《电子技术应用》

LTE230数字中频接收机的设计

2017年电子技术应用第9期 作者:周春良1,2,周芝梅1,2,王连成1,2,冯 曦1,2,刘 亮1,2,唐晓柯1,2
2017/9/27 9:49:00

周春良1,2,周芝梅1,2,王连成1,2,冯  曦1,2,刘  亮1,2,唐晓柯1,2

(1.北京智芯微电子科技有限公司,国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室,北京100192;

2.北京智芯微电子科技有限公司,北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心,北京100192)


    摘  要: 针对230 MHz频段频点分布离散、带宽窄、无法直接进行高速数据传输的问题,设计出一种新型的低成本、高可靠性、高性能的数字中频接收机。该接收机采用两级数字下变频下采样、滤波结构,实现了对230 MHz频段40个离散频点的聚合,从而达到宽带传输的效果。经仿真及FPGA验证通过后,该接收机已应用到LTE230无线通信基带芯片并在试点项目中长时间稳定运行,充分表明数字中频接收机的设计是很成功的。

    关键词: LTE230;数字中频接收机;数字下变频;下采样;滤波器

    中图分类号: TN851

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170880


    中文引用格式: 周春良,周芝梅,王连成,等. LTE230数字中频接收机的设计[J].电子技术应用,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.

0 引言

    LTE230是一种基于TD-LTE先进技术、结合电力行业业务定制开发的专用无线通信系统,该系统部署在223-235 MHz频段(简称230频段)上。230频段资源呈无规则、梳状结构,频点分布离散,单频点带宽很窄、传输能力有限,在电力应用中为了进行高速率数据传输,须聚合几十个频点来解决频带资源受限的问题[1]。现有LTE-Advanced系统的载波聚合处理方法是针对大带宽、高速率的公网频段设计的,在频点数、频点带宽、邻频抑制等方面差异较大,无法直接应用到230频段;文献[2]借鉴LTE-Advanced提出的230频段中频接收机采用3路独立的混频、中频带通滤波和模数转换,本质上是一种模拟实现方式,硬件结构复杂,可靠性有待提高,并不适用于LTE230终端通信模块中。针对230频段载波聚合的中频信号处理,本文以接收机为例,专门设计了一种低成本、高可靠性、高性能的数字中频接收机。

1 230频段频谱特点及LTE230帧结构

    230频段是国家无委会规定作为遥测、遥控和数据传输使用的频段,目前主要被能源、军队、水利、地矿等行业使用。230频段总带宽为12 MHz,划分为480个频点,每个频点为25 kHz,其中有40个频点可用于电力负荷监控系统,如图1,40个频点分为3个簇,中间10个为单工频点,两边各有15对双工频点[2]。 

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    LTE230在网络结构、空口技术等方面和TD-LTE基本相同,但工作频段及系统可配带宽较为特殊,导致物理层帧结构有较大差异。如图2,LTE230每个频点的一个无线帧均包含5个时长为5 ms的子帧,每个子帧包括9个OFDM符号,OFDM符号采用64点FFT,子载波间隔为2 kHz,有效子载波数10个。

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2 接收机总体设计

2.1 接收机设计原理

    230频段频点虽离散,但在连续的12 MHz带宽内,和LTE-Advanced相比总带宽要小很多,可采用单频段非连续载波聚合方式,通过一个射频单元,将230频段12 MHz带宽内信号作为一个整体搬到零频,经模数转换后,在数字域进行中频接收处理,将分散在12 MHz带宽内独立的带宽为25 kHz的高速中频信号转换为低速基带信号,以便后续信号处理。

2.2 接收机总体结构

    如图3,接收机主要由射频芯片和基带芯片组成,射频芯片采用AD9361,内嵌模数/数模转换器,工作在单端口TDD模式,可分时进行收发。射频芯片和基带芯片之间采用基于JESD207的12 bit并行数字双沿接口,接收时由射频芯片产生12.8 MHz时钟,I路数据在时钟上升沿传送,Q路在下降沿传送。射频接口的主要功能是产生接收控制信号并把射频芯片数字接口的DDR I/Q数据转化为并行I/Q数据,同时完成从射频接口12.8 MHz时钟域到中频接收链路51.2 MHz时钟域的转换。中频接收链路负责把所需频点基带信号从中频信号中抽取出来经接收DMA送到系统存储器,并通过中断通知基带处理SoC中的DSP进行后续的FFT运算、解调、解码等处理。

