数字中频技术在-TD-SCDMA-基站系统中的应用和实现

摘要摘要本论文结合大唐移动公司TD-SCDMA基站系统中射频收发信机子系统的研究开发项目，在对数字中频关键技术做了深入研究分析的基础上，对此技术进行了设计和实现。其中，包括高速的A/D变换、D/A变换、数字直接下变频技术以及数字直接上变频技术等。本论文主要由以下部分组成：1．前言主要介绍当前移动通信发展的概况、第三代移动通信标准TD-SCDMA的特点、采用数字中频收发信机的优点和数字中频的关键技术。2．数字中频的理论基础信号采样理论、多抽样率信号处理基本理论是数字中频的理论基础。此外还介绍了数字中频中常用的高效率数字滤波器和移动通信系统中常用的脉冲成形滤波器。3．数字中频指标的确定根据3GPP25.105和收发信机硬件设计规范，详细的推导出数字中频关键器件应该达到的性能指标。本章不仅是设计中选取关键芯片的依据，而且对数字中频模块的设计、调试都有着重要的指导意义。4．数字中频电路实现本章对设计中一些重要问题进行相应说明，并且选定关键芯片，最终实现TD-SCDMA基站系统收发信机中的数字直接上变频模块和数字直接下变频模块。5．数字中频模块的测试数字中频模块制作、调试成功之后，对其进行测试，以验证是否达到设计指标。然后，与射频前端进行联调，以验证整个设计满足系统的需求。6．结论以及下一步改进的建议根据测试结果，得出结论，并且提出下一步的改进建议。本章还论述了实现真正的软件无线电所面临的技术挑战。关键词：TD-SCDMA、基站系统（NodeB）、收发信机、射频前端、数字中频、数字直接上变频、数字直接下变频、数字上变频器（DUC）、数字直接下变频器（DDC）、模/数转换器（ADC）、数/模转换器（DAC）。电信科学技术研究院硕士学位论文-i-ABSTRACTABSTRACTThispaperintroducestheapplicationofDIF,DigitalIntermediateFrequency,inTD-SCDMANodeB.Themaincontentsarefocusedontheanalysis,designandapplicationofDIF,whichincludesA/DConverter,D/AConverter,DigitalDown-ConverterandDigitalUp-Converter.Thispaperiscomprisedofthefollowingcontents.1.Introducedthedevelopmentofthe3rdGenerationMobileCommunication，themainfeatureofTD-SCDMAandsoftwaredefinedradio(SDR).TheapplicationofDIFhasarevolutionincommunicationarea.Therearemanyadvantagesovertraditionaltransceiverarchitectures.2.IntroducedthebasictheoriesofDIF,suchasNyquistSamplingTheory,MultirateSignalProcessingsystems,CICfilter,HalfbandfilterandRRCfilter.3.Discussedthespecificationsofthekeydevices.Thespecificationisbasedonthe3GPP25.105andtheRFTRXUHardwareDesignSpecification.Thischapterisveryimportant.Itwillguideustoselectdevices,andalsoitisveryimportantfordebuggingandtesting.4.PresentedtherealizationofDIFinTD-SCDMANodeB.ItincludesseveralimportanttopicsinDIFdesign:theselectionofintermediatefrequencythedigitalclocktheimagerejectiontheinterfacestherequirementsofADCclockTheselectionmethodofdevicesandultimatecircuitarealsointroduced.5.ShownthetestmethodandresultsofDIFandRFDRXM.6.ConclusionsandsuggestionsKeyWords:TD-SCDMA,NodeB,RFTRXU,digitalintermediatefrequency,SDR,multiratesignalprocessing,Nyquisttheory,digitalup-converter,digitaldown-converter,analogtodigitalconverter,digitaltoanalogconverter.电信科学技术研究院硕士学位论文-ii-目录目录第一章前言………………………………………………………………………………1§1.1引言.………………………………………………………………………………..1§1.2软件无线电的概念.………………………………………………………………..2§1.3数字中频的优点.…………………………………………………………………..3§1.3.1传统超外差射频收发信机.…………………………………………………..3§1.3.2数字中频结构的收发信机.…………………………………………………..5§1.4数字中频的关键技术.……………………………………………………………..7§1.5论文内容……….…………………………………………………………………..7第二章数字中频的理论基础……………………………………………………………9§2.1信号采样理论.