CN101394218B - 一种移动通信射频信号数字化电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动通信射频信号数字化电路，包括可变增益放大电路、零中频差分IQ调制电路、IQ信号驱动电路、模拟/数字转换电路、并行信号转串行信号电路、锁相环电路、时钟电路，射频信号经过可变增益放大电路最佳匹配放大后，输入到零中频差分IQ调制电路，生成的差分IQ信号经过IQ信号驱动电路匹配放大后，由模拟/数字转换电路转换为并行数字信号，并行数字信号再经过并行信号转串行信号电路转换为串行数字信号，时钟电路用来提供零中频差分IQ调制电路、模拟/数字转换电路所需的时钟本振信号和时序信号，锁相环电路用来提供锁相本振信号。本发明为信号的基带处理准备了接口，有效滤除无线信号的噪声和杂散，改善无线网络信号的信噪比，提高无线信号覆盖的网络质量。

Description

一种移动通信射频信号数字化电路

技术领域

本发明涉及一种移动通信射频信号数字化电路，即采用无线电及数字电路技术，将移动通信基站射频接口射频信号转换为数字信号的转换电路。

背景技术

作为移动通信数字直放站的核心处理部分，本发明有着巨大的意义。

直放站的使用意义和应用范围：

在移动通信迅速发展的今天，无论何种无线通信的覆盖区域都将产生弱信号区和盲区，而对一些偏远地区和用户数不多的盲区，要架设基站成本太高，基础设施也较复杂，为此提供一种成本低、架设简单，却具有小型基站功能的经济有效的设备---直放站是很有必要的。特别是，移动通信服务商们开始在基地之外的建筑物内部及地下等电波盲区设置直放站，以最大限度地满足用户对于通话服务的要求。

传统直放站覆盖存在的问题：

直放站以起独有的优势在移动优化覆盖领域已被广泛认可，并在全球移动通信网络上大量采用。但是伴随着运营商网络建设的日趋完善和进一步品质化和精品化要求，目前网络建设已进入了查漏补缺和调整优化阶段，现阶段的网络呈现出：

弱信号区和盲区存在的面积很小而数量众多。

在基站或广域网覆盖良好的部分楼宇内，仅存在很少面积、信号屏蔽严重的电梯和地下室等盲区；

受建筑物内部结构的影响，建筑物内小范围的网络覆盖弱信号地区；

建筑物密集的生活住宅小区，受地理环境的影响，存在小范围的弱信号地区；

受传输路由、线缆布放困难的限制，使室内覆盖系统等合理解决方案，不能达到需覆盖的部分区域。如：与主覆盖区有一定距离的，又因为管线井道不通的住宅小区地下停车场；大型楼宇的附楼、群楼；相对分散的建筑群等。

已覆盖的建筑物内，有小范围的人口密度大、话务集中等热点区域（忙区），如：会议室、报告厅、娱乐场所等。

受基站上行灵敏度底噪声等限制，基站的一个扇区可接入的直放站数目有限，否则基站的指标会明显受到影响。

解决上述网络问题，若仍采用传统的直放站系统，将会存在以下几个问题：

投资成本大、性价比不高。

针对上述区域，从进行覆盖的意义和作用上讲：运营商是为了使通信服务网络更精品化、更高品质化，能实现真正意义上的“网络无缝覆盖”；从网络建设的投入产出比上讲：运营商类似覆盖是服务性的、非赢利性。所以，在制定解决方案时，投资成本的大小是解决方案提供商首先和最重点要考虑的问题。

设备体积大、对站址的环境要求相对较高，灵活性、随机性差。

传统直放站在架设时，必须要有固定的机房、足够的安装空间、稳定的电源等配套设施，使解决方案的设计受到很多条件的制约。

设备安装时必须由专业技术人员，并使用专用的配套工具才能实现。工程周期长，工程施工复杂。

基站的一个扇区可接入的直放站数目有限，资源浪费。

遇到要覆盖的多个区域都在同一路由方向的情况，用传统的直放站只能多台直放站引用多扇区信号多台近端机带多台远端机对目标区域进行覆盖，否则就有可能造成噪声叠加，干扰基站。而使用数字直放站由于上行噪声不叠加，所用信源只要同一扇区一台近端机带多台远端机就可以满足。所以，使用传统的直放站设备反而是一种浪费。