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2.3 中频接收链路设计指标

    中频接收链路通过数字下变频和抽取滤波来实现信号从中频到基带的变换,在上述变换过程中,须尽量保证带内信号的时频域特性不变并最大限度抑制带外噪声。中频接收链路是接收机性能的关键部件,根据LTE230规范,经系统分析提取出如表1的设计指标要求。

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2.4 中频接收链路结构 

    如图4,中频接收机数据链路采用两级数字下变频、下采样、滤波结构,从射频接收到的数据中抽取出所需的每个频点数据。

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    针对230频段电力40个授权频点分为3个簇的频谱分配情况,一级下变频采用3路独立的数控振荡器NCO1(Numerically Controlled Oscillator)将每个簇作为一个整体搬移到零频。NCO1后紧跟一个半带滤波器HBF(Half Band Filter)进行2倍抽取(12.8~6.4 MS/s)及高频分量的滤波。

    二级下变频采用40路独立的数控振荡器NCO2将所需的频点信号从3个簇中搬移到零频,实现对所需频点信号的提取。NCO2输出的频点数据通过级联积分梳状滤波器CIC(Cascaded Integrator Comb)进行50倍的抽取滤波(6.4~128 KS/s)。CIC后级联一个高阶低通滤波器LPF(Low Pass Filter)来实现对每个频点带外信号的抑制。

3 中频接收链路模块设计

3.1 模块设计方法

    中频接收链路滤波器采用MATLAB的fdatool进行设计和分析,根据链路指标进行分解,确定各个滤波器的阶数、系数和位宽。在相应数字电路RTL设计时,考虑到LTE230专网还处在不断发展过程中,以及不同应用场景对带宽需求的差异,在留有一定性能余量的同时,在频点数、NCO载波频率、HBF和LPF阶数及系数等方面都可通过软件灵活配置。

3.2 数控振荡器NCO

    在LTE230中,接收的中频信号有I/Q两路,其下变频原理如式(1),可通过相位累加后经NCO产生正余弦本振信号与接收信号复数相乘实现下变频。

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    NCO1和NCO2工作频点可配,精度皆为25 kHz(Δf),实现结构相同。NCO1对应的采样率为12.8 MS/s(Fs),相位累加字位宽为9 bit(2N=Fs/Δf);NCO2的采样率为6.4 MS/s,相位累加字位宽为8 bit。NCO1和NCO2正余弦载波采用查找表的方式实现,查找表只需保存π/4角度内的正余弦值,其他的可通过正余弦变换或符号变换查表得到,NCO1和NCO2对应的查找表正余弦值分别为64个和32个,位宽为16 bit。下变频中复数相乘需要4次乘法运算,因NCO1和NCO2工作时钟频率是采样率的4倍和8倍,采用时分复用方式,只各需一个乘法器。

3.3 半带滤波器HBF

    HBF是一种特殊的FIR滤波器,其通带和阻带相对于1/2的Nyquist频率对称且宽度相等,HBF冲激响应为:

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    从式(2)可以看出,HBF冲激响应除了在h(0)零点处为1外,在其他偶数点的取值均为零,和普通的2倍抽取FIR相比,不但系数对称且有近一半为零,可减少一半滤波运算量。

    HBF默认通带带宽为2 MHz,最大可配阶数为25阶,阻带抑制为78 dB,系数量化为16位,系数关于中心抽头(1/2)对称,有效系数仅有6个,只需进行6次乘法运算,HBF工作时钟频率为输出采样率的8倍,采用时分复用的方式,I/Q两路各一个乘法器即可实现。

3.4 级联积分梳状滤波器CIC

    CIC是一种有效的插值和抽取滤波器,广泛应用于多速率数字信号处理中。单级CIC的第一旁瓣抑制为13.46 dB,阻带衰减极不理想[3],实际应用中,常采用级联的方式,但级联一般不超过5级,否则通带内失真将会增大。在LTE230中,采用4级CIC,抽取因子为50(N=4,R=50),具体结构如图5,从图中可以看出,CIC结构非常简单,由积分器和梳状滤波器组成,两者对应的采样率分别为6.4 MS/s和128 KS/s,实现时可用加法器、减法器和延迟寄存器(DFF)来实现,没有乘法操作,面积小且可达到很高的处理速度。

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    通带衰减是CIC的主要弊端之一,通常在时域加补偿滤波器进行通带补偿[4]。考虑到230频段频点有效带宽很窄且OFDM系统对通带平坦度不是十分敏感,在LTE230中通过对参考信号的信道估计在频域进行插值补偿。

