CN103957017A - 一种多模移动通信系统的信号中频发射装置 - Google Patents

一种多模移动通信系统的信号中频发射装置 Download PDF

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Abstract

一种多模移动通信系统的信号中频发射装置，包括：参数自动配置模块、插值滤波模块、数字上变频模块、D/A变换器；参数自动配置模块用于根据不同的通信制式产生数字上变频模块所需的频点和插值滤波模块所需的滤波系数及插值率；插值滤波模块用于根据滤波系数和插值率进行插值和滤波；数字上变频模块用于将插值滤波模块输出的信号上变频到频点上，并输出到D/A变换器；D/A变换器用于对所述数字上变频模块输出的信号进行数模转换。本发明适用于LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM多种通信制式。插值滤波模块包括四级滤波；数字上变频模块包括数字混频器。本发明支持多种通信制式，系统结构简化，设备体积较小，造价低。

Description

一种多模移动通信系统的信号中频发射装置
技术领域
本发明涉及移动通信多模技术，特别涉及一种用于LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM的多模移动通信系统的信号中频发射装置。
背景技术
随着移动通信及3G和LTE的不断发展，多模终端将成为移动终端的发展趋势。多种移动通信系统需要支持多个频段和多种模式的通信，以便在同一硬件平台上实现对不同模式的切换和同时通信。随着LTE牌照的发放，同一个支持不同移动通信系统的通信需求变得越来越迫切。移动通信系统的无线侧包括射频、中频、基带三部分，射频可以通过软件无线电采用同一射频硬件实现多模处理；基带部分对于不同的移动通信制式需要调用不同的基带处理单元；中频希望采用同一硬件平台，针对不同的制式调用不同的配置可以实现多模中频管理。
LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM多模移动通信中频发送技术需要满足LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM五种标准的信号接收，在同一个硬件平台上通过不同的参数配置，可以实现对不同信号的发送。当前好没有将上述五种信号在同一个平台进行发送的技术。LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM多模移动通信中频发送技术可以应用于以下几个方面：多模移动通信终端、多模移动通信基站、移动通信目标探测和监听设备。多模移动通信系统的需求推动了多模中频的技术设计和技术革新。
目前，GSM/TD-SCDMA/LTE和GSM/WCDMA/LTE等商用多模移动通信系统，其中频发射主要采用多通道并行处理来完成的。针对不同的多模移动应用通信设备，其中频发射方法主要体现在以下几个方面：
(1)对于多模移动通信终端，采用多个专用芯片处理，单个芯片只能完成单一制式的中频发射的方法；
(2)对于多模移动通信基站，采用多通道并行中频发射的方法；
(3)对于用于管控和监听设备，这些设备是独立的，在同一平台上无法实现多模移动通信系统的发射。
上述探测方法需要存在的问题：
(1)采用并行处理通道，设备开销大，体积大，费用高；(2)无法在同一平台上实现多模信号处理；(3)没有实现3gpp和3gpp2的多模融合；(4)灵活性低，不同的制式不能兼容，不能实现不同的制式和频点带宽灵活配置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM多模移动通信系统的信号中频发射装置，完成多模中频发射处理的架构设计，实现多模自动配置，完成数字上变频和滤波器的参数设计，完成多模移动通信中频发射处理设计。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种多模移动通信系统的信号中频发射装置,其特征在于，包括：参数自动配置模块、插值滤波模块、数字上变频模块、PLL模块和D/A变换器；
所述PLL模块用于提供整个所述中频发射装置的时钟；
所述参数自动配置模块用于根据不同的通信制式产生所述数字上变频模块所需的频点和所述插值滤波模块所需的滤波系数及插值率；
所述插值滤波模块用于根据所述滤波系数和所述插值率对输入信号进行插值和滤波；
所述数字上变频模块用于将所述插值滤波模块输出的信号上变频到所述频点上，并输出到所述D/A变换器；
所述D/A变换器用于对所述数字上变频模块输出的信号进行数模转换。
优选的，所述通信制式包括LTE、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA和GSM。
