《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LTE230數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
周春良1,2,周芝梅1,2,王連成1,2,馮 曦1,2,劉 亮1,2,唐曉柯1,2
1.北京智芯微電子科技有限公司,國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室,北京100192; 2.北京智芯微電子科技有限公司,北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,北京100192
摘要: 針對(duì)230 MHz頻段頻點(diǎn)分布離散、帶寬窄、無(wú)法直接進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題,設(shè)計(jì)出一種新型的低成本、高可靠性、高性能的數(shù)字中頻接收機(jī)。該接收機(jī)采用兩級(jí)數(shù)字下變頻、下采樣、濾波結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對(duì)230 MHz頻段40個(gè)離散頻點(diǎn)的聚合,從而達(dá)到寬帶傳輸?shù)男Ч?。?jīng)仿真及FPGA驗(yàn)證通過(guò)后,該接收機(jī)已應(yīng)用到LTE230無(wú)線通信基帶芯片并在試點(diǎn)項(xiàng)目中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行,充分表明數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)是很成功的。
中圖分類號(hào): TN851
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170880
中文引用格式: 周春良,周芝梅,王連成,等. LTE230數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(9):46-49.
英文引用格式: Zhou Chunliang,Zhou Zhimei,Wang Liancheng,et al. Design of a digital IF receiver for LTE230[J].Application of Electronic Technique,2017,43(9):46-49.
Design of a digital IF receiver for LTE230
Zhou Chunliang1,2,Zhou Zhimei1,2,Wang Liancheng1,2,F(xiàn)eng Xi1,2,Liu Liang1,2,Tang Xiaoke1,2
1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.Beijing 100192,China; 2.Beijing Engineering Research Center of High-Reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.Beijing 100192,China
Abstract: Aiming at the problem of high speed data transmission unreachable directly due to discrete distribution and narrow bandwidth of frequency point on 230 MHz frequency band, a new type of low cost, high reliability and high performance digital IF(Intermediate Frequency) receiver is designed. The receiver adopts two-stage digital down conversion, down sampling and filtering structure, and it can aggregate 40 discrete frequency points on 230 MHz frequency band to obtain broadband transmission effect. After passing simulation and FPGA verification, the receiver has been used to LTE230 wireless communication baseband chip and runs stably for a long time in pilot project, it fully indicates the design of digital IF receiver is successful.
Key words : LTE230;digital IF receiver;digital down conversion;down sampling;filter

0 引言

    LTE230是一種基于TD-LTE先進(jìn)技術(shù)、結(jié)合電力行業(yè)業(yè)務(wù)定制開(kāi)發(fā)的專用無(wú)線通信系統(tǒng),該系統(tǒng)部署在223-235 MHz頻段(簡(jiǎn)稱230頻段)上。230頻段資源呈無(wú)規(guī)則、梳狀結(jié)構(gòu),頻點(diǎn)分布離散,單頻點(diǎn)帶寬很窄、傳輸能力有限,在電力應(yīng)用中為了進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)傳輸,須聚合幾十個(gè)頻點(diǎn)來(lái)解決頻帶資源受限的問(wèn)題[1]?,F(xiàn)有LTE-Advanced系統(tǒng)的載波聚合處理方法是針對(duì)大帶寬、高速率的公網(wǎng)頻段設(shè)計(jì)的,在頻點(diǎn)數(shù)、頻點(diǎn)帶寬、鄰頻抑制等方面差異較大,無(wú)法直接應(yīng)用到230頻段;文獻(xiàn)[2]借鑒LTE-Advanced提出的230頻段中頻接收機(jī)采用3路獨(dú)立的混頻、中頻帶通濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換,本質(zhì)上是一種模擬實(shí)現(xiàn)方式,硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性有待提高,并不適用于LTE230終端通信模塊中。針對(duì)230頻段載波聚合的中頻信號(hào)處理,本文以接收機(jī)為例,專門(mén)設(shè)計(jì)了一種低成本、高可靠性、高性能的數(shù)字中頻接收機(jī)

