AD6655在3G基站系统中的应用

0 引言
    基站是移动通信系统的重要组成部分，在第三代移动通信系统(3G)中基站一般由射频前端、数字中频和基带处理构成。由于数字中频处于模拟和数字的转换部分，因此它的性能往往对基站系统的性能起着决定性作用。目前，数字中频的上行链路部分通常以高速采样的模拟数字转换器(ADC)、数字下变频(DDC)及抽取滤波实现。
    ADC完成模拟中频信号的数字化。在数字中频接收链路中，A／D变换中的做法是同时使用OverSampling和UnderSampling两种技术。使用OverSampling技术，可以提高ADC的SNR，提高邻道抑制；使用UnderSampling技术，可以保证在现有A／D器件采样率的条件下，实现较高频率的模拟中频输入，相当于完成了一次数字域下变频。以TD-SCDMA协议为例可以计算，12 b ADC能够满足性能要求。通带取决于奈奎斯特准则在带宽下对采样率的要求，12载波的信号带为20 MHz，那么ADC的采样频率久要大于40 MSPS。目前，市场上TI，ADI，LINEAR，Maxim的产品能够满足要求。另外从性能价格比考虑，基站设备厂家一般选择12～14 b位宽的ADC，中频采样频率常用的有：76．8 MSPS，81．92 MSPS，122．88 MSPS等。
    数字下变频器完成采样数据到基带的转换，由于DSP处理速度的限制，用纯软件不能实现这部分功能。目前硬件实现的组成结构与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡器(NCO)和低通滤波器(LPF)三部分组成。DDC的运算速度受下级DSP处理速度的限制，同时其运算速度决定了其输入信号数据流可达到的最高速率，相应地也限制了ADC的最高采样速率。数字下变频的数据精度和运算精度也影响着基站的上行性能。影响DDC性能因素有：一个是输入数据位宽、NCO位宽；二是NCO相位的分辨率。目前常用的DDC实现方式有ASIC，FPGA等，常用的实现结构为数字混频器、CIC+FIR滤波器和抽取滤波器组成。目前，市场上有许多专用DDC芯片，比如TI，Intersil等，而FPGA实现中Altera和Xilinx都有完成该类滤波器和运算的可选择高速芯片。
    最后，为实现基带I／Q数据流的路由和传输，往往会进行数据格式转换和串化解串化(SerDes)转换。再考虑到众多测试功能，这部分一般需专门考虑，这里不多赘述。

1 系统需求分析
    数字中频是TD-SCDMA基站中的重要组成部分。对数字中频部分性能需求进行量化分析，可以更清楚地认识数字中频在系统中的位置及其对系统性能的影响，为数字中频研发和测试的提供参考。
    TD-SCDMA协议中规定，接收机天线口输入有用信号功率在-110～-80 dBm范围内。同时协议中规定，邻道功率最强为-55 dBm的单码道CDMA信号，15 MHz射频带内最强带外阻塞信号功率为最小3．2 MHz，频偏-40 dBm的单码道CDMA信号。ADC入口的最大功率为6 dBm时，可以估算频链路额定增益为40 dB，若接收机射频链路的噪声系数可以做到5 dB，则可以估算ADC输出信噪比应大于74 dB，ADC的有效位宽应大于等于12 b。
    计算过程参考如下方法：

    采样时钟抖动(Jitter)和ADC固有的抖动也会恶化信噪比，在大信号输入时尤为明显。根据SNR=-20 log(2πfσt)，以采样时钟为100 MHz计算，当射频部分无带外抑制时，链路增益为40 dB，此时Jitter等效ADC输入口噪音功率为-65 dBm，允许的时钟抖动为5 ps。当射频部分对带外阻塞信号有15 dB抑制时，链路增益为55 dB，此时Jitter等效ADC输入口噪音功率为-50 dBm，允许的时钟抖动为20 ps。
    A／D采样信号经过抽取后会混到有用信号带内，因此在射频链路对阻塞信号没有任何抑制的情况下，需由数字滤波器将其滤除。最恶劣情况下阻塞信号会比有用信号强70 dB，因此数字滤波器的远端带外抑制应达到70 dB。滤波器一般选用CIC，ISINC，RRC级联实现，NCO的杂散应小于-80 dB。TD-SCDMA协议中规定，要采用滚降因子为O．22的根升余弦滤波器(RRC)来实现反脉冲成形滤波。图1为一般DDC的实现框图。

2 AD6655的结构和工作原理
    AD6655是Analog Device公司的一款功能强大的中频接收器件。它内置双通道14 b、最高125 MSPS采样率的ADC，宽带DDC，以及功率检测功能。
    AD6655具备以下特点：
    (1)1．8 V模拟供电，1．8～3．3 V输出供电，有低功耗模式；
    (2)双通道ADC：内部参考电压，1～2 V输入电平范围，采样频率最高到125 MSPS，SNR为71．7 dBc to70 MHz@125 MSPS，SFlDR为85 dBc to 70 MHz@125 MSPS，85 dB的隔离度；
    (3)内置ADc时钟占空稳定器，1～8倍的时钟分频；
    (4)双通道DDC，包含32位NC0，半带插值滤波，FIR滤波器；
    (5)复合信号检测功能。
    它的结构框图如图2所示。

