基于零中頻構(gòu)架的OFDM射頻調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計

張 穎 ，李炯卉 ，熊蔚明 ，張羽豐

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）將整個信道劃分為多個窄帶平坦衰落信道，使之并行傳輸高速數(shù)據(jù)流[1]，獲得較高的頻譜效率和良好的抗頻率選擇性衰落性能[2]；同時能夠利用循環(huán)前綴降低無線信道中的時延擴(kuò)展所引起的符號間干擾（ISI），從而能夠有效克服多徑衰落，便于同步和均衡。由于其突出優(yōu)點，OFDM已被廣泛應(yīng)用在LTE、IEEE 802.11n等多種無線通信系統(tǒng)中[3]。但是，由于OFDM每個子載波的頻譜大致呈sinc函數(shù)波形，各子載波疊加之后呈現(xiàn)較大的旁瓣，且旁瓣衰減緩慢，導(dǎo)致OFDM符號整體功率譜帶外輻射干擾較大[4]。同時，D/A輸出信號頻譜中除了包含諧波和雜散以外，還包含它們相對于時鐘的鏡頻分量，當(dāng)采樣率滿足一定條件時，這些鏡頻分量就會出現(xiàn)在主信號頻譜附近，或直接進(jìn)入主信號帶內(nèi)，產(chǎn)生鏡頻交疊，也稱為鏡頻干擾[5]。

鏡頻抑制通常考慮在接收端采取措施，例如：相位平衡式鏡頻抑制混頻器[6-7]、多次變頻技術(shù)、鏡頻抑制混頻器[8]和鏡頻抑制諧波混頻器[9-11]等。郭凡玉提出采用諧波混頻器與鏡頻抑制混頻器相結(jié)合的諧波鏡頻抑制的方案[12]；杜海旺等人給出一種鏡頻抑制混頻器框圖，既能在接收機(jī)中作為鏡頻抑制混頻器，也能在發(fā)射機(jī)中作為單邊帶調(diào)制器[13]；還有一種加窗的有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器設(shè)計方法，實現(xiàn)濾波的OFDM[14]。鏡頻增加了OFDM信號的帶外干擾，甚至導(dǎo)致OFDM信號頻譜失真。因此，在設(shè)計OFDM調(diào)制系統(tǒng)時需采取措施消除或降低上述帶外干擾，增加傳輸準(zhǔn)確性，保證系統(tǒng)的頻譜效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計與信號頻譜特征

AD9364是一款面向3G和4G基站應(yīng)用的高性能、高集成度的射頻捷變收發(fā)器，其主要特征包括：1）集成12位DAC和ADC的RF 1×1收發(fā)器；2）頻段在70 MHz至6.0 GHz；3）可調(diào)諧通道帶寬為200 kHz以下至56 MHz；4）雙通道接收器：6路差分或12路單端輸入；5）支持時分雙工或頻分雙工操作；6）具有可編程速率的內(nèi)插濾波器[15]。

采用FPGA+AD9364構(gòu)架，OFDM發(fā)射端系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖如圖1所示。

圖1 OFDM發(fā)射端系統(tǒng)部分模塊原理圖

圖1所示的發(fā)射系統(tǒng)在FPGA中實現(xiàn)OFDM通信系統(tǒng)的數(shù)字基帶設(shè)計。設(shè)IFFT的長度為N，則經(jīng)過IFFT輸出的OFDM數(shù)字信號可以表示為：

其中，xk[n]表示在第k個子載波上傳輸?shù)姆枴Ｔ趫D1系統(tǒng)中，xk[n]是經(jīng)QPSK映射后的符號，xk[n]=ak[n]+jbk[n]，s[n]為復(fù)信號，分為I路信號，Ik[n]=ak[n]cos(2πnk/N)和Q路信號，Qk[n]=bk[n]sin(2πnk/N)，兩路分別傳輸。

