移動通信基站接收分系統的軟件無線電技術實現

2019-11-03 09:15:34

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董飛鵬　王躍科
國防科技大學機電工程與自動化學院

　　摘　要：軟件無線電技術自軍事研究領域提出來后，以其強大通用性和靈活性而得到廣泛的發展和應用。本文介紹了移動通信基站接收分系統的一種寬帶中頻帶通采樣軟件無線電技術實現方法。

　　關鍵詞：移動通信；軟件無線電技術；基站；帶通采樣

一、引　　言

　　軟件無線電技術（Software Radio Technology）是近年來隨著微電子及計算機技術高速發展而產生的一種新的無線電技術，相對于傳統的基于ASIC的無線技術，它具有靈活性、通用性強和升級方便等特點。它的技術核心是隨著大規模集成電路技術的不斷進步和芯片處理速度的不斷提高，而使得在DSP芯片或通用CPU芯片平臺上，利用軟件來完成以前用ASIC實現的多種數字信號處理的功能。

　　軟件無線電采用開放式模塊化結構，其硬件主要包括天線、射頻和基帶的模／數（A／D）、數／模（D／A）轉換設備和以數字信號處理（DSP）為基礎的數字信號處理單元。在軟件無線電設備中所有的信號處理（包括放大、變頻、濾波、調制、信道編譯碼、信源編譯碼、信道和接口的協議／信令處理、加／解密、抗干擾處理、網絡監控管理等）都以數字信號的形式進行。

　　但是由于受寬帶天線、高速A／D及DSP等技術水平的限制，實現一個理想的軟件無線電平臺的條件目前還不具備。因此，現在對軟件無線電的研究一方面集中在上述關鍵技術的研究上，另一方面更多的是在現有的技術條件下，研究如何最大程度地實現軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設計思想體現到具體的應用實踐中。

二、寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構

　　目前蜂窩移動通信系統的工作頻段一般在800～900 MHz和1 800～1 900 MHz兩個頻段?，F在的電子技術對如此高的頻率直接進行A／D轉換是很困難的，比較可行的辦法就是對射頻信號進行模擬下變頻，把高頻段信號搬移到頻率相對較低的中頻，然后再進行數字化，也就是寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構，如圖1所示。

　　從圖1所示結構可以看出，這種軟件無線電的射頻前端的預處理電路比較復雜，但是這種復雜是不可少的，它的主要功能是把射頻信號轉換為適合于A／D采樣的寬帶中頻信號或把D／A輸出的寬帶中頻信號變換為射頻信號。

三、基于寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構的基站接收分系統模型

　　如圖2所示，由天線接收到的上行信號，經過了帶通濾波器濾除帶外信號后，經過放大和混頻，將無法對其進行A／D采樣的射頻信號（800～900 MHz和1 800～1 900 MHz）轉換為中心頻率為f0、帶寬為B0（B0＝20、25、60、75 MHz）的寬帶中頻信號，并且經過中頻濾波器濾除鏡像頻率，再進行中頻放大到A／D所需的足夠的信號電平，最后送到A／D轉換器進行數字采樣。由此可見，圖2所示的軟件無線電基站前端電路的一個主要特點是寬帶化，即它將基站所需接收的整個上行頻段同時變換到中頻，實現寬帶處理。但是這樣就對A／D變換器的采樣速率和動態范圍等性能提出了比較高的要求，如采樣速率要高、動態范圍要大等。下面討論圖2中幾個關鍵參數（f0、fs、fL、B0）的選取問題。

1．采樣頻率

　　允許過渡帶混疊的頻譜圖如圖3所示，其中B0是中頻帶寬。根據矩形系數r的定義r＝（2B0′＋B0）／B0可推導出濾波器的過渡帶B0′為

　　由（3）式可知，當中頻濾波器的矩形系數r＝2時，不同的中頻帶寬B0所需的采樣頻率fs也將不同。

2．中頻頻率f0

　　當采樣頻率fs確定后，根據帶通信號的采樣理論，就可以確定中心頻率f0：

　　式中，n＝0，1，2，…為正整數，f0的選取除了滿足（4）式外，還有一個重要的原則就是要考慮互調產物以及本振的反向輻射。

3．本振頻率fL

　　本振頻率fL與中心頻率f0選取有關，由下式確定：

　　式中fi為輸入信號的頻率，取“＋”時采用高本振（fL＞fi），取“－”時采用低本振（fL＜fi）。設fimax和fimin分別為輸入信號的最高和最低頻率，在進行混頻時，（5）式中的fi為輸入信號頻段的中心頻率，即

4．中頻帶寬B0

　　考慮到無本振反向輻射或無三階互調產物的要求和濾波器的矩形系數以及留一些富裕量，則有如下關系：

四、多頻段基站接收分系統設計舉例

　　由上面的推導我們可以設f0＝5B0，則在800～900 MHz頻段（B0＝20～25 MHz），f0可取125 MHz；在1 800～1 900 MHz頻段（B0＝60～75 MHz），f0可取375 MHz。如果2個頻段共用一個中頻，則f0的取值應滿足后者，即337．5 MHz。這樣就可以根據下式來確定采樣頻率fs：

　　由（8）式得，分別可以選取當n＝2和n＝7時的2個采樣頻率270 MHz和90 MHz作為對1 800～1 900MHz頻段和800～900 MHz頻段信號采樣的2個采樣頻率。多頻基站前端的組成框圖如圖4所示。本振頻率fL可以由（5）、（6）式和輸入頻率確定。寬帶射頻信號經過圖4所示的基站前端電路處理后，全部統一變換成為帶寬為B0、中心頻率為f0的中頻信號，然后經后續的高速的A／D采樣后，送到由圖5所示的基頻軟件接收機進行數字信號處理。由圖5可見，A／D采樣信號首先通過2個正交本振cos（ωin）和sin（ωin）進行正交數字下變頻把B0內的信號fi變換成2個正交基號XI（n）和XQ（n）。由于信號帶寬BS相對于奈奎斯特（Nyquist）帶寬窄得多，所以可以對高采樣的基帶信號進行抽取，以降低采樣頻率，便于后續信號處理。經抽取濾波獲得的低采樣率基帶正交信號I（m）和Q（m），再經過如下變換：

　　求出信號的φ（m）和瞬時頻率f（m）等特征參數，連同正交基帶分量I（m）和Q（m）共5個信號特征量送到后續的DSP進行軟件解調、分析以及信號參數的估計、測量，最終輸出解調的信息比特流。

五、結　　論

　　由上面的分析可知，通過基站接收天線感應的移動通信上行信號經模擬寬帶前端變換為中頻信號，再由高速的A／D進行數字化和基站軟件接收機進行數字下變頻、抽取、濾波以及軟件解調，給出所需的解調信號比特流，最后送到基站控制器（BSC）進行后處理。

參考文獻

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摘自　電訊技術

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