基于軟件無線電技術的4G數字接收系統設計

司馬吉凱

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410124）

基于軟件無線電技術的4G數字接收系統設計

司馬吉凱

（長沙航空職業技術學院，湖南長沙 410124）

研究了基于軟件無線電技術的體系結構，設計了一種基于軟件無線電技術的4G數字接收系統，并對該系統各主要部分電路設計進行了詳細闡述。該設計系統具有雙通道，采樣速率可達到65MHz，分辨率12bit。由于該設計采用了FPGA作為信號處理器，其設計靈活及可編程等特點使得該設計具有較強的通用性，適合4G通信中應用。

軟件無線電;4G通信;帶通采樣;FPGA

隨著通信技術的發展，3G通信被廣泛應用，隨之而來的4G通信也倍受青睞。作為4G通信中的關鍵技術之一，軟件無線電技術成為了眾多學者研究的熱點。［1］按照軟件無線電的思想，A/D轉換器應該盡可能的靠近天線，同時為了滿足更多系統的需求，A/D轉換器應盡可能的采用寬帶A/D轉換器。從軟件無線電接收結構中可以看到，射頻采樣結構是最理想的實現方案。但是受A/D轉換器性能的限制，主要是采樣率和分辨率的限制，在一些載波頻率較高或者系統頻帶寬度較大的系統中，射頻采樣的軟件無線電接收結構很難實現。［2］絕大部分系統采用模擬混頻技術，將射頻信號進行一次或多次混頻后得到中頻信號，并利用A/D轉換器對中頻信號進行采樣，即基于中頻采樣的軟件無線電接收結構較為常用。文章結合4G通信中的應用，提出了一種基于軟件電線電技術的數字接收系統。

1 軟件無線電體系結構

1．1 射頻帶通采樣結構

射頻帶通采樣結構如圖1所示，由于在A/D轉換器前采用了帶寬相對較窄的電調濾波器，其對高速A/D轉換器性能要求可以適當降低，該結構中根據所需的處理帶寬進行帶通采樣，對A/D的采樣速率的要求相對降低，對后續DSP的處理速度要求也可以隨之大大降低。［3］但實際中對A/D中采樣保持器的速度要求還是比較高的，實現起來還是很困難。

圖1 射頻帶通采樣數字化結構

1．2 中頻帶通采樣結構

寬帶中頻帶通采樣結構如圖2所示，該結構采用了超外差體制，利用模擬電路將射頻信號變換到適當的中頻，同時中頻采用寬帶濾波器進行信號濾波，其中頻帶寬較寬，可以適應更多的無線電通信系統。［4］該結構中同樣采用了高速A/D轉換器，但由于中頻帶寬的限制，對高速A/D轉換器的性能要求相對降低，同時對后續數字信號處理器性能要求也隨之降低。顯而易見，這種寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構復雜程度最高，靈活性最差，其設計思想也更遠離軟件無線電的要求．但是由于受到高速A/D器件的性能制約，寬帶中頻帶通采樣結構對器件的性能要求最低，因而是目前最可行的軟件無線電結構。隨著電子元器件特別是高速A/D轉換器性能的不斷提升，射頻低通采樣結構和射頻帶通采樣結構將會成為軟件無線電的主流。

圖2 中頻帶通采樣數字化結構

中頻帶通采樣結構和上面兩種結構相比，主要區別在于增加了模擬電路部分，特別是混頻器的使用。如圖2所示的中頻帶通采樣結構采用了超外差體制，通過本振信號與輸入或輸出信號混頻后送到后一級進行處理。整個電路的工作過程如下：接收過程中信號經過低頻放大器后與本振信號進行混頻，混頻后經過寬帶濾波器，此時輸出信號已經被混頻到中頻，其中中頻的選擇一般選擇為低中頻;混頻后的中頻信號經過中頻放大器后送到A/D轉換器中完成模數轉換。

2 軟件無線電接收系統設計

針對4G通信中的應用需求，結合軟件無線電帶通采樣結構設計，設計了一種基于軟件無線電帶通采樣結構的的數字接收系統，如圖3所示。［5］該系統利用AD9238實現中頻信號的采樣，將采樣后的數字量送給FPGA進行相應的數字處理。

