CN101197606B - 应用于直放站中的数字中频变频方法及其变频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法，包括上变频和下变频两步骤：下变频时，将模数转换后的中频信号进行数字混频后，进行抽取、通带补偿、信号整形等数字滤波处理，将中频信号搬移到零中频，将高速率的数字信号抽取为低速率的两路正交的数字基带I、Q信号；上变频时，将经下变频获得的数字基带I、Q信号，经过内插滤波之后，再经过I、Q调制和二级混频处理，再对信号进行增益调节和控制，最终输出高速数字中频信号。相应地，本发明还公开了其变频系统。本发明有利于采用诸如FPGA、CPLD、EPLD、DSP等可编程逻辑器件实现，能提高直放站整机的集成化程度；同时，摒弃ASIC芯片，有利于降低发热量，提高可靠性。

Description

应用于直放站中的数字中频变频方法及其变频系统

【技术领域】

本发明涉及移动通信中数字信号的方法，尤其涉及一种应用于直放站中的数字中频信号的变频方法及其变频系统。

【背景技术】

目前，在GSM、CDMA、WCDMA等通信体制的模拟直放站和载波池系统中，中频解调采用模拟复数解调的方法，其基本原理是用压控振荡器和锁相环产生两路正交的中频载波信号，输入的中频信号通过模拟乘法器分别和两路正交的中频载波信号相乘，实现输入信号在频域内的搬移，然后通过模拟低通滤波器得到I、Q两路基带信号，从而实现信号的下变频搬移，并得到两路正交信号；而模拟复数调制是基带信号经过类似的混频处理，并通过带通滤波器滤波，得到相应的调制信号。

中频上、下变频采用模拟方法实现，具有较多缺陷，具体表现在：模拟器件产生的中频载波信号的稳定性差，容易出现频率偏移，导致系统的输入、输出频点发生偏移；模拟乘法器的线性特性不好；模拟滤波器滤波特性难以调节且不易随具体应用的需求而改变；模拟分立元件的不一致性，I、Q两路的幅度和相位一致性难以得到保证；系统使用较多的模拟电路模块，监控子系统复杂，同时，模拟器件易受外界影响，容易产生误告警信息，系统稳定性较差；产品体积较大，重量较重，难以实现小型化、轻型化设计；功能单一、灵活性差的模拟硬件电路，很难适合如今不同通信体制、多频段的无线通信系统。

随着工艺和技术的发展，信号的上、下变频采用了数字技术处理，主要采用基于ASIC芯片的数字上、下变频解决方案，原理如图1所示，主要将变频算法集成于ASIC芯片上，模拟中频信号经模数转换之后在ASIC芯片中进行下变频，通过处理及传输后，再用ASIC完成上变频，最后经数模转换成中频信号输出。采用基于ASIC的变频方案，具有如下优点：数字上、下变频简化了收发信机的结构；减少了模拟器件的使用，而数字器件的精度只取决于数据的位数，不受温度、元器件个体差异等因素的影响，有效的避免了I/Q和幅度的不平衡，以及相位不平衡；数字器件的使用提高了可靠性和生产一致性；克服模拟信号传输距离受限的缺点。但该解决方案也存在一些缺点，具体为：数字芯片之间的通信、时序控制和接口控制复杂，大大增加了监控子系统的复杂度，系统不可靠的风险度增加；开发的载波数由芯片所能处理通道数决定，系统载波数不能随意扩展，系统可扩展性较差；大量数字芯片的使用，增加了PCB布板的难度和硬件调试的复杂度；数字芯片的功耗较大，导致系统的发热量大，产品的可靠性较差。

【发明内容】

本发明就是要提供一种易于实现的数字中频信号的变频方法，以解决上述基于ASIC芯片的数字上、下变频所存在的问题，以达到简化系统结构、增加系统的可扩展性、提高系统集成化程度等目的。

本发明的另一目的在于提供第一目的所述变频方法的变频系统。

本发明的第一目的是通过如下技术方案实现的：

一种应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法，包括如下步骤：

下变频，将模数转换后的数字中频信号先进行数字混频后，进行抽取、通带补偿、信号整形等数字滤波处理，将中频信号搬移到零中频，将高速率的数字信号抽取为低速率的两路正交的数字基带I、Q信号；

基带处理，将基带I、Q信号进行数据调整和时序控制；

上变频，将经基带处理后的数字基带I、Q信号，经过至少一级内插滤波之后，再经过I、Q调制和二级混频处理，然后，对混频输出的信号进行增益调节和控制，最终输出高速数字中频信号，并经数模转换后输出模拟中频信号。

