CN114826291B - 一种映射表生成方法及双频带数字射频发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种映射表生成方法及双频带数字射频发射机，包括基带单元、插值单元、中频搬频单元、直角坐标转换极坐标单元、双频映射表生成单元、双频映射编码单元、及射频数模转换单元；其中基带单元生成基带数字信号，插值单元提高基带信号的采样率，中频搬频单元实现信号的中频搬频得到中频信号，直角坐标转换极坐标单元将直角坐标转换为极坐标得到中频信号的幅度和相位，双频映射表生成单元生成双频LUT映射表，双频映射编码单元实现中频信号到双载波射频脉冲的映射，射频数模转换单元实现将1‑bit的数字射频脉冲转换为模拟脉冲信号输出。相对于消耗较多乘法运算资源的基于DSM的数字射频发射机，本发明的设计成本较低。

Description

一种映射表生成方法及双频带数字射频发射机

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，具体涉及一种映射表生成方法及双频带数字射频发射机。

背景技术

随着移动无线通信的进一步发展，当前的移动无线设备面临着模块化、软件化、多模共存等方面的挑战。近年来，在下一代的射频收发机的研究中，全数字射频发射机引起了广泛的关注。特别是当移动通信系统需要载波聚合以及多频段多制式共存，射频发射机需要支持多频段的信号同时传输，并且这些用于传输的频带会随着通信技术的发展和频谱资源的规划而改变，所以需要发射机具备可重构特性。面对这些需求，基于传统模拟架构的无线射频发射机的设计越来越困难，而具备可灵活重构能力的全数字射频发射机则成为一种极具潜力的解决方案。

数字射频发射机是基于数字电路来实现的，得益于数字信号处理技术的快速发展，使其实际应用成为可能。近年来，基于Delta-sigma modulation(DSM)编码技术，在FPGA中实现的多载波数字射频发射机受到最广泛的关注，其包括两种架构，一种是基于低通DSM的，另一种是基于带通DSM的，如图1(a)及图1(b)所示。然而，基于低通DSM的架构其变频范围比较受限，只能在较小范围改变载波频率。而基于带通DSM的架构复杂度较高，需要消耗大量的逻辑资源，特别是DSP48这一类的重要资源。

为了解决DSM发射机的问题，一种基于映射编码的数字射频发射机架构引起了研究人员的关注。在此类架构中，不需要DSM，基于查找表(look-up table,LUT)实现中频复数信号和射频脉冲的映射。由于没有DSM的复杂运算，因此大大减少了DSP48的资源消耗。然而，目前只有基于单载波映射编码方法的射频发射机架构，对于多载波映射编码技术的研究尚未见报道。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种映射表生成方法及双频带数字射频发射机。

本发明采用如下技术方案：

一种映射表生成方法，适用于双频带映射编码，包括：

根据获得两路输入信号幅度和相位的取值范围，分配双频LUT映射表的地址空间；

列出所有位宽为W₃，长度为N的数字序列，得到集合P＝{p_kk∈K}，其中K＝{1,2,…,(W₃)^N}，p_k＝[p_k,0,p_k,1,…,p_k,i,…,p_k,N-1]，p_k,i(i＝0,1,…N-1)是一个位宽为W₃的整数值，并计算所有数字序列在载频点f_c1和f_c2的幅度和相位，数字序列的幅度和相位分别构成输入信号量化值集合和/>