    此款芯片可以应用在：GSM，EDGE，TD-SCDMA，WCDMA，CDMA2000，IMT-2000，WiMax，LTE等领域。
    AD6655虽然是一颗14 b高速ADC，但由于内嵌了抽取滤波器，所以在产业化阶段并不需要严格的进口许可认证，对降低系统成本起到很大作用。

3 AD6655在TD-SCDMA基站系统中的电路设计
    由于AD6655为双路ADC+DDC，所以在多天线基站系统中使用比较方便，例如8天线智能天线系统只需要4片AD6655。为满足采样时钟的Jitter要求，采用AD9510锁定系统时钟并驱动AD6655的采样时钟(LVPECL逻辑)，匹配方式为交流耦合。AD6655采用内部参考电压，模拟中频信号由SMA连接器输入后，采用1：4的balun由不平衡输入转换到平衡输入，可以得出中频信号的溢出告警电平为10 dBm左右，系统对模拟中频输入信号的功率要求为小于6 dBm。图3为基站的上行结构框图。

    153．6 MHz宽度的模拟中频信号经过A／D采样后，中心频率在30．72 MHz。数据在芯片中会进行进一步的数字下变频转换。进入DDC的输入数据为调制到24×、速率为96×的数据。DDC部分由四大部分组成：NCO，CIC，ISINC滤波器和RRC滤波器。NCO部分完成解调的功能，将数据分成I和Q两路，然后I，Q数据经过完全相同的两个通道进行抽取，分别进行CIC滤波、ISINC滤波器和RRC滤波器，最后将数据抽取到1×，送给基带。

    AD6655的供电需要模拟1．8 V、数字1．8 V和I／O电压。模拟部分的供电由LDO提供，核电压1．8 V可以通过磁珠取自LDO，I／O电压使用3．3 V以达到和FPGA相同I／O接口电平。由于单板A／D、D／A通道较多，模拟数字采用了共地处理，而模拟数字电压进行了电源层分割。
    AD6655的控制接口采用3线SPI和控制部分通讯，内部寄存器通过它进行配置和控制。AD6655有几十个寄存器，主要为A／D模式、DDC配置、及同步控制等，芯片上电后由板卡控制单元进行配置。

4 信号链的系统仿真
    ADC采样后，153．6 MHz中频频点的三载波信号数字化为中心频点在30．72 MHz的信号。由于是实信号，因此在负频率处有其镜像信号。
低中频信号进入数字混频器，转换为多载波0中频信号，同时将实数数据转换为In-phase和Quadrature正交的两部分分量。
    AD6655的第一级滤波器为19阶的半带滤波器，它实现2倍抽取滤波，并且不能被旁路，因此它的带宽也决定了接收链路的最大带宽。器件手册指出最大可用带宽为采样率的11％，在122．88 MSPS采样率下支持的带宽为27 MHz。AD6655还有一个66阶的FIR滤波器，为抵消CIC滤波器对有用信号高频抑制的影响，FIR中加入了Inverse Sinc函数对高频信号进行补偿。
    2级滤波器的级联频响如图5所示。

    经过2级滤波器，AD6655输出信号的频谱特性如图6所示。

    FPGA接收到AD6655的信号，由于已经对信号进行了2倍、或4倍的抽取，所以FPGA的工作频率就可以降低到ADC采样频率的了1／2或者1／4了。这对FPGA的型号选择和降低成本都是有利的。
    FPGA需要继续对信号进行滤波和抽取，以达到系统ACS和Blocking要求的带外抑制度。由于AD6655可以对数字远端进行-80 dBc的抑制，那么FPGA只需要对带宽近端进行相应的滤波，通常90阶滤波器可以实现-50 dBc的带外抑制，当然采用分级滤波的方式效果可能更明显，并且一些滤波要在载波分路后进行。
    FPGA需要继续对信号进行滤波和抽取，以达到系统要求的ACS和Blocking带外抑制度。由于AD6655可以对数字远端进行-80 dBc的抑制，那么FPGA只需要对带宽近端进行相应的滤波，通常90阶滤波器可以实现-50 dBc的带外抑制，当然采用分级滤波的方式效果可能更明显，并且一些滤波要在载波分路后进行。

5 仿真结果和评价
    由以上仿真来看，AD6655可以满足基站上行链路中的应用，信号处理后输出给FPGA，节省了很多FPGA的逻辑单元。在AD6655Demo板和TD-SCDMA数字中频板卡DIFB 3．O进行了实测，测试结果完全符合设计要求。总之，AD6655是一款比较合适的数字中频接收链路的器件，可以应用在3G基站系统中，具有较高的性价比。