优选的，所述数字上变频模块包括数字混频器；所述数字混频器将所述插值滤波模块输出的信号的中心频率由零频率上变频到所述频点。
优选的，所述数字混频器的频率fnco被设置为：
对于TD-SCDMA/CDMA/WCDMA/LTE通信制式，fnco＝(54.24-(fI-f))MHz；
对于GSM通信制式，fnco＝(40-(fI-f))MHz；
其中，f是发送信号的频点，fI是信号频段的中心频率；且所述发送信号的频点f是根据不同通信制式来设定的。
优选的，所述参数自动配置模块中，对于TD-SCDMA/CDMA/WCDMA/LTE通信制式，所述频点被设置为54.24MHz；对于GSM通信制式，所述频点被设置为40MHz。
优选的，所述D/A变换器包括第一D/A变换器和第二D/A变换器；其中，所述第一D/A变换器由LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA通信制式共用；所述第二D/A变换器仅由GSM通信制式使用。
优选的，所述插值滤波模块包括第一级滤波、第二级滤波、第三级滤波和第四级滤波；
其中，所述第一级滤波采用FIR滤波器；所述第二级滤波和所述第三级滤波采用HBF滤波器；所述第四级滤波采用CIC滤波器。
优选的，所述FIR滤波器的参数根据传输协议中信号的特性进行设置。
优选的，所述CIC滤波器采用5级级联单级CIC滤波器来实现，并通过配置级联数、差分延时和插值率控制所述CIC滤波器的带宽和旁瓣抑制比。
优选的，所述HBF滤波器是通过避免信号谐波来配置阻带宽度和通带宽度。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1)本发明提供一个硬件平台可以支持LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM多个信号的中频发射，简化系统结构，缩小设备体积，降低造价，为设备的便携和小型化奠定基础。
2)本发明采用参数自动配置方式，在系统选择和参数确定时，可以根据参数自动配置的控制参数完成相应的配置，简化系统的操作。
3)本发明适用于多模移动终端、多模移动通信系统设备、多模移动通信目标探测和监听设备研发，简化开发平台，缩短开发周期。
4)本发明的发射装置使用两个D/A变换器，其中LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/共用一个D/A变换器，GSM使用一个D/A变换器，其相应的参数符合五种移动通信系统的频谱和基带系统要求的参数，适应于多模移动通信系统信号发射和处理。
附图说明
图1为本发明的一种多模移动通信系统的信号中频发送装置的结构示意图；
图2为本发明的多模移动通信系统的信号中频发送装置的参数自动配置模块的结构示意图；
图3为本发明的多模移动通信系统的信号中频发送装置的插值滤波模块的结构示意图；
图4为本发明的多模移动通信系统的信号中频发送装置的处理流程图；
图5为本发明的多模移动通信系统的信号中频发送装置中CIC单级滤波器结构图；
图6为CIC单级滤波器的幅频特性曲线；
图7为HBF滤波器的幅频特性曲线。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细描述。
如图1所示，本发明的LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM多模移动通信系统的信号中频发送装置包括：D/A变换器、参数自动配置模块、数字上变频模块、PLL模块和插值滤波模块。其中，D/A变换器的采用率相同，该采样率兼容LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM五种制式基带速率；参数自动配置模块，根据不同的通信制式产生数字上变频模块所需的频点、插值滤波模块所需的滤波系数及插值率。根据参数自动配置模块，选择不同的通信制式，既可以完成上变频参数设置、插值器和二级滤波器的参数设置。数字上变频模块，根据参数自动配置模块所产生的频点，将插值滤波模块输出的信号通过数字混频器NCO上变频到相应的频点，并发送给D/A变换器进行处理。插值滤波模块根据参数自动配置模块所产生的滤波系数和插值率，将基带信号的速率进行插值和滤波，变频到射频所需要的54.24MHz(LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA)或者40MHz(GSM)频点上。PLL模块用于提供整个中频发射装置的时钟。
如图2所示，参数自动配置模块主要由上位机软件控制FPGA选择不同通信制式的信号，并能够通过多模控制模块对信号的频点和滤波器的特性等进行实时的配置，使得多模控制变得灵活和高效。
