CN1102012C - Gsm基站单载频分集接收机 - Google Patents

Abstract

一种GSM基站单载频分集接收机，包括由射频部分和中频部分，接收预处理部分和信道解码部分；预处理部分包括：ADC，DDC，CKU，CPU，EPLD。其中DDC包括：复数NCO和数字正交混频单元，CIC抽取滤波器，FIR抽取滤波器，输出数据格式转换单元。本发明采用软件对系统的参数和功能进行配制、修改；用数字滤波器取代模拟滤波器；在中频直接进行模数转换，省掉了模拟I、Q正交解调电路；对中频采样数据在数字域进行I、Q解调。

Description

GSM基站单载频分集接收机

技术领域

本发明属于GSM移动通信领域，是一种GSM基站收发信机中的接收机。

背景技术

在现有的GSM基站单载频分集接收机设计中，从射频到中频到基带，一直以模拟信号处理作为有效的处理手段，包括混频，滤波、AGC或高低增益支路等，模数转换器主要是对基带I、Q信号进行模数转换，然后再由信道解码器进行数字域的处理。

为了保证接收机的动态范围(GSM900为-15dBm～-104dBm共89dB动态，GSM1800为-23dBm～-104dBm共81dB动态)，通常的接收机设计一般采用两种方案：高低增益支路方案和AGC方案。

高低增益支路方案(见Page 67，BTS Hardware&Functions，AlcatelMobile Communication Deutschland GmbH Systemservice TrainingDivision，February lst 1995 version 1.0)是通过在中频和基带单元采用高低增益支路的方法来扩大接收机的动态范围。通过A/D交换后，在数字电路中存储高低增益支路的I、Q信号，然后由基带选择满足幅度要求的一路I、Q信号。

AGC方案(见1、Page 6，Transceiver Unit TRX，B6Z465119AE/1.0.0，NORKIA DynaText book 465267A2，1999-08-14 2、Page8-9，Chapter9，GSM-106-020，Motolola GSM customerDocumentation，September 1998，M-cell 6 Service Manual)采用实时的AGC控制来实现接收机的动态范围。它通过AGC控制信号控制可变增益放大器(或可变衰减器)来实时调整接收单元的增益，使接收机输出电平保持在要求的范围。

以上两种方案有一些固有的缺点：

1.接收机功能完全是由硬件实现的，各种参数都由硬件确定，若想改变一些系统参数如滤波器带宽及特性等，必须重新设计电路。

2.由于高低增益支路方案需要结构上完全相同的两个支路(高增益支路和低增益支路)，AGC方案需要AGC增益自动控制电路，而且两种方案均需模拟I、Q正交解调电路，电路比较复杂，成本较高，可靠性降低。

3.中频模拟信号I、Q正交解调不可避免地存在幅相不平衡性，并且两个支路都会有直流误差。

4.由于模拟元器件电气参数的离散性，会造成产品之间质量的不一致，而且由于系统结构复杂，使调试量增加，可维护性较差。

发明内容

本发明的目的是：提供一种采用软件无线电技术的GSM基站单载频分集接收机，这种接收机的电路简单，灵活性和可靠性高，消除了I、Q信号的幅度不平衡性和直流误差。

本发明中的GSM基站单载频分集接收机，包括模拟部分，接收预处理部分和信道解码部分。

所述模拟部分包括主、分集两条完全相同的支路，每条支路包括射频部分和中频部分；所述两条支路的射频部分除共用一个本振外，每一条支路的射频部分还包括：一根天线，一个宽带滤波器，一个低噪声放大器，一个混频器；天线接收的信号通过宽带滤波器滤波和低噪声放大器放大后，通过混频器与本振进行一次混频；所述每条支路中的中频部分包括：两个带通滤波器，两带通滤波器之间有一中频放大器；经过混频器混频后的信号经过带通滤波器后经中频放大器放大，而后再经过带通滤波器中频滤波后输出到接收预处理部分。