……………………………………………………………………..9§2.1.1Nyquist采样定理..…………………………………………………………..9§2.1.2带通采样理论…………………………………………………………………9§2.1.3过采样和处理增益…..………………………………………………………10§2.1.4欠采样和频率转换…..………………………………………………………10§2.2多抽样率信号处理….……………………………………………………………11§2.2.1抽取和内插…..………………………………………………………………11§2.2.2整数倍内插…..………………………………………………………………11§2.2.3整数倍抽取…..………………………………………………………………16§2.3数字中频中常用的数字滤波器….………………………………………………19§2.3.1积分梳状（CIC）滤波器……………………………………………………19§2.3.2半带滤波器…..………………………………………………………………21§2.3.3升余弦滤波器和根升余弦滤波器…..………………………………………21第三章数字中频指标分析………………………………………………………………23§3.1数字中频各部分指标分析….……………………………………………………24§3.1.1ADC的主要性能指标………………………………………………………24§3.1.2TD-SCDMA基站系统对于ADC和DDC的指标要求…..………………26§3.1.3DAC的主要性能指标………………………………………………………29§3.1.4TD-SCDMA基站系统对于DUC和DAC的指标要求…..………………30第四章数字中频电路实现………………………………………………………………33§4.1数字中频时钟的选取….…………………………………………………………33§4.2数字中频频率的选择….…………………………………………………………34§4.3数字中频关键器件评估和选取….………………………………………………35§4.3.1ADC的选取…………………………………………………………………35§4.3.2数字下变频器的选取…..……………………………………………………36§4.3.3DAC的选取…………………………………………………………………38电信科学技术研究院硕士学位论文-iii-目录§4.3.4DUC的评估和选取…………………………………………………………41§4.5其它问题的考虑…………………………………………………………………42§4.4.1ISL5217、ISL5216和AD9777寄存器配置..……………………………43§4.4.2DDC中脉冲成形滤波器的设计……………………………………………44§4.4.3ADC采样时钟的讨论……………………..………………………………45§4.4.4数字直接上变频技术中镜像抑制的方法..…..……………………………47§4.4.5数字中频电路中时钟同步问题的讨论……………………………………49§4.4.6其他问题的讨论…..…………………………………………………………50§4.5数字直接上变频电路.……………………………………………………………51§4.6数字直接下变频电路….…………………………………………………………54第五章数字中频电路测试与联调………………………………………………………57§5.1数字直接上变频电路测试….……………………………………………………57§5.2数字直接下变频电路测试….……………………………………………………59第六章结论以及下一步改进的建议……………………………………………………63§6.1结论.………………………………………………………………………………63§6.2下一步改进的建议.………………………………………………………………63§6.3理想软件无线电的技术挑战.……………………………………………………65参考文献…………………………………………………………………………………67感谢………………………………………………………………………………………68附录一输出信号的分析图………………………………………………………………69附录二实物图……………………………………………………………………………70附录三EVM和BER分析程序流程图…………………………………………………72附录四使用调制消除镜像的原理………………………………………………………74附录五数字中频关键器件主要性能指标………………………………………………75附录六缩略语……………………………………………………………………………76电信科学技术研究院硕士学位论文-iv-数字中频技术在TD-SCDMA基站系统中的应用和实现第一章前言§1.1引言移动通信在过去几年飞速发展，使用移动通信的用户讯速增加。到目前为止，我国移动通信用户已经超过1亿。而且随着各种信息技术的发展，应用移动通信传输非话音业务的需求也不断的增加。可以说移动通信在全世界有广阔的发展空间。面对国内外巨大的市场前景，全世界通信领域内各个大公司早就将第三代移动通信的标准制定和产品开发作为最主要的方向，投入巨大人力财力进行开发工作。特别是日本和欧美的各公司，已经开发出完整的第三代移动通信系统，并将陆续进入大规模现场试验，有的甚至已经开始商用。我国从1998年就开始关注第三代移动通信技术和标准，并由国家科委组织863计划对第三代通信技术进行开发。信息产业部电信科学技术研究院（CATT）作为我国的电信技术最大的研究院和产业集团，从1998年起，在原邮电部科技司的领导下，积极参与了第三代移动通信的标准工作，提出了我国自己的TD-SCDMA建议，并且已经成为国际三大主流标准之一。并从1999年起开始TD-S