所以，针对现阶段的网络特点和市场现状，如何寻找到一种性能稳定、价格低廉、安装简易的有效解决办法和配套产品，成为我们最为关注的项目课题和研究方向。  

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种移动通信射频信号数字化转换电路，即数字基带处理的接口。通过该接口可以在保证通信质量的基础上在数字领域对基带信号进行超远距离光传输、再生、同步和处理。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：移动通信射频信号数字化电路，包括包括可变增益放大电路、零中频差分IQ调制电路、IQ信号驱动电路、模拟/数字转换电路、并行信号转串行信号电路、锁相环电路、时钟电路，来自移动通信基站射频接口的射频信号经过可变增益放大电路最佳匹配放大后，输入到零中频差分IQ调制电路，生成的差分IQ信号经过IQ信号驱动电路匹配放大后，由模拟/数字转换电路转换为并行数字信号，并行数字信号再经过并行信号转串行信号电路转换为串行数字信号，时钟电路与零中频差分IQ调制电路、模拟/数字转换电路连接，用来提供零中频差分IQ调制电路、模拟/数字转换电路所需的时钟本振信号和时序信号，锁相环电路与零中频差分IQ调制电路连接并用来提供锁相本振信号，可变增益放大电路设置有变压器、放大匹配电路、可变增益放大器，射频信号经过变压器转换为差分信号，经过放大匹配电路输入可变增益放大器，由可变增益放大器最佳匹配放大后传送到零中频差分IQ调制电路，所述零中频差分IQ调制电路设置有IQ匹配电路、IQ调制集成块，由可变增益放大电路最佳匹配放大后的信号通过IQ匹配电路输入IQ调制集成块，经过IQ调制集成块零中频正交混频后得到基带信号输出，所述零中频差分IQ调制电路采用高性能正交I/Q解调器，IQ调制集成块的射频输入频率范围是700 MHz～2.7 GHz，差分射频输入提供50Ω宽带输入阻抗，采用1:1巴伦驱动,电压转换增益为4dB，阻抗最小为100Ω，所述IQ信号驱动电路包括信号驱动模块，零中频差分IQ调制电路输出的基带信号经过匹配电路后输入到IQ信号驱动电路的信号驱动模块，经过信号驱动模块匹配整形放大后输出到模拟/数字转换电路。

本发明首次采用了零中频技术，将移动通信基站射频接口射频信号直接下变频到0～24MHz信号，通过电路匹配和后级的数字处理，可靠抑制了镜频和阻塞的影响，减少了传统的中频和缓冲处理单元，电路更简单，性能更稳定。

对射频信号进行IQ调制，将输出带宽减小了一半，因此对后级数字采样电路的采样速率要求相应降低，只需直接采样速率的一半速率即可，有效提高了后级数字采样及传输电路的稳定性，也大大降低了数字采样部分的综合成本；

（1）按照现有国内两种移动通信网络制式GSM和CDMA1X的两种制式，中国移动GSM频率为上下行各24M：上行885～909MHz、下行930～954MHz，中国联通GSM频率为上下行各6M：上行909～915MHz、下行954～960MHz。

中国联通CDMA1X频率为上下行各10M：上行825～835MHz、下行870～880MHz。

（2）按照现有国内两种移动通信网络制式GSM和CDMA1X的两种制式，在 GSM 中，数据速率选为 270.833kbit/sec，中国移动GSM网络94个信道数据速率最大为270.833×94=25458.302 kbit/sec，因中国联通信道数少于中国移动，所以信道速率按最大来计算为25458.302 kbit/sec（约为25.5M）。