在输入信号量化值集合Q^I和Q^II中搜索欧氏距离最小的

将与对应的射频序列/>存储到幅度和相位对应的地址中，重复上述步骤，构成双频LUT映射表。

进一步，采用傅里叶变换获得数字序列在载频点f_c1和f_c2的幅度和相位。

进一步，所述在输入信号量化值集合Q^I和Q^II中搜索欧氏距离最小的具体计算方法如下：

其中，和(r^I,r^II)∈(0,1]是输入信号的幅度系数。

一种双频带数字射频发射机，包括：

基带单元，用于生成两路基带信号；

插值单元，用于提高两路基带信号的采样率；

中频搬频单元，用于实现插值后信号的中频搬频，得到两路中频信号；

直角坐标转换极坐标单元，用于得到两路中频信号的幅度和相位；

中频映射表生成单元，用于生成中频LUT映射表；

中频映射编码单元，通过两路中频信号的幅度和相位分别计算索引地址搜索中频LUT映射表对应的N_o长度的中频复数序列并输出；

双频映射表生成单元，用于生成双频LUT映射表，调整射频数字发射机的载波频率；

双频映射编码单元，用于通过两路中频复数序列计算索引地址搜索双频LUT映射表对应的N长度的1-bit脉冲并输出；

射频数模转换单元，用于将两路N长度的1-bit脉冲转换为模拟脉冲信号。

进一步，所述插值单元用于将两路输入基带信号插值得到信号采样频率为f_IF,o。

进一步，所述中频映射编码单元，用于通过两路中频信号的幅度和相位分别计算索引地址搜索中频LUT映射表对应的N_o长度的中频复数序列并输出，具体为：两路中频信号映射为一个位宽为W₂、长度为N_o的中频复数序列。

进一步，所述双频映射表生成单元通过更新LUT内容调整射频数字发射机的载波频率。

进一步，所述双频映射编码单元，具体为：

将两个中频复数序列映射为一个位宽为W₃、长度为N的数字序列p(n)，数字序列p(n)的采样频率为f_RF，其中f_RF＝N·f_IF，N为整数。

进一步，所述中频复数序列的中心频率f_c1,IF,f_c2,IF计算如下：

f_c1和f_c2为双载波频率，且它们表示为

其中，

代表向下取整函数。

进一步，所述中频搬频单元的频谱搬移过程如下：

其中，f_c1,IF和f_c2,IF为中频载波频率，且表示为

其中，

代表向下取整函数；

因此，频谱搬移过程表示为

本发明的有益效果：

(1)本发明的架构简单，基于LUT映射表来实现编码，而LUT在FPGA主要消耗一般常用的高速存储资源如BRAM，而不消耗较为昂贵的乘法运算资源如DSP48。相对于消耗较多乘法运算资源的基于DSM的数字射频发射机，本发明的设计成本较低。

(2)本发明具有较高的变频灵活性，只要通过更新表的内容，即可实现载波频率的切换，而不需要进行复杂的逻辑运算，大大提高了其实际工程应用的可能性。

(3)本发明的输出信号性能较好，包括邻道泄漏比(adjacent channel leakageratio,ACLR)以及误差幅度向量(error vector magnitude,EVM)等。本发明的双频输出信号ACLR均低于-40dBc，EVM均低于5％，优于现有的基于DSM的多载波数字射频发射机。

附图说明

图1(a)是基于低通DSM的多载波数字射频发射机架构示意图；

图1(b)是基于带通DSM的多载波数字射频发射机架构示意图；

图2是本发明基于映射编码的双频带数字射频发射机的结构示意图；

图3是本发明的双频映射表生成方法的流程图；

图4是本发明实施例中基于映射编码的双频带数字射频发射机的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种基于映射编码的双频带数字射频发射机，如图2所示，包括：基带单元，插值单元，中频搬频单元，直角坐标转换极坐标单元，中频映射表生成单元，中频映射编码单元，双频映射表生成单元，双频映射编码单元以及射频数模转换单元。

所述基带单元，生成基带数字信号如16-QAM信号或者OFDM信号等数字调制信号，其中基带信号的采样频率为f_BB。

所述插值单元，提高基带信号的采样率至f_IF,o，具体是将两路输入基带信号插值得到信号/>其中信号/>的采样频率为f_IF,o

所述中频搬频单元，实现信号的中频搬频得到中心频率为(f′_c1,IF,f′_c2,IF)的中频信号，具体是将信号中频搬频，得到中心频率为(f′_c1,IF,f′_c2,IF)的中频信号其计算式如下：

其中，f_c1,IF和f_c2,IF为中频载波频率，且它们可以表示为

其中，

代表向下取整函数。

因此，频谱搬移过程可以表示为

直角坐标转换极坐标单元，将直角坐标转换为极坐标得到中频信号的幅度和相位。

所述直角坐标转换极坐标单元，用于计算中频信号的幅度和相位以索引LUT映射表，其中信号和/>的幅度和相位分别为/>和/>它们的位宽均为W_2,o。

中频映射表生成单元，生成中频LUT映射表。

中频映射编码单元，实现中频信号的位宽压缩，此时中频信号的中心频率为(f_c1,IF,f_c2,IF)。

具体地，将映射为一个位宽为W₂、长度为N_o的中频复数序列其中信号/>和/>的幅度和相位分别为(ρ^I(m),θ^I(m))和(ρ^II(m),θ^II(m))。复数序列/>的采样频率为f_IF，其中f_IF＝N_o·f_IF,o，N_o为一整数。复数序列/>的中心频率(f_c1,IF,f_c2,IF)的计算式如下：