频点的选择功能是由数字混频器NCO数字混频器以及窄带滤波完成。信号由基带送至中频，经过数字滤波后，通过数字混频器NCO将信号中心频率由零频率上变频到54.24MHz或者40MHz(GSM)的频点上，送往D/A变换器进行处理。在某一确定移动通信制式下，滤波器的特性是预先设定好的，只需通过控制软件可实时地更改数字混频器NCO的频率控制字来产生不同频点的相对应的载频频率，便能够对带宽内任意可用频点进行处理。
插值窄带滤波模块具体如图3所示。窄带滤波的主要功能是滤出所需的单频点的信号，以便基带的数据处理。针对3G、LTE等不同的制式的通信系统，其单频点带宽是不一样的。由于基带信号采样率较低，不满足上变频后中频信号对采样率的要求，所以需要通过插值以提高基带信号的采样率。由于信号由低速率转换为高速率的信号，单级滤波器插值倍率很高，单级插值滤波很难实现，因此本发明的插值滤波模块包括第一级滤波、第二级滤波、第三级滤波和第四级滤波；采用四级滤波来完成数据的升采样率和滤波。本发明的第一级滤波采用具有较好通带和阻带特性的FIR滤波器来完成；第二级滤波和第三级滤波为了节约系统资源采用滤波器阶数较小的半带滤波器HBF1和HBF2来完成；第四级滤波考虑到中频前段信号数据率较高，采用在高速率下滤波特性较好的CIC滤波器进行数据率的升采样率和滤波。在多模窄带滤波中可以控制滤波器的内插率得到码片速率整数倍的中频信号。
下面介绍一下LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/GSM多模数字中频发射参数配置方法。
数字上变频处理流程图如图4所示。数字中频的发射模块即数字上变频模块，主要功能是将经过四级差值滤波后的信号，由数字混频器NCO混频到54.24MHz(LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA)或者40MHz(GSM)的频点上，再送往D/A变换器进行处理。
图4中，fnco为通过实时配置的数字混频器NCO的频率控制字产生相应的频点的混频频率，I4、I3、I2、I1分别为第一级滤波、第二级滤波、第三级滤波和第四级滤波的滤波器的插值率，fcic、fhbf2、fhbf1、ffir是根据每种信号模式插值得到的采样率，这些参数都能够通过自动配置模块进行灵活配置的。另外针对每一种信号模式，每一级滤波器的参数(如滤波器的带宽、系数、截位等)也要做相应的配置。通过这些可实时配置的参数，从而实现了多模中频的数据处理。根据各种模式信号特性，推算出各模式对应的中频参数。主要参数有数字混频器频率、插值率以及滤波器的特性。
数字混频器NCO的频率是由信号频段内的频点而决定的。对发射而言，基带将已知频点的基频信号经过数字滤波后，通过数字混频器NCO将信号频点搬移至54.24MHz(LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA)或者40MHz(GSM)的频点上送往射频D/A变换器进行处理。各种信号模式对应的频段以及频点见表1。
表1各种制式移动通信系统对应频段及频点信息表
设f为发送信号的频点，不同的通信制式，发送信号的频点f也是不一样的；fI信号频段的中心频率，fnco为数字混频器的频率值。
对于TD-SCDMA/CDMA/WCDMA/LTE而言，采样率为245.76Msps，其数字混频器的频率值fnco的计算公式为：
fnco＝(54.24-(fI-f))MHz；
而对于GSM而言，采样率为260Msps,其数字混频器的频率值fnco的计算公式为：
fnco＝(40-(fI-f))MHz。
系统采样率为245.76Msps(LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA)和260Msps(GSM)，为了得到单倍码片速率的信号，考虑到滤波器的阶数以及使用芯片资源最小化，采用四级滤波且插值系数之和最小的原则完成插值率的配置。各个模式对应的插值率配置见表2。
表2各模式对应的插值率配置表
滤波器的特性直接关系到信号质量的好坏，通过对每一级滤波特性进行分析和推算，得出能够满足需求的滤波器参数。
图5为第四级滤波的CIC单级滤波器的结构图。CIC滤波器是一种基于零极点相消的滤波器，只包含加法器、积分器和寄存器，而不存在乘法器，因此在高采样率系统中可以得到有效应用。它包括两个基本组成部分：积分部分和梳状部分。
由于单级CIC滤波器的旁瓣电平较大，阻带衰减较差，第一旁瓣衰减只有13.46dB。为了降低旁瓣电平，可以采用多级CIC滤波器级联得到阻带衰减较好的滤波器，且级联N级旁瓣衰减的与单级CIC滤波器衰减成正比，即第一旁瓣衰减N*13.46dB。
虽然级联能增加阻带衰减，减小了混叠的影响，但同时会增加带内容差，所以CIC级联数是有限制的，一般采用5级级联来实现。图6为CIC幅频特性曲线，其中D为滤波器的差分延时，I为插值率。通过配置级联数N、差分延时D和插值率I能够控制CIC滤波器的带宽、旁瓣抑制比等滤波特性。
