CN113260096A - 一种4g/5g双模分布式基站射频单元系统架构和信号处理算法 - Google Patents

一种4g/5g双模分布式基站射频单元系统架构和信号处理算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构及信号处理算法，该系统采用一颗现场可编程门阵列芯片(FPGA)用于实现4G/5G的数字中频模块(多通道上行数字中频关键模块为4G/5G信号频移和分路、数字下变频DDC和多通道下行数字中频关键模块为4G/5G信号频移和合路、数字上变频DUC、波峰因子削峰(CFR)、数字预失真(DPD)；采用一颗射频芯片将4G+5G数字中频信号调制到射频信号通过一副4G和5G公用天线发射出去。通常中国移动等运营商部署5G小基站时希望同时部署4G，本发明的4G/5G双模小基站，降低了4G/5G双模分布式基站的设备成本和部署成本。

Description

一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构和信号处理 算法
技术领域
本发明属于4G/5G分布式基站领域，具体涉及一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构及信号处理算法。
背景技术
目前在中国移动等运营商对于4G/5G双模小基站具有广泛的部署要求，如图1所示，传统的4G/5G双模小基站射频单元(RU)通常的架构通常是采用4颗主芯片：一颗4G数字中频芯片和一颗4G射频芯片以及一颗5G数字中频芯片和5G射频芯片，分别承载4G数字中频、4G射频收发器、5G数字中频和5G射频收发器功能。采用本发明的架构以及信号处理算法的4G/5G双模分布式小基站射频单元，仅采用一颗数字中频芯片和一颗射频芯片，实现4G/5G双模数字中频以及4G/5G双模射频收发器，大大降低了射频单元(RU)设备成本，以及部署成本。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构和信号处理算法，本发明4G/5G双模分布式基站射频单元的架构仅仅采用单颗数字中频芯片和单颗射频芯片在数字中频中采用频移合路以及分路，实现4G/5G双模分布式基站的数字中频的上行和下行信号处理信号，降低了4G/5G双模分布式基站的设备成本。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构，包括通过SFP+光模块CPRI接口与5G小基站中央单元/数据单元(CU/DU)和4G BBU连接的单颗数字中频芯片，该数字中频芯片实现多通道上行链路和下行链路信号处理(包括合路和分路以及频移4G/5G数字中频信号)，与数字中频模块相连接的射频收发芯片单元以及与其相连接的天线，4G/5G双模基站射频单元包括1颗数字中频芯片和1颗射频芯片；
以下行链路为例，4G BBU通过SFP+模块/CPRI接口与4G模块依次连接的第一信道滤波器、第一半带滤波器、第二半带滤波器；5G CU/DU通过SFP+模块/CPRI接口与第二信道滤波器向量，4G和5G信号通过频移和合路模块后输出信号依次连接的数字上变频DUC模块、CFR处理模块、DPD处理模块、D/A转换模块和射频调制/上变频模块；
以上行链路为例，天线接收到的4G+5G射频信号，送入射频芯片的第一射频解调/下变频模块、第一A/D转换模块、然后送入数字中频芯片的数字下变频(DDC)模块将采样率从491.52Msps降到122.88Msps送入频移和分路模块，与所述频移和分路模块连接的第三半带滤波器，以及第四半带滤波器以及第三信道滤波器，第三信号滤波器通过SFP+光模块CPRI接口与4G BBU相连；同时与所述频移和分路模块连接的第四信道滤波器通过SFP+光模块CPRI接口与5G CU/DU模块连接。
所述第一信道滤波器、第一半带滤波器、第二半带滤波器、第二信道滤波器、频移和合路模块、数字上变频(DUC)模块、波峰因子削峰(CFR)处理模块、数字预失真(DPD)处理模块、数字下变频(DDC)模块、频移和分路模块，第三信道滤波器、第三半带滤波器、第四半带滤波器和所述第四信道滤波器均实现于单颗数字中频芯片上；
所述第一射频解调/下变频模块、第一A/D转换模块、D/A转换模块和射频调制/上变频模块均设置于所述单颗射频收发RFIC芯片上。
一种4G/5G双模分布式基站单颗数字中频芯片和单颗射频芯片(RU)系统的信号处理算法，还需要以下配置，包括：
将5G系统的子载波间隔设置为与4G系统的子载波间隔(SCS)一致，并将4G系统和5G系统的上下行时隙配比配置为相同；