所述预处理部分包括：一个模数转换器，用于对主分集支路信号进行模数转换；一个离散数字控制器，用于对模数转换器转换后的数据进行混频、解调、抽取及滤波处理后输出数字基带I、Q信号到信道解码部分；一个时钟单元，用来产生系统时钟，供模数转换器、离散数字控制器、CPU、可擦除的可编程逻辑器件和信道解码部分使用；一个CPU，用于通过软件对可擦除的可编程逻辑器件中接收电路进行上电初始化及对离散数字控制器中的接收机参数进行配置或修改；一个可擦除的可编程逻辑器件，用于产生离散数字控制器所需的时隙钟及中断信号，为信道解码部分提供必要的控制、寻址及定时信号。

本发明的GSM基站单载频分集接收机具有如下的优点：

1.利用软件无线电技术，用软件对系统的参数和功能进行配制、修改，如复数数控振荡器频率、数据抽取率大小等均可由软件设置。用数字滤波器取代模拟滤波器，其滤波器带宽，带内起伏，通带及阻带特性等都可以通过软件实现，大大增强了系统的灵活性。

2.在中频直接进行模数转换，省掉了模拟I、Q正交解调电路，可以提高系统动态，并由一片模数转换器对中频信号采样来代替以往多片模数转换器对基带I、Q信号的采样，提高了系统的可靠性，并使系统成本得到显著降低。

3.对中频采样数据在数字域进行I、Q解调，能改善I、Q信号的幅度不平衡性、相位正交性及消除直流误差。

4.由于软件无线电接收机将数字化从基带前移到中频，相对于模拟电路，调试工作量大大降低，产品之间的质量一致性和可维护性得到显著提高。

本发明中的软件无线电方案，只要改变一本振即可应用于GSM900或GSM1800两种频段。

附图说明

图1是高低增益支路方案的GSM基站单载频分集接收机框图。

图2是AGC方案的GSM基站单载频分集接收机框图。

图3是本发明的GSM基站单载频分集接收机框图。

图4是本发明的GSM基站单载频分集接收机中的离散数字控制器内部结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

已有GSM基站单载频分集接收机技术中的典型方案之一是图1所示的高低增益支路方案。在此方案中，信道解码部分125之前有主分集两条完全相同的支路，即主集支路和分集支路，两条支路共用一个第一本振126。每一条支路可分为由天线100、带通滤波器101、低噪声放大器102和混频器103组成的射频部分；由带通滤波器104、中频放大器105和带通滤波器106组成的中频部分；由分路器107和高、低增益支路组成的接收预处理部分。高、低增益两条支路完全相同，每条支路包括一个本振112，二个混频器108/117、113/121，两个低通滤波器109/118、114/122，两个放大器110/119、115/123，两个模数转换器111/120、116/124。在本方案中，通过在中频和基带部分采用高低增益支路的方法来扩大接收机自身的动态范围。其工作流程为：来自天线的射频信号经过射频滤波和放大后，混频到中频，再经过中频滤波和放大，分成高低增益两路信号，进行I、Q正交解调，解调后的模拟信号由模数转换器在基带上进行量化，量化后的数字信号由信道解码器选择满足幅度要求的一路I、Q进行解码，这样接收机的动态为模数转换器的动态与高低增益支路的增益差之和。如果每个模数转换器可实现的动态范围为48dB，高低增益支路的增益差为42dB，当射频输入为强信号时，信道解码器选择低路信号进行解码，当射频输入为弱信号时，信道解码器选择高路信号进行解码，则接收机的整个动态扩展为48+42＝90dB，从而满足系统动态要求。高低增益支路方案的缺点是电路比较复杂，成本较高，可靠性降低。

另一个典型的方案是图2所示的AGC方案。AGC方案的电路也是在信道解码部分之前有主分集两条完全相同的支路，两条支路共用一个第一本振218。每条支路可分为由天线201，低噪声放大器202，混频器204组成的射频部分；由两个带通滤波器205、可变增益放大器206、带通滤波器207、RSSI检测电路219、和AGC控制器220组成的中频部分；预处理部分包括一个本振212，两个混频器208、213，两个低通滤波器209、214，两个放大器210、215，两个模数转换器211、216。本方案采用实时的AGC控制来实现接收机的动态范围，其工作流程为：来自天线的射频信号经过射频滤波和放大后，混频到中频，再经过中频滤波和放大，其中频增益由AGC电路控制。中频信号经过I、Q正交解调，解调后的模拟信号由模数转换器在基带上进行量化，量化后的数字信号由信道解码器进行解码。AGC控制信号控制可变衰减器(或可变增益放大器)来实时调整接收单元的总增益，使接收机输出电平保持在要求的范围。AGC控制信号一般是通过在接收机的中频电路中耦合部分信号进入快速RSSI检测电路来产生来其产生，RSSI检测电路的输出信号V_RSSI能够反映接收机输入信号的强度。控制过程如下：

