帶為20 MHz，那么ADC的采樣頻率久要大于40 MSPS,。目前,，市場(chǎng)上TI，ADI,，LINEAR,，Maxim的產(chǎn)品能夠滿足要求。另外從性能價(jià)格比考慮,，基站設(shè)備廠家一般選擇12～14 b位寬的ADC,，中頻采樣頻率常用的有：76．8 MSPS，81．92 MSPS,，122．88 MSPS等,。
數(shù)字下變頻器完成采樣數(shù)據(jù)到基帶的轉(zhuǎn)換，由于DSP處理速度的限制,，用純軟件不能實(shí)現(xiàn)這部分功能,。目前硬件實(shí)現(xiàn)的組成結(jié)構(gòu)與模擬下變頻器類似，包括數(shù)字混頻器,、數(shù)字控制振蕩器(NCO)和低通濾波器(LPF)三部分組成,。DDC的運(yùn)算速度受下級(jí)DSP處理速度的限制，同時(shí)其運(yùn)算速度決定了其輸入信號(hào)數(shù)據(jù)流可達(dá)到的最高速率,，相應(yīng)地也限制了ADC的最高采樣速率,。數(shù)字下變頻的數(shù)據(jù)精度和運(yùn)算精度也影響著基站的上行性能。影響DDC性能因素有：一個(gè)是輸入數(shù)據(jù)位寬,、NCO位寬,；二是NCO相位的分辨率,。目前常用的DDC實(shí)現(xiàn)方式有ASIC，F(xiàn)PGA等,，常用的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)為數(shù)字混頻器,、CIC+FIR濾波器和抽取濾波器組成。目前,，市場(chǎng)上有許多專用DDC芯片,，比如TI，Intersil等,，而FPGA實(shí)現(xiàn)中Altera和Xilinx都有完成該類濾波器和運(yùn)算的可選擇高速芯片,。
最后，為實(shí)現(xiàn)基帶I／Q數(shù)據(jù)流的路由和傳輸,，往往會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和串化解串化(SerDes)轉(zhuǎn)換,。再考慮到眾多測(cè)試功能，這部分一般需專門考慮,，這里不多贅述,。
1 系統(tǒng)需求分析
數(shù)字中頻是TD-SCDMA基站中的重要組成部分。對(duì)數(shù)字中頻部分性能需求進(jìn)行量化分析,，可以更清楚地認(rèn)識(shí)數(shù)字中頻在系統(tǒng)中的位置及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響,，為數(shù)字中頻研發(fā)和測(cè)試的提供參考。
TD-SCDMA協(xié)議中規(guī)定,，接收機(jī)天線口輸入有用信號(hào)功率在-110～-80 dBm范圍內(nèi),。同時(shí)協(xié)議中規(guī)定，鄰道功率最強(qiáng)為-55 dBm的單碼道CDMA信號(hào),，15 MHz射頻帶內(nèi)最強(qiáng)帶外阻塞信號(hào)功率為最小3．2 MHz,，頻偏-40 dBm的單碼道CDMA信號(hào)。ADC入口的最大功率為6 dBm時(shí),，可以估算頻鏈路額定增益為40 dB,，若接收機(jī)射頻鏈路的噪聲系數(shù)可以做到5 dB，則可以估算ADC輸出信噪比應(yīng)大于74 dB,，ADC的有效位寬應(yīng)大于等于12 b,。
計(jì)算過程參考如下方法：
采樣時(shí)鐘抖動(dòng)(Jitter)和ADC固有的抖動(dòng)也會(huì)惡化信噪比，在大信號(hào)輸入時(shí)尤為明顯,。根據(jù)SNR=-20 log(2πfσt)，以采樣時(shí)鐘為100 MHz計(jì)算,，當(dāng)射頻部分無帶外抑制時(shí),，鏈路增益為40 dB，此時(shí)Jitter等效ADC輸入口噪音功率為-65 dBm,，允許的時(shí)鐘抖動(dòng)為5 ps,。當(dāng)射頻部分對(duì)帶外阻塞信號(hào)有15 dB抑制時(shí),，鏈路增益為55 dB，此時(shí)Jitter等效ADC輸入口噪音功率為-50 dBm,，允許的時(shí)鐘抖動(dòng)為20 ps,。