以下行链路为例，首先，5G CU/DU输出的5G NR信号经SFP光模块CPRI接口通过第二信号滤波器进行信道滤波后，获得5G基带信号，4G BBU输出的4G LTE基带信号经SFP+光模块CPRI接口通过第一信道滤波器进行信道滤波后，然后第一半带滤波器进行2倍插值，再经第二半带滤波器进行2倍插值后，获得的122.88Msps的20MHz 4G信号，4G LTE信号与5G基带信号的采样率相等，然后，通过频移和合路模块将获得的采样率为122.88Msps 4G LTE信号进行频谱搬移到5G基带信号旁边，使4G LTE基带信号与5G基带信号合路形成连续频谱的4G+5G基带信号，然后该连续频谱的4G+5G基带信号经数字上变频(DUC)模块进行上变频处理，经波峰因子削峰(CFR)处理模块进行波峰因子削峰，经数字预失真(DPD)处理模块进行数字预失真，然后经过数模(D/A)转化模块将数字信号转换成模拟信号后，由射频收发芯片(RFIC)的调制/上变频模块将数字信号调制到载波后经天线发射出去；
以上行链路为例，天线接收到的连续频谱的4G和5G射频信号经RFIC的第一射频下变频模块和第一A/D转换模块后，获得频谱连续的采样率为491.52Msps的4G+5G信号，然后经数字下变频(DDC)模块降低采样率为122.88Msps，由频移和分路模块进行频谱搬移，将所述频谱连续的采样率为122.88Msps 4G+5G信号中的4G中频信号从5G基带信号边上搬移至4G基带信号，实现4G基带信号与5G基带信号的分路，分路后，5G基带信号经第三信道滤波模块进行信道滤波后经SFP光模块发送给5G CU/DU，4G基带信号依次经第三半带滤波器做2倍抽取，第四半带滤波器做2倍抽取后，再经第四信道滤波模块进行信道滤波后，输出30.72Msps的4G LTE信号，经SFP光模块CPRI接口发送给4G BBU。
进一步的，所述5G系统的子载波间隔设置为15KHz，4G系统的子载波间隔也是15KHz。
进一步的，所述4G模块输出的4G LTE信号的频谱带宽为20MHz或者40MH和60MHz；5G模块输出的5G NR信号频谱带宽为100MHz。
与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
1、本发明采用频移和路和分路算法在单颗数字中频芯片实现同时承载4G和5G数字中频功能，同时又采用单颗射频收发芯片承载4G和5G射频收发器功能，从而降低了4G/5G双模分布式基站的射频单元(RU)的成本。此外，在实际使用过程中，鉴于5G NR分布式小基站的覆盖范围比4G小基站的覆盖范围愈小一些，部署数量将大大大于4G小基站的数量；5GNR分布式小基站每一个中央单元/数据单元(CU/DU)通过4个扩展单元连接32个射频单元，因此，采用本发明的系统和信号处理算法能够大大降低4G和5G双模小基站设备成本和部署成本，促进4G和5G小基站在全国范围内的广泛部署。
2、本发明通过所设计的频移和合路模块，使得4G中频信号和5G基带信号形成连续频谱，调制到射频信号后，4G和5G射频信号能够紧挨着一起形成连续频谱发射出去，从而提升了无线频带的频谱利用率，提升4G/5G双模分布式基站的频谱效率。
附图说明
图1为现有技术中4G/5G双模分布式基站射频单元系统的架构图；
图2为本发明一个实施例中4G/5G双模分布式基站射频单元的结构示意图(未画天线和基站单元)；
图3为本发明一个实施例中4G/5G双模分布式基站射频单元系统的信号传输流程图(包含SPF+模块)；
图4为本发明一个实施例中上行频移和分路模块的实现原理图；
图5为本发明一个实施例中下行频移和合路模块的实现原理图。
在图中，1、SFP+模块，2、数字中频芯片，3、射频芯片，4、CPRI接口，5、第一信道滤波器，6、第一半带滤波器，7、第二半带滤波器，8、第二信道滤波器，9、频移和合路模块，10、数字上变频(DUC)模块、11、波峰因子削峰(CFR)处理模块，12、数字预失真(DPD)处理模块，13、D/A转换模块，14、射频上变频模块；15、第一射频下变频模块，16、第一A/D转换模块，17、数字下变频(DDC)模块，18、频移和分路模块，19、第三信号滤波器，20、第三半带滤波器，21、第四半带滤波器，22、第四信号滤波器，23、第二射频下变频模块，24、第二A/D转换模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图2示出的本发明一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统的一个实施例，包括与4G/5G双模基站单元通过SFP+模块1和CPRI接口连接的多通道上行链路单元和多通道下行链路单元，以及与所述上行链路单元和所述下行链路单元连接的天线，所述4G/5G双模基站单元包括4G BBU和5G CU/DU；