ｃｄｍａ２０００－１Ｘ ＥＶ－ＤＯ（Ｄａｔａ Ｏｎｌｙ），采用与话音分离的信道传输数据， 高通公司提出的ＨＤＲ（Ｈｉｇｈ Ｄａｔａ Ｒａｔｅ）技术已成为该阶段的技术标准，支持平均速率为６５０ｋｂｉｔ／ｓ、峰值速率为２．４Ｍｂｉｔ／ｓ的高速数据业务（ＨＤＲ是一种针对分组数据业务进行优化的、高频谱利用率的ＣＤＭＡ无线通信技术。可在１．２５Ｍ带宽内提供峰值速率达２．４Ｍｂｉｔ／ｓ的高速数据传输服务。这一速率甚至高于ＷＣＤＭＡ在５Ｍ带宽内所能提供的数据速率。ＨＤＲ已被３ＧＰＰ２接纳为ｃｄｍａ２０００－１Ｘ ＥＶ－ＤＯ的唯一标准）。

IQ信号的频率带宽最大为24M。

IQ信号速率最大为25.5M。

利用数字采样的方法把移动通信射频信号转换为12位并行数字信号,采样带宽G网24M，C网10M。

按照乃奎斯特采样定理，若要无损采样，采样时钟频率要大于两倍待采样信号频率，采样速率要大于两倍待采样信号速率。

因此ADC采样时钟频率定为50M。

因为对射频信号进行IQ调制，将输出带宽减小了一半，因此对后级数字采样电路的采样速率要求相应降低，只需直接采样速率的一半速率即可，因此后级使用采样速率为64M的ADC芯片即可。

利用数字采样的方法把移动通信射频信号转换为12位并行数字信号，在数字域对信号进行处理,极大增强了设备对信号的处理、控制和中继能力；

利用FPGA电路对数字信号进行处理，对数字域信号进行了串行打包整形，为后级的双工传输提供了接口；也为后级射频信号数字域处理提供了接口。

本发明用于将移动通信基站射频接口射频信号转换为数字信号，利用FPGA电路对数字信号进行处理，对数字域信号进行了串行打包整形，为后级的双工传输提供了接口；也为后级射频信号数字域处理提供了接口。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例可变增益放大器和零中频差分IQ调制电路的电路图。

图3是本发明实施例IQ信号驱动电路的电路图。

图4是本发明实施例模拟/数字转换电路的电路图。

具体实施方式

参见图1～图4，本发明实施例涉及一种移动通信射频信号数字化电路，即采用无线电及数字电路技术，将移动通信基站射频接口射频信号转换为数字信号的转换电路。该移动通信射频信号数字化电路包括可变增益放大电路Ⅰ、零中频差分IQ调制电路Ⅱ、IQ信号驱动电路Ⅲ、模拟/数字转换电路Ⅳ、并行信号转串行信号电路Ⅴ、锁相环电路Ⅵ、时钟电路Ⅶ以及给上述电路提供电源的电源电路。可变增益放大电路Ⅰ与零中频差分IQ调制电路Ⅱ连接，零中频差分IQ调制电路Ⅱ与IQ信号驱动电路Ⅲ、锁相环电路Ⅵ、时钟电路Ⅶ均连接，IQ信号驱动电路Ⅲ与模拟/数字转换电路Ⅳ连接，模拟/数字转换电路Ⅳ与并行信号转串行信号电路Ⅴ、时钟电路Ⅶ均连接。

移动通信基站射频接口射频信号RF经过可变增益放大电路Ⅰ最佳匹配放大后，输入差分IQ调制电路Ⅱ，生成的零中频差分IQ信号经过IQ信号驱动电路Ⅲ匹配放大后，由模拟/数字转换电路Ⅳ转换为12位并行数字信号，12位并行数字信号再经过并行信号转串行信号电路Ⅴ转换为串行数字信号。时钟电路Ⅶ直接与零中频差分IQ调制电路Ⅱ的电容C72和模拟/数字转换电路Ⅳ的引脚CLK_A、CLK_B连接，用于提供该两个电路所需的时钟本振信号和时序信号，锁相环电路Ⅵ与零中频差分IQ调制电路Ⅱ连接并用来提供锁相本振信号VPSO_A、VPSO_B，并行信号转串行信号电路Ⅴ、锁相环电路Ⅵ、时钟电路Ⅶ和电源电路均可采用现有技术。

