CN108649967B - 一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统，包括零中频数模转换模块、时钟模块、信号处理模块，零中频数模转换模块实现射频信号与信号处理模块中的基带信号之间转换，信号处理模块对多路基带信号进行处理并打包。本发明提出了一种基于数字重采样的多载波合路与分路方法，多载波合路方法是先变换各路基带信号的速率，并分别进行数字变频，然后进行数字合路并调制为宽带基带信号，最终送至零中频模块进行射频调制，多载波分路方法是先对零中频模块接收的宽带基带信号进行分频段数字变频，然后对分路后的各基带信号进行速率变换。本发明扩展性好，通过配置频点即可改变该系统支持的频段。

Description

一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统
技术领域
本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，收发机在无线通信过程中发挥了关键的作用，它主要是通过功率放大、镜像抑制、滤波、变频等，将天线接收的高频信号转化为低频信号并送给后端进行数字处理，或者是将基带信号进行变频和放大转化为天线发射的高频信号。射频收发机正朝着多服务、低功耗、低成本、小体积的方向发展。但是目前的多服务收发机大多是通过单服务硬件链路的简单复制来实现多服务功能，此种收发机的主要问题在于成本高、体积大、能耗高、可扩展性差。在数字信号处理方法上，为了使无线通信设备具有较强的组网能力，通常要求其具有同时发射多个相邻载波的能力，传统的处理方式是对每个载波进行单独调制，、射频变频和放大，然后再进行射频合路，这种方式硬件实现复杂，通道之间的一致性难以保证，且设备的体积与载波数量呈线性关系。本发明提出了以基于零中频芯片的多服务收发机系统为通用平台，采用多载波合路与分路的数字信号处理方法，通过软件的升级和配置来实现多服务收发机的功能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统，解决了能耗高、成本高、体积大、可扩展性差的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统，包括：零中频数模转换模块、时钟模块、信号处理模块；
零中频数模转换模块接收信号处理模块发送的宽带基带信号，将宽带基带信号转换为射频信号，发送给外部射频模块；同时接收外部射频模块发送的射频信号，将射频信号转换为宽带基带信号发送给信号处理模块；
时钟模块根据外部远程端的系统时钟同步本地时钟，并将同步后的本地时钟发送给零中频数模转换模块和信号处理模块；
信号处理模块接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，对宽带基带信号进行多载波分路处理并打包发送给外部远程端；信号处理模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包并多载波合路处理，获得宽带基带信号，将宽带基带信号发送给零中频数模转换模块。
所述信号处理模块包括：多载波分路模块和多载波合路模块；
多载波分路模块接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，对宽带基带信号进行多载波分路处理，获得N个窄带基带信号，然后将N个窄带基带信号打包发送给外部远程端；所述N为大于2的正整数；
多载波合路模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包为N个窄带基带信号，将N个窄带基带信号进行多载波合路处理，获得宽带基带信号，将宽带基带信号发送给零中频数模转换模块。
所述多载波合路模块包括：第一变频模块、第一增益调节模块、合路模块、第二变频模块；
第一变频模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包为N个窄带基带信号，根据第一本振信号，对N个窄带基带信号进行第一变频处理，获得N个窄带中频信号，将N个窄带中频信号发送给第一增益调节模块；
第一增益调节模块接收第一变频模块发送的窄带中频信号，根据第一训练数据对窄带中频信号进行增益调节后输出给合路模块；所述第一训练数据等于下行链路EVM结果最小时的窄带中频信号的大小；
合路模块接收增益调节模块输出的N个窄带中频信号，将该N个窄带中频信号相加获得宽带中频信号，将宽带中频信号输出给第二变频模块；
第二变频模块：将合路模块输出的宽带中频信号进行第二变频处理，获得宽带基带信号，并发送给零中频数模转换模块。
所述多载波分路模块包括：第一混频模块、第二增益调节模块；
第一混频模块：接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，根据第二本振信号，对宽带基带信号进行N次第三变频处理，获得N个窄带基带信号并发送给第二增益调节模块；
第二增益调节模块接收第一混频模块发送的N个窄带基带信号，根据第二训练数据对窄带基带信号进行增益调节，将获得的N个窄带基带信号打包发送给外部远程端；