以下行为例，4G BBU通过SFP+模块1依次连接的第一信道滤波器5、第一半带滤波器6、第二半带滤波器7连接的频移和合路模块9；5G CU/DU通过所述SFP+模块1与第二信道滤波器8，与第二信道滤波器8和连接的频移和合路模块9，与所述频移和合路模块9依次连接的数字上变频(DUC)模块10、波峰因子削峰(CFR)处理模块11、数字预失真(DPD)处理模块12、D/A转换模块13和射频调制/上变频模块14；
以上行链路为例，包括依次连接的射频芯片上的射频收发芯片(RFIC)的第一射频解调/下变频模块15、第一A/D转换模块16、数字下变频(DDC)模块17以及频移和分路模块18，与所述频移和分路模块18连接的第三半带滤波器19，以及与第三半带滤波器19连接的第四半带滤波器20以及第三信道滤波器21，第三信道滤波器通过SFP光模块1和CPRI接口与4G BBU相连；与所述频移和分路模块18连接的第四信道滤波器22，也通过SFP+模块1和CPRI接口与5G CU/DU连接。
进一步的，所述SFP+模块1上设置有CPRI接口4，所述上行链路单元和所述下行链路单元与所述SFP+模块1通过CPRI接口4连接。
作为本发明一种4G/5G双模分布式基站单数字中频芯片和单射频芯片射频单元(RU)的一个实施例，所述4G/5G双模分布式基站射频单元系统还包括数字预失真(DPD)反馈通道，按反馈信号的传输方向，所述DPD反馈通道包括与所述天线依次连接的第二射频下变频模块23和第二A/D转换模块24，所述第二A/D转换模块24与所述数字预失真(DPD)处理模块12连接。
作为本发明一种4G/5G双模分布式基站射频单元(RU)系统的一个实施例，还包括数字中频芯片2和射频芯片3；
所述第一信道滤波器5、第一半带滤波器6、第二半带滤波器7、第二信道滤波器8、频移和合路模块9、数字上变频(DUC)模块10、波峰因子削峰(CFR)处理模块11、数字预失真(DPD)处理模块12、数字上变频(DDC)模块17、频移和分路模块18，第三信号滤波器19、第三半带滤波器20、第四半带滤波器21和所述第四信道滤波器22均设置于所述数字中频芯片2上；
所述第一射频下变频模块15、第一A/D转换模块16、D/A转换模块13和射频上变频模块14均设置与所述射频芯片3上。
作为本发明一种4G/5G双模分布式基站单数字中频芯片和单射频芯片射频单元(RU)的一个实施例，所述数字中频芯片的可以采用FPGA芯片；所述射频芯片的型号是ADIADRV9025；所述处理4G信号滤波降采样的第一信道滤波器是低通滤波器，信号带宽为4GLTE 20MHz；然后是两级半带滤波器，第一半带滤波器和第二半带滤波器在FPGA芯片上实现；所述第二信道滤波器是针对5G NR100MHz的低通滤波器。所述频移和合路模块、所述数字上变频(DUC)模块、所述CFR处理模块、所述DPD处理模块亦均在FPGA芯片中实现。所述D/A转换模块、所述射频上变频模块、所述第一射频下变频模块、所述第一A/D转换模块均在射频芯片中实现。所述第二射频下变频模块、所述第二A/D转换模块亦在射频芯片中实现。
一种上述4G/5G双模分布式基站单数字中频芯片和单射频芯片射频单元(RU)系统的架构和信号处理算法，如图3～5所示，包括：
首先需要将5G系统的子载波间隔(SCS)配置与4G系统的子载波间隔(SCS)一致，并将4G系统和5G系统的上下行时隙配比配置为相同；对于5G基站系统，子载波间隔有多种配置，比如：15KHz、30KHz、60KHz和120KHz，在本发明中，5G系统的子载波间隔需要配置为15KHz，和4G模块的子载波间隔保持一致。
以下行信号为例，首先，5G CU/DU输出的5G NR信号(频率带宽为100MHz,采样率为122.88Msps),经第二信号滤波器进行信道滤波后，获得5G NR基带信号(采样率为122.88Msps)，4G模块输出的4G LTE信号(频率带宽为20MHz,采样率为30.72Msps)，经过第一信道滤波器5进行信道滤波后，然后经第一半带滤波器6进行2倍插值，再经第二半带滤波器7进行2倍插值后，获得的采样率为122.88Msps 4G LTE信号，4G LTE信号与5G基带信号的采样率相等，然后，频移和合路模块9将获得的4G LTE基带信号进行频谱搬移，使4G LTE信号与所述5G基带信号合路形成连续频谱的4G+5G信号，此时，4G LTE信号紧挨在5G基带信号的边上，20MHz的4G LTE信号和100MHz的5G基带信号形成连续120MHz频谱(采样率为122.88Msps)(在该过程中，120MHz连续频谱内部，100MHz的5G NR基带信号没有进行频谱搬移，但是20MHz的4G LTE信号被频谱搬移到100MHz 5G基带信号边上)，然后所述连续频谱的4G+5G信号经数字上变频DUC模块10进行上变频处理，将采样率提升至491.52Msps，经波峰因子削峰(CFR)处理模块11进行波峰因子削峰，经数字预失真(DPD)处理模块12进行数字预失真，然后经过D/A转化模块将数字信号转换成模拟信号后，由射频上变频模块14调制到射频载波上后经天线发射出去；