第二级滤波和第三级滤波所采用的HBF滤波器适用于实现I＝2倍插值和滤波，由于减少了一半存储和计算量，故在高速处理中具有计算效率高，实时性强等优点。HBF滤波器的幅频特性曲线如图7所示。
HBF滤波器的阻带宽度与通带宽度是相等的，过渡带的宽度是由通带和采样率共同决定。为了避免信号谐波的进入对信号产生镜像干扰，需要将HBF滤波器的过渡带进行设计，使得在过渡带内更可能地抑制谐波。
第一级滤波所采用的FIR滤波器具有通带性能好、过渡小、带外抑制好等特点。在FIR滤波器的参数设置中，通带参数要以通信协议规定为准，阻带参数只要保证滤除插值镜像即可。
由以上参数配置设计，根据不同模式信号特性得出下行发射、上行发射的多模中频参数配置。
多模移动通信下行发射中频参数配置如表3。
表3下行发射多模中频参数配置表
(注：由于GSM有498个频点，故不一一列举，均可由式(2)计算得出。)
多模移动通信上行发射中频参数配置如表4。
表4上行发射多模中频配置表
(由于GSM有498个频点，故不一一列举，均可由式(2)计算得出。)
以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，包括：参数自动配置模块、插值滤波模块、数字上变频模块、PLL模块和D/A变换器；
所述PLL模块用于提供整个所述中频发射装置的时钟；
所述参数自动配置模块用于根据不同的通信制式产生所述数字上变频模块所需的频率控制字和所述插值滤波模块所需的滤波系数及插值率；
所述插值滤波模块用于根据所述滤波系数和所述插值率对输入信号进行插值和滤波；
所述数字上变频模块用于将所述插值滤波模块输出的信号上变频到所述频点上，并输出到所述D/A变换器；
所述D/A变换器用于对所述数字上变频模块输出的信号进行数模转换。
2.根据权利要求1所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述通信制式包括LTE、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA和GSM。
3.根据权利要求2所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述数字上变频模块包括数字混频器；所述数字混频器将所述插值滤波模块输出的信号的中心频率由零频率上变频到所述频点。
4.根据权利要求3所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述数字混频器的频率fnco被设置为：
对于TD-SCDMA/CDMA/WCDMA/LTE通信制式，fnco＝(54.24-(fI-f))MHz；
对于GSM通信制式，fnco＝(40-(fI-f))MHz；
其中，f是发送信号的频点，fI是信号频段的中心频率；且所述发送信号的频点f是根据不同通信制式来设定的。
5.根据权利要求2所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述参数自动配置模块中，对于TD-SCDMA/CDMA/WCDMA/LTE通信制式，所述频点被设置为54.24MHz；对于GSM通信制式，所述频点被设置为40MHz。
6.根据权利要求2所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述D/A变换器包括第一D/A变换器和第二D/A变换器；其中，所述第一D/A变换器由LTE/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA通信制式共用；所述第二D/A变换器仅由GSM通信制式使用。
7.根据权利要求2所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述插值滤波模块包括第一级滤波、第二级滤波、第三级滤波和第四级滤波；
其中，所述第一级滤波采用FIR滤波器；所述第二级滤波和所述第三级滤波采用HBF滤波器；所述第四级滤波采用CIC滤波器。
8.根据权利要求7所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述FIR滤波器的参数根据传输协议中信号的特性进行设置。
9.根据权利要求7所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述CIC滤波器采用5级级联单级CIC滤波器来实现，并通过配置级联数、差分延时和插值率控制所述CIC滤波器的带宽和旁瓣抑制比。
10.根据权利要求7所述的多模移动通信系统的信号中频发射装置，其特征在于，所述HBF滤波器是通过避免信号谐波来配置阻带宽度和通带宽度。
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