所述第二训练数据等于上行链路EVM结果最小时的窄带基带信号的大小。
所述第一本振信号具体为：115.2MHz-((f1+fn)/2-f1)、115.2MHz-((f1+fn)/2-f2)、115.2MHz-((f1+fn)/2-f3)、…115.2MHz-((f1+fn)/2-fn)；115.2MHz为中频信号的频点，其中，f1、f2、f3、…fn为窄带基带信号的频率。
所述对窄带基带信号进行第一变频处理具体为：将窄带基带信号的I路数据与第一本振信号的正弦相乘，窄带基带信号的Q路数据与第一本振信号的余弦相乘，两者相加获得变频后的窄带中频信号。
所述将合路模块输出的宽带中频信号进行第二变频处理具体为：将合路模块输出的宽带中频信号分别与115.2MHz正弦信号和115.2MHz余弦信号相乘后求和，获得宽带基带信号，其中，115.2MHz为中频信号的频点。
所述第二本振信号具体为：f1-(f1+fn)/2、f2-(f1+fn)/2、f3-((f1+fn)/2、…fn-((f1+fn)/2-fn；其中，f1、f2、f3、…fn为窄带基带信号的频率。
所述对宽带基带信号进行第三变频处理具体为：宽带基带信号的I路数据与第二本振信号的正弦本振信号相乘，宽带基带信号的Q路数据与第二本振信号的余弦相乘，两者的结果相加作为变频后的窄带基带信号的Q路数据，两者的结果相减作为变频后的窄带基带信号的I路数据。
所述零中频数模转换模块包括4片零中频芯片，零中频芯片型号为AD9370；所述信号处理模块包括2片FPGA芯片，FPGA芯片型号为XC7K325T。
所述零中频数模块射频信号的中心频率配置多种工作频点。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本系统基于零中频芯片的射频链路设计，减少了的射频混频及滤波的电路，大大降低硬件成本；
2、本系统采用多载波合路与分路的数字信号处理方法，在单个零中频芯片上实现相邻频段的多射频收发，使得系统可实现同时接收并发射多个频段射频信号，大大缩小了系统体积、降低系统能耗；
3、本系统可通过控制器配置零中频芯片工作频点，从而改变系统支持的射频服务频段，增强系统功能的可扩展性。
附图说明
图1是基于零中频芯片的宽带多服务收发机的系统框图；
图2是实施样例的硬件实现框图；
图3是1800M相邻三载波合路算法实现框图；
图4是1800M相邻三载波分路算法实现框图；
图5是2100M相邻两载波合路算法实现框图；
图6是2100M相邻两载波分路算法实现框图；
图7是系统各服务频段的上行EVM测试结果；
图8是系统各服务频段的下行EVM测试结果。
具体实施方式
本发明所述的一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统是使用4片零中频芯片，以简单的硬件平台，通过软件的设计和配置实现14路射频收发功能，并可采用动态实时可配置技术按需定制各服务频段,以适应不同应用场景。
支持的射频服务频点及对应的零中频模块如表1。
表1
Figure BDA0001639343690000051
如图1所述的一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统主要由零中频数模转换模块、时钟模块、信号处理模块构成，其中，零中频数模转换模块，每个零中频数模转换模块接收信号处理模块发送的宽带基带信号，将宽带基带信号转换为射频信号，发送给外部射频模块；同时接收外部射频模块发送的射频信号，将射频信号转换为宽带基带信号发送给信号处理模块。每个零中频数模转换模块都可被配置工作频点，以适应不同应用场景，即射频信号的中心频率可配置多种工作频点。
如图2中，系统采用四片零中频芯片AD9370，分别对应四个零中频数模转换模块。零中频数模转换模块1实现1800MHz三个子频段射频信号的数模转换且实现MIMO，零中频数模转换模块2实现2100MHz两个子频段射频信号的数模转换且实现MIMO，零中频数模转换模块3实现2300MHz频段射频信号的数模转换且实现MIMO，零中频数模转换模块4双路通道分别实现800MHz和900MHz两个子频段射频信号的数模转换。
时钟模块，根据外部远程端的系统时钟同步本地时钟，并将同步后的本地时钟发送给零中频数模转换模块和信号处理模块。
信号处理模块接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，对宽带基带信号进行多载波分路，获得N个窄带基带信号，然后将N个窄带基带信号打包发送给外部远程端。所述N为大于2的正整数。
接收外部远程端发送的数据，并将数据分包为N个窄带基带信号，将N个窄带基带信号多载波合路处理，获得宽带基带信号，将宽带基带信号发送给零中频数模转换模块。所述N为大于2的正整数。
如图2中，系统采用两片FPGA芯片XC7K325T，分别对应信号处理模块1、信号处理模块2。如图2中，主FPGA实现1800MHz三个子频段信号的载波合路与载波分路、2100MHz两个子频段信号的载波合路与载波分路、信号处理。从FPGA实现800MHz、900MHz、2300MHz基带信号的采集与信号处理。主从FPGA之间通过收发器进行数据交互。