可变增益放大电路Ⅰ、零中频差分IQ调制电路Ⅱ具体电路原理图见电路图2，移动通信基站射频接口射频信号RF经过变压器T2转换为差分信号，经过由电阻R7、R8和电容C23、C24组成的放大匹配电路输入可变增益放大器U4(AD8375)，经过可变增益放大器U4最佳匹配放大，再通过IQ匹配电路输入零中频差分IQ调制电路Ⅱ的IQ调制集成块U5（ADl5382），经过IQ调制集成块U5零中频正交混频后得到基带信号IF_IHI、IF_ILO、IF_QHI、IF_QLO四路信号输出。移动通信基站射频接口射频信号RF经过零中频差分IQ调制电路Ⅱ处理后，为后级的高速无损数字采样提供了数据速率降低一半的更加便利的条件。

零中频差分IQ调制电路Ⅱ是一款可应用在W-CDMA/CDMA/CDMA2000/GSM系统中的高性能正交I/Q解调器，IQ调制集成块U5的射频输入频率范围是700 MHz～2.7 GHz。差分IQ调制电路(噪声系数NF = 14 dB, IP1dB = 14.7 dBm, IIP3 = 33.5 dBm at 900 MHz)具有宽动态范围，适用于通信设施直接转换的苛刻要求。差分射频输入提供50Ω宽带输入阻抗，为了实现最佳性能，采用1:1巴伦驱动, 为了产生本振正交信号，利用内置多相滤波器实现稳定的正交精度。在较宽的本振频率范围内可以得到出色的解调精度。解调后的同相位（I）与正交（Q）差分输出信号是经过缓冲的。电压转换增益为4dB，与差分负载阻抗无关，阻抗最小可以为100Ω，负载200Ω时的驱动能力超过2Vpp。 完全平衡的设计减小了二阶失真产物。从本振端口到射频端口的泄漏小于-65 dBc。I、Q 输出端口的直流差分偏置小于10 mV。

IQ信号驱动电路Ⅲ包括信号驱动模块U6（AD8366）。参见图3，经过图2的IQ调制集成块U5零中频正交混频后得到基带信号IF_IHI、IF_ILO、IF_QHI、IF_QLO四路信号经过匹配电路后，分别输入到IQ信号驱动电路Ⅲ信号驱动模块U6的IPPA、IPMA、IPMB、IPPB四个端口，经过信号驱动模块U6匹配整形放大后，输出VINAB、VINA、VINB、VINBB四个信号到图4模拟/数字转换电路Ⅳ的AD转换器U1的VINAB、VINA、VINB、VINBB四个引脚，经过AD转换器U1的模拟/数字转换后，形成D0～D13的并行12位信号输出，然后经过FPGA电路转换为12位串行信号。

本实施例采用的信号驱动模块U6具有出色的无杂散动态范围，适合驱动12-bit ADC。在10 MHz工作时，最大增益下的噪声系数（NF）为10.5 dB，增益每降低4 dB，NF就增加2 dB。在整个增益范围内，在10MHz下驱动500Ω负载时，对于2V p-p的输出，HD3和HD2都大于88 dBc。驱动200Ω负载时，-90 dBc的双音互调失真对应为43 dBm的OIP3。IQ信号驱动电路的差分输入阻抗为200Ω，以提供良好的阻抗匹配。差分输出采用电压模式，阻抗较低，为30Ω。在整个电压范围，输出共模电压默认值为Vps/2，可通过信号驱动模块U6的引脚VCMA与VCMB进行编程调节。如果采用直流耦合工作方式，可以禁用内置的直流失调补偿环路。高通角通过信号驱动模块U6的引脚OFSA、OFSB上的外部电容设定。输入共模电压默认值也为Vps/2，但可以在1.2V到3.4V之间驱动。数字接口支持并行或串行增益编程。信号驱动模块U6采用4.5V ～ 5.5V电源供电，电源电流消耗为175 mA，待机功耗为4 mA。