其中，f_c1和f_c2为双载波频率，且它们可以表示为

其中，

代表向下取整函数。

所述的双频映射表生成单元用于生成双频LUT映射表，并且通过更新LUT的内容可以灵活地调整射频数字发射机的载波频率。

具体地，若要调整射频数字发射机的载波频率，则需更新LUT内容和中频复数序列的中心频率(f_c1,IF,f_c2,IF)。

进一步，如图3所示，双频映射表生成单元的生成方法如下：

S1根据获得两路输入信号幅度和相位(ρ^I,θ^I)、(ρ^II,θ^II)的取值范围，分配双频LUT映射表的地址空间；

分配LUT映射表的地址空间是根据两路输入信号幅度和相位的取值范围来进行的，其是对物理空间进行分配的过程。输入信号幅度和相位的取值范围是由输入信号的位宽决定的，故当输入信号的位宽确定后便能确定输入信号幅度和相位的取值范围。

S2列出所有位宽为W₃，长度为N的数字序列，得到集合P＝{p_k|k∈K}，其中K＝{1,2,…,(W₃)^N}，p_k＝[p_k,0,p_k,1,…,p_k,i,…,p_k,N-1]，p_k,i(i＝0,1,…N-1)是一个位宽为W₃的整数值，然后采用傅里叶变换计算所有数字序列在载频点f_c1和f_c2的幅度和相位，数字序列的幅度和相位分别构成输入信号量化值集合和/>

其计算式如下：

其中，T_RF＝1/f_RF。数字序列所有的幅度和相位分别构成输入信号量化值集合和/>

S3在输入信号量化值集合Q^I和Q^II，对于输入信号的所有幅度和相位，在Q^I和Q^II中搜索欧氏距离最小的从而得到/>

其计算式如下：

其中，和/>(r^I,r^II)∈(0,1]是输入信号的幅度系数。

S4然后将与对应的射频序列/>存储到幅度和相位对应的地址中，重复上述步骤，构成双频LUT映射表。

双频映射编码单元，实现中频信号到双载波射频脉冲的映射，具体是将映射为一个位宽为W₃、长度为N的数字序列p(n)。数字序列p(n)的采样频率为f_RF，其中f_RF＝N·f_IF，N为一整数。实际上，映射编码单元是一个LUT。索引空间的大小取决于(ρ^I(m),θ^I(m))和(ρ^II(m),θ^II(m))的数值范围。

所述射频数模转换单元实现将1bit数字序列p(n)转换为模拟脉冲信号y(t)。

采用本发明的具体实施过程：

以下以产生包含4G频段的2.15GHz和5G频段的3.5GHz的双频信号为例，结合附图3、图4，本发明的各单元可以采用如下方式实现。

首先根据所需要的双载波频点f_c1＝2.15GHz，f_c2＝3.5GHz设置f_RF＝30.4GHz，N＝20，f_IF＝1.52GHz，N_o＝2，f_IF,o＝760MHz。

所述的基带单元：该单元产生采样率为f_BB＝95MHz，位宽为12bits的基带信号。

所述的多相插值单元：该单元将两路基带信号的采样率插值到f_IF,o＝760MHz，插值倍数为8。此时设置FPGA的时钟速率为380Mbps，通过并行2路插值，实现8倍的插值。

所述的并行中频搬频单元：该单元将两路基带信号的载波频率搬频到中频载波频率。根据公式(1)和公式(5)，得到此时搬频后的中心频率为f′_c1,IF＝-130MHz和f′_c2,IF＝-300MHz。