如图3，显示了1800MHz三个子频段的载波合路流程框图。其中，第一级低通滤波器为20MHz带宽，以保证带奎斯特频率。NCO1对应87.7MHz单频频率，NCO2对应115.2MHz单频频率，NCO1对应140.2MHz单频频率。增益调节模块根据训练数据结果分别对三路窄带中频信号幅度进行调节。NCO4对应115.2MHz单频频率。第二级低通滤波器为65MHz带宽。
如图4，显示了1800MHz三个子频段的载波分路流程框图。其中，NCO1对应22.5MHz单频频率，NCO2对应25MHz单频频率，低通滤波器实现20MHz信号低通滤波。
如图5，显示了2100MHz两个子频段的合路流程框图。其中，第一级低通滤波器为20MHz带宽，以保证带奎斯特频率。NCO1对应100.2MHz单频频率，NCO2对应130.2MHz单频频率。增益调节模块根据训练数据结果分别对两路窄带中频信号幅度进行调节。NCO3对应115.2MHz单频频率。第二级低通滤波器为50MHz带宽。
如图6，显示了2100MHz两个子频段的载波分路流程框图。其中，NCO对应15MHz单频频率，低通滤波器实现20MHz信号低通滤波。
信号处理模块对上下行的14路窄带基带信号打包通过光纤传到外部远程端，同时接收外部远程端的数据并分包为14路窄带基带信号。
图7显示了14路服务上行链路EVM测试结果统计，信号源发射Uplink/SC-FDMA上行信号模板，信号幅度-20dBm，接入系统上行输入射频端口。频谱仪分析远程端上行输出端口射频信号，测试出各频段上行链路EVM，各频段的上行链路EVM值均小于1.1。所述EVM为误差矢量幅度。
图8显示了14路服务下行链路EVM测试结果统计，信号源发射TM3_1_20M下行信号模板，信号幅度-15dBm，接入远程端系统下行输入射频端口。频谱仪分析该系统下行输出端口射频信号，测试出各频段下行链路EVM，各频段的下行链路EVM值均小于4.5。
所述信号处理模块包括：多载波分路模块和多载波合路模块；
多载波分路模块接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，对宽带基带信号进行多载波分路处理，获得N个窄带基带信号，然后将N个窄带基带信号打包发送给外部远程端；所述N为大于2的正整数；
多载波合路模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包为N个窄带基带信号，将N个窄带基带信号进行多载波合路处理，获得宽带基带信号，将宽带基带信号发送给零中频数模转换模块。
所述多载波合路模块包括：第一变频模块、第一增益调节模块、合路模块、第二变频模块；
第一变频模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包为N个窄带基带信号，根据第一本振信号，对N个窄带基带信号进行第一变频处理，获得N个窄带中频信号，将N个窄带中频信号发送给第一增益调节模块；
第一增益调节模块接收第一变频模块发送的窄带中频信号，根据第一训练数据对窄带中频信号进行增益调节后输出给合路模块；所述第一训练数据等于下行链路EVM结果最小时的窄带中频信号的大小；
合路模块接收增益调节模块输出的N个窄带中频信号，将该N个窄带中频信号相加获得宽带中频信号，将宽带中频信号输出给第二变频模块；
第二变频模块：将合路模块输出的宽带中频信号进行第二变频处理，获得宽带基带信号，并发送给零中频数模转换模块。
所述多载波分路模块包括：第一混频模块、第二增益调节模块；
第一混频模块：接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，根据第二本振信号，对宽带基带信号进行N次第三变频处理，获得N个窄带基带信号并发送给第二增益调节模块；
第二增益调节模块接收第一混频模块发送的N个窄带基带信号，根据第二训练数据对窄带基带信号进行增益调节，将获得的N个窄带基带信号打包发送给外部远程端；
所述第二训练数据等于上行链路EVM结果最小时的窄带基带信号的大小。
所述第一本振信号具体为：fz-((f1+fn)/2-f1)、fz-((f1+fn)/2-f2)、fz-((f1+fn)/2-f3)、…fz-((f1+fn)/2-fn)；其中，fz为系统中频信号的频点具体为115.2M，f1、f2、f3、…fn为窄带基带信号的频率。
所述对窄带基带信号进行第一变频处理具体为：将窄带基带信号的I路数据与第一本振信号的正弦相乘，窄带基带信号的Q路数据与第一本振信号的余弦相乘，两者相加获得变频后的窄带中频信号。
所述将合路模块输出的宽带中频信号进行第二变频处理具体为：将合路模块输出的宽带中频信号分别与系统中频信号频点的正弦信号和系统中频信号频点的余弦信号相乘后求和，获得宽带基带信号。
所述第二本振信号具体为：f1-(f1+fn)/2、f2-(f1+fn)/2、f3-((f1+fn)/2、…fn-((f1+fn)/2-fn；其中，f1、f2、f3、…fn为窄带基带信号的频率。