以信号上行链路为例，天线接收到的连续频谱的4G和5G射频信号经第一射频解调/下变频模块15和第一A/D转换模块16后，获得频谱连续的4G+5G零中频信号(采样率为491.52Msps)，然后经数字下边频(DDC)模块将采样率降低至122.88Msps后，由频移和分路模块18进行频谱搬移，将所述频谱连续的4G+5G信号中的4G信号从5G基带信号边上搬移下来；实现采样率122.88Msps 4G信号与5G基带信号的分路，在该过程中，100MHz的5G基带信号无需做频率搬移，而20MHz的4G信号需做频率搬移，从紧挨着100MHz 5G基带信号边上，搬移下来。分路后，5G NR基带信号(采样率为122.88Msps)经第三信道滤波模块进行信道滤波后发送给5G CU/DU，采样率为122.88Msps的4G基带信号,依次经第三半带滤波器20做2倍抽取，第四半带滤波器21做2倍抽取后，再经第四信道滤波模块进行信道滤波后，输出4G LTE信号(采样率为30.72Msps)发送给4G BBU。
本发明采用单颗数字中频芯片2设计了频移合路和分路模块使得该芯片可以同时承载4G和5G数字中频功能，同时又采用单颗射频芯片3承载4G和5G射频收发器功能，从而降低了4G/5G双模分布式基站的射频单元的成本。此外，在实际使用过程中，鉴于5G NR分布式小基站的覆盖范围比4G小基站的覆盖范围愈小一些，部署数量将大大大于4G小基站的数量；5G NR分布式小基站每一个中央单元/数据单元(CU/DU)通过扩展单元连接32个射频单元，因此，采用本发明能够大大降低4G和5G双模小基站设备成本和部署成本，促进4G和5G小基站在全国范围内的广泛部署。
本发明通过设置频移和合路模块9，使得4G信号和5G基带信号形成连续频谱，因此，转换成射频信号后，4G和5G射频信号能够紧挨着一起发射出去，从而提升了无线频带的频谱利用率，提升射频单元的频谱效率。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构，其特征在于，包括5GCU/DU和4G BBU，经SFP+光模块CPRI接口，与分布式4G/5G双模基站单数字中频芯片和单射频芯片RU系统相连，还包括以下部分：
(1)对于下行链路采样率为30.72Msps的20MHz 4G基带信号插值升采样至采样率为122.88Msps 20MHz和5G 100MHz基带信号合路为采样率为122.88Msps的4G+5G 120MHz基带信号；
(2)采样率为122.88Msps的4G+5G 120MHz基带信号经过数字中频的数字上变频(DUC)、波峰因子削峰(CFR)和数字预失真(DPD)模块，送往射频芯片(RFIC)经过调制为射频信号经天线发射出去；
(3)对于上行链路，射频芯片将天线接收到的射频信号经过解调为491.52Msps的120MHz的中频信号；
(4)上行链路的中频信号通过数字下变频(DDC)模块从491.52Msps降采样抽取为122.88Msps的120MHz零中频信号；对于上行链路采样率为122.88Msps的120MHz零中频信号中提取出来122.88Msps的100MHz的5G基带信号，经CPRI接口经SFP光口送往5G CU/DU；同时提取出122.88Msps的20MHz的4G信号，经过两级半带滤波和一级信道滤波，提取出采样率为30.72Msps的20MHz的4G信号，送入经CPRI接口经SFP光口送往4G BBU；
按照下行信号传输方向，4G BBU通过所述SFP+模块(1)依次连接的第一信道滤波器(5)、第一半带滤波器(6)、第二半带滤波器(7)以及与第二信道滤波器相连接的频移和合路模块(9)；5G CU/DU通过所述SFP+模块(1)与第二信道滤波器(8)以及与第二信道滤波器相连接的频移和合路模块(9)、与所述频移和合路模块(9)依次连接的数字上变频(DUC)模块(10)、CFR处理模块(11)、DPD处理模块(12)、D/A转换模块(13)和射频调制/上变频模块(14)；