为了增加模数转换的动态范围，上变频时，可在数字中频信号进行模数转换之前，进行自动增益控制。

下变频时，数字基带I、Q信号进行二级内插滤波，可滤除因内插而引起的镜像成分。

下变频时，第二级混频对第一级混频调制后输出与第二级混频本振产生的两路正交信号进行相乘处理，消除负频镜像。

上变频时，可因应中频信号的需要选择是否进行抽取处理。

本发明的另一目的的技术方案为：

一种应用于直放站系统中的数字中频信号的变频系统，包括依次连接的模数转换模块、主控芯片以及数模转换模块：

所述模数转换模块用于实现模拟信号向数字信号的转换，将模拟的中频信号转换为数字格式；

所述主控芯片用于实现权利要求1所述的变频方法；

所以数模转换模块用于实现数字信号向模块信号的转换，将下变频后的中频信号转换为模拟信号输出。

其中，所述主控芯片具体包括：

下变频模块，用于将模数转换而得的数字中频信号搬移到零中频，将高速率的数字信号抽取为低速率的两路正交的数字基带I、Q信号；

基带数据接口模块，用于对下变频后的基带I、Q信号进行数据调整和时序控制；

上变频模块，用于将由基带数据接口模块传输来的基带I、Q信号进行内插滤波和混频处理以输出调整后的数字中频信号。

所述下变频子模块包括依次连接的混频子模块、信号抽取滤波器、通带补偿滤波器和信号整形滤波器：

所述混频子模块，用于将输入的数字中频信号与一数控振荡器产生的正弦波样本进行相乘运算，实现混频处理；

所述信号抽取滤波器，用于对混频后的信号进行D倍抽取处理；

所述通带补偿滤波器，用于对抽取后的信号进行通带补偿处理；

所述信号整形滤波器，用于对整个信道进行整形滤波处理，最终输出两路数字基带I、Q信号。

所述上变频子模块包括依次连接的第一级内插滤波器、第二级内插滤波器、第一级混频和I、Q调制子模块、第二级混频子模块。

所述主控芯片可采用FPGA、CPLD、EPLD或DSP实现。

与现有技术相比，本发明具备如下优点：

1、有利于采用诸如FPGA、CPLD、EPLD、DSP等可编程逻辑器件实现，以便提高整机系统器件的集成化程度，促成产品向小型化方向发展；同时，因为减少使用ASIC芯片，有利于降低系统的发热量，能提高产品的可靠性。

2、本方法具有自动增益控制功能，保护A/D的同时，能提高A/D转换的动态范围；而且，本发明减少芯片之间数据传输和接口控制，将功能集成于同一芯片，有利于降低监控子系统的复杂度，提高系统的稳健性。

3、载波的频率和相位、滤波器的特性等很容易根据应用的需求调整，输出信号的幅度、相位一致性有很大的提高；系统时延小，可以根据需要，对时延进行控制和调节；处理的信号中心频率、带宽以及载波数可随应用需求而适当改变，可扩展性较好。

【附图说明】

图1公知的基于ASIC的数字中频上、下变频系统原理参考图；

图2为本发明原理示意图；

图3为本发明下变频时的结构原理示意图；

图4为图3的一种改型；

图5为本发明上变频时的结构原理示意图；

图6为本发明主站通信机制发送程序流程图；

图7为本发明的一种应用形式示意图；

图8为本发明的另一种应用形式示意图；

图9为本发明用于载波调度系统时的应用形式示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

本发明应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法主要包括三个步骤，即下变频、基带处理和上变频，此为变频方法的公知原理。由该方法实现的系统即为应用于直放站系统中的数字中频信号的变频系统，其包括模数转换模块、主控芯片和数模转换模块，其中主控芯片利用编程的形式集成了所述变频方法和相应的基带处理方法。

请参阅图2，本发明揭示的一种变频系统，下变频时，高速模拟中频信号输入模数转换模块ADC，经模数转换，成为数字中频信号输入到下变频模块DDC，完成数字下变频处理，分成两路正交、低速、零中频的基带I、Q信号，基带I、Q信号通过基带数据接口控制模块，输入到上变频模块DUC，经过数字上变频模块处理，输出信号被搬移到特定的频点，经过数模转换模块DAC处理，输出高速模拟中频信号。为了提高模数转换的动态范围，本发明中还添加了自动增益控制模块AGC进行自动增益控制。其中，自动增益控制模块AGC、下变频模块DDC、基带数据接口控制模块和上变频模块DUC都在FPGA、CPLD、EPLD或DSP之类的可编程逻辑器件内实现，技术核心是利用可编程逻辑器件在数字域内完成对信号的上、下变频功能。