1 230頻段頻譜特點(diǎn)及LTE230幀結(jié)構(gòu)

    230頻段是國(guó)家無(wú)委會(huì)規(guī)定作為遙測(cè)、遙控和數(shù)據(jù)傳輸使用的頻段,目前主要被能源、軍隊(duì)、水利、地礦等行業(yè)使用。230頻段總帶寬為12 MHz,劃分為480個(gè)頻點(diǎn),每個(gè)頻點(diǎn)為25 kHz,其中有40個(gè)頻點(diǎn)可用于電力負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng),如圖1,40個(gè)頻點(diǎn)分為3個(gè)簇,中間10個(gè)為單工頻點(diǎn),兩邊各有15對(duì)雙工頻點(diǎn)[2]。 

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    LTE230在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、空口技術(shù)等方面和TD-LTE基本相同,但工作頻段及系統(tǒng)可配帶寬較為特殊,導(dǎo)致物理層幀結(jié)構(gòu)有較大差異。如圖2,LTE230每個(gè)頻點(diǎn)的一個(gè)無(wú)線幀均包含5個(gè)時(shí)長(zhǎng)為5 ms的子幀,每個(gè)子幀包括9個(gè)OFDM符號(hào),OFDM符號(hào)采用64點(diǎn)FFT,子載波間隔為2 kHz,有效子載波數(shù)10個(gè)。

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2 接收機(jī)總體設(shè)計(jì)

2.1 接收機(jī)設(shè)計(jì)原理

    230頻段頻點(diǎn)雖離散,但在連續(xù)的12 MHz帶寬內(nèi),和LTE-Advanced相比總帶寬要小很多,可采用單頻段非連續(xù)載波聚合方式,通過(guò)一個(gè)射頻單元,將230頻段12 MHz帶寬內(nèi)信號(hào)作為一個(gè)整體搬到零頻,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,在數(shù)字域進(jìn)行中頻接收處理,將分散在12 MHz帶寬內(nèi)獨(dú)立的帶寬為25 kHz的高速中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低速基帶信號(hào),以便后續(xù)信號(hào)處理。

2.2 接收機(jī)總體結(jié)構(gòu)

    如圖3,接收機(jī)主要由射頻芯片和基帶芯片組成,射頻芯片采用AD9361,內(nèi)嵌模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器,工作在單端口TDD模式,可分時(shí)進(jìn)行收發(fā)。射頻芯片和基帶芯片之間采用基于JESD207的12 bit并行數(shù)字雙沿接口,接收時(shí)由射頻芯片產(chǎn)生12.8 MHz時(shí)鐘,I路數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿傳送,Q路在下降沿傳送。射頻接口的主要功能是產(chǎn)生接收控制信號(hào)并把射頻芯片數(shù)字接口的DDR I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行I/Q數(shù)據(jù),同時(shí)完成從射頻接口12.8 MHz時(shí)鐘域到中頻接收鏈路51.2 MHz時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換。中頻接收鏈路負(fù)責(zé)把所需頻點(diǎn)基帶信號(hào)從中頻信號(hào)中抽取出來(lái)經(jīng)接收DMA送到系統(tǒng)存儲(chǔ)器,并通過(guò)中斷通知基帶處理SoC中的DSP進(jìn)行后續(xù)的FFT運(yùn)算、解調(diào)、解碼等處理。

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2.3 中頻接收鏈路設(shè)計(jì)指標(biāo)

    中頻接收鏈路通過(guò)數(shù)字下變頻和抽取濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)從中頻到基帶的變換,在上述變換過(guò)程中,須盡量保證帶內(nèi)信號(hào)的時(shí)頻域特性不變并最大限度抑制帶外噪聲。中頻接收鏈路是接收機(jī)性能的關(guān)鍵部件,根據(jù)LTE230規(guī)范,經(jīng)系統(tǒng)分析提取出如表1的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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2.4 中頻接收鏈路結(jié)構(gòu) 