1、在基带模数转换器输入端(用于对接收信号进行模数转换器量化)确定一适当的接收信号电平范围，即有效接收窗口，并确定其对应的输入信号强度。

2、接收机对快速RSSI检测电路输出的信号强度指示信号V_RSSI进行模数转换器量化，然后通过计算或查表的方法确定接收机中的可变衰减器的控制参数，并用此参数控制接收机的增益，使得接收信号的输出电平落在有效接收窗口之内。

AGC方案的缺点是从快速RSSI检测电路提取场强指示信号到A/D转换接收机处理完成产生增益控制信号的速度要足够快。

高低增益支路方案和AGC方案一些共同的缺点如前所述。图3所示是本发明的GSM基站单载频分集接收机框图。本发明的GSM基站单载频分集接收机，包括模拟部分，接收预处理部分和信道解码部分313；所述模拟部分包括主、分集两条完全相同的支路，每条支路包括射频部分和中频部分；所述两条支路的射频部分除共用一个本振307外，每一条支路的射频部分还包括：一根天线300/300’，一个宽带滤波器301/301’，一个低噪声放大器302/302’，一个混频器303/303’；天线300/300’接收的信号通过宽带滤波器301/301’滤波和低噪声放大器302/302’放大后，通过混频器303/303’与本振307进行一次混频；所述每条支路中的中频部分包括：两个带通滤波器304/304’，306/306’，两带通滤波器之间有一中频放大器305/305’；经过混频器303/303’混频后的信号经过带通滤波器304/304’后经中频放大器305/305’放大，而后再经过带通滤波器306/306’中频滤波后输出到接收预处理部分；所述预处理部分包括：一个模数转换器311，用于对主分集支路信号进行模数转换；一个离散数字控制器312，用于对模数转换器311转换后的数据进行混频、解调、抽取及滤波处理后输出数字基带I、Q信号到信道解码部分313；一个时钟单元308，用来产生系统时钟，供模数转换器311、离散数字控制器312、CPU309、可擦除的可编程逻辑器件310和信道解码部分313使用；一个CPU309，用于通过软件对可擦除的可编程逻辑器件310中接收电路进行上电初始化及对离散数字控制器312中的接收机参数进行配置或修改；一个可擦除的可编程逻辑器件310，用于产生离散数字控制器312所需的时隙钟及中断信号，为信道解码部分313提供必要的控制、寻址及定时信号。

其中离散数字控制器312的内部详细结构如图4，它包括：一个复数数控振荡器401和一个数字正交混频单元402、403，用于将模数转换器311转换后的数字信号分成正交的两路信号I、Q；一个CIC抽取滤波器404，用于对前述的I、Q信号进行CIC滤波及数据抽取；一个FIR抽取滤波器405，用来对CIC抽取滤波器404输出的信号进行FIR滤波及数据抽取；一个输出数据格式转换单元406，根据需要对FIR抽取滤波器405输出的信号进行串行或并行转换。

本发明中带通滤波器304/304’、306/306’都采用的声表滤波器，即采用双声表滤波器，声表滤波器的中心频率选择为190MHz。中频放大器305/305’可以选用限幅放大器，也可选用可变增益放大器。模数转换器311工作在双通道，对主分集两个支路信号进行采样的采样频率为13MHz，即每个通道的采样频率为6.5MHz；离散数字控制器312的工作时钟是13MHz的整数倍，但不超过离散数字控制器的最高工作频率，一般可选2-5倍，在一个具体的实施例中，选取离散数字控制器312的工作时钟为26MHz。