请参阅图3，下变频模块DDC主要是对基带数据进行数字混频、抽取和数字滤波等处理，把中频信号搬移到零中频，将高速率的数字信号抽取为低速率的基带数字信号。

图3中，下变频模块DDC接受来自模数转换模块ADC输出的数字中频信号，与混频模块中NCO产生的可变频率的正弦波样本进行相乘运算，实现混频处理。为降低邻道干扰和数据速率，有必要进行抽取滤波处理，以获得基带信号。

输入的数字中频信号经过抽取滤波器，抽取滤波可以为FIR、IIR滤波器或其它形式的滤波器，实现中频信号D倍抽取处理；但一般的抽取滤波器存在通带内衰减过大，需要后续进行补偿，通带采用补偿滤波器进行带内补偿处理，通带补偿滤波器可以选用CFIR、IIR或其它形式的滤波器。当选用CFIR时，如果可编程逻辑器件资源充足、系统时延满足需求，可以设计高性能、高阶数的CFIR，补偿效果更好；但可编程逻辑器件资源有限，或是系统对延时要求较高，CFIR的阶数不宜过高。最后的FIR滤波器主要目的是对整个信道进行整形滤波处理，可以采用时分复用可编程逻辑器件的资源来设计FIR滤波器，提高资源的利用率。

为了提高A/D工作的动态范围，需要加入自动增益控制模块AGC于模数转换模块ADC之前对信号进行预处理。

当然，当输入的中频信号无需进行抽取处理时，可以省略抽取滤波器模块，相应的，数字中频下变频实现原理图可简化为图4所示的结构。

请参阅图5，上变频模块DUC主要是对基带数据进行内插、数字滤波和数字混频等处理，把信号调制到预定的中频，将低速率的数字信号内插为满足中频Nyquist采样定理的数字信号。

信号数字中频上变频实现原理图参见图5。

图5中，下变频模块DDC输出的基带I、Q数据通过基带数据接口控制模块，输入到DUC模块。由于下变频模块DDC和上变频模块DUC工作的时钟频率不同，基带数据接口控制模块主要完成下变频模块DDC和上变频模块DUC模块基带数据的匹配和时钟转换功能。

提高基带传输速率采用数字内插处理，但内插会引入镜像成分，需要进行数字滤波。对应高倍数的内插处理，为了降低滤波器设计的难度，节约可编程逻辑器件资源，一般要采用多级内插滤波器级联实现。基带数据通过内插FIR滤波器，实现第一级内插滤波处理(I1可为1，当I1＝1时，即为普通的FIR滤波器)，由于基带速率较低，FIR滤波器可以采用多路时分复用的结构设计，可以大大节省可编程逻辑器件资源，并能较好的实现对输入信号的内插和滤波处理；第一级内插之后的信号进入第二级内插滤波器，实现对FIR输出的数据进行内插I2倍和滤波镜像处理，内插滤波器可以为FIR、IIR或其它结构的滤波器。

经过两级内插处理，输出的是高速的数字信号，后续经过第一级混频和I、Q调制模块、第二级混频模块和数模转换模块DAC处理。

为了消除负频镜像，一般采用二级混频处理，也即通过第一级混频和I、Q调制模块，第二级混频是对第一级调制输出与第二级本振产生的两路正交信号进行相乘处理，完成第二级混频。最后，对混频输出的信号进行增益调节和控制，以满足设计中信号输入、输出增益控制要求。最后，数字中频信号送入数模转换模块DAC，进行数模转换，输出模拟中频信号。

本发明可适用于所有的应用数字上、下变频的直放站系统，包括无线、光纤、FSO直放站等、载波池调度系统等。下面结合数字光纤直放站系统进行说明。

应用于数字光纤直放站系统，实现中继端、覆盖端的数字中频上、下变频功能，中继端和覆盖端之间的通信协议可以采用CPRI协议或OBSAI协议等。其中，对基带数据进行数据控制和传输，其应用形式参见图6，若对A/D变换后的数据进行数据控制和传输，其应用形式参见图7。

