TD-LTE射頻一致性測試系統數字中頻單元設計

摘要：針對TD-LTE通信標準測試需求，設計一款可應用于“射頻一致性測試”的數字中頻處理單元。根據奈奎斯特帶通采樣原理直接對153.6MHz的TD-LTE/TD-SCDMA中頻信號進行模擬與數字的相互轉換，在FPGA中實現高效數字上/下變頻、移相濾波、多速率插值/抽取、成型濾波、符號同步、高速串行接口和離散傅里葉變換等功能，以正交I、Q信號輸出便于后續DSP對其進行軟件算法解調和處理。實驗結果表明，該方案能有效減少數字上/下變頻、插值/抽取資源消耗、增強接收通道的線性動態范圍、提高模數轉換器的有效分辨率、改善發射/接收通道矢量解調指標，適合作為TD-LTE射頻一致性測試系統數字中頻處理單元的實施方案。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/192732.htm

關鍵詞：FPGA；插值/抽取；濾波；SRIO；快速傅里葉變換

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.007

引言

TD-LTE一致性測試包括“射頻一致性測試”、“協議一致性測試”和“無線資源管理（RRM）一致性測試”等，其中“TD-LTE射頻一致性測試儀器”在國內還是空白。

本設計來源于國家科技重大專項“TD-LTE射頻一致性測試系統”，其中“數字中頻處理單元”主要完成目標是：（1）實現TD-LTE（兼容TDSCDMA）基帶信號數字上變頻、數字下變頻、多速率差值、多速率抽取；（2）采用高速數模轉換器實現高中頻信號輸出；（3）基于諧波采樣技術（欠采樣）利用高速模數轉換器實現高中頻信號采集；（4）采用多通道（2×2）MIMO空分復用技術，實現TD-LTE下行100Mbps上行50Mbps；（5）測試例功能：時域信號的RMS檢波自動功率控制、開/閉環功率測試（檢測）、發射關功率測試/發射開關模板，頻域信號的頻譜發射模板/占用帶寬/鄰道泄露抑制比，信號解調的矢量誤差幅度、星座圖等。

電路設計

數字中頻處理單元整體架構設計

數字中頻處理單元硬件部分主要由FPGA[1-5]、DSP、模數轉換器（A/D）和數模轉換器（D/A）構成。數字中頻（IF）處理單元原理框圖如圖1所示。

上變頻與下變頻模塊設計

上變頻（DUC）與下變頻（DDC）模塊原理相近，采用相同設計方法，在FPGA具體實現上DUC是DDC逆向應用[6]。

該模塊設計根據奈奎斯特帶通采樣定理：

本設計DDC與DUC的Xilinx FPGA實現采用改進型方案，如圖4所示結構。

改進型DDC與DUC的FPGA實現方案相對于常規方案簡化了算法模型、降低了資源消耗，增強了模塊的可靠性與可維護性，在進行IQ調制/解調的同時，使得采樣率降為目標采樣率的一半。DDC/DUC資源消耗情況如表1所示。

多相數字濾波器幅頻、相頻傳輸函數：

多速率抽取與插值模塊設計[7-10]

TD-LTE協議規定基帶采樣率為30.72MHz，因此DDC之后只需采用一級半帶濾波器（Half-band Filter），即可完成IF信號到基帶信號速率轉換，抽取器如圖5所示。

D U C之前采樣率為3 0 7 . 2 M H z，因此，插值因子為10，需采用半帶濾波器與CIC（Cascadedintegrated-comb Filter）積分級聯梳妝濾波器相組合完成插值器功能，插值器如圖6所示。

其中，半帶濾波器設計應滿足公式（5）、（6）、（7）要求，CIC濾波器設計應滿足公式（8）要求。

半帶濾波器的沖激響應h（k）除了零點（含奇數點）不為零外，其所有的偶數點均為0，所以采用半帶濾波器實現采樣率變換時，只需一半的計算量，有很高的計算效率，特別適合于信號的實時處理。

該模塊插值選用CIC插值器，差值倍數為8倍。成型濾波選取“平方根升余弦”FIR，符號同步采用“平均功率最大值”算法。平方根升余弦滾降因子選0.22，FIR階數為96階，頻響曲線如圖12所示。

FPGA中符號同步算法流程圖如圖13所示。

RMS子模塊設計

閉環功率控制測試、最大/小功率測試、關斷功率（PVT）測試和開環功率測試等模塊的檢波方式為“方均根”檢波（Root Mean Square），RMS定義如下：

利用Xilinx IP核設計FFT模塊，根據內部同步信號，準確定位到待測“時隙”，對其進行實時傅里葉變換供后續DSP芯片處理。該子模塊設計如圖15所示。 TI公司的DSP6487芯片根據FPGA輸出的FFT頻譜，計算出“占用帶寬（Occupied Bandwidth）”、“鄰道泄漏抑制比（Adjacent Channel Leak Ratio）”、“頻譜發射模板（Spectrum Emission Mask）”等指標。

測試環境：待測件（AV5251寬帶多通道數字中頻單元），對比測試儀器AV4947（TD-LTE無線終端綜合測試儀）。矢量信號源RS SMU200A，矢量信號分析儀Anritsu MS2692A等。

測試平臺：SMU200A為激勵源分別接到AV5251和AV4947的輸入端；MS2692A為監測儀分別連接到前者的輸出端。其中，圖16為待測件（寬帶數字中頻單元），圖17為測試系統，對比測試結果如表3所示。

數字中頻單元作為數字信號的處理前端通道，對TD-LTE/TD-SCDMA信號應有良好的兼容性。測試結果如表4所示，測試結果截圖如圖18所示。

電路設計基于奈奎斯特帶通采樣原理，運用高速數字信號處理技術，采用高解析度、高采樣率A/D、D/A和高性能FPGA、DSP芯片，設計一款針對“射頻一致性測試”用途的數字中頻處理單元，將接收信號處理動態范圍提高到96dB，發射/接收通道EVM指標降低到0.48%，滿足TDLTE/TD-SCDMA測試標準要求，為應對“TD-LTE射頻一致性測試”需求提供了一種新的可實施的解決方案。