A／D采樣信號(hào)經(jīng)過抽取后會(huì)混到有用信號(hào)帶內(nèi)，因此在射頻鏈路對(duì)阻塞信號(hào)沒有任何抑制的情況下,，需由數(shù)字濾波器將其濾除,。最惡劣情況下阻塞信號(hào)會(huì)比有用信號(hào)強(qiáng)70 dB，因此數(shù)字濾波器的遠(yuǎn)端帶外抑制應(yīng)達(dá)到70 dB,。濾波器一般選用CIC,，ISINC，RRC級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn),，NCO的雜散應(yīng)小于-80 dB,。TD-SCDMA協(xié)議中規(guī)定，要采用滾降因子為O．22的根升余弦濾波器(RRC)來實(shí)現(xiàn)反脈沖成形濾波,。圖1為一般DDC的實(shí)現(xiàn)框圖,。
2 AD6655的結(jié)構(gòu)和工作原理
AD6655是Analog Device公司的一款功能強(qiáng)大的中頻接收器件。它內(nèi)置雙通道14 b,、最高125 MSPS采樣率的ADC,，寬帶DDC，以及功率檢測(cè)功能,。
AD6655具備以下特點(diǎn)：
(1)1．8 V模擬供電,，1．8～3．3 V輸出供電，有低功耗模式,；
(2)雙通道ADC：內(nèi)部參考電壓,，1～2 V輸入電平范圍，采樣頻率最高到125 MSPS,，SN
R為71．7 dBc to70 MHz@125 MSPS,，SFlDR為85 dBc to 70 MHz@125 MSPS，85 dB的隔離度,；
(3)內(nèi)置ADc時(shí)鐘占空穩(wěn)定器,，1～8倍的時(shí)鐘分頻；
(4)雙通道DDC,，包含32位NC0,，半帶插值濾波，F(xiàn)IR濾波器,；
(5)復(fù)合信號(hào)檢測(cè)功能,。
它的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
此款芯片可以應(yīng)用在：GSM,，EDGE,，TD-SCDMA,，WCDMA，CDMA2000,，IMT-2000,，WiMax，LTE等領(lǐng)域,。
AD6655雖然是一顆14 b高速ADC,，但由于內(nèi)嵌了抽取濾波器，所以在產(chǎn)業(yè)化階段并不需要嚴(yán)格的進(jìn)口許可認(rèn)證,，對(duì)降低系統(tǒng)成本起到很大作用,。
3 AD6655在TD-SCDMA基站系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)
由于AD6655為雙路ADC+DDC，所以在多天線基站系統(tǒng)中使用比較方便,，例如8天線智能天線系統(tǒng)只需要4片AD6655,。為滿足采樣時(shí)鐘的Jitter要求，采用AD9510鎖定系統(tǒng)時(shí)鐘并驅(qū)動(dòng)AD6655的采樣時(shí)鐘(LVPECL邏輯),，匹配方式為交流耦合,。AD6655采用內(nèi)部參考電壓，模擬中頻信號(hào)由SMA連接器輸入后,，采用1：4的balun由不平衡輸入轉(zhuǎn)換到平衡輸入,，可以得出中頻信號(hào)的溢出告警電平為10 dBm左右，系統(tǒng)對(duì)模擬中頻輸入信號(hào)的功率要求為小于6 dBm,。圖3為基站的上行結(jié)構(gòu)框圖,。
153．6 MHz寬度的模擬中頻信號(hào)經(jīng)過A／D采樣后，中心頻率在30．72 MHz,。數(shù)據(jù)在芯片中會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換,。進(jìn)入DDC的輸入數(shù)據(jù)為調(diào)制到24×、速率為96×的數(shù)據(jù),。DDC部分由四大部分組成：NCO,，CIC，ISINC濾波器和RRC濾波器,。NCO部分完成解調(diào)的功能,，將數(shù)據(jù)分成I和Q兩路，然后I,，Q數(shù)據(jù)經(jīng)過完全相同的兩個(gè)通道進(jìn)行抽取,，分別進(jìn)行CIC濾波、ISINC濾波器和RRC濾波器,，最后將數(shù)據(jù)抽取到1×,，送給基帶。