由AD9364對FPGA輸出的I、Q兩路數(shù)字基帶信號分別進(jìn)行信號預(yù)處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）和載波調(diào)制。輸入AD9364的數(shù)字信號通過一系列可編程的插值濾波器進(jìn)行預(yù)處理。之后由采樣速率可調(diào)的12位DAC，以零階保持的形式將離散的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)時間信號[16-18]。

假設(shè)DAC輸入的離散信號時間間隔為Ts=1/fs。由s[n]通過DAC之后，得到模擬信號s(t)可表示為：

其中，pTs(t)為數(shù)模轉(zhuǎn)換后的矩形脈沖，其周期為Ts。

I和Q信號分別完成處理之后，饋入上變頻混頻器，將兩路信號重新組合起來，調(diào)制到載波頻率上，放大輸出。如果信號預(yù)處理設(shè)計合理，理想情況下，AD9364輸出的OFDM射頻調(diào)制信號為：

其中，ωc為載波頻率。

可以簡單地認(rèn)為OFDM信號的功率是各個子載波功率的疊加，因此，OFDM信號功率譜的旁瓣亦是各個子載波功率譜旁瓣的疊加。通過IFFT產(chǎn)生的OFDM符號，其功率譜密度圖中具有很大的旁瓣，且旁瓣衰減緩慢，形成了嚴(yán)重的帶外功率輻射，如圖2所示。

圖2 OFDM符號的功率譜密度圖

此外，DAC的輸出可以表示為一系列寬度為1/fs矩形脈沖。因此，經(jīng)DAC模塊輸出的時域模擬信號為原始信號和矩形脈沖的卷積，那么，其頻譜為原始信號頻譜和矩形脈沖頻譜的乘積。由于矩形脈沖的頻譜呈Sinc函數(shù)（sin(x)/x）形式，使得原頻譜以fs為周期重復(fù)出現(xiàn)，從而產(chǎn)生鏡頻干擾，這些鏡頻隨著Sinc函數(shù)包絡(luò)衰減。

綜上所述，通過DAC生成的OFDM模擬信號存在很大的帶外干擾。帶外干擾主要有兩種形式，分別是OFDM信號帶外功率輻射和DAC產(chǎn)生的鏡頻干擾。因此，在設(shè)計OFDM調(diào)制系統(tǒng)時需采取措施消除或降低這兩種帶外干擾，增加傳輸準(zhǔn)確性，保證系統(tǒng)的頻譜效率。

2 干擾抑制設(shè)計

OFDM信號的帶外干擾可以使用模擬低通濾波器去除。但是，對于鏡頻干擾而言，由于信號頻譜與鏡頻距離較近，若直接對DAC的輸出信號進(jìn)行模擬低通濾波，則濾波器過渡帶范圍為(f0～fs-f0)。這就要求濾波器的過渡帶必須嚴(yán)格陡峭，從而需要增加濾波器的階數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計難度增加，降低了系統(tǒng)的可實現(xiàn)性。因此，先采用補(bǔ)零內(nèi)插的方法，在DAC之前，對數(shù)字信號進(jìn)行上采樣，增加的采樣點插值為零。由于矩形脈沖的周期縮短為Ts/k，頻譜上出現(xiàn)的第一個鏡頻位置被拉遠(yuǎn)至kfs，其他鏡頻位置也依次調(diào)整。那么，可以使用過渡帶為(f0～kfs-f0)的模擬濾波器去除DAC之后產(chǎn)生的鏡頻，從而減輕了對該濾波器的陡峭程度的要求。抑制OFDM鏡頻干擾的原理圖如圖3所示。

圖3 抑制OFDM鏡頻原理圖

數(shù)字信號的頻譜以2π為周期。由于內(nèi)插（上采樣）導(dǎo)致頻譜壓縮，而在一個2π周期內(nèi)產(chǎn)生不需要的頻譜，稱之為數(shù)字雜波。需使用數(shù)字低通濾波器提取有效頻譜，去除數(shù)字雜波，同時抑制OFDM信號的帶外旁瓣。