所述的CORDIC单元：该单元将直角坐标转换为极坐标，计算出中频信号的幅度和相位，输出的幅度和相位的位宽均为8bits。

所述的中频LUT生成单元：根据公式(5)，计算得f_c1,IF＝630MHz，f_c2,IF＝460MHz，通过单载波映射编码的LUT生成方法生成对应的LUT。

所述的基于中频LUT的中频映射编码单元：通过两路中频信号的幅度和相位分别计算索引地址搜索LUT对应的N_o长度的中频复数序列并输出。

所述的双频LUT生成单元：根据f_IF＝1.52GHz，N＝20，f_c1＝2.15GHz，f_c2＝3.5GHz，通过图3所示步骤产生对应LUT用于映射编码。

所述的基于双频LUT的双频映射编码单元：通过中频信号的幅度和相位计算索引地址搜索LUT对应的N长度的1-bit脉冲并输出。

所述的基于SerDers端口的射频数模转换单元：设置SerDes的线速率为30.4Gbps，通过SerDes并串转换将4路并行得到脉冲转换为1路射频脉冲输出。

以上例子最终可输出2.15GHz和3.5GHz的双频信号，ACLR低于-40dBc，EVM小于5％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双频带数字射频发射机，其特征在于，适用于双频带映射编码，包括：

基带单元，用于生成两路基带信号；

插值单元，用于提高两路基带信号的采样率；

中频搬频单元，用于实现插值后信号的中频搬频，得到两路中频信号；

直角坐标转换极坐标单元，用于得到两路中频信号的幅度和相位；

中频映射表生成单元，用于生成中频LUT映射表；

中频映射编码单元，通过两路中频信号的幅度和相位分别计算索引地址搜索中频LUT映射表对应的N_o长度的中频复数序列并输出；

双频映射表生成单元，用于生成双频LUT映射表，调整射频数字发射机的载波频率；

具体为：

根据获得两路输入信号幅度和相位的取值范围，分配双频LUT映射表的地址空间；

列出所有位宽为W₃，长度为N的数字序列，得到集合P＝{p_k|k∈K}，其中K＝{1,2,…,(W₃)^N}，p_k＝[p_k,0,p_k,1,…,p_k,i,…,p_k,N-1]，p_k,i(i＝0,1,…N-1)是一个位宽为W₃的整数值，并计算所有数字序列在载频点f_c1和f_c2的幅度和相位，数字序列的幅度和相位分别构成输入信号量化值集合和/>

在输入信号量化值集合Q^I和Q^II中搜索欧氏距离最小的

将与对应的射频序列/>存储到幅度和相位对应的地址中，重复上述步骤，构成双频LUT映射表；

所述在输入信号量化值集合Q^I和Q^II中搜索欧氏距离最小的具体计算方法如下：

其中，和/>(r^I,r^II)∈(0,1]是输入信号的幅度系数；

双频映射编码单元，用于通过两路中频复数序列计算索引地址搜索双频LUT映射表对应的N长度的1-bit脉冲并输出；

射频数模转换单元，用于将两路N长度的1-bit脉冲转换为模拟脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的双频带数字射频发射机，其特征在于，采用傅里叶变换获得数字序列在载频点f_c1和f_c2的幅度和相位。

3.根据权利要求1所述的双频带数字射频发射机，其特征在于，所述插值单元用于将两路输入基带信号插值得到信号/>采样频率为f_IF,o。

4.根据权利要求1所述的双频带数字射频发射机，其特征在于，所述中频映射编码单元，用于通过两路中频信号的幅度和相位分别计算索引地址搜索中频LUT映射表对应的N_o长度的中频复数序列并输出，具体为：两路中频信号映射为一个位宽为W₂，长度为N_o的中频复数序列。

5.根据权利要求4所述的双频带数字射频发射机，其特征在于，所述双频映射表生成单元通过更新LUT内容调整射频数字发射机的载波频率。

6.根据权利要求4所述的双频带数字射频发射机，其特征在于，所述双频映射编码单元，具体为：

将两个中频复数序列映射为一个位宽为W₃、长度为N的数字序列p(n)，数字序列p(n)的采样频率为f_RF，其中f_RF＝N·f_IF，N为整数，f_IF为复数序列/>的采样频率。

7.根据权利要求6所述的双频带数字射频发射机，其特征在于，所述中频复数序列的中心频率f_c1,IF,f_c2,IF计算如下：

f_c1和f_c2为双载波频率，f_IF为复数序列的采样频率，且它们表示为

其中，

代表向下取整函数。