AD6655的供電需要模擬1．8 V、數(shù)字1．8 V和I／O電壓,。模擬部分的供電由LDO提供，核電壓1．8 V可以通過磁珠取自LDO,，I／O電壓使用3．3 V以達(dá)到和FPGA相同I／O接口電平,。由于單板A／D、D／A通道較多,，模擬數(shù)字采用了共地處理,，而模擬數(shù)字電壓進(jìn)行了電源層分割。
AD6655的控制接口采用3線SPI和控制部分通訊,，內(nèi)部寄存器通過它進(jìn)行配置和控制,。AD6655有幾十個(gè)寄存器，主要為A／D模式,、DDC配置,、及同步控制等，芯片上電后由板卡控制單元進(jìn)行配置,。
4 信號(hào)鏈的系統(tǒng)仿真
ADC采樣后,，153．6 MHz中頻頻點(diǎn)的三載波信號(hào)數(shù)字化為中心頻點(diǎn)在30．72 MHz的信號(hào)。由于是實(shí)信號(hào),，因此在負(fù)頻率處有其鏡像信號(hào),。
低中頻信號(hào)進(jìn)入數(shù)字混頻器，轉(zhuǎn)換為多載波0中頻信號(hào),，同時(shí)將實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為In-phase和Quadrature正交的兩部分分量,。
AD6655的第一級(jí)濾波器為19階的半帶濾波器，它實(shí)現(xiàn)2倍抽取濾波,，并且不能被旁路,，因此它的帶寬也決定了接收鏈路的最大帶寬。器件手冊(cè)指出最大可用帶寬為采樣率的11％,，在122．88 MSPS采樣率下支持的帶寬為27 MHz,。AD6655還有一個(gè)66階的FIR濾波器，為抵消CIC濾波器對(duì)有用信號(hào)高頻抑制的影響,，F(xiàn)IR中加入了Inverse Sinc函數(shù)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償,。
2級(jí)濾波器的級(jí)聯(lián)頻響如圖5所示。
經(jīng)過2級(jí)濾波器,，AD6655輸出信號(hào)的頻譜特性如圖6所示,。
FPGA接收到AD6655的信號(hào)，由于已經(jīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了2倍,、或4倍的抽取,，所以FPGA的工作頻率就可以降低到ADC采樣頻率的了1／2或者1／4了。這對(duì)FPGA的型號(hào)選擇和降低成本都是有利的。
FPGA需要繼續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和抽取,，以達(dá)到系統(tǒng)ACS和Blocking要求的帶外抑制度,。由于AD6655可以對(duì)數(shù)字遠(yuǎn)端進(jìn)行-80 dBc的抑制，那么FPGA只需要對(duì)帶寬近端進(jìn)行相應(yīng)的濾波,，通常90階濾波器可以實(shí)現(xiàn)-50 dBc的帶外抑制,，當(dāng)然采用分級(jí)濾波的方式效果可能更明顯，并且一些濾波要在載波分路后進(jìn)行,。
FPGA需要繼續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和抽取,，以達(dá)到系統(tǒng)要求的ACS和Blocking帶外抑制度。由于AD6655可以對(duì)數(shù)字遠(yuǎn)端進(jìn)行-80 dBc的抑制,，那么FPGA只需要對(duì)帶寬近端進(jìn)行相應(yīng)的濾波,，通常90階濾波器可以實(shí)現(xiàn)-50 dBc的帶外抑制，當(dāng)然采用分級(jí)濾波的方式效果可能更明顯,，并且一些濾波要在載波分路后進(jìn)行,。
5 仿真結(jié)果和評(píng)價(jià)
由以上仿真來看，AD6655可以滿足基站上行鏈路中的應(yīng)用,，信號(hào)處理后輸出給FPGA,，節(jié)省了很多FPGA的邏輯單元。在AD6655Demo板和TD-SCDMA數(shù)字中頻板卡DIFB 3．O進(jìn)行了實(shí)測(cè),，測(cè)試結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求,。總之,，AD6655是一款比較合適的數(shù)字中頻接收鏈路的器件,，可以應(yīng)用在3G基站系統(tǒng)中，具有較高的性價(jià)比,。