2.1 AD9364內(nèi)部濾波器配置

通過上述分析，針對OFDM信號的帶外干擾，需采用內(nèi)插濾波器分離由DAC產(chǎn)生的鏡頻并濾除由于內(nèi)插產(chǎn)生的數(shù)字雜波，同時控制信號的帶外頻譜輻射；在DAC之后，通過模擬低通濾波器去除鏡頻。相對常規(guī)的方法是在FPGA中實現(xiàn)濾波器設(shè)計。但是這種設(shè)計方法會使FPGA資源占用量和功耗增加，且由于FPGA時鐘管理頻率范圍有限，射頻調(diào)制的范圍受到約束。而利用AD9364射頻捷變芯片，能夠有效的解決上述問題，同時降低了設(shè)計難度。

AD9364集成4個級聯(lián)的數(shù)字內(nèi)插濾波器如圖4所示，分別為一個可編程的多相FIR濾波器和3個半帶濾波器（HB1、HB2和HB3）。輸入的數(shù)字信號經(jīng)過這4個濾波器完成補(bǔ)零內(nèi)插，將原始數(shù)據(jù)率調(diào)整為適合DAC的采樣速率，并去除上采樣產(chǎn)生的數(shù)字雜波。之后送入一個12 bit的DAC。DAC輸出的模擬信號經(jīng)過兩個低通濾波器之后，進(jìn)行射頻調(diào)制。4個數(shù)字濾波器的可選配置參數(shù)如表1所示。

圖4 AD9364集成濾波器結(jié)構(gòu)

表1 AD9364數(shù)字濾波器配置參數(shù)

在OFDM射頻調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計中，對AD9364插值濾波器的設(shè)計遵循以下幾點：第一，為了最好地去除DAC產(chǎn)生的鏡頻干擾，選用半帶插值濾波器的的最大內(nèi)插系數(shù)進(jìn)行上變頻，即HB1內(nèi)插系數(shù)為2，HB2內(nèi)插系數(shù)為2，HB3內(nèi)插系數(shù)為3；第二，為了獲得盡可能窄的頻域響應(yīng)過渡帶，希望可編程FIR濾波器的階數(shù)盡量大。在可選配置參數(shù)中，當(dāng)FIR濾波器內(nèi)插系數(shù)為2時，可達(dá)到最大的階數(shù)（128階）。

設(shè)置128階可編程FIR濾波器的數(shù)字域過渡帶為wt=0.062 5π。設(shè)數(shù)據(jù)采樣率為fs=6 MHz，經(jīng)過2倍上采樣之后，采樣率為fs′=12 MHz。那么FIR濾波器的模擬域過渡帶寬為。對應(yīng)的通帶截止頻率為阻帶截止頻率為。數(shù)字域的通帶截止頻率為，數(shù)字域阻帶截止頻率為。

設(shè)計FIR濾波器的幅頻響應(yīng)如圖5所示。

圖5 設(shè)計FIR濾波器的幅頻響應(yīng)

AD9364 DAC之后進(jìn)行模擬濾波，由兩個級聯(lián)的可編程模擬低通濾波器（LPF）構(gòu)成。BB LPF是一個三階巴特沃斯濾波器，其3 dB截止頻率可以設(shè)置在625 kHz到32 MHz范圍內(nèi)。2NDLPF是一個單極低通濾波器，其3 dB截止頻率可設(shè)置在2.7 MHz到100 MHz的范圍內(nèi)。經(jīng)過數(shù)字插值濾波之后，原信號共經(jīng)歷了2×2×2×3=24倍插值。第一鏡頻出現(xiàn)的位置為f1=24fs=144 MHz處。考慮到信號的有效帶寬為6MHz，因此可以配置BB LPF的3 dB截止頻率為4.099 6 MHz，有效地濾除鏡頻。