上述两种应用形式均可扩展应用于多载波数字直放站系统或载波调度系统，当中继端和覆盖端实现对多载波信号进行数字上、下变频处理时，即成为多载波数字直放站系统，参见图8。当多载波处理时，一个中继端调度多个覆盖端系统，即成为载波调度系统，参见图9。

综上所述，本发明的变频方法及由该方法所实现的变频系统相对传统技术而，有较大的进步，不仅克服了传统技术的诸多不足，还引入了AGC控制，大大提高了数模转换器的动态范围。DUC中的负频镜像抑制完全消除了负频的影响，提高了系统性能；而且预留了一些公用接口，便于利用CPRI、OBASI等空中接口协议进行数据传输，系统具有较好的扩展性。

以上是对本发明的原理和实施例子作了详细的描述和说明，使得熟悉本技术领域的人员能够理解和进行本发明的开发。但是对本发明的其它细节变化也应落在本发明的构思和范围之内。如本发明可以利用CPLD、FPGA、EPLD、DSP实现，也可使用其它器件来完成。又如，本发明的抽取滤波器或内插滤波器，可以为FIR、IIR滤波器，也可以为其它形式的滤波器。

Claims (10)

1.一种应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法，其特征在于：包括如下步骤：

下变频，将模数转换而得的数字中频信号先进行数字混频后，进行抽取、通带补偿、信号整形等数字滤波处理，将中频信号搬移到零中频，将高速率的数字信号抽取为低速率的两路正交的数字基带I、Q信号；

基带处理，将数字基带I、Q信号进行数据调整和时序控制；

上变频，将经基带处理后的数字基带I、Q信号，经过至少一级内插滤波之后，再经过I、Q调制和二级混频处理，然后，对混频输出的信号进行增益调节和控制，最终输出高速数字中频信号，并经数模转换后输出模拟中频信号。

2.根据权利要求1所述的应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法，其特征在于：上变频时，在得到数字中频信号的模数转换之前，进行自动增益控制。

3.根据权利要求1或2所述的应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法，其特征在于：上变频时，数字基带I、Q信号进行二级内插滤波，滤除因内插而引起的镜像成分。

4.根据权利要求1或2所述的应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法，其特征在于：上变频时，第二级混频将第一级混频调制后的输出与第二级混频本振产生的两路正交信号进行相乘处理，消除负频镜像。

5.根据权利要求3所述的应用于直放站系统中的数字中频信号的变频方法，其特征在于：下变频时，根据中频信号的需要选择是否进行抽取处理。

6.一种应用于直放站系统中的数字中频信号的变频系统，其特征在于包括依次连接的模数转换模块、主控芯片以及数模转换模块：

所述模数转换模块用于实现模拟信号向数字信号的转换，将模拟的中频信号转换为数字格式；

所述主控芯片用于利用编程的形式实现权利要求1所述的变频方法；

所述数模转换模块用于实现数字信号向模拟信号的转换，将下变频后的中频信号转换为模拟信号输出。

7.根据权利要求6所述的数字中频信号的变频系统，其特征在于所述主控芯片具体包括：

下变频模块，用于将模数转换而得的数字中频信号搬移到零中频，将高速率的数字信号抽取为低速率的两路正交的数字基带I、Q信号；

基带数据接口模块，用于对下变频后的数字基带I、Q信号进行数据调整和时序控制；

上变频模块，用于将由基带数据接口模块传输来的数字基带I、Q信号进行内插滤波和混频处理以输出调整后的数字中频信号。

8.根据权利要求6或7所述的数字中频信号的变频系统，其特征在于所述下变频模块包括依次连接的混频子模块、信号抽取滤波器、通带补偿滤波器和信号整形滤波器：

所述混频子模块，用于将输入的数字中频信号与一数控振荡器产生的正弦波样本进行相乘运算，实现混频处理；

所述信号抽取滤波器，用于对混频后的信号进行D倍抽取处理；

所述通带补偿滤波器，用于对抽取后的信号进行通带补偿处理；

所述信号整形滤波器，用于对整个信道进行整形滤波处理，最终输出两路数字基带I、Q信号。

9.根据权利要求8所述的应用于直放站系统中的数字中频信号的变频系统，其特征在于所述上变频模块包括依次连接的第一级内插滤波器、第二级内插滤波器、第一级混频和I、Q调制子模块、第二级混频子模块。 

10.根据权利要求8所述的数字中频信号的变频系统，其特征在于所述主控芯片采用FPGA、CPLD、EPLD或DSP实现。 

Images