3.5 低通滤波器LPF

    LPF是抽取滤波的最后一级,在保证通带平坦度的同时,尽量降低CIC的旁瓣幅度并加快阻带衰减。同时为了实现LTE230与传统230频段数传电台的共存,根据数传电台规范[5]要求,带外抑制须达65 dB。

    在设计时,LPF最大可配阶数为255阶,默认通带带宽10.8 kHz,阻带带宽12.5 kHz,纹波系数0.02 dB,阻带抑制65 dB。LPF系数量化为18位,系数对称且可配,255阶LPF I/Q数据各需128次乘法运算,考虑到LPF工作时钟频率为采样率的400倍,可采用I/Q数据及计算资源的时分复用结构,仅需一个乘法器和少量加法器就可实现,大大节约电路资源。

4 仿真及FPGA验证

4.1 仿真验证

    LTE230基带处理非常复杂,为简化仿真验证,采用不同频率正余弦波代替LTE230中频信号。40个频点的处理过程相同,只仿真其中一个。MATLAB仿真参数设定如下:

    NCO1本振频率为2 MHz(80×25 kHz),NCO2本振频率为125 kHz(5×25 kHz),对应230频段231.125 MHz(射频中心频率229)。中频输入4个复信号(cos(2πft)+jsin(2πft)),频率f分别为2.111 MHz、2.121 MHz、2.127 MHz和2.137 MHz。经计算可知,NCO1和HBF后有4个频率:0.111 MHz、0.121 MHz、0.127 MHz和0.137 MHz,NCO2和CIC后有4个频率:-14 kHz、-4 kHz、2 kHz和12 kHz,因LPF通带为10.8 kHz,阻带为12.5 kHz,经LPF后,-4 kHz、2 kHz信号不变,-14 kHz信号被滤掉,12 kHz的信号被衰减。图6是CIC和LPF仿真输出的信号功率谱密度,从图中可看出,仿真结果与计算值一致,NCO1、HBF和NCO2的仿真结果也与理论值吻合,由于篇幅原因未一一列出,整体的仿真结果表明本文提出的数字中频接收机的实现方法是可行的。

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    MATLAB仿真通过后把各节点输入输出导入RTL验证平台进行仿真, RTL代码和定点算法精确匹配,通过数据比对来保障其正确性。

4.2 FPGA验证

    受FPGA器件速度的限制,基带处理SoC不能全速运行,无法进行完整的LTE230系统测试,主要进行单音信号和LTE230驻留过程的测试。单音测试和仿真类似,由信号发生仪产生单音信号经射频下变频后送到中频进行处理,处理结果导入MATLAB进行波形与频谱分析。LTE230驻留过程是终端开机后与基站建立连接的必要过程,包括小区搜索和广播信息接收等步骤。由于230频段单频点有效子载波数仅10个,驻留过程所用的主同步信号、辅同步信号及广播信道须占用多个OFDM符号中所有的有效子载波,故这是一个很典型的中频接收性能测试场景,实测表明驻留过程的灵敏度高达-124 dBm,完全满足系统需求。

5 结论

    本文针对230频段特点及LTE230系统需求,设计了一种全数字中频接收机,采用两级数字下变频及高阶数字滤波器,通过时分复用的方式,以较小的电路面积有效地解决了230频段频点多、分布离散、邻频抑制要求高等问题,实现了对230频段40个频点的聚合,可满足高速率电力应用数据传输要求。数字中频接收机经MATLAB算法设计与仿真、RTL仿真和FPGA验证后已成功应用到LTE230无线通信基带芯片[1]中,目前基于芯片的通信模块已在试点项目中稳定运行两年多,各项功能性能指标良好,完全满足实际应用需求,充分表明数字中频接收机的设计是成功的。

参考文献

[1] 周春良,张峰,程伦,等.LTE230无线通信基带芯片的设计与应用[J].电子技术应用,2015,41(12):48-50.

[2] 曹津平,刘建明,李祥珍.基于230 MHz电力专用频谱的载波聚合技术[J].电力系统自动化,2013,37(12):63-68.

[3] 刘彬彬,林伟.基于Matlab和FPGA的CIC滤波器的设计[J].电子器件,2012(2):231-234.

[4] 周云,冯全源.数字下变频中抽取滤波器的设计及FPGA实现[J].电子技术应用,2015,41(12):45-47,50.

[5] GB/T16611-1996.数传电台通用规范[S].1996.

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