設(shè)計AD9364濾波器的配置參數(shù)如表2所示。

表2 AD9364濾波器設(shè)計配置參數(shù)

2.2 OFDM保護(hù)間隔設(shè)計要求

由于數(shù)字低通濾波器的過渡帶使OFDM信號的兩側(cè)邊帶頻率受到影響。為了保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，需要根據(jù)濾波器的設(shè)計，留出足夠的保護(hù)帶寬，即在兩側(cè)邊帶頻率處的子載波設(shè)為零載波，不宜傳輸數(shù)據(jù)信息。對于上述設(shè)計而言，由于數(shù)字濾波器過渡帶寬為Bt=0.375 MHz，OFDM的保護(hù)帶寬應(yīng)大于0.375 MHz。

以一個帶寬為BW=6 MHz，IFFT長度為N=256的OFDM系統(tǒng)為例，OFDM子載波間隔為Δf=BW/N=23.3 kHz。那么，為了保證0.375 MHz的保護(hù)帶寬，至少需設(shè)置Bt/Δf=16個空子載波。

3 仿真測試及實驗結(jié)果

有兩種方法可以對AD9364中的FIR濾波器進(jìn)行設(shè)計仿真：simulink和AD9361 Filter Wizard。采用這兩種手段按照表2的配置參數(shù)分別對AD9364的FIR濾波器進(jìn)行配置，配置后FIR濾波器的幅頻響應(yīng)局部放大如圖6所示。

圖6 配置后FIR濾波器的幅頻響應(yīng)局部放大

從仿真結(jié)果看，simulink設(shè)計的FIR幅頻響應(yīng)中通帶波紋最大值很明顯小于0.01 dB，而AD9361 Filter Wizard設(shè)計的FIR幅頻響應(yīng)中通帶波紋最大值約為0.66 dB，顯然simulink的通帶波紋更小，所以選擇使用simulink生成的FIR濾波器系數(shù)，并結(jié)合表2的參數(shù)使用AD9361 Customer Software Version 2.1.1生成配置腳本文件。

實驗系統(tǒng)使用KC705 FPGA開發(fā)板完成OFDM基帶調(diào)制，連接到配置完成的AD9364芯片進(jìn)行射頻調(diào)制，射頻載波中心頻率設(shè)置為2.68 GHz，信號帶寬為6 MHz，頻譜儀測試帶寬設(shè)為10 MHz。

實驗測得信號頻譜圖如圖7所示。

圖7 測試頻譜結(jié)果

測試結(jié)果證明了所設(shè)計的射頻調(diào)制系統(tǒng)性能。射頻輸出信號具有干凈清晰的頻譜，雜波和鏡頻干擾得以清除。同時，對比圖2可以看出，OFDM信號的帶外功率輻射得到了很好的抑制。

4 結(jié)束語

本文介紹一種OFDM發(fā)射端射頻調(diào)制設(shè)計方法。利用AD9364射頻收發(fā)芯片的集成結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)有效抑制帶外干擾的OFDM射頻調(diào)制系統(tǒng)。首先，通過配置4個級聯(lián)的數(shù)字插值濾波器，對OFDM信號進(jìn)行內(nèi)插處理，從而分離鏡頻，并濾除由于上采樣產(chǎn)生的雜波，同時抑制OFDM信號的頻譜旁瓣；在數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，再通過高階模擬低通濾波器濾除鏡頻。由仿真和實驗測試結(jié)果證明，該設(shè)計有效地抑制了OFDM信號的帶外干擾，獲得準(zhǔn)確的信號頻譜，保證了傳輸信號的頻帶利用率。此外，由于利用AD9364內(nèi)部的FIR濾波器和半帶（HB）濾波器實現(xiàn)設(shè)計，避免使用額外的FPGA資源，降低系統(tǒng)硬件要求，簡化設(shè)計。

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