    如圖4,中頻接收機(jī)數(shù)據(jù)鏈路采用兩級(jí)數(shù)字下變頻、下采樣、濾波結(jié)構(gòu),從射頻接收到的數(shù)據(jù)中抽取出所需的每個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。

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    針對(duì)230頻段電力40個(gè)授權(quán)頻點(diǎn)分為3個(gè)簇的頻譜分配情況,一級(jí)下變頻采用3路獨(dú)立的數(shù)控振蕩器NCO1(Numerically Controlled Oscillator)將每個(gè)簇作為一個(gè)整體搬移到零頻。NCO1后緊跟一個(gè)半帶濾波器HBF(Half Band Filter)進(jìn)行2倍抽取(12.8~6.4 MS/s)及高頻分量的濾波。

    二級(jí)下變頻采用40路獨(dú)立的數(shù)控振蕩器NCO2將所需的頻點(diǎn)信號(hào)從3個(gè)簇中搬移到零頻,實(shí)現(xiàn)對(duì)所需頻點(diǎn)信號(hào)的提取。NCO2輸出的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器CIC(Cascaded Integrator Comb)進(jìn)行50倍的抽取濾波(6.4~128 KS/s)。CIC后級(jí)聯(lián)一個(gè)高階低通濾波器LPF(Low Pass Filter)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)帶外信號(hào)的抑制。

3 中頻接收鏈路模塊設(shè)計(jì)

3.1 模塊設(shè)計(jì)方法

    中頻接收鏈路濾波器采用MATLAB的fdatool進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析,根據(jù)鏈路指標(biāo)進(jìn)行分解,確定各個(gè)濾波器的階數(shù)、系數(shù)和位寬。在相應(yīng)數(shù)字電路RTL設(shè)計(jì)時(shí),考慮到LTE230專網(wǎng)還處在不斷發(fā)展過(guò)程中,以及不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)帶寬需求的差異,在留有一定性能余量的同時(shí),在頻點(diǎn)數(shù)、NCO載波頻率、HBF和LPF階數(shù)及系數(shù)等方面都可通過(guò)軟件靈活配置。

3.2 數(shù)控振蕩器NCO

    在LTE230中,接收的中頻信號(hào)有I/Q兩路,其下變頻原理如式(1),可通過(guò)相位累加后經(jīng)NCO產(chǎn)生正余弦本振信號(hào)與接收信號(hào)復(fù)數(shù)相乘實(shí)現(xiàn)下變頻。

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    NCO1和NCO2工作頻點(diǎn)可配,精度皆為25 kHz(Δf),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相同。NCO1對(duì)應(yīng)的采樣率為12.8 MS/s(Fs),相位累加字位寬為9 bit(2N=Fs/Δf);NCO2的采樣率為6.4 MS/s,相位累加字位寬為8 bit。NCO1和NCO2正余弦載波采用查找表的方式實(shí)現(xiàn),查找表只需保存π/4角度內(nèi)的正余弦值,其他的可通過(guò)正余弦變換或符號(hào)變換查表得到,NCO1和NCO2對(duì)應(yīng)的查找表正余弦值分別為64個(gè)和32個(gè),位寬為16 bit。下變頻中復(fù)數(shù)相乘需要4次乘法運(yùn)算,因NCO1和NCO2工作時(shí)鐘頻率是采樣率的4倍和8倍,采用時(shí)分復(fù)用方式,只各需一個(gè)乘法器。

3.3 半帶濾波器HBF

    HBF是一種特殊的FIR濾波器,其通帶和阻帶相對(duì)于1/2的Nyquist頻率對(duì)稱且寬度相等,HBF沖激響應(yīng)為:

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    從式(2)可以看出,HBF沖激響應(yīng)除了在h(0)零點(diǎn)處為1外,在其他偶數(shù)點(diǎn)的取值均為零,和普通的2倍抽取FIR相比,不但系數(shù)對(duì)稱且有近一半為零,可減少一半濾波運(yùn)算量。

    HBF默認(rèn)通帶帶寬為2 MHz,最大可配階數(shù)為25階,阻帶抑制為78 dB,系數(shù)量化為16位,系數(shù)關(guān)于中心抽頭(1/2)對(duì)稱,有效系數(shù)僅有6個(gè),只需進(jìn)行6次乘法運(yùn)算,HBF工作時(shí)鐘頻率為輸出采樣率的8倍,采用時(shí)分復(fù)用的方式,I/Q兩路各一個(gè)乘法器即可實(shí)現(xiàn)。

3.4 級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器CIC

    CIC是一種有效的插值和抽取濾波器,廣泛應(yīng)用于多速率數(shù)字信號(hào)處理中。單級(jí)CIC的第一旁瓣抑制為13.46 dB,阻帶衰減極不理想[3],實(shí)際應(yīng)用中,常采用級(jí)聯(lián)的方式,但級(jí)聯(lián)一般不超過(guò)5級(jí),否則通帶內(nèi)失真將會(huì)增大。在LTE230中,采用4級(jí)CIC,抽取因子為50(N=4,R=50),具體結(jié)構(gòu)如圖5,從圖中可以看出,CIC結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,由積分器和梳狀濾波器組成,兩者對(duì)應(yīng)的采樣率分別為6.4 MS/s和128 KS/s,實(shí)現(xiàn)時(shí)可用加法器、減法器和延遲寄存器(DFF)來(lái)實(shí)現(xiàn),沒(méi)有乘法操作,面積小且可達(dá)到很高的處理速度。

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    通帶衰減是CIC的主要弊端之一,通常在時(shí)域加補(bǔ)償濾波器進(jìn)行通帶補(bǔ)償[4]??紤]到230頻段頻點(diǎn)有效帶寬很窄且OFDM系統(tǒng)對(duì)通帶平坦度不是十分敏感,在LTE230中通過(guò)對(duì)參考信號(hào)的信道估計(jì)在頻域進(jìn)行插值補(bǔ)償。

3.5 低通濾波器LPF

    LPF是抽取濾波的最后一級(jí),在保證通帶平坦度的同時(shí),盡量降低CIC的旁瓣幅度并加快阻帶衰減。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)LTE230與傳統(tǒng)230頻段數(shù)傳電臺(tái)的共存,根據(jù)數(shù)傳電臺(tái)規(guī)范[5]要求,帶外抑制須達(dá)65 dB。

    在設(shè)計(jì)時(shí),LPF最大可配階數(shù)為255階,默認(rèn)通帶帶寬10.8 kHz,阻帶帶寬12.5 kHz,紋波系數(shù)0.02 dB,阻帶抑制65 dB。LPF系數(shù)量化為18位,系數(shù)對(duì)稱且可配,255階LPF I/Q數(shù)據(jù)各需128次乘法運(yùn)算,考慮到LPF工作時(shí)鐘頻率為采樣率的400倍,可采用I/Q數(shù)據(jù)及計(jì)算資源的時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu),僅需一個(gè)乘法器和少量加法器就可實(shí)現(xiàn),大大節(jié)約電路資源。

4 仿真及FPGA驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

    LTE230基帶處理非常復(fù)雜,為簡(jiǎn)化仿真驗(yàn)證,采用不同頻率正余弦波代替LTE230中頻信號(hào)。40個(gè)頻點(diǎn)的處理過(guò)程相同,只仿真其中一個(gè)。MATLAB仿真參數(shù)設(shè)定如下:

    NCO1本振頻率為2 MHz(80×25 kHz),NCO2本振頻率為125 kHz(5×25 kHz),對(duì)應(yīng)230頻段231.125 MHz(射頻中心頻率229)。中頻輸入4個(gè)復(fù)信號(hào)(cos(2πft)+jsin(2πft)),頻率f分別為2.111 MHz、2.121 MHz、2.127 MHz和2.137 MHz。經(jīng)計(jì)算可知,NCO1和HBF后有4個(gè)頻率:0.111 MHz、0.121 MHz、0.127 MHz和0.137 MHz,NCO2和CIC后有4個(gè)頻率:-14 kHz、-4 kHz、2 kHz和12 kHz,因LPF通帶為10.8 kHz,阻帶為12.5 kHz,經(jīng)LPF后,-4 kHz、2 kHz信號(hào)不變,-14 kHz信號(hào)被濾掉,12 kHz的信號(hào)被衰減。圖6是CIC和LPF仿真輸出的信號(hào)功率譜密度,從圖中可看出,仿真結(jié)果與計(jì)算值一致,NCO1、HBF和NCO2的仿真結(jié)果也與理論值吻合,由于篇幅原因未一一列出,整體的仿真結(jié)果表明本文提出的數(shù)字中頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法是可行的。

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    MATLAB仿真通過(guò)后把各節(jié)點(diǎn)輸入輸出導(dǎo)入RTL驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行仿真, RTL代碼和定點(diǎn)算法精確匹配,通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)來(lái)保障其正確性。

4.2 FPGA驗(yàn)證

    受FPGA器件速度的限制,基帶處理SoC不能全速運(yùn)行,無(wú)法進(jìn)行完整的LTE230系統(tǒng)測(cè)試,主要進(jìn)行單音信號(hào)和LTE230駐留過(guò)程的測(cè)試。單音測(cè)試和仿真類似,由信號(hào)發(fā)生儀產(chǎn)生單音信號(hào)經(jīng)射頻下變頻后送到中頻進(jìn)行處理,處理結(jié)果導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行波形與頻譜分析。LTE230駐留過(guò)程是終端開(kāi)機(jī)后與基站建立連接的必要過(guò)程,包括小區(qū)搜索和廣播信息接收等步驟。由于230頻段單頻點(diǎn)有效子載波數(shù)僅10個(gè),駐留過(guò)程所用的主同步信號(hào)、輔同步信號(hào)及廣播信道須占用多個(gè)OFDM符號(hào)中所有的有效子載波,故這是一個(gè)很典型的中頻接收性能測(cè)試場(chǎng)景,實(shí)測(cè)表明駐留過(guò)程的靈敏度高達(dá)-124 dBm,完全滿足系統(tǒng)需求。

5 結(jié)論

    本文針對(duì)230頻段特點(diǎn)及LTE230系統(tǒng)需求,設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字中頻接收機(jī),采用兩級(jí)數(shù)字下變頻及高階數(shù)字濾波器,通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式,以較小的電路面積有效地解決了230頻段頻點(diǎn)多、分布離散、鄰頻抑制要求高等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)230頻段40個(gè)頻點(diǎn)的聚合,可滿足高速率電力應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸要求。數(shù)字中頻接收機(jī)經(jīng)MATLAB算法設(shè)計(jì)與仿真、RTL仿真和FPGA驗(yàn)證后已成功應(yīng)用到LTE230無(wú)線通信基帶芯片[1]中,目前基于芯片的通信模塊已在試點(diǎn)項(xiàng)目中穩(wěn)定運(yùn)行兩年多,各項(xiàng)功能性能指標(biāo)良好,完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求,充分表明數(shù)字中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)是成功的。

參考文獻(xiàn)

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[5] GB/T16611-1996.數(shù)傳電臺(tái)通用規(guī)范[S].1996.



作者信息:

周春良1,2,周芝梅1,2,王連成1,2,馮  曦1,2,劉  亮1,2,唐曉柯1,2

(1.北京智芯微電子科技有限公司,國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室,北京100192;

2.北京智芯微電子科技有限公司,北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,北京100192)

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