所述对宽带基带信号进行第三变频处理具体为：宽带基带信号的I路数据与第二本振信号的正弦本振信号相乘，宽带基带信号的Q路数据与第二本振信号的余弦相乘，两者的结果相加作为变频后的窄带基带信号的Q路数据，两者的结果相减作为变频后的窄带基带信号的I路数据。

Claims (4)

1.一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统，其特征在于，包括：零中频数模转换模块、时钟模块、信号处理模块；
零中频数模转换模块接收信号处理模块发送的宽带基带信号，将宽带基带信号转换为射频信号，发送给外部射频模块；同时接收外部射频模块发送的射频信号，将射频信号转换为宽带基带信号发送给信号处理模块；
时钟模块根据外部远程端的系统时钟同步本地时钟，并将同步后的本地时钟发送给零中频数模转换模块和信号处理模块；
信号处理模块接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，对宽带基带信号进行多载波分路处理并打包发送给外部远程端；信号处理模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包并多载波合路处理，获得宽带基带信号，将宽带基带信号发送给零中频数模转换模块；
所述信号处理模块包括：多载波分路模块和多载波合路模块；
多载波分路模块接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，对宽带基带信号进行多载波分路处理，获得N个窄带基带信号，然后将N个窄带基带信号打包发送给外部远程端；所述N为大于2的正整数；
多载波合路模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包为N个窄带基带信号，将N个窄带基带信号进行多载波合路处理，获得宽带基带信号，将宽带基带信号发送给零中频数模转换模块；
所述多载波合路模块包括：第一变频模块、第一增益调节模块、合路模块、第二变频模块；
第一变频模块接收外部远程端发送的数据，并将数据分包为N个窄带基带信号，根据第一本振信号，对N个窄带基带信号进行第一变频处理，获得N个窄带中频信号，将N个窄带中频信号发送给第一增益调节模块；
第一增益调节模块接收第一变频模块发送的窄带中频信号，根据第一训练数据对窄带中频信号进行增益调节后输出给合路模块；所述第一训练数据等于下行链路误差矢量幅度(EVM)结果最小时的窄带中频信号的大小；
合路模块接收第一增益调节模块输出的N个窄带中频信号，将该N个窄带中频信号相加获得宽带中频信号，将宽带中频信号输出给第二变频模块；
第二变频模块：将合路模块输出的宽带中频信号进行第二变频处理，获得宽带基带信号，并发送给零中频数模转换模块；
所述多载波分路模块包括：第一混频模块、第二增益调节模块；
第一混频模块：接收零中频数模转换模块发送的宽带基带信号，根据第二本振信号，对宽带基带信号进行N次第三变频处理，获得N个窄带基带信号并发送给第二增益调节模块；
第二增益调节模块接收第一混频模块发送的N个窄带基带信号，根据第二训练数据对窄带基带信号进行增益调节，将获得的N个窄带基带信号打包发送给外部远程端；
所述第二训练数据等于上行链路误差矢量幅度(EVM)结果最小时的窄带基带信号的大小；
所述第一本振信号具体为：fz-((f1+fn)/2-f1)、fz-((f1+fn)/2-f2)、fz-((f1+fn)/2-f3)、…fz-((f1+fn)/2-fn)；其中，fz为系统中频信号的频点，f1、f2、f3、…fn为窄带基带信号的频率；
所述第二本振信号具体为：f1-(f1+fn)/2、f2-(f1+fn)/2、f3-((f1+fn)/2、…fn-((f1+fn)/2-fn；其中，f1、f2、f3、…fn为窄带基带信号的频率；
所述对宽带基带信号进行第三变频处理具体为：宽带基带信号的I路数据与第二本振信号的正弦本振信号相乘，宽带基带信号的Q路数据与第二本振信号的余弦相乘，两者的结果相加作为变频后的窄带基带信号的Q路数据，两者的结果相减作为变频后的窄带基带信号的I路数据；
所述将合路模块输出的宽带中频信号进行第二变频处理具体为：将合路模块输出的宽带中频信号分别与系统中频信号频点的正弦信号和系统中频信号频点的余弦信号相乘后求和，获得宽带基带信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统，其特征在于，所述对窄带基带信号进行第一变频处理具体为：将窄带基带信号的I路数据与第一本振信号的正弦相乘，窄带基带信号的Q路数据与第一本振信号的余弦相乘，两者相加获得变频后的窄带中频信号。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统，其特征在于：所述零中频数模转换模块包括4片零中频芯片，零中频芯片型号为AD9370；所述信号处理模块包括2片FPGA芯片，FPGA芯片型号为XC7K325T。
4.根据权利要求3所述的一种基于零中频芯片的宽带多服务收发机系统，其特征在于：所述零中频数模转换模块射频信号中心频率配置多种工作频点。
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