圖3 基于軟件無線電帶通采樣結構的接收系統設計

2．1 A/D轉換器電路設計

A/D轉換器電路采用ADI公司生產的AD9238芯片，采樣的采樣速率為65 MSPS，該芯片具有20/ 40/65 MSPS幾種不同采樣速率，其分辨率為12bit。 AD9238單個芯片集成了雙通道，可實現雙通道數據采集。由于該芯片輸入信號為差分方式，因此，AD9238前端需要采用單端轉差分器件。具體電路設計如圖4所示。

圖4 AD9238電路設計

2．2 FPGA及外圍電路設計

設計采用的是Altera公司的器件，其型號為EP2S60。該芯片具有豐富的內部資源，器件內部具有60440個邏輯單元、4個增強型PLL、8個快速PLL、144個18bit乘18bit的乘法器以及24176個自適應邏輯模塊。上述豐富的硬件資源對于系統功能開發和應用提供了極大的便利。FPGA的配置主要包括快速被動并行FPP配置方式、異步被動并行PPA配置方式、主動串行AS配置方式、被動串行PS配置方式以及JTAG配置方式。利用撥碼開關去配置該芯片的MSEL3、MSEL2、MSEL1和MSEL0引腳，以此實現FPGA的配置方式的選擇。

2．3 電源電路設計

由于EP2S60工作電流能達到3A左右，對它供電的電源芯片需要提供足夠的電流才能使FPGA正常工作。設計中供電采用了兩種直流電源，分別為核心和周邊I/O接口供電。該系統中給FPGA供電的電源模塊選用TI公司的TPS54810和TPS54610電源芯片，它們最大能提供8A和6A的電流，分別給FPGA提供IO電源（VCCIO）和核電源（VCCINT）。

3 仿真結果及分析

在完成系統功能實現的基礎上，對A/D采樣進行了測試，輸入信號為20MHz的正弦波信號，使用QuartusII內部自帶的Signal_Tap提取A/D采樣后的波形如圖5所示。

圖5 A/D采樣波形圖

由提取波形可看出，采樣后的波形為離散的正弦信號，通過將離散的點連接成線后可以看出輸入信號為正弦信號。Signal_Tap觸發時鐘頻率，可以通過讀取橫坐標的標尺數值計算出來采樣后的正弦信號頻率為20MHz，A/D采樣測試結果正確。

4 結論

結合4G通信中的應用，針對軟件無線電帶通采樣結構設計了一種基于FPGA的軟件無線電帶通采樣接收系統。該系統采樣速率可達到65MHz，分辨率12bit。由于設計中采用了FPGA作為主要信號處理器，其可編程、設計靈活等特點為4G通信系統的開發和應用提供了便利條件，具有較強的實用性和通用性。

［1］陸迎光．軟件無線電理論研究及中頻軟件無線電接收機子系統設計［D］．上海：東華大學，2004．

［2］李琳，張爾揚，路軍．帶通信號的直接采樣理論［J］．通信學報，2003，（04）．

［3］Zhang Xuejing，Li Jinping，Zou Erning，Ding Xiaojun．Study of Hardware Architecture Based on Software Radio［C］．Information Technology and Applications（IFITA），2010 International Forum，2010．

［4］王益民，彭霞．基于軟件無線電的機載數字接收系統設計［J］．現代雷達，2010，（08）．

［5］唐睿，陳霞，談振輝．軟件無線電的數字中頻技術在WCDMA基站中的應用［J］．北京交通大學學報，2005，（05）．

［編校：鄧桂萍］

4G Digital Receiving System Design Based on Software Rato Technigne

SIMA Jikai
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124）

A architecture based on software radio techniques is studied．A kind of digital receiving system based on software radio is designed．The designs of themain parts of the circuits are introduced in detail．The system has dual channels，the sampling rate of65MHz and 12bit resolution．The design has strong versatility suitable for the application of4G communication according to the application of FPGA，which has flexible design and programmable features．

software radio;4G communication;band－pass sampling;Field Programmable Gate Array

TN925

A

1671－9654（2012）02－057－04

2012－06－09

司馬吉凱（1983－），男，湖南湘陰人，助教，工程碩士，研究方向為移動通信。