按照上行信号传输方向，所述上行链路包括依次连接的RFIC芯片的第一射频解调/下变频模块(15)、第一A/D转换模块(16)、数字下变频DDC模块(17)以及频移和分路模块(18)，从频移和分路模块(18)输出的采样率为122.88Msps4G信号，输入第三信号滤波器(19)和第三半带滤波器(20)，以及第四半带滤波器(21)，输出通过SFP+模块(1)与4G BBU相连；从频移和分路模块(18)输出的采样率为122.88Msps 5G信号，输入第四信号滤波器(22)，输出信号通过SFP+模块(1)和CPRI接口与5G CU/DU相连。
2.根据权利要求1所述的一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构，其特征在于，由于采用本发明所设计的频移合路模块以及频移分路模块，4G/5G数字中频多通道上行链路和下行链路可以在一块FPGA芯片上实现。
3.根据权利要求1所述的一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构，其特征在于，还包括单颗数字中频芯片(2)和单颗射频芯片(3)来实现4G/5G双模分布式基站射频单元(RU)；
所述第一信道滤波器(5)、第一半带滤波器(6)、第二半带滤波器(7)、第二信道滤波器(8)、频移和合路模块(9)、数字上变频DUC模块(10)、CFR处理模块(11)、DPD处理模块(12)、数字上变频DDC模块(17)、频移和分路模块(18)，第三信号滤波器(19)、第三半带滤波器(20)、第四半带滤波器(21)和所述第四信号滤波器(22)均设置于所述数字中频芯片(2)上；
所述第一射频下变频模块(15)、第一A/D转换模块(16)、D/A转换模块(13)和射频上变频模块(14)均设置与所述射频芯片(3)上。
4.一种根据权利要求1～3任一项所述的一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构的信号处理算法，其特征在于：
将所述5G模块的子载波间隔设置为与所述4G模块的子载波间隔一致，并将4G模块和5G模块的上下行时隙配比配置为相同；
信号在下行链路时，5G CU/DU输出的5G NR信号经第二信号滤波器进行信道滤波后，获得5G基带信号，4G模块输出的4G LTE信号经过第一信道滤波器(5)进行信道滤波后，然后经第一半带滤波器(6)进行2倍插值，再经第二半带滤波器(7)进行2倍插值后，获得的采样率为122.88Msps的4G信号，所述4G LTE信号与所述5G基带信号的采样率相等，然后，频移和合路模块(9)将获得的4G LTE信号进行频谱搬移，使4G LTE信号与所述5G基带信号合路形成连续频谱的4G+5G信号，然后所述连续频谱的4G+5G信号经数字上变频DUC模块(10)进行上变频处理，经CFR处理模块(11)进行波峰因子削峰，经DPD处理模块(12)进行数字预失真，然后经过D/A转化模块将数字信号转换成模拟信号后，由射频收发芯片(RFIC)的射频上变频模块(14)调制到射频载波后经天线发射出去；
信号在上行链路，天线接收到的连续频谱的4G和5G射频信号经第一射频下变频模块(15)和第一A/D转换模块(16)后，获得采样率为491.52Msps频谱连续的4G+5G中频信号，然后经数字下边频模块(DDC)降低采样率为122.88Msps的4G+5G基带信号，由频移和分路模块(18)进行频谱搬移，将所述频谱连续的4G+5G基带信号中的4G中频信号从5G基带信号边上搬移至4G基带信号，实现4G基带信号与5G基带信号的分路，分路后，采样率为122.88Msps的5G基带信号经第三信道滤波模块进行信道滤波后发送给5G CU/DU；采样率为122.88Msps的4G基带信号依次经第三半带滤波器(20)做2倍抽取，第四半带滤波器(21)做2倍抽取后，再经第四信道滤波模块进行信道滤波后，输出30.72Msps的4G LTE基带信号，发送给4G BBU。
5.根据权利要求5所述的一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构的信号处理算法，其特征在于，所述5G模块的子载波间隔设置为15KHz，同时4G/5G系统采用相同的时隙配比。
6.根据权利要求5所述的一种4G/5G双模分布式基站射频单元系统架构的信号处理算法，其特征在于，所述4G BBU输出的4G LTE信号的频率带宽可以为20MHz/40MHz/80MHz；5GCU/DU输出的5G NR信号频率带宽可以为100MHz。4G+5G的系统带宽，由射频芯片的系统带宽决定。
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