基于GC5016的数字直放站设计

对于第三代移动通信系统，各国提出了多种不同的标准，要统一这些标准是非常困难的，IMT-2000的发展策略已经改变过去“统一”的概念，转而以各地区现有第二代系统网络为基础来制定比较现实的过渡方案，提出了“IMT-2000家族”的概念。它放弃了在空中接口、网络技术等方面一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案。而第二代移动通信系统中又有GSM和CDMA两个标准体制。因此，在未来的移动通信的直放站中存在着多频、多模、多体制和多标准等问题，为软件无线电技术在直放站中的应用提出了切实的需求。为了提高3G直放站的性价比，采用数字技术来统一3G直放站的硬件平台是一种较好的解决方案。
 

GC5016简介

GC5016是TI公司推出的宽带四通道可编程数字上变频/下变频转换器，提供160MSPS时钟、杰出的3G性能、灵活的宽带数字滤波、多个输入与输出接口选项以及超低功耗。同时，它也可以作为普通的数字滤波器使用。
 

在上变频模式，信道接收实数据或者复数据，用可编程的数值1～4096进行抽取，并将其调制到选定的中心频率上。已调信号可以是四个通道的信号之和，也可以是任选的其他GC5016芯片的已调信号相加。信道可以成对使用以增加输出采样率或者增加输入信号的带宽，或者同时实现两个目标。每个通道包含一个用户可编程输入滤波器(PFIR)，这个滤波器可以用作发射数据的整形滤波器或用以生成QPSK、GMSK或者QAM信号等的Nyquist滤波器。

在下变频转换模式，信道接收的还是实数据或者复数据，并解调到选定的载频上，再用可编程的数值1～4096进行抽取，然后进行自动增益控制放大，并产生20位的输出。下变频转换模式下，信道的输出信号经过格式化后，以实数或者复数的形式加到四个输出端口，完成数字信号的下变频。 

在下变频通道模式下，GC5016的4个通道的输入时钟速率可达160MS/s，而2个通道则可以达到320MS/s，4组宽带下变频通道可支持UMTS标准，具有115dB无失真动态范围(SFDR)的处理能力，具有16个能达到255阶的FIR滤波器，64个并行输入/输出位，提供灵活的I/O选项。
 

上变频通道模式与下变频模式的性能基本相同，输出可以是独立的，可以是一两个输出的和，也可以是任意的几个GC5016芯片输出信号的融合。

模拟直放站简介

目前成熟的采用模拟方式处理的直放站框图如图1所示(以宽带直放站为例)，其中，下行链路是直放站通过天线接收基站发来的信号，经过低噪声放大器(LNA)、射频滤波器(RF Filter)、混频器(下变频)、中频声表滤波器(IF Filter)、混频器(上变频)、射频滤波器(RF Filter)、功率放大器驱动模块(Amp)和功率放大器(PA)，再通过天线发射出去；上行链路是直放站通过天线接收移动台(通常是手机或车载电话)，经过与下行链路类似的处理后，通过天线发射给基站。

图1  模拟直放站系统框图

目前的直放站为了满足不同的体制与标准，必须更换其中的中频滤波单元(IF Filter)模块，致使不同体制标准的直放站具有不同的硬件配置，大大增加研发、生产和维护成本。

数字直放站设计

● 数字中频框图

随着A/D、D/A及数字信号处理技术的发展，现在软件无线电技术已经可以用于直放站的中频滤波单元，如图2所示。采用图2所示的一个数字中频单元模块直接替换图1中的模拟中频滤波单元(IF Filter)模块(包括上行和下行两个模块)，就基本可以满足目前所有体制标准的直放站硬件需求。这样，直放站的硬件平台基本达到了统一，只要采用不同的数字滤波配置代码，就可以实现不同标准的直放站功能。其中的数字滤波功能可以采用高速DSP芯片、FPGA或专用ASIC实现
 

图2  数字中频单元框

● 芯片选型
 

基于上行/下行的对称性及成本上的考虑，这里的A/D和D/A芯片都选择了双通道集成的芯片。其中，A/D选择ADS5553；D/A选择DAC5687；数字滤波采用专用ASIC芯片GC5016实现。

ADS5553的分辨率为14bit，采样率为65MS/s，70MHz fIN时的信号杂波比(SNR)为74dBFs，SFDR为84dBc。

DAC568不仅能够提供大于75dB的信噪比(SNR)，以及大于81dBc的三阶互调(IMD3)，而且还允许多载波系统在更高的输出功率下进行工作。此外，DAC5687在速率为500MS/s时的功耗仅为700mW，提高了系统可靠性并实现了更高的通道密度。

系统配置

基于上述数字中频硬件平台，可以通过不同的配置，以应用于不同标准的直放站，现以WCDMA直放站为例进行详细说明。

设置输入模拟中频(IF)为140MHz，ADC5553的采样频率为61.44MHz。采用通带欠采样技术，ADC5553输出速率为61.44MS/s。GC5016接收ADC5553输出的信号，进行下变频、滤波后信号速率变为7.68MS/s，然后再进行上变频处理，输出速率为61.44MS/s的中频数字信号。DAC5687接收GC5016输出的信号，通过内插和滤波输出140MHz的IF模拟信号。

ADC5553不需要软件配置，只要给它稳定的61.44MHz时钟就可以了。系统的滤波功能主要在GC5016中实现，WCDMA对于滤波的要求如图3所示。DAC5687需要完成内插/滤波及上变频的功能，可通过串行接口对其进行编程。

图3  单信道滤波器幅频特性

GC5016可以采用CMD5016配置软件程序，按要求生成一系列输出文件。这里面包含配置文件、分析文件、调试文件和列表文件。配置文件以一种格式定义所有寄存器的设置以适合GC101的估计模式。分析文件提供用户内部到芯片的增益反馈信息，并且提供其他有用的信息给用户读取。调试文件是给软件程序的调试者使用的，而且这个文件对其他人可能是保密的。列表文件包含每个控制区的值。这种格式可以使用户较容易地看出每个控制区采用的是哪种设置。

在前面已经讲到，每个通道都有两种工作模式：发射和接收。这里采用两个通道(AB)用于发射，两个通道(CD)用于接收。由于不同的参数适合于不同的工作模式，所以使用时要先进行模式设置。模式的设置可以用一条模式命令完成。

mode [AB|CD] [transmit| receive]

用户在命令文件中定义变量。这些变量可以是区(硬件控制寄存器的位区)或者pseudo_fields(仅仅在软件中存在的变量，而在硬件中没有与之直接对应的元素)。变量可以有六种类型：mandatory(M)、defaulted(D)、computed(C)、unused(U)、expert(E)和not available(-)。Not available只能用在只读变量中。在发射和接收模式中，变量有不同的类型。例如，cic_int在发射中是M(mandatory)型，而在接收中则是U(unused)型。任何变量均可以由用户定义，而且它们的值可用于芯片的编程也可用于其他区的计算。用户要想修改这些变量的值，就应该在软件中给出C和E区定义值。有一点需要注意，为了提高程序的可读性，往往需要加一些注释，注释的格式是：以“#”或者“/”开始，在注释中允许有空行。

图4和图5分别是WCDMA滤波器频率响应和滤波器频率响应过渡带宽度和阻带衰减的关系。

图4  WCDMA滤波器频率响应

图5  WCDMA滤波器频率响应过渡带宽度和阻带衰减的关系

结语

该硬件平台已经成功应用于多种直放站设备，都达到了相应的移动通信直放站标准，性能稳定可靠，取得了较好的经济效益。