本发明中，复数数控振荡器的频率、离散数字控制器312的数据抽取率大小、工作时钟，FIR抽取滤波器405的滤波带宽、带内起伏、通带及阻滞特性等参数，都由CPU309配置。

参看图3，天线300/300’接收的信号通过宽带滤波器301/301’滤波和低噪声放大器302/302’放大后，通过混频器303/303’一次混频到中频70-250MHz，本发明采用190MHz，经过双声表滤波器304/304’、306/306’中频滤波和中频放大器305/305’放大后直接由模数转换器311进行中频采样。与已有技术方案相比较，本发明将数字化从基带前移到中频，省去模拟I、Q正交解调电路，并由一片模数转换器对中频信号进行采样代替已有技术中的多片模数转换器对基带I、Q信号进行采样。模数转换器311将模拟中频信号变换到数字中频，并以-f_samp/2～+f_samp/2(f_samp为模数转换器单通道采样频率)归一化带宽。对于190MHz的模拟GMSK调制信号，配置模数转换器在双通道的工作采样时钟为13MHz(则单通道采样时钟为6.5MHZ)，采样后的数字中频频率为：

       190-6.5×29＝1.5(MHz)中频采样模数转换器将-∞～+∞整个频谱信号都归一化到-f_samp/2～+f_samp/2，即(-3.25M～+3.25M)。因这样会产生一些混叠，所以我们必须在模数转换器量化前将所有所需信号的镜象频率成分滤除干净。这种防混叠滤波的功能主要由两个中频带通滤波器304/304’、306/306’完成，为了取得好的滤波效果，一般我们选取声表滤波器。

模数转换器311除了对中频信号完成量化功能之外，还将对系统提供一个处理增益，这将提高系统的动态性能。由于GMSK信号带宽为200KHz，根据Nyquist采样定理，模数转换器311的采样频率只需为2倍信号带宽，即400KHz。实际中模数转换器311在每个通道工作的采样速率为6.5MHz，这种过采样模数转换器311能提供的处理增益为：

  Pocess_Gain＝10Log(6.5MHz/200KHz)＝15dB

模数转换器311采样后的数据由离散数字控制器312电路完成混频、解调、抽取及滤波功能，最后输出数字基带I、Q信号给信道解码器进行解码。

离散数字控制器312电路是本发明的关键部分，下面根据图4描述离散数字控制器312的工作原理。

1.对中频采样数据进行频谱搬移，完成数字解调

输入到离散数字控制器312的数字中频信号通过复数数控振荡器401和数字正交混频单元402、403搬移到基带。数字中频信号与复数数控振荡器401的正交本振输出信号相乘即可得到数字I、Q信号。通过软件对复数数控振荡器401的数值进行不同的设置可以将不同频率的中频信号搬移到基带。复数数控振荡器401的频率数值(32位的复数数控振荡器)可以用下式计算：

     数控振荡器_FREQ＝2³²*mod(f_ch/f_samp)其中mod表示取余运算，f_ch为中频模拟信号频率，f_samp为模数转换器的采样频率。在本发明中，中频模拟信号频率f_ch为190MHz，模数转换器的采样频率f_samp为6.5MHz。

2.对数字I、Q信号进行CIC抽取滤波

通过复数数控振荡器401和数字正交混频单元402、403得到的I、Q信号，进入CIC抽取滤波器404进行CIC滤波及数据抽取。这一部分主要完成在降低数据通过率的同时又起到防混叠的作用。由于离散数字控制器输出的信号速率是一定的，加入CIC后FIR的输入速率降低，这样信号通过FIR后的抽取率就可降低，FIR的通带和过渡带都可以作得宽一些，这样在FIR级数一定的情况下带外抑制就可以加大。

3.对数字I、Q信号进行FIR抽取滤波

由CIC抽取滤波器404的信号在FIR抽取滤波器405完成基带滤波。FIR滤波器具有模拟滤波器无法替代的功能，它是线性相位滤波器，其阶数，滤波带宽，带内起伏，通带及阻带特性等都可以通过软件实现。滤波后的数据再经过抽取最后得到270.833K/S的码率。