参见图4，模拟/数字转换电路Ⅳ包括AD转换器U1(AD9238)，采样率最高分别可达65 MS/s。可以提供与单通道A/D转换器同样优异的动态性能，但是比使用2个单通道A/D转换器具有更好的抗串扰性能。模拟/数字转换电路由2个高性能A/D转换器组成。这2个ADC通道除了共用内部的电压参考源VREF，其他基本是独立的。每个ADC通道都包含有1个前端采样保持放大器（SHA）和1个流水线ADC。该流水线ADC分为三级，第一级是1个4 b的闪速（Flash）ADC，第二级是8个1．5 b的闪速ADC，第三级是1个4 b的闪速ADC。每一级都提供有充分的位数重叠来纠正前一级的错误，每级的量化输出再加上数字误差校正可以保证最后得到12 b的有效位数。流水线的结构允许前一级在完成某一采样工作后进行新的采样，而后一级仍在进行先前的采样工作。 流水线的每一级（除了最后一级）都有一个低位数的DAC和一个乘法器来驱动下一级。乘法器用闪速ADC的输出来控制开关电容DAC。DAC的输出减去输入信号再经放大后送入下一级流水线，乘法器这一级也叫做乘法DAC（MDAC）。每一级有1 b用来对前一级的错误进行数字校正。最后一级只包括一个闪速ADC缓冲器。输出缓冲器单独供电，这样可以方便地对输出电压进行调节。

本发明实施例使得高频射频信号转化为串行数字信号，为信号的基带处理准备了接口，可有效滤除无线信号的噪声和杂散，大大改善无线网络信号的信噪比，提高了无线信号覆盖的网络质量，可通过数字光网络进行无线信号超远距离传输。

Claims (1)

1.一种移动通信射频信号数字化电路，其特征在于：包括可变增益放大电路、零中频差分IQ调制电路、IQ信号驱动电路、模拟/数字转换电路、并行信号转串行信号电路、锁相环电路、时钟电路，来自移动通信基站射频接口的射频信号经过可变增益放大电路最佳匹配放大后，输入到零中频差分IQ调制电路，生成的差分IQ信号经过IQ信号驱动电路匹配放大后，由模拟/数字转换电路转换为并行数字信号，并行数字信号再经过并行信号转串行信号电路转换为串行数字信号，时钟电路与零中频差分IQ调制电路、模拟/数字转换电路连接，用来提供零中频差分IQ调制电路、模拟/数字转换电路所需的时钟本振信号和时序信号，锁相环电路与零中频差分IQ调制电路连接并用来提供锁相本振信号，可变增益放大电路设置有变压器、放大匹配电路、可变增益放大器，射频信号经过变压器转换为差分信号，经过放大匹配电路输入可变增益放大器，由可变增益放大器最佳匹配放大后传送到零中频差分IQ调制电路，所述零中频差分IQ调制电路设置有IQ匹配电路、IQ调制集成块，由可变增益放大电路最佳匹配放大后的信号通过IQ匹配电路输入IQ调制集成块，经过IQ调制集成块零中频正交混频后得到基带信号输出，所述零中频差分IQ调制电路采用高性能正交I/Q解调器，IQ调制集成块的射频输入频率范围是700 MHz～2.7 GHz，差分射频输入提供50Ω宽带输入阻抗，采用1:1巴伦驱动,电压转换增益为4dB，阻抗最小为100Ω，所述IQ信号驱动电路包括信号驱动模块，零中频差分IQ调制电路输出的基带信号经过匹配电路后输入到IQ信号驱动电路的信号驱动模块，经过信号驱动模块匹配整形放大后输出到模拟/数字转换电路。

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