4.将数据根据需要进行格式转换，选择并行或串行输出

对应于不同的后级电路(对输入数据格式要求不同的DSP)，输出数据格式转换单元(Output Format)406可对I、Q数据进行串行或并行转换，最终输出满足需要的270.833KHz基带I、Q信号。

在本发明GSM基站单载频分集接收机用于GSM900/GSM1800系统的实施例中，其静态灵敏度均达到了-111dBm，故GSM1800接收机为-23dBm～-111dBm共88dB动态；GSM900接收机为-15dBm～-111dBm共96dB动态，均高于规范要求。

Claims (5)

1、一种GSM基站单载频分集接收机，包括模拟部分，接收预处理部分和信道解码部分(313)；所述模拟部分包括主、分集两条完全相同的支路，每条支路包括射频部分和中频部分；所述两条支路的射频部分除共用一个本振(307)外，每一条支路的射频部分还包括：一根天线(300/300’)，一个宽带滤波器(301/301’)，一个低噪声放大器(302/302’)，一个混频器(303/303’)；天线(300/300’)接收的信号通过宽带滤波器(301/301’)滤波和低噪声放大器(302/302’)放大后，通过混频器(303/303’)与本振(307)进行一次混频；所述每条支路中的中频部分包括：两个带通滤波器(304/304’，306/306’)，两带通滤波器之间有一中频放大器(305/305’)；经过混频器(303/303’)混频后的信号经过带通滤波器(304/304’)后经中频放大器(305/305’)放大，而后再经过带通滤波器(306/306’)中频滤波后输出到接收预处理部分；其特征在于，所述预处理部分包括：一个模数转换器(311)，用于对主分集支路信号进行模数转换；一个离散数字控制器(312)，用于对模数转换器(311)转换后的数据进行混频、解调、抽取及滤波处理后输出数字基带I、Q信号到信道解码部分(313)；一个时钟单元(308)，用来产生系统时钟，供模数转换器(311)、离散数字控制器(312)、CPU(309)、可擦除的可编程逻辑器件(310)和信道解码部分(313)使用；一个CPU(309)，用于通过软件对可擦除的可编程逻辑器件(310)中接收电路进行上电初始化及对离散数字控制器(312)中的接收机参数进行配置或修改；一个可擦除的可编程逻辑器件(310)，用于产生离散数字控制器(312)所需的时隙钟及中断信号，为信道解码部分(313)提供必要的控制、寻址及定时信号。

2、根据权利要求1所述的一种GSM基站单载频分集接收机，其特征在于：所述的离散数字控制器(312)包括：一个复数数控振荡器(401)和一个数字正交混频单元(402，403)，用于将模数转换器(311)转换后的数字信号分成正交的两路信号I、Q；一个CIC抽取滤波器(404)，用于对前述的I、Q信号进行CIC滤波及数据抽取；一个FIR抽取滤波器(405)，用来对CIC抽取滤波器(404)输出的信号进行FIR滤波及数据抽取；一个输出数据格式转换单元(406)，根据需要对FIR抽取滤波器(405)输出的信号进行串行或并行转换。

3、根据权利要求2所述的一种GSM基站单载频分集接收机，其特征在于：所述模数转换器(311)工作在双通道，对主分集两个支路信号进行采样的采样频率为13MHz，即每个通道的采样频率为6.5MHz；所述中频部分带通滤波器(304/304’，306/306’)的中心频率为190 MHz；所述离散数字控制器(312)的工作时钟是13M的整数倍，但不超过离散数字控制器最高工作频率。

4、根据权利要求2所述的一种GSM基站单载频分集接收机，其特征在于：所述中频单元中的二个带通滤波器(304/304’，306/306’)都是声表滤波器，用来选出所需要的一个GSM载频；所述中频放大器(305/305’)是一个限幅放大器或可变增益放大器。

5、根据权利要求1-4任一权利要求所述的一种GSM基站单载频分集接收机，其特征在于：所述离散数字控制器(312)的数据抽取率大小，FIR抽取滤波器(405)的带宽、带内起伏、通带及阻滞特性等参数都是通过CPU(309)用软件设置；离散数字控制器(312)的工作时钟